Villamos gépek. A villamos gépek működésének alapelvei

Átírás

1 A illamos gépek működésének alapelei A illamos gépekben - generátorokban, motorokban és transzformátorokban egyaránt -feszültség indukálódik. A generátorban indukált feszültségről tápláljuk a fogyasztókat, a motorban indukált feszültség egyensúlyt tart a motort tápláló hálózat feszültségéel. A illamos gépek - a transzformátor kiételéel - mozgó, leggyakrabban forgó alkatrészeket tartalmaznak. E mozgás erő, illete nyomaték hatására létesül. A illamos motorok ezt a nyomatékot maguk létesítik, a generátorokat hajtógép forgatja nyomatéka segítségéel. A köetkezőkben megismerkedünk a illamos gépekben indukált feszültségekkel és a létrejöő nyomatékokkal. Az indukált feszültség A illamos gépekben a mozgási és a nyugalmi elektromágneses indukció írtján indukálódik feszültség. Ha a mágneses térben mozgó ezető indukcióonalakat metsz, akkor benne feszültség indukálódik. Ez a jelenség a mozgási elektromágneses indukció. Ha l m hatásos hosszúságú ezeték B Vs/m 2 mágneses indukciójú térben az indukcióonalakra merőlegesen m/s sebességgel mozog, akkor az indukált feszültség oltokban U i = Bl. Az l ábra a mágneses tér indukcióonalait és a mozgó ezetéket két nézetben mutatja. A keresztek táolodó irányú indukcióonalakat jelentenek, az alsó ábra a felső felülnézete. Ha a mozgó ezeték két égére - mint az ábrán látható fogyasztót kapcsolunk, agy röidre zárjuk, akkor áram indul meg. Az áramirány Lenc törénye segítségéel állapítható meg: az indukált feszültség által! létesített áram olyan irányú, hogy hatásáal gátalja az indukáló okot. Az indukáló ok a ezeték mozgása. Az áram maga körül olyan irányú Felhasznált irodalom: Magyari Istán: I. 1

2 indukcióonalakat kell létesítsen, amelyek az eredeti tér indukcióonalait a mozgás irányában (az ábrán a ezető jobb oldalán) sűrítik. Az indukcióonalak iránya tehát az óramutató járásáal kell megegyezzen. Ilyen irányú indukcióonalakat táolodó irányú áram hoz létre. Ezt tüntettük fel az 1. ábrán. Ebből már köetkezik az indukált feszültség iránya. A feszültség irányát kétféleképpen áltoztathatjuk meg: az indukcióonalak agy a mozgás irányának megáltoztatásáal. Mindkettő egyidejű megáltoztatása esetén az indukált feszültség iránya nem áltozik. Forgó illamos gépekben nem egyetlen ezeték mozog egyenes pályán, hanem tekercs forog. Ha egy tekercsben áltozik a mágneses indukcióonalak száma (a mágneses fluxus), akkor a tekercsben feszültség indukálódik. Ez a jelenség a nyugalmi elektromágneses indukció. Ha egy menetben t idő alatt Φ a fluxusáltozás, akkor az indukált feszültség oltokban: ΔΦ U i = Δt Ha a fluxusáltozás N menetszámú tekercsben játszódik le, akkor az indukált feszültség: ΔΦ U i = N Δt A tekercsben lejátszódó fluxusáltozás az idő függényében gyakran szinuszos. Az indukált feszültség a fluxushoz képest 90 -ot siet. A nyomaték A illamos forgógépek nyomatékát mágneses mező és áramot iő ezeték hozzák létre. A mágneses mezőt a gép álló- agy forgórésze létesítheti, az áramot iő ezeték - ennek megfelelően - lehet a forgórészen agy az állórészen. nyomatékának keletkezése A nyomaték létrejöttének egyszerűsített ábrázolását láthatjuk a ábrán. A gép állórésze B Vs/m 2 mágneses indukciójú homogén mágneses teret létesít. A forgórészen két l m hatásos hosszúságú ezető an. Az l A áramerősség a két ezetőben ellentétes irányban folyik. Az indukcióonalak sűrűsödése alapján megállapítható a ezetékekre ható erők iránya. Nagyságuk N-ban: Felhasznált irodalom: Magyari Istán: I. 2

3 F = BIl. A két erő erőpárt alkot, tehát nyomatékot létesít. Ha a két ezető táolsága D akkor a nyomaték Nm-ben: M=FD A gép szögsebességét ω-al jelöle, a teljesítmény W-ban: = Mω A illamos forgógépek kifejthetnek hajtó nyomatékot (M h ), de jelenthetnek terhelő nyomatékot is (M t ). Ha a gép hajtó nyomatékot fejt ki, akkor általában hat a tengelyére ellentétes irányi! terhelő nyomaték is. Ha a illamos gép jelenti a terhelő nyomatékot, akkor hajtó nyomatékkal kell a tengelyét forgatni. A gép tengelyére tehát mindenképpen két ellentétes irányú nyomaték hat ( ábra). Ha M h = M t akkor a gép áll agy állandó fordulatszámmal forog. Ha M h > M t akkor a gép gyorsul, ha M h < M t akkor a gép nem indul meg, ill. ha már forog, akkor a nagyobb terhelő nyomaték hatására lassul. A forgó illamos gépek működési elétől függően különbözőképpen áltozhat a gépek nyomatéka a fordulatszám függényében. Ugyanígy különböző lehet a illamos gépeket hajtó agy terhelő nyomaték fordulatszám függése is. A hajtó- és a terhelő nyomaték Munkapontok: a) stabilis, b) labilis, c) M t1 nyomatékkal a motor nem tud megindulni, M t2 -el az M munkapont alakul ki A --a ábrán megrajzoltuk egy gép tengelyére ható hajtó és terhelő nyomaték M h = f(n) és M t = f(n) függényét. Bár mindkét nyomaték metszékeit a ízszintes tengely fölé rajzoltuk, hogy ilágosan lássuk egymáshoz iszonyított nagyságukat, azért tudjuk, hogy a két nyomaték ellentétes irányú. Ha n 1 <n fordulatszámmal jár a gép, akkor M h = M t ~, a gépre M gy -= M h M t Felhasznált irodalom: Magyari Istán: I. 3

4 gyorsító nyomaték hat, mely a gép fordulatszámát n-ig nöeli, ahol M h = M t, azaz gyorsító nyomaték nincs (M gy = 0), a gép fordulatszáma ebben az úgyneezett munkapontban (M) állandósul. Ha a gép fordulatszáma n 2 > n, akkor M h < M t, a gépre M 1 = M h M t lassító nyomaték hat (M t és M gy ellentétes előjelű és irányú), mely a gép fordulatszámát n-ig csökkenti. Tehát minden körülmények között a gép az M munkapontban üzemel, onnan alamilyen hatással kimozdíta és a hatást megszüntete, oda megint isszatér. Ez a stabilis munkapont. Stabilis a munkapont, ha a munkaponthoz tartozó fordulatszámnál kisebb fordulatszámon M h > M t nagyobb fardulatszámon M h < M t. Nem stabilis, úgyneezett labilis munkapontot mutat a b ábra. n 1 < n fordulatszámon M h < M t lassító nyomaték lép fel, mely a gép fordulatszámát csökkenti. Ha a nyomatéki görbék kisebb fordulatszámon már nem találkoznak, akkor a gép megáll n 2 > n fordulatszámon M h > M t, gyorsító nyomaték lép fel, mely a gép fordulatszámát nöeli és ha a nyomatéki görbék nagyobb fordulatszámokon már nem találkoznak, akkor a fordulatszám --- ha alamilyen biztonsági berendezés ebben nem gátolná meg, agy a gép nem hibásodna meg -- minden határon túl nöekedne. Ezt a jelenséget neezzük megszaladásnak. Labilis munkaponttal a gép nem tartható üzemben, mert bármilyen kis külső hatásra a gép kimozdulhat a munkapontból és máris beköetkezik az előbb leírt egyik agy másik jelenség. A c ábrán n = 0 fordulatszámon, azaz álló állapotban M t1 >M h a gép nem tud megindulni. Ha a terhelő nyomatékot álló állapotban M t2 -re csökkentjük, akkor a gép megindul és az M stabilis munkapontig felgyorsul. A illamos gépek eszteségei és hatásfoka Minden gépben, tehát a illamos gépekben is keletkeznek eszteségek. Ezek miatt a gép hasznosított teljesítménye ( h ) mindig kisebb a gépbe beezetett ( b ) teljesítménynél. Tekercseszteség a gép tekercseiben jön létre: t = I 2 R, ha R ellenállású tekercsen!áramerősség folyik. Ha a gépben több tekercs an, akkor különkülön ki kell számítani mindegyikben a tekercseszteségeket és összegezni kell azokat. Szokás a tekercseszteséget rézeszteségnek is neezni. Járulékos tekercseszteség akkor jön létre, ha a tekercs ezetőiben áltakozó áram folyik (B.8 ábra). Ez a ezető belsejében és a ezető körül áltakozó mágneses teret létesít, melynek indukcióonalai periódusonként kétszer irányt áltoztatnak. A ezető belsejét több áltakozó indukcióonal eszi körül mint a széleket, ezért a ezető belsejében nagyobb az önindukciós feszültség s Lenc törénye értelmében ez ott jobban akadályozza az áram folyását mint a Felhasznált irodalom: Magyari Istán: I. 4

5 Járulékos tekercseszteség Kialakulása Az örényáram eszteség kialakulása és csökkentése lemezeléssel széleken. Ez azt jelenti, hogy a ezető belsejének nagyobb az induktí reaktanciája, az áram a ezető belsejéből a felület felé szorul: a széleken nagyobb az áramsűrűség mint középen. Olyan a helyzet mintha az áram nem folyna a ezető teljes A keresztmetszetén, tehát mintha a ezető ellenállás megnöekedne. Az I'=R összefüggés értelmében ez eszteségnöekedést jelent. A járulékos tekercseszteség főleg akkor számotteő, ha a négyszög keresztmetszetű ezető nagyobbik mérete a 10 mm-t meghaladja és a frekencia több mint 50 Hz. Vaseszteség a gép olyan as alkatrészeiben jön létre, amelyekben a mágneses indukció áltozik. Két részből áll: átmágnesezési és örényáram eszteségből. A asat úgy tekinthetjük, hogy az elemi mágnesekből agy elemi köráramokból áll. Ezek tengelyei igyekeznek beállni az indukcióonalak irányába. A áltakozó indukcióonalak irányának köetése belső súrlódással jár, ez hőt fejleszt. Ezt neezzük átmágnesezési agy hiszterésziseszteségnek. Arányos a as súlyáal, a frekenciáal, a mágneses indukció maximumának négyzetéel és függ a as minőségétől. Nagyobb mennyiségű asban természetesen több eszteség jön létre. A hiszterézis eszteség azért arányos a frekenciáal, mert nagyobb frekencia esetén a asban az elemi mágnesek. másodpercenként a frekenciáal arányosan többször súrlódnak egymáson. A mágneses indukció négyzetétől aló függést mérésekkel bizonyították. A hiszterézis eszteség szilícium ötözéssel csökkenthető. A áltakozó mágneses indukció nemcsak a tekercsek ezetőiben, hanem a gépek as testében is indukál feszültséget és ez a astestben - mint egy röidrezárt menetben - áramot (ún, örényáramot) indít, mely hőt fejleszt. Ez az örényárameszteség.. Tömör astest metszete látható a..ábrán, ahol megrajzoltuk az indukcióonalakat és az I ö örényáramot. Az örényárameszteség csökkentése a as lemezeléséel és szilícium ötözéssel történik. A lemezastagság 0,35 agy 0,5 mm. A lemezeket egymástól ékony lakk agy keramikus réteggel szigeteljük. Síkjuk az indukcióonalakkal párhuzamos, hogy a lemezek közötti szigetelés ne okozzon mágneses ellenállás nöekedést. A szilícium ötözés 0,2 4,5%-os. A as lemezeléséel nő a as R = ρl/a ellenállása, hiszen nő az örényáramok útja, mert az mindegyik lemezben folyik és csökken A, a lemez keresztmetszete. A szilícium ötözés nöeli a as fajlagos ellenállását, tehát ez is nöeli a as ellenállását. Az örényárameszteség arányos a as súlyáal, alamint a frekenciának, a as méretének és a mágneses indukció maximumának négyzetéel. Függ a as minőségétől is. Nagyobb súlyú asban természetesen több örényáram eszteség keletkezik. A asban indukált feszültség annál nagyobb, mennél nagyobb a frekencia, mert nagyobb frekencián gyorsabban áltakoznak az indukcióonalak; annál nagyobb, mennél nagyobb a as mérete, mert nagyobb a as hatásos hossza; annál nagyobb, mennél nagyobb az indukció. Felhasznált irodalom: Magyari Istán: I. 5

6 A aseszteség számítása érdekében a asanyagokra megadják a 10 eszteségi számot. Ez_ a szám megmutatja, hogy 50 Hz frekciáal szinuszosan áltakozó 1 Vs/m 2 - maximális értékű mágneses indukció esetén hány W eszteség.jön létre 1 kp asban. Különböző astagságú, szilíciumtartalmú és különböző technológiáal készült aslemezek eszteségi száma pl. 3,6; 2,3; 1,1 ; 0,7 W; kg. Járulékos aseszteség azokban a as gépalkatrészekben jön létre, ahol a mágneses indukció a gép néleges frekenciájánál nagyobb frekenciáal áltakozik. A gép néleges frekenciája az a frekencia, amire a gép készült. A kefék átmeneti eszteségét nem a kefe és az alatta futó felület közötti átmeneti ellenállásból számítjuk, mert az áltozik, hanem az átmeneti ellenálláson létrejöő és egy adott gépnél nagyjából állandó U = 0,4.1 V feszültségből a kefe = I U kefe képlet alapján, ahol I a kefén átfolyó áram. Forgó illamos gépekben hőt fejleszt, tehát eszteséget létesít a csapágy- és légsúrlódás. Ez a súrlódási eszteség. Légsúrlódást nemcsak a forgórész létesít, hanem a forgórészre, agy külön szerelt szellőzők is. A gép hatásfoka η = h b A generátor illamos teljesítményt hasznosít, a beezetett teljesítmény mechanikai: h = ill, b = mech. A illamos teljesítmény könnyen mérhető műszerekkel, a mechanikai teljesítmény mérése iszont nehézkes. Könnyebb számítással agy méréssel meghatározni a eszteségek összegét ( ). A b = h + összefüggést mech = ill + alakban alkalmaza ill α = + ill A számlálót és a neezőt ill - el égigoszta a gyakorlatban használatos 1 α = 1 + összefüggést kapjuk a generátor hatásfokára. A motor mechanikai teljesítményt hasznosít, a beezetett teljesítmény illamos: h = mech, b = ill. Itt is olyan hatásfok képletet igyekszünk nyerni, amelyikben nem szerepel a mechanikai teljesítmény. A h = b - összefüggést mech = ill alakban alkalmaza ill ill ill η =. ill -al egyszerűsíte a gyakorlatban használatos η =1 ill összefüggést kapjuk a motor hatásfokára. Átalakítók esetében mind a beezetett, mind a hasznosított teljesítmény illamos: Felhasznált irodalom: Magyari Istán: I. 6

7 hill η = bill hill és bill egymáshoz nagyon közelálló érték. Bármelyik meghatározásánál elköetett kis hiba már nagy mértékben befolyásolja a kiszámított hatásfok pontosságát. Ezért csak az egyik illamos teljesítményt határozzák meg közetlenül, a másikat a eszteségek segítségéel. Ha pl. a hill -t határozzák meg közetlenül, akkor bill = hill +, és ebből a hatásfok η = hill hill + 1 = 1 + hill. A fellépő eszteségek hatására a gép melegszik, hűtésről kell gondoskodni. A eszteségek rontják a gép hatásfokát. Csökkenteni lehetne a gép melegedését, esetleg hűtésről se kellene gondoskodni és a Itatásfok is jaulna, ha olyan gépeket készítenének, amelyekben keés a eszteség. A tekercseszteség kis ellenállású, tehát nagy keresztmetszetű ezetőel csökkenthető. A aseszteség csökkentése Bm csökkentéséel érhető el, de ennek érdekében nagy askeresztmetszetet kell alkalmazni, hogy a szükséges fluxus kialakulhasson. Mindez azt mutatja, hogy a kis eszteségű gép nagy méretű lesz és ezért lesz drága. Általában gazdaságosabb kisebb, de eszteségesebb képeket készíteni és leegő, hidrogén, olaj agy íz hűtéssel(esetleg többféle hűtés kombinációjáal) gondoskodni arról, hogy a gép alkatrészei sehol se lépjék túl a szabány által előírt megengedett hőmérsékletet. Ez a hőmérséklet a géptől, egyes alkatrészeitől és az alkalmazott szigetelőanyagtól függően elérheti, sőt meg is haladhatja a 100 C-ot. A melegedés hatásara a szigetelőanyagok fokozatosan tönkremennek, öregszenek. Ez befolyásolja a gép élettartamát, de még akkor is gazdaságosabb nagyobb eszteségű gépet készíteni, ha a gépet éenként át kell tekercselni. Felhasznált irodalom: Magyari Istán: I. 7