É r z é k e l ő k. M,ω M t. A korszerű, szabályozott villamos hajtás elvi felépítése 1.1.a ábra

Átírás

1 1 1. ÁLTALÁNOS KÉRDÉSEK. A villamos hajtás felépítése, kiválasztása, stabilitása. A villamos motorokat valamilyen technológiai (anyag-, energia-, biológiai-átalakítási, szállítási) folyamatot végző munkagép (terhelőgép) hajtására használják. A motorok ma már gyakran egy energetikai egységen (meghajtón, driveren) keresztül csatlakoznak az országos villamos energia hálózatra. A meghajtó, a motor és a terhelőgép együttesét villamos hajtásnak nevezzük. Természetesen a hajtásokhoz hozzátartoznak érzékelők, amelyek jeleit az irányító (szabályozó, vezérlő és védelmi) egység dolgozza fel (1.1.a. ábra). Irányító program Irányító egység Védelem É r z é k e l ő k 3 fáz. 50 Hz Energetikai egység U, I f Villamos gép, t echanikai áttétel Hajtott mechanizmus, (terhelés) munkagép A korszerű, szabályozott villamos hajtás elvi felépítése 1.1.a ábra Ahhoz, hogy egy motort és a táplálását kiválaszthassuk előbb azt kell meghatározni, hogy az időben zajló munkafolyamat (a technológia) a motor tengelyén milyen szögsebességeket, (kat) és nyomatékokat, (-eket) igényel beleértve a gyorsításokat (indításokat, fékezéseket, reverzálásokat) is. A motor által kifejtendő (t) nyomaték meghatározása a mozgásegyenlettel történik, amely (t) (t) = t d ( Θ + Θ t ) dt

2 2 alakú. Itt (t) a motor nyomaték-idő függvény, az t (t) a terhelőnyomaték-idő függvény, a Θ a motor tehetetlenségi nyomatéka, Θ t a terhelés (motor tengelyre redukált) tehetetlenségi d nyomatéka és a szöggyorsulás. dt A munkaciklus technológiai adataiból az (t) menetdiagram számítható. Az t (t)-t a terhelőgép ( t ) statikus mechanikai jelleggörbéjéből számíthatjuk, vagy szerkeszthetjük. Az ( t )-k jellegét szinte minden hajtással foglalkozó szakirodalomban megtaláljuk. Ennek számszerűsítése után minden -hoz tartozó t-hez hozzárendeljük a vonatkozó t -t. Így kapjuk az t (t) függvényt. A Θ ismeretéhez első közelítésként ki kell választani a katalógusból egy motort. Az (t) számítása bonyolultabb, ha Θ t is változik a munkaciklus közben, mint pl. a robotoknál. Az 1.1.b. ábrán egy híddaru hídhajtásának diagramjait látjuk. Az (t) menetdiagram szerint a hidat álló állapotból állandó terheléssel fel kell gyorsítani, majd bizonyos táv megtétele után megállítani. Aztán ugyanolyan terheléssel visszamenni a kiindulási helyre. Az ( t ) jelleggörbe és az t (t) függvény -lal van rajzolva, az folytonos vonallal. Induláskor (gyorsításkor) > t, lassításkor (megállításkor) < t. t t t t < t t t = áll. t 1.1.b. ábra t Katalógusból választott motor működési területe > t t A terhelőgép ( t ), statikus mechanikai jelleggörbéje mellé berajzolva az -khoz tartozó - eket a motor () szabályozási jelleggörbéjét kapjuk. Az így kialakult () jelleggörbe a motor működési területét jelenti, mert ez mutatja közvetlenül a munkaciklus közben előforduló -kat és -eket. A katalógusból a már kiválasztott motornak az így kialakult működési területet kell biztonsággal lefedni.

3 3 Ezeket az -kat és -eket szabályozónak kell beállítani. Ekkor valósul meg a technológia által megkívánt menetdiagram. Bonyolultabb esetben úgy járunk el, hogy csak a legnagyobb motornyomatékot és szögsebességet számítjuk vagy becsüljük meg és azt, hogy az () sík melyik negyedeiben kell üzemelni. Pl., ha az (t) csak egyirányú lehet és a legnagyobb értéke max, az pedig kétirányú és a legnagyobb abszolút értéke max, akkor un. kétnegyedes üzem szükséges az () sík I. és IV. negyedében. A gyakorlatban 1/4-es, 2/4-es, 4/4-es hajtások vannak. Az 1.2.a. ábra a negyedek jelentését mutatja a motor szempontjából. A motor gyártók többnyire ajánlanak a motorjukhoz egy megfelelő feszültségű (U-jú), áramú (I-jű) és frekvenciájú (f-ű) meghajtót amelynek a működési területe pedig a motor működési területét kell, hogy biztonsággal lefedje. Egy kiválasztott motor melegedési és hűtési folyamatát az (t) és az (t) függvények alapján ellenőrizzük, figyelembe véve a motor szigetelési osztályát, a környezeti hőmérsékletet, további szempont a motor védettsége, építési alakja,.stb. Ha valamelyik feltételt nem elégíti ki a kiválasztott motor, (pl. működési terület, melegedés ), másik motort kell választani és az ellenőrzést újra elvégezni. A fenti követelményt többféle villamos hajtási megoldással is kielégíthetjük. A műszaki követelményeknek megfelelő és üzembiztos megoldások közül a hajtástervezőnek kell kiválasztani a leggazdaságosabbat. fékez hajt max max d d ( t ) hajt II. III. I. IV. fékez ( d ) () a) b) t 1.2. ábra

4 4 A hajtás állandósult állapotát a statikus jelleggörbékkel is vizsgáljuk ( t,) síkon (1.2.b.ábra). Az mozgásegyenletből az is látszik, hogy az állandósult szögsebesség az = t - nél alakul ki, mert ilyenkor a d/dt=0. Az ( t,) síkon ez a két jelleggörbe metszéspontját jelenti. Ezt a metszéspontot munkapontnak hívjuk. Nem minden metszéspont ad azonban tartós, állandósult, un. stabil munkapontot. Ha az -val eltér a metszéspont szögsebességétől és ekkor olyan d = (- t) gyorsítónyomaték keletkezik, ami a gépcsoportot visszaviszi a metszéspont szögsebességére, a munkapont stabil. Labilis munkapont esetén a keletkező gyorsítónyomaték az -t még inkább eltávolítja a metszésponti szögsebességtől, és a hajtás vagy leáll, vagy túlságosan felgyorsul. Stabilis munkapontot mutat az 1.2.b. ábra. Esztergálásnál statikus üzemben, miközben az átmérő csökken, állandó vágósebességet és vágóerőt feltételezve a munkapontoknak előírt görbéken kell mozogni, ezért az ( t ) is ( t4 ) ( t3 ) 1.2.c. ábra ( t2 ) ( t1 ) ()-ek t változik. Egy másik munkaponthoz másik () statikus motor jelleggörbét kell beállítani (1.2.c. ábra). A vágósebességnek megfelelő új szögsebességet (fordulatszámot) tehát a motor jelleggörbe változtatásával érjük el. Ezt gyakran fordulatszám szabályozásnak mondjuk. Ezt a másik ()-et az irányító berendezés kényszeríti ki az átalakítón keresztül. Nem véletlen tehát, hogy amikor a motorokat tárgyaljuk az () mechanikai jelleggörbéjüket és annak változtatási módszerét vizsgáljuk, hiszen a fordulatszám szabályozást ezzel érjük el Az elektromágneses nyomaték. A villamos gépekben lévő nyomaték keletkezése két mágnes egymásra hatásával szemléltethető. Képzeljünk egy közös tengely körül elforduló, hengergyűrű alakú, É-i és D-i pólusokkal rendelkező külső mágnest, és a gyűrűn belül elhelyezkedő, É-i és D-i pólusokkal rendelkező henger alakú belső mágnest. A mágnesek egymáshoz képesti elfordulására közöttük δ légrés van (1.3.a. ábra).

5 5 a. Henger alakú mágnesek b. Hengeres, kétmágnesű gép (β) jelleggörbéje 1.3. ábra A két mágnes úgy igyekszik beállni, hogy a belső mágnes É-i pólusa a külső mágnes D-i pólusa mellett legyen, hiszen - mint tudjuk - az ellentétes mágnes pólusok vonzzák egymást. Ez azt jelenti, hogy ha az egyik mágnest, (bármelyiket!) mozgatom a másik vele megy (ha nem fékezem túlságosan), a mágnes pólusok együtt, szinkronban járnak. A gépek addig működőképesek, a két oldal addig fejt ki nyomatékot egymásra, amíg ez az együttjárás megvalósul, amíg a pólusok relatív helyzete forgás közben nem változik, a pólusok egymáshoz képesti helyzete állandó. Természetesen a két oldalra ható (elektro)mágneses nyomaték egyforma nagyságú, de ellentétes irányú. Külön-külön szemlélve a pólusok mágneses terét ezeknek irányuk van, amely -megállapodás szerint- a mágnesen kívül az É-i pólustól a D-i felé mutat. Ha a pólusok szimmetriavonalába eső irányt mágneses tengelynek tekintjük, akkor -adott erősségű mágnesek esetén- a két mágneses tengely által bezárt szög jellemző lesz arra, hogy a két mágnes mekkora nyomatékkal hat egymásra, mekkora a két oldal tengelyére ható (terhelő-) nyomaték. Ezért ezt a szöget terhelési szögnek hívjuk, és β-val jelöljük. Érzékelhető, hogy a β növekedésével egy bizonyos szögig a nyomaték nő, majd csökken. Könnyű belátni, hogy a legnagyobb nyomaték β=±90 o -nál adódik, vagyis amikor a két mágneses tengely merőleges egymásra. Stabil, állandó üzem csak növekvő nyomaték esetén alakulhat ki, vagyis amikor d/dβ>0. A nyomaték-terhelési szög függvényt a 1.3.b. ábra mutatja.

6 6 A mágnesek geometriai alakja sokféle lehet. Nemcsak olyan, mint az eddigi ábrákon bemutatott un. hengeresek, hanem pl. tárcsa alakúak függőleges, vagy vízszintes tengellyel (1.4. ábra) ábra. Sokszor egy pólussaru emelkedik ki a hengeres, vagy tárcsa részből az egyik vagy mindkét oldalon. Ez mintegy kiemeli a pólusokat. Az így kialakított gépeket kiálló vagy kiképzett pólusúaknak nevezzük. (1.5. ábra) ábra Kiálló pólusú gépek esetén akkor is keletkezik nyomaték, ha a hengeres oldal mágnes, a kiálló pólusú rész pedig nemmágnesezhető lágyvasból készül. Ilyenkor a kiálló pólus mágneses tengelye a geometriai szimmetriához rendelhető. Ez a nyomaték azonban jóval kisebb, mint a kétmágnesű nyomaték, [annak ( )%-a]. A lágyvas felmágneseződik és a mágnes tér irányába akar beállni a legkisebb légréssel, =0 és β=0-val, ezért együtt jár a mágnessel. Az (átlagos) légrés növekedésével a nyomaték előbb nő, majd csökken, tengelyeknél ismét 0, de ez labilis állapot. A légrés változásával tehát a mágneses ellenállás, a reluktancia is változik, így azt mondhatjuk a nyomaték a reluktanciától függ, ezért reluktancia nyomatéknak hívjuk. A kiálló pólus 180 o -os elfordulásakor a lágyvas felmágneseződése megfordul és most így akar beállni a mágnestér irányába. (1.6.a. ábra).

7 ábra Ha mindkét oldalon kiálló pólusok vannak a reluktancia nyomaték nagyobb, de az egyik oldalnak mágnesnek is kell lenni. Ha a kiálló pólusok mindkét oldalon mágnesek, a nyomaték a kétmágnesű nyomaték és a reluktancia nyomaték eredője lesz ( 1.6.b. ábra). Hengeres mágnesek esetén azért nincs reluktancia nyomaték, mert a légrés és így a mágneses ellenállás állandó. A nyomaték keletkezéséhez tehát két mágnest kell létrehozni, amelyek relatív helyzetét működés közben a β terhelési szög jellemzi. A mágnesek nemcsak p=1 póluspárúak, (2 pólusúak), hanem több póluspárúak (p=2,3...) is lehetnek. Ilyenkor a mágneses pólusok a légrés kerülete mentén p-szer ismétlődnek, vagyis a (villamos szög)=(geometriai szög). p (1.7. ábra). Nagyobb nyomatékot akkor kapunk, ha minden belső pólusnak megvan a külső párja, ezért - bizonyos kisteljesítményű gépek kivételével - p külső =p belső. A mágnesek a villamos gépekben árammal gerjesztett elektromágnesek, mágnesesen csatolt vasmagos tekercsek. Kisebb teljesítményű gépekben (P<2 kw) állandó mágnesek is lehetnek. Rendszerint a külső mágnes vasmagja áll, ezért ezt állórésznek (sztátornak) nevezzük, a belső rész vasmagja pedig forog, ezért ezt forgórésznek (rotornak) hívjuk. Ritkán az un. külső forgórészű motoroknál a belső rész vasmagját rögzítik. A keletkező nyomaték szempontjából ennek nincs jelentősége, hiszen mindkét oldalra ugyanolyan nagyságú nyomaték hat. ágnesesen nincs kitüntetve az egyik oldal a másikhoz képest. A vasmagos tekercsek alakja és gerjesztése is igen változatos. Néhány példát látunk az 1.7 ábrán. A mágnes kör része a légrés is.

8 ábra Sokszor a mágnes teret egyetlen tekercs árama hozza létre, van amikor 2 tekercs, de gyakran 3 tekercs árama gerjeszt egy eredő teret. A vasmag használata fontos, mert: a vas magába sűríti (vezeti) az indukcióvonalakat, un. fluxuscsatornát képez. A vas mágneses ellenállása 1/µ r -szerese a levegőének. A mágneses ellenállások geometriától való függősége az egyik magyarázata a reluktancia nyomatéknak is. a vasból kilépő az un. szórási indukció, amelyik nem vesz részt a nyomaték képzésében, csak (3...10)%-a a vasban lévő indukciónak. gerjesztett mágnesek esetén: -a vas relatív permeabilitását (µ r -t) is kihasználva kisebb áram kell a tér létrehozásához, -változtatni lehet a mágnes erősségét. A villamos gépekben létrejövő nyomaték keletkezését a Laplace törvény segítségével is szemléltethetjük. Eszerint a mágneses térbe helyezett, árammal átjárt vezetőre erő hat. (Ha a mágneses teret egy másik árammal átjárt vezető hozza létre, akkor az Amper törvényhez jutunk.) Az erő függ a mágneses indukció értékétől (B), a vezetőben folyó áramerősségtől (I), a vezető hatásos hosszától (l), és az áramvezetőnek (Il) az indukcióvonalakkal bezárt szögétől (α): F = B I l sin α.

9 9 Ha az áramvezető (I. l) irányát a kisebbik szög mentén az indukció irányába forgatjuk, akkor az erő iránya megegyezik egy azonos értelemben forgatott jobbmenetű csavar haladási irányával (1.8. ábra). A villamos gépekben a vezető merőleges az indukció irányára, vagyis α=90 0, így F = B I l. A mágneses térbe helyezett áramot vezető huzalra ható erő iránya oda mutat, ahol a vezető árama gyengíti a mágnesteret. A villamos gépekben ilyen erőpárokból 1.8. ábra keletkezik a nyomaték, melynek általános kifejezése: = k φ I sin β, ahol k gépállandó, φ a pólusfluxus, B indukció l. τ p felületre vonatkozó átlagos fluxusa (az egyik oldalon), amely az egyik mágnest reprezentálja, I az áram (a másik oldalon), amelynek eloszlása a másik mágnest hozza létre, β a légrésben szinuszos eloszlásúnak képzelt indukció ill. áram gerjesztésének csúcsértéke által bezárt (térbeli, terhelési) szög, vagy a φ és az I áram által reprezentált mágnesek tengelyei közötti terhelési szög. Látszik, hogy a kétmágnes elv itt is fellelhető. A három alap- (hagyományos-) gép, az egyenáramú és a két váltakozó áramú, a szinkron gép és az aszinkron gép abban különbözik egymástól, hogy hogyan létesíti a φ-t, az I áramot és hogyan alakul a β szög. Az elektromágneses nyomaték keletkezésének kétféle szemléletét vegyesen, keverve használjuk. indig azt az oldalt emeljük ki, amelyik egyszerűbben magyarázza a jelenséget. Az () mechanikai jelleggörbék és a működési terület meghatározásához a helyettesítő kapcsolásokat, a belső teljesítményt, ill. a légrésen átmenő összes forgórész köri teljesítményt, az un. légrés teljesítményt használjuk.

10 10 A villamos motorok csoportosítása. A motorteljesítmények nagysága és az alkalmazás szerint beszélünk ipari, szervo- és törpemotorokról. Ezek (nem túl precíz) összehasonlító táblázata a következő: ipari - szervo - törpemotorok teljesítmény W-ig 5W-50kW 600W alatt építési alak szabványos csaknem egységes egyedi, cél, beépített hatásfok (80-90)% (80-90)% rosszabb jelleggörbe általános jól változtatható a hajtási célhoz alkalmazott. Az ipari motorokat általános ipari célokra használják. A szervomotorokra jellemző, hogy szinte csak dinamikus üzemben működnek, az állandósult állapotra rendesen nem is kerül sor. Az aránylag kis teljesítményszinten érkező szabályozó jel hatására a szervomotor kifejti a beavatkozáshoz szükséges - gyakran- tekintélyes nagyságú nyomatékot, a beavatkozás megtörténte (pl. egy szelep elállítása) után azonban szerepe pillanatnyilag megszűnik, ezért a motor megáll. A szervomotorokkal szemben támasztott legfontosabb követelmények az alábbiak: Szögsebességüket széles határok között, egyszerű módon, kis szabályozó teljesítménnyel lehessen változtatni. Forgásirányukat könnyen meg lehessen változtatni. A szabályozandó mennyiség változásait a motor tengelyének szögsebessége minél gyorsabban kövesse, tehát a motor elektromechanikai időállandója legyen minél kisebb. Az () mechanikai jelleggörbéjük feleljen meg a stabilitás feltételeinek. A szervomotorok mindig szabályozott üzemben működnek. A nyomatékukat, ( vagy ezzel arányos áramukat) egy nyomatékszabályozó biztosítja, a szögsebességet egy szögsebesség szabályozó (fordulatszám szabályozó) állítja be. Szervo hajtásoknál általában helyzetszabályozásra is szükség van. Ezt egy pozíciószabályozás végzi. A törpemotorok alkalmazása is igen széleskörű. A szervomotorok egy része is ide tartozik. Ilyen motorokat használnak a szórakoztató elektronikában, számítógépeknél, robotoknál, gépkocsi iparban, orvosi műszereknél. Sok szabályozatlan törpemotort használnak a háztartásokban pl. hűtőgép, centrifuga, fűnyíró mosógép, mikrohullámú sütő, asztali szellőző hajtására. A felsorolásból látszik, hogy a törpemotorok ma már tömegcikknek számítanak és forgalmuk egyre nő.