= 0. A frekvencia-feltétel értelmében ekkor

Átírás

1 A villmos gépek foglm ltt z ersármú villmosmérnöki gykorltbn trnszformátort és forgó villmos gépeket érjük (villmos motorok és generátorok). A villmos gépek mködése két reltív nyuglombn lév mágneses vgy villmos tér kölcsönhtásán lpul. Mködésük reverzibilis, zz z energiátlkítás irány megfordíthtó. Elvben htásfokuk elérheti 100 %-ot is, hergépekhez hsonló elvi htásfok korlát nincs. A továbbikbn forgó villmos gépek tárgylásár szorítkozunk. A két reltív nyuglombn lév mez állndósult nyomték létrehozásához szükséges, h mezk egymáshoz képest mozognk, úgy állndósult nyomték nem jöhet létre, csk lüktet, null középérték nyomtékot kpunk. A gykorltbn villmos gépek mködése szinte kizárólg mágneses terek kölcsönhtásán lpul, minek z ok z, hogy mágneses térben z energi kb. 10,000-szer ngyobb srséggel tárolhtó, mint villmos térben, így mágneses téren lpuló gépek jóvl kisebbek. A villmos téren lpuló konstrukcióknk mikro méretekben vn gykorlti jelentségük. A két mez közül z egyiket gép állórésze, másikt forgórész hozz létre. Mtemtikilg két mez forgási sebességének egyezségét következ egyenlettel, z úgynevezett frekvenci-feltétellel írhtjuk le: ω = ω + ω, M hol ω z állórész mez szögsebessége z állórészhez képest, ω forgórész mez szögsebessége forgórészhez képest, illetve ω M forgórész mechniki szögsebessége (zz forgórész szögsebessége z állórészhez képest). Az állórész mez szögsebessé tehát megegyezik forgórész szögsebességével. A különféle forgógép típusok frekvenci-feltételt más és más módon elégítik ki. Egyenármú gépek esetén z állórész egyenfeszültséggel tápláljuk, így z állórész mez térben és idben állndó lesz, zz ekkor ω = 0. A frekvenci-feltétel lpján tehát ω = ωm kell legyen, zz forgórészen váltkozó ármoknk kell folyni úgy, hogy forgórész mez is álló helyzetben mrdjon, zz forgórészhez képest forgórész mez ellentétesen, de zonos sebességgel forog. (Az egyenármú gépek felépítését és mködését késbbiekben részletesebben is tárgyljuk.) zinkron gépek esetén z állórészen többfázisú (áltlábn 3) tekercselés helyezkedik el, forgórészt pedig egyenármml tápláljuk. Ez utóbbi következtében forgórész mez forgórészhez rögzített lesz, zz ω = 0. A frekvenci-feltétel értelmében ekkor ω = ω M, zz forgórésznek z állórész mezvel együtt kell forogni. Emitt hívják ezt gépet szinkron gépnek. Aszinkron gépek esetében z állórészen többfázisú tekercselés tlálhtó. A forgórész lehet csúszógyrs kilkítású, ekkor 3 fázisú tekercselés tlálhtó itt is, vgy klickás. A gép mködése forgórészbe indukált feszültség és z áltl keltett ármok mágneses mezejének, vlmint z állórész mágneses mezejének kölcsönhtásán lpul, így kézenfekv, hogy gép csk kkor mködhet, h ω 0 illetve ω 0. Az állórész mez és forgórész szögsebességének eltérése mitt nevezzük ezt gépet szinkron gépnek. (Az állórész mez és forgórész mez ebben z esetben is együtt forog!!) 1 V BME VIK

2 Felépítés A jármvekben - elssorbn z kkumulátor mitt - egyenfeszültség áll rendelkezésre, így kézenfekv, hogy villmos hjtási feldtokt egyenármú géppel oldják meg. Az indítómotor és üzemnyg szivttyú motor mi npig -kevés kivétellel - egyenármú motor. (Kivételek ott keletkeznek, hol megnövekedett teljesítmény igény mitt z egyenármú gépek lklmzás már több hátránnyl jár, mint egy inverter (DC/AC) átlkító beépítése, pl. integrált indítómotor-generátor, lásd késbb.) Egy hgyományos, csúszófogskerekes, állndómágneses, bels áttétellel ellátott egyenármú indítómotor hosszmetszetét muttj -1. ábr, illetve egy felnyitott csúszófogskerekes indító fényképét muttj -. ábr. -1. ábr Csúszófogskerekes, állndómágneses, bels áttétellel ellátott egyenármú indítómotor hosszmetszete -. ábr Csúszófogskerekes, állndómágneses, bels áttétellel ellátott egyenármú indítómotor hosszmetszete Az egyenármú gépek állórészén tlálhtók f- és segédpólusok (utóbbik csk ngy gépek esetén). A fpólus körül elhelyezett többmenetes gerjeszttekercs feldt gépen belül egy térben idben mágneses tér létrehozás. A gerjeszt tekercselést, és vsból készült pólustörzset és pólussrut helyettesíthetjük állndómágnesekkel is, ebben z esetben gép kompktbb kivitelvé válik, és jvul htásfok is, ugynkkor mágneses tér szbályozhtóság elvész ebben z esetben. Egy gerjeszttekercses konstrukció keresztmetszetét (m már nem hsználtos, úgynevezett 3 kefés dinmó) muttj -4. ábr. (Az ábrán kefék szimbolikusn vnnk jelölve, minth közvetlenül forgórész fogihoz kpcsolódnánk, vlóságbn természetesen kommutátorhoz cstlkoznk.) Állndómágneses, egyenármú üzemnyg szivttyú keresztmetszete láthtó -5. ábrn. Az lklmzott mágnesek legtöbbször héjmágnesek (gyrszegmensek lekerekített srkokkl). A forgórészen hornyok és fogk tlálhtók, vlmint z áltlábn ntimágneses tengelyt ferromágneses koszorú veszi körül mágneses fluxus zárás érdekében. A hornyokbn úgynevezett egyenármú tekercselés vn elhelyezve, mely több párhuzmos ágt trtlmzó, rövidrezárt tekercselés. Az indukált feszültség (váltkozó feszültség) párhuzmos ágk egyes vezetiben összedódik, és mechnikus egyenirányítón, kommutátoron és z ehhez cstlkozó keféken keresztül jut ki V BME VIK

3 gépbl. A kefék úgy vnnk beállítv, hogy lehet legngyobb indukált feszültséget vezessék ki. Egy lehetséges 4 pólusú tekercselést mutt be -3. ábr. -3. ábr Egyenármú gép tekercselése (4 pólusú, hurkos tekercselés) Az egyes hornyokbn váltkozó árm folyik fordultszám és pólusszám áltl meghtározott frekvenciávl. (Lásd frekvenci feltétel.) Adott geometrii helyen lév horonybn z ármirány mindig zonos, hiszen forgórész mágneses tere forgás ellenére áll, csk kis mértékben forog ide-od néhány fokot kommutátor szeletszámától, horonyszámtól és pólusszámtól függen. -4. ábr Gerjeszttekercses egyenármú gép keresztmetszete -5. ábr Állndómágneses egyenármú gép (üzemnyg szivttyú)állórésze Egyenármú gép forgórészét síkkommutátorrl illetve hengeres kommutátorrl (ez utóbbi ersen kopott z ábrán) muttj -6. ábr és -7. ábr. A forgórészt súrlódási veszteségek csökkentése mitt (hol ez fontos) mnyggl öntik ki (üzemnyg szivttyúknál mindig). Az ábrákon jól láthtók kiegyensúlyozáskor forgórész plástjáb mrt vájtok, melyek rontják gép villmos tuljdonságit. 3 V BME VIK

4 -6. ábr Egyenármú gép forgórésze síkkommutátorrl (üzemnyg szivttyú) -7. ábr Egyenármú gép forgórésze hengeres kommutátorrl (üzemnyg szivttyú) Mködés Az egyenármú gépek mködése során két feszültség igyekszik egyensúlyt trtni egymássl és terheléssel. Az állndó mágneses tér és forgás következtében forgórész vezetkben váltkozó feszültség indukálódik, melyet kommutátor és kefék segítségével egyenirányítunk. Ez kpcsokon üresjárásbn megjelen generátoros feszültség z úgynevezett bels feszültség. A gép kpcsin mérhet ( bels feszültséggel csk üresjárásbn, zz ármmentes állpotbn megegyez feszültség) kpocsfeszültség. A kett között pedig ellenállásként jelenik meg gép forgórész tekercselésének z ellenállás. Egyenármú gép esetében feszültség forgórészben indukálódik, így ezt részt nevezzük rmtúránk. Ennek megfelelen forgórész ellenállás z rmtúr ellenállás, kpcsokon ( keféken) keresztülfolyó árm z rmtúr árm. Az elbbiek lpján gép villmos helyettesítképe -8. ábrn láthtó. -8. ábr Az egyenármú gép villmos helyettesítképe Írjuk le most mtemtikilg gép mködését! Egyetlen forgórész vezett tekintve, és feltételezve, hogy légrésindukció pólusok ltt állndó, bbn következ ngyságú feszültség indukálódik: D U = vez B lv = δ ker Bδ l ωm, hol B δ légrésindukció (átlgos) értéke, l vezetk ktív hossz (kb. vstest hossz), v ker kerületi sebessé, D furtátmér, ωm mechniki szögsebesség. 4 V BME VIK

5 Láthtó, hogy hornyokbn elhelyezett vezetket úgy kezeljük, minth légrésben lennének, ez fogk mitt jó közelítéssel megtehet, mennyiben zok nincsenek betelítve. H z vezett helyeztünk el z állórész furt kerülete mentén forgórészben, és z párhuzmos águnk vn, kkor sorbkötött vezetk szám:, így z ered bels feszültség: z D Ub = Bδ l ωm A feszültséget z úgynevezett pólusfluxussl ( φ p ) szokás kifejezni, mi egyetlen mágneses pólus összes hsznos fluxusát jelenti. Ennek kifejezése gép geometrii dtivl: Dπ φ p = Bδ l. p Ennek felhsználásávl z indukált feszültségre következ dódik: zp Ub = φ pωm = kφpωm, π hol k gépállndó. Állndómágneses gépek esetén φ p is állndó. Hsonló megfontolásokkl nyomték kifejezését is levezethetjük, itt kiindulásul z egy vezet áltl kifejtett nyomték szolgál, mely következképpen írhtó le: D M vez = Bδ livez, hol I vez vezetben folyó árm átlg egy fél periódusr. A kpcsokon befolyó árm ennek -szoros, hiszen ennyi párhuzmos ágon oszlik szét z árm. Ezzel z vezet esetén nyomték: z D M = Bδ l I Ismét felhsználv pólusfluxus fenti kifejezését: zp M = φpi = kφpi π A helyettesítkép lpján felírhtó hurokegyenlet: U = I + U k b Ez z egyenármú gép hrmdik lpegyenlete. A gép üzemállpoti tehát bels feszültségre, nyomtékr és helyettesítképre vontkozó egyenletek segítségével teljesen leírhtók. Említést kell tenni különféle gerjesztési módokról. Állndómágneses gépek esetén pólusfluxus jó közelítéssel állndó. Gerjeszttekercses gépek esetén gerjesztkör köthet forgórésszel sorosn (soros gerjesztés gép; ekkor I = I illetve párhuzmosn (párhuzmos gerjesztés gép); ekkor U = U k g g. A gerjeszttekercselés trtlmzht soros és párhuzmos tekercseket is, ekkor vegyes gerjesztésrl beszélünk, vlmint lehet független gerjesztkör z rmtúrkörtl, ekkor küls gerjesztés géprl beszélünk. Ez 5 V BME VIK

6 utóbbi megoldás kerülend, h gép üresjárásbn is mködhet, hiszen ekkor gerjesztfeszültség kimrdás életveszélyesen ngy fordultszámokt eredményezhet. A különböz gerjesztési módok más-más fordultszám-nyomték krkterisztikát (mechniki jelleggörbe) eredményeznek, melyek fenti három lpegyenlet lpján levezethetek. A -9. ábr soros illetve párhuzmos gerjesztés gép mechniki jelleggörbéit muttj. Láthtó, hogy soros gép esetén z indítónyomték jóvl ngyobb érték, de fordultszámml meredeken esik, ugynkkor null értéket csk végtelen mgs fordultszámnál éri el. Emitt ügyelni kell rr is, hogy csk soros gerjesztéssel rendelkez gép ne járhsson terhelés nélkül, mert ngy fordultszám forgórész szétrobbnásához vezet. -9. ábr oros és párhuzmos gerjesztés gép mechniki jelleggörbéi Az utóvillmosság területén soros és vegyes gerjesztés megoldásokt lklmzzák hgyományos indítómotorokbn, párhuzmos gerjesztés pedig z egyenármú dinmókbn fordult el, ez utóbbikt zonbn mnpság már számos hátrányos tuljdonságuk mitt nem lklmzzák. 6 V BME VIK