VI. fejezet. Az alapvető elektromechanikai átalakítók működési elvei

Átírás

1 VI. fejezet Az alapvető elektromechanikai átalakítók működési elvei

2 Aszinkron gépek

3 Gépfajták származtatása #: ω r =var Az ún. indukciós gépek forgórészében indukált feszültségek által létrehozott rotoráramok körfrekvenciája az ω s szögsebességgel forgó állórészmező és az ω m szögsebességgel forgó forgórész közötti szögsebesség-különbségnek megfelelően r s m ami pontosan kielégíti a frekvenciafeltételt. Az indukciós gép tehát a frekvenciafeltételt minden mechanikai fordulatszámon kielégíti, és véges rotorellenállással átlagos nyomaték képzésére képes a szinkron fordulatot kivéve. ω m és ω s relatív értékeiktől függően lehet motor, generátor vagy fék.

4 Gépfajták származtatása #: ω r =var Az indukciós motorok állórészére - egyes áramirányítós hajtásoktól eltekintve - a hálózati feszültséget kényszerítjük. Az indukálás révén a forgórészre is feszültségkényszer hat, amely terhelésfüggő. Mivel az álló- és forgórész-tekercselések általában szimmetrikus felépítésűek, és normális körülmények között a feszültségrendszer is az, az álló- és forgórészáramok is szimmetrikus áramrendszereket alkotnak.

5 A háromfázisú aszinkron (indukciós) gép Úgy mondják, hogy az indukciós motor hajtja a világ iparát. Széleskörű alkalmazásának okai: egyszerűsége, robusztussága (ma egyre fontosabb) és olcsósága. Így az ipar mellett pl. a nagyvasúti vontatásban is széleskörűen alkalmazzák. A gép felépítésének alapelve az a ábrán látható. A háromfázisú állórész üzemben a hálózatra (a tápláló áramirányítóra) van kötve. A forgórész tekercselt (háromfázisú) vagy kalickás (b ábra). Üzem közben a forgórész mindig rövidrezárt. A tekercselt forgórész kapcsait indításkor külső ellenállások beiktatására csúszógyűrűkön kivezetik; e változat neve ezért: csúszógyűrűs gép. A mókuskalicka alakú - rudakból és azokat két végükön összekötő, rövidrezáró gyűrűkből álló - sokfázisú m m kalickás forgórész vizsgálatokra háromfázisú - rövidrezárt - tekercseléssel helyettesíthető. Így m! m

6 Kalickás (Squirrel cage) rotor

7 Hogy néz ki?

8

9 Összeszerelés Induction motor assembly.flv

10 A háromfázisú aszinkron (indukciós) gép A motor feladata a forgatás. A forgómezőnek a forgórésszel - itt a forgórész áramokkal - nyomatékot kell létesíteni. Az aszinkron gép forgórészébe - galvanikusan - nem vezetünk áramot, ez a rövidzárás miatt nem is lehetséges. Hogyan jön hát létre a nyomaték? Induljunk ki a forgórész nyugvó állapotából. Az állórész forgó mezeje a forgórész vezetőiben indukálással áramokat hoz létre. Innen a gép egyik neve (indukciós gép). Az indukált forgórész áramok a forgómezővel Biot-Savart törvénye szerint kerületi erőket, összességükben a forgórész nyomatékot (az indító nyomatékot) hozzák létre. A forgórész felgyorsul, majd a gép és a terhelés nyomatékainak egyensúlyánál beáll az állandósult egyensúlyi állapot. Szinkron forgás nem lehetséges, mert ekkor nincs forgórész indukálás. A gép tehát csak aszinkron üzemre képes, innen ered a másik neve: aszinkrongép.

11 A háromfázisú aszinkron (indukciós) gép A forgórész áramok is létrehoznak egy forgó mezőt. A két mező a légrésben eredő mezővé egyesül, de a nyomatékképzés szemléletes képét nyerjük ha azt két összetapadt pólusrendszer hatásának tekintjük. Az ábrán a két pólusrendszert állandó mágnesekkel érzékeltettük. Állandó nyomaték csak azok együttfutásakor, azonos fordulatszámok esetén lehetséges. A terhelő nyomaték hatására közöttük szögelfordulás keletkezik - az erővonalak megnyúlnak - de fordulatszám-eltérés nem lehetséges, mert akkor csak zérus középértékű un. lüktető nyomaték keletkezik. E kép alapján az együttforgás feltétele az álló- és forgórész pólusszámok egyezése is.

12 A háromfázisú aszinkron (indukciós) gép Ha a forgórészt egy segédgéppel az állórész mezőétől (n fordulatszámú) eltérő n fordulatszámmal forgatjuk, akkor a forgórész nyitott kapcsain más frekvenciájú feszültségrendszert nyerünk, így a gép frekvenciaváltó. Forgassuk a forgórészt először a mezővel egyirányban, de kisebb fordulatszámmal: A mező indukcióvonalai ekkor a forgórészvezetőket az n n n lemaradási, vagy csúszási, angolból átvett szóval szlip fordulatszám szerint metszik. A forgórész vezetők ezzel a fordulatszámmal látják a mezőt elhaladni. n n

13 A háromfázisú aszinkron (indukciós) gép Ennek n -re vonatkoztatott, viszonylagos értékét nevezik csuszamlásnak vagy szlipnek n n A forgórész- és állórész frekvenciák aránya: f n p n s f n p n mivel tudjuk, hogy az állórész és forgórész pólusszámának egyenlőnek kell lennie: n n n s Így: p p p a szlipfrekvencia f sf n sn

14 A háromfázisú aszinkron (indukciós) gép A gép f f frekvenciaváltó. Példaként néhány szlipértékre ( n értékre) felírjuk a frekvenciát. Negatív n a mezővel ellentétes irányú forgatást jelent. n = 0 s= f = 50 Hz (=f ) Álló helyzet n = 0,5 n s=0,5 f = 5 Hz Félfordulat n = 0,95 n s = 0,05 = 5% f =,5 Hz Motoros üzem n = n s=0 f = 0 Szinkron forgatás n =,05 n s = - 0,05 = - 5% f =,5 Hz Generátoros üzem n = n s= f = 00 Hz Szinkron forgatás a mezővel ellentétesen

15 A háromfázisú aszinkron (indukciós) gép A mezők együttforgását most, a szemléletes kép és a következők érdekében, vizsgáljuk meg számszerűen is. Legyen az egyszerűség kedvéért kétpólusú gépünk p= - így / p s fordulatszámokkal. Az állórész mező fordulatszáma - és dolgozzunk az ω-kal arányos n n f 50s 3000 / min p

16 A háromfázisú aszinkron (indukciós) gép Az indukálás feltétele, hogy a forgórész mechanikai fordulatszáma ennél pl. kisebb legyen: n n Ha feltesszük, hogy a szlip s=%, akkor a forgórész fordulatszáma: n n n n sn n( s) 940 / min forgórész fordulatszám lemaradása - a mezőhöz képest: n sn 60 / min A forgórész vezetők ezzel a fordulatszámmal "látják" forogni a mezőt.

17 A háromfázisú aszinkron (indukciós) gép Így a forgórészben indukált áramok frekvenciája: f n p 60 / min s Hz ( f sf 0, 0 50s s ) A háromfázisú forgórész f frekvenciájú áramrendszere a forgórészhez képest: f Hz n 60 / min p fordulatszámú forgómezőt hoz létre. De a forgórész is forog n fordulatszámmal, így a forgórészmező fordulatszáma az állórészhez képest n n 940 / min 60 / min 3000 / min n

18 A háromfázisú aszinkron (indukciós) gép Lemaradáskor ugyanis a forgórész áramok fázissorrendje azonos az állórész áramokéval, így az általuk létesített forgórész forgómező forgásiránya is egyező az állórész mezőével. Vagyis a forgórész mezeje együtt, szinkron forog az állórész mezővel. Két összetapadt pólusrendszer keletkezik, ami - mint láttuk - szükségszerű. Magyarázata ennek, hogy a forgórész frekvencia nagyságát éppen annak lemaradása szabja meg. A két mező tehát mindig együtt, egyező sebességgel forog, de kölcsönös helyzetük változik a szükséges nyomatékkal, a terheléssel.

19 Animáció aszinkron_forgas_anim.gif

20 Aszinkron gépek helyettesítő kapcsolása és üzeme

21 Aszinkron gépek A forgórészen indukált feszültség: U U i i N n N Forgó transzformátorérvényes a gerjesztések egyensúlyának törvénye: Θ Az álló és forgórész fázisszám, m s és m r eltérő is lehet. Az alapharmonikusra vonatkozó gerjesztés egyenlet: m m m NI NI N U Θ Θ Θ0 m I,0

22 Aszinkron gépek A gerjesztések egyensúlyának törvényéből: Az impedanciák redukálása:,0 I N m I N m I N m m I I m N N m I m N m N n I ' ahol, N m N m n n n Z n Z I U Z Z

23 Aszinkron gépek helyettesítő kapcsolása Célunk, hogy a helyettesítés kapcsolás nyugvó áramkör legyen, tehát valamilyen módon "ki kell iktatni a forgást". A forgórész indukált feszültsége: U i, 4,44 fnφms 4, 44 f N Φ m U i, álló helyzetben U i, (s) = s U i, (f ) R = áll. X s, = f L s = s X s, (f ) ha elhanyagoljuk a skin-effektust Jelölés: U i, (f ) = U i, X s, (f ) = X s,

24 Aszinkron gépek helyettesítő kapcsolása A feszültségegyenlet a szokásos alakban: ' ' ' ' ' ' U ( s) su R I j s X I i s 0 A forgórész-mező az állórészmezővel MINDEN FORDULATSZÁMON EGYÜTT FOROG a forgórészáramok az állórészről nézve MINDIG 50 Hz frekvenciájúnak látszanak. Más szóval az aszinkron gép elvégzi az f f f s frekvenciatranszformációt.

25 Aszinkron gépek helyettesítő kapcsolása Osszunk le s-sel, (ez a frekvencia transzformáció) és bontsuk fel a rotor ellenállást két részre:

26 Aszinkron gépek helyettesítő kapcsolása ' R s U R s I jx I U U ' ' ' ' ' i, s 0 i, i, Most már összeköthető a primer és a szekunder oldal a helyettesítő kapcsolásban, ahol: R R R s m ' a mechanikai ellenállás, R R m a tengelyen leadott teljesítményt, s R forgórész tekercsveszteséget képviseli ' ' ' '

27 Aszinkron gépek helyettesítő kapcsolása Olyan, mint egy terheléstől függő ellenállással lezárt transzformátor Nagyságrendek láthatók viszonylagos egységekben Mindig induktív! Légrés a lehető legkisebb <-> szinkrongép

28 Aszinkron gépek teljesítmény mérlege f 0 miatt P vas, 0, vagyis normál üzemi viszonyok között a forgórész vasveszteséget sokszor elhanyagoljuk. Vigyázzunk: ez nem mindig tehető meg! Nincs benne a helyettesítő kapcsolásban

29 Aszinkron gépek nyomatéka A légrésen átadott teljesítmény (légrésteljesítmény): ' ' Pl 3( R s) I P P t sp ( l s) P m l ' ' Pm ( s) 3 ( R s) I A nyomaték a tengelyen: P t, = 0 esetén nincs P l és nincs M (kell rotor ellenállás), de s kicsi kell legyen! P M m m ( s) P l ( s) o P l o P l p p P l 3 o ' R s I '

30 Aszinkron gépek nyomatéka A gép által kifejtett legnagyobb nyomatékot billenő nyomatéknak nevezzük. Ideális esetben a billenő nyomaték motoros és generátoros üzemben azonos. A mindig keletkező veszteségek miatt a generátoros billenő nyomaték nagyobb, mint a motoros. Az alsó ábrán újra felrajzoltuk a mechanikai jelleggörbét, annak megszokott alakjában, de kissé torzítva, nagyobb meredekséggel. Az ábra jól mutatja, hogy az üzemi tartományban az aszinkron gép fordulatszámtartó: üresjárástól (szinkron fordulatszámtól) a névleges terhelésig a gép fordulatszáma csupán néhány százalékkal csökken.

31 Nem torzítva M(s) M(w)

32 Aszinkron gépek stabilitása A jobb oldali ábra a statikusan stabilis és labilis tartományokat mutatja. A stabilitásvizsgálat: visszatér-e kitérítés után. Az ábráról leolvasható (M t =áll terhelőnyomaték esetére), hogy az aszinkron gép statikusan stabilis, ha a szlip nem nagyobb a billenő-nyomatékhoz tartozó billenőszlipnél, és statikusan labilis, ha a szlip nagyobb, mint a billenőszlip. M t

33 Aszinkron gépek fordulatszám változtatása n = n s = f p s f : frekvencia változtatás (ez a legjobb) p: póluspárszám változtatás (nehézkes) s: szlip változtatás (többnyire veszteséges és nehézkes)

34 EDDIG ASZINKRON