= f p képlet szerint. A gép csak ezen a szögsebességen tud állandósult nyomatékot kifejteni.

Átírás

1 44 SZINKRON GÉPEK. Szögsebességük az állórész f 1 frekvenciájához mereven kötődik az ω 2 π = f p képlet szerint. A gép csak ezen a szögsebességen tud állandósult nyomatékot kifejteni. Az állórész felépítése megegyezik az aszinkron motorok állórészének felépítésével, azaz itt is ω 0 szinkron szögsebességű körforgó, vagy elliptikusan forgó mezőt hozunk létre, amellyel a forgórész együtt jár. A forgórész kb. 5 kva-nél nagyobb teljesítményeknél két csúszógyűrűn be- ill. kivezetett, egyenárammal gerjesztett elektromágnes, amelyik hengeres, vagy kiálló pólusú (3.17. ábra). Póluspár száma megegyezik az állórész pólupár számával. törpe, ill. automatikai szinkron gépeknél lehet un.: reluktancia, állandó mágnesű, hiszterézis forgórészű. Ezek egyben az ilyen gépek elnevezését is jelentik. Állandó mágnesű törpe gépeknél bizonyos esetben a forgórész póluspár száma eltérhet az állórész póluspár számától ábra

2 45 A szinkron gépre alkalmazható a legközvetlenebbül a bevezető fejezetben említett kétmágnes elv. Itt legkönnyebben felismerhető a két mágnes, a mágneses tengelyek, a β terhelési szög, stb. A szinkron gépeket hálózatra kapcsoláshoz előtt szinkronizálni kell. Ez azt jelenti, hogy nyitott állórész kapcsoknál (üresjárásban) a forgórész mágnes forgatásával egy forgó mágneses mezőt létesítünk, ami váltakozó feszültséget indukál az állórész (armatúra) tekercsekben. Ezt az indukált feszültséget U p pólusfeszültségnek hívjuk, (mert a forgórész pólusfluxus hatására keletkezik). Szinkronizáláskor az U p feszültség frekvenciáját a szögsebesség (fordulatszám) változtatásával, nagyságát (amplitudóját) a forgórész gerjesztő áramának változtatásával, fázishelyzetét a szögsebesség nagyon finom állításával és háromfázisú motoroknál a fázissorrendjét kell ugyanolyanra állítani, mint a váltakozó áramú hálózat feszültségének frekvenciája, amplitudója, fázishelyzete és fázissorrendje. A generátoroknál a forgórész forgatására pl. egy turbina eleve rendelkezésre áll. A generátorok a villamos energiatermelés kizárólagos gépei. Motoroknál az indítás indító segédgéppel történhet, amellyel a frekvencia beállítására szinkron fordulatra hozzuk a forgórészt. A további egyeztetések után a hálózatra kapcsolás elvégezhető. legtöbbször a pólussarukba épített indító kalicka segítségével történik. A kalickákkal aszinkron módra közel szinkron fordulatszámra gyorsul a forgórész. Ezután a forgórész tekercselés egyenáramú gerjesztésével megjelenik a szinkronozó nyomaték és a gép beugrik a szinkronba. a tápláló frekvencia folyamatos növelésével is történhet. Ehhez frekvenciaváltó szükséges, amelynek frekvenciája (közel) 0 Hz-től a kívánt frekvenciáig folyamatosan változtatható, és a motor terhelésekor is képes táplálni a motort. A frekvenciaváltóval a szinkron motor mechanikai jelleggörbéjét, így fordulatszámát is változtathatjuk. Ideális szinkronizáláskor még nyitott állórész kapcsoknál megmérhetjük a pólusfluxus által indukált feszültséget. A hálózatra kapcsolása után sem folyik még

3 46 áram az armatúra tekercselésben, mert a hálózat U k feszültségének és az U p pólusfeszültségnek fazorjai tartósan egyirányúak és azonos nagyságúak, a köztük lévő terhelésre jellemző szög pedig β=0. Ezt az állapotot elméleti, vagy ideális üresjárásnak nevezzük (3.19.a. és d. ábra). Ettől eltérő állapotban az armatúra tekercsekben áram folyik, ami egy másik mágneses mezőt hoz létre. Ennek legnagyobb része a forgórész vastestén keresztül záródik és szintén egy forgó mezőt alkot, amit armatúra mezőnek, armatúra (vissza)hatásnak nevezünk, mert összegeződik (vektorosan) a pólusmezővel, így befolyásolja az eredő mezőt. Ez vesz részt az állórész-forgórész közötti energiaátadásban. Valójában a gépben csak az állórész tekercsekre kapcsolt feszültség által kényszerített eredő mező létezik, de az összetevők külön-külön befolyásolhatók, ezért célszerű hatásaikat külön vizsgálni. Az armatúraáram által létesített mágnesmező kisebbik része (kb. 10%-a) nem a forgórész vastestén, hanem az állórész tekercs körül a levegőben záródik, nem vesz részt az energia közvetítésben. Ezt a részt szórt mágneses mezőnek hívjuk. Az armatúramező (a nyomatékképzésen túl), és a szórt mező is, hogy feszültséget indukál az armatúra tekercselésben. Hengeres pólusú (állandó légrésű) gépek esetén mindkét indukált feszültséget nagyság és fázis szerint kifejezhetjük az őket okozó I a armatúra áram és az X a armatúra reaktancia, ill. az X s szórási reaktancia szorzataként. Így az armatúra fluxus által indukált feszültség j I a X a, a szórási fluxus által indukált feszültség j I a X s. Az armatúra tekercsek ohmos ellenállásai miatt még egy I a. R a feszültségesés is fellép. A felsorolt feszültségekkel kell egyensúlyt tartani a kapocsfeszültségnek. Uk = Up + j Ia Xa + j Ia Xs + Ia Ra. Névleges üzemben az egyes feszültségek százalékos értékei: I U an kn I an I an R a 100 = ( 0, 5 1)% Xa 100 = ( )% Xs %. U U kn kn Az értékekből látszik, hogy az R a -n lévő feszültség elhanyagolható, az X a hatásától alig különbözik az X a +X s együttes hatása, így azok összevonhatók egyetlen X d

4 47 reaktanciává, amit szinkron reaktanciának nevezünk X d =X a +X s. Így jutunk el a szinkron gép armatúrájának egyszerűsített helyettesítő kapcsolásához, amit az Uk = Up + j Ia Xd feszültség egyenletet fejezi ki (3.18. ábra). Természetesen itt minden mennyiség fázisértéket jelent ábra Ennek segítségével követhetjük a szinkron gép üzemét. Elméleti üresjáráskor tehát az I a =0, a légrésen átadódó elektromágneses nyomaték M=0 és a terhelési szög is β=0. Ha ezek után csak a forgórész I g gerjesztő áramát változtatjuk meg, ami az U p változását eredményezi, továbbra is M=0 és β=0 marad, ábra

5 48 de az I a 0. A feszültségegyenletből következően az U p növekedésekor az I a 90 o -ot sietni fog az U k -hoz (és az U p -hez) képest, mint egy kondenzátor hálózatra kapcsolva, vagyis a gép meddő teljesítményt ad a hálózatnak. Az ilyen gépet túlgerjesztettnek mondjuk. Ez előnyös a hálózati teljesítménytényező (cosϕ) javításakor. Az U p csökkentésekor a gép úgy viselkedik, mint egy L induktivitás hálózatra kapcsolva, meddő teljesítményt vesz fel a hálózatból. Az ilyen gépet alulgerjesztettnek hívjuk. A viszonyokat a 3.19.d. ábra mutatja. Az elmondottakból következik, hogy a szinkron gép gerjesztésének változtatásával csak a meddő árama, ill. a meddő teljesítménye változtatható, míg a hatásos teljesítmény nem. Ez abból is belátható, hogy ha az M=áll., az M. ω 0 =P=3. U k.i a.cosϕ is állandó marad, azaz az I a.cosϕ, az áram hatásos komponense sem változhat. A lehetséges üzemi viszonyokat a 3.19.e. ábra foglalja össze. A 3.19.a.b.c. ábra mutatja még az eredő (forgó) fluxus és a forgórész (póluskerék) mágneses tengelyének helyzeteit is a különböző üzemállapotokban. Az M nyomaték számításakor a gép veszteségeit elhanyagoljuk. Példaként vizsgáljunk meg egy háromfázisú, túlgerjesztett motor üzemét M 0 esetén. Ekkor az I a áram kal kisebb szöggel siet az U k -hoz képest (3.20. ábra). M. ω 0 =3. U k.i a.cosϕ. Az ABC és az ABO háromszögekből I a.x d.cosϕ=u p.sinβ. Ezzel 3 U k U M = ω X 0 d p sinβ ábra

6 49 Az M(β) jelleggörbét a 3.20 ábrán látjuk. Stabil állandó üzem csak a ±90 o -on belüli tartományban lehet, de a motorok névleges nyomatékát általában a maximális (billenő) nyomaték %-a környékén szokták megállapítani. A szinkron gép veszteségei hasonlóak az eddig tanult gépek veszteségeihez. Az állórészen tekercsveszteség és vasveszteség lép fel. Az utóbbi miatt az állórész vastestét lemezelve készítik. A forgórészen a gerjesztési, a csapágy- és a lég-súrlódási veszteségek keletkeznek. A hatásfok szokásos értéke η= %. A törpe és automatikai szinkron motorok állórészén az aszinkron törpe motorokéhoz hasonló forgómezős tekercselés van. A forgórészén nincs gerjesztő tekercs, ezért szerkezetük egyszerűbb. A reluktancia motorok W teljesítményre készülnek. Forgórészük az aszinkron motorok kalickás forgórészére emlékeztet, de a reluktancia nyomaték keletkezése érdekében a forgórészt kiálló pólusokkal látták el azáltal, hogy kb. a pólusok felének megfelelő részeken a légrést a fogak kimarásával megnövelték. A kimarások helyét és a forgórész hornyait alumíniummal öntik ki, amit a homlokoldalakon gyűrűk kötnek össze. Ilymódon egyrészt kialakult a kiképzett pólusú (nem állandó légrésű) forgórésztest, másrészt indítókalicka is keletkezik (3.21. ábra) ábra Indításuk a kalickák révén aszinkron motorként történik. Az ω 0 szinkron szögsebesség közelébe gyorsulva a forgórész a reluktancia nyomaték hatására beugrik a szinkronizmusba. A 3.22.a. ábra mechanikai jelleggörbéjén látszik, hogy az aszinkronos billenőnyomaték nagyobb, mint a szinkron (reluktancia) billenőnyomaték. Szinkron üzemben az indítókalickák lengéscsillapító hatásúak.

7 50 a ábra b. Ha az M t tehelőnyomaték nagyobb lesz, mint a szinkron billenőnyomaték, a motor kiesik a szinkronizmusból. Ekkor esetleg aszinkronos üzemmód keletkezik, de ez tartós működésre nem használható. Az állandó mágnesű szinkron motornál a forgórész vastestét állandó mágnessel kombinálják (3.23. ábra). Az ilyen gépek teljesítménye ma már 50 W- 10 kw-ig ábra terjedhet. A reluktancia nyomaték mellett 3-4-szer nagyobb az állandó mágnes miatt keletkező elektromágneses nyomaték, aminek 2. π a periódusa. További előny a csak reluktancia motorokhoz képest: a jobb cosϕ, η, ugyanolyan teljesítmény esetén kisebb méret. Hátrányok: Az indításhoz különleges megoldások kellenek. Ezek: kalickarendszer a pólusokban, különleges (kilincskerekes, rugós) indító mechanizmus, aszinkron-szinkron motor közös házban. Az aszinkron csak indításkor üzemel. Kieshet a szinkronizmusból túlterheléskor és leáll. A mechanikai jelleggörbéje és az M(β) jelleggörbéje a ábrán látszik.

8 ábra A hiszterézis motor W teljesítményekre készül. A szerkezeti kialakítását a ábra mutatja. A forgórészen levő mágnesezhető, (kemény mágneses anyagból készült) acélgyűrű, egy nem mágnesezhető vas, vagy műanyag belső hengeren helyezkedik el. Aszinkron üzemben, pl. indításkor kétféle nyomaték lép fel: a forgórész vastestében, (az acélgyűrűben) idukálódó örvényáramok miatt M asz, aszinkronos nyomaték, az acélgyűrű átmágneseződése miatt hiszterézis veszteség ill. M h hiszterézis nyomaték ábra Forgórész Állórész horony A mező és a rotor ω 0 -ω=s. ω 0 relatív szögsebességénél a keletkező hiszterézis veszteség is s. P h szorosa lesz az álló állapotú P h -nak, ami a hiszterézis göbe területével arányos. Így az ebből eredő hiszterézis nyomaték M s P = s ω P = ω h h h = 0 0 áll., forgórész relatív sebességétől. független a mező és a ábra Szinkron szögsebességen átmágnesezés nincs, a mágnesezettség befagy, megáll, a forgórész, mint állandó mágneses forgórész üzemel tovább a terhelésnek megfelelő β szöggel. A ábrán látható M t1 terhelőnyomatéknál szinkron üzem keletkezik. A kifejtett nyomaték M<M h. Az M t2 >M h terhelőnyomaték esetén aszinkron üzem jön létre és M h +M asz =M t2. Az aszinkron nyomaték megjelenése lehetővé teszi a szinkron szögsebesség

9 52 alatti üzemet is, bár ekkor a hatásfok romlik. Az M(β) jelleggörbe ±90 o után nem csökken, mert szinkron alatti szögsebességeknél az átmágnesezés beindul és az állandó M h tartósan létrejön. Előnyök: nagy idítónyomaték, rendkívüli nyugodt járás a forgórész tökéletes (horonymentes) körszimmetriája miatt. Hátrány: drága. Alkalmazások: stúdió, lemezjátszó, magnó hajtások, filmtechnikai hajtások, regisztrálók, számítógép perifériák hajtásai, hiszterézis fékek, (ekkor az állórész egyenárammal van gerjesztve).

10 53

11 54