SZÉCHENYI ISTVÁN EGYETEM AUTOMATIZÁLÁSI TANSZÉK SZINKRON GÉPEK

Átírás

1 SZÉCHENYI ISTVÁN EGYETEM SZINKRON GÉPEK 2013/ őszi szemeszter

2 Szinkron gép

3 Szinkron gép

4 Szinkron gép motor

5 Szinkron gép állandó mágneses motor

6 Szinkron generátor - energiatermelés A szinkron gép elsősorban mint áramszolgáltató nagy generátor fontos. Míg az indukciós motor "hajtja a világ iparát", belátható időn belül a villamos energia döntő részét továbbra is szinkron generátorok szolgáltatják. A hajtógép gőz-, víz vagy gázturbina. A nagy gőzturbinás generátorok 2-4 pólusúak, a vízturbinások gyakran nagy pólusszámúak, lassú fordulatszámúak.

7 Szinkron generátor - energiatermelés

8 Szinkron gép felépítése Az állórész tekercselés háromfázisú, elviekben ugyanolyan, mint az indukciós gépeké. Miután a vas igénybevétele a fogak telítődése miatt nem növelhető, a nagy gépek áramsűrűségét, a kerületi áramot kell növelni, amihez erőteljes hűtés: lég-, hidrogénill. vízhűtés szükséges. Az állórész lemezelt, légrés-tekercselés. A forgórész két alaptípusa ahengeres és akiállópólusú. Szimmetrikus állandósult állapotban a forgórész együtt fut az állórész mezővel így abban indukálás, átmágnesezés nincs. A hengeres változat lehet tömör.

9 Szinkron gép felépítése Hengeres (állandó légrésű) Kiálló pólusú (változó légrésű)

10 Szinkron gép felépítése

11 Hengeres gépek - nyomaték Szinkron gép ωr = 0 ω m = ωs α = 0 I smi rmlm M = s + 2 M avg = I sm I rm 2 L { sin( 2ω t + δ ) sinδ} M sinδ Egyfázisú gép, 1 tekercs van az állórészen Lüktető nyomaték: NEM JÓ nagy gépek esetében! ->Többfázisú gépnél a lüktető nyomaték csökken. ω m 0 M = 0 = avg -> Nem tud önmagában elindulni

12 Szinkron gép működése Ha ω r =0, akkor a forgórészt egyenárammal tápláljuk. Ezzel: ω m = ω s A δ szög mindig a terhelőnyomaték nagyságának megfelelően áll be. A gép átlagos nyomatékot egyetlen fordulatszámon, az állórészmező fordulatszámán, az ún. szinkron fordulatszámon képes csak kifejteni. Innen a neve: szinkrongép. Az álló- és forgórész, mint láttuk korábban, helyet is cserélhet.

13 Szinkron gép működése A váltakozó áramú gépeink működésének alapja két szinkron forgó forgómező (lásd aszinkron gép), képletesen két összetapadt, együttfutó pólusrendszer. Tengelyeik között - a terhelő nyomaték hatására - szögeltérés, szögelfordulás előáll, de állandósult állapotban fordulatszám-eltérés nem lehetséges. A szinkron gép állórészének a hálózatra kötött háromfázisú tekercselése a légrésben szinkron fordulatszámú forgómezőt hoz létre.

14 Szinkron gép működése Az egyetlen forgórész tekercset egyenárammal tápláljuk (lehet állandó mágneses). A forgórész mező így a forgórészhez képest áll, nyugalomban van = állandó mező, ahhoz rögzített, "hozzá van ragasztva": f = 0 = r n 0 = r Ebből következik, hogy a forgórésznek az állórész mezővel együtt, azzal szinkron kell forognia n = n = s n 1

15 Szinkron gép működése A szinkron gép állandósult, szimmetrikus állapotban UNILATERÁLIS = indukálás csak egy irányban van: a forgórész indukál az állórészbe. NEM INDUKÁL Állórész (Armatúra) Forgórész (Póluskerék) INDUKÁL

16 Szinkron gép működése A gép tehát csak egyetlen fordulatszámmal, az n 0 szinkron fordulatszámmal képes forogni. Ha fordulatszáma ettől eltér, tehát "kiesik" a szinkronizmusból, akkor üzemképtelenné válik. Minden relatív fordulateltérés alatt a teljes, zérus középértékű nyomatékgörbét befutva csak lengő nyomaték keletkezik és a gép a hálózatra nézve gyakorlatilag rövidzárlatot jelent. A forgórész mező a forgó mező "legegyszerűbb" alakja, nevezhetnénk forgatott forgó mezőnek, mechanikailag forgatott mezőnek, miután egy állandó mező mechanikai forgatásával jött létre. Az elmondottakból következik, hogy a szinkron gép nem tud indulni! A generátort a hajtó gép - pl. a turbina - forgatja névleges fordulatra, a motort kalickával indukciós motorként vagy a tápláló inverter nulláról növekvő frekvenciájával kell a szinkron fordulat közelébe juttatni. A szinkron fordulat elérésekor mind a generátort, mind a motort - mint később látjuk - megfelelő módon kell a hálózatra kapcsolni, szinkronizálni kell.

17 Szinkron gép működése A szinkron gép lengőképes, lengésre hajlamos rendszer. Az indukció vonalak rugalmas gumiszalagokként viselkednek. Az aszinkron gép lengését a kalicka - a rövidrezárt szekunder - indukált áramai fékezik. Hasonló hatások szinkron gépben is fellépnek. Ugyanakkor mivel a forgórész áramok révén "saját" mágneses tere van - azt nem a hálózatból felvett áramkomponensnek kell létesíteni a szinkron gép képes meddő - kapacitív meddő - teljesítményt szolgáltatni, azaz úgy viselkedni mint egy kondenzátor telep. Szokásos a rögzített pólusokkal ellátott forgórészt póluskeréknek, mezejét pólusmezőnek (Φ p ) nevezni. Az állórész (háromfázisú) tekercselésének neve armatúra tekercselés, mezeje az armatúramező (Φ a ). Bár az armatura- és a pólusmező a szinkron gép légrésében egyetlen eredő mezővé tevődik össze és csak ez mérhető, azonban a két részmező - az azokat létesítő áramok - itt egymástól függetlenül változtathatnak célszerű a szinkron gépnél a két részmezőben gondolkodni.

18 Szinkron gép helyettesítő kapcsolása A mágneses tér modellje : kétmezős elmélet, mert a két mező többé-kevésbé függetlenül változtatható. Apólusfeszültség az ismert módon: U ez aktív (feszültségforrás). Azarmatúra-feszültség: p U 2π = f ξ NΦ { 2 a 4, 44 p,max 2π = f ξ N 1 1 { 2 Φ 1 3 a 2 4, 44 Ψ 1 a ez indukált feszültség, de feszültségesésként vesszük figyelembe.

19 Szinkron gép helyettesítő kapcsolása A helyettesítő kapcsolást transzformátorhoz és indukciós géphez hasonlóan, itt is csak egy fázisra rajzoljuk meg. Ψ I Ψ a a a U = 2π f 2 f I 2 f L I a 1 1 a 1 a 2 I = π = π a 2 I 123 a 123 X a L U = jx Ehhez járulnak a szórások: a a I a a, ahol X a az armatúra reaktancia. a( eff ) Fogfejszórás Tekercsfejszórás Horonyszórás

20 Szinkron gép helyettesítő kapcsolása A feszültségegyenlet: U + = U + jx I + jx I R I k p a a s a a a A vasveszteséget elhanyagolva: állandósult szimmetrikus állapotban csak az állórészben keletkezik vasveszteség Nagy gépeknél: η 100% így P vas 0, P mech 0 X d = X a +X s SZINKRON REAKTANCIA, százalékos megadása: X d X = 100% Z d n

21 Szinkron gép helyettesítő kapcsolása Hengeres forgórészű Minden irányban azonos mágneses ellenállás Kiálló pólusú Az eltérő irányokban eltérő mágneses ellenállás

22 Szinkron gép helyettesítő kapcsolása A hengeres forgórészű szinkron gép egyszerűsített helyettesítő kapcsolása: Thevenin kapcsolásból Norton kapcsolás kapható az ismert átalakítással: A helyettesítő kapcsolás szemléletesen mutatja, hogy (a transzformátorok és az aszinkron gépek esetétől eltérően) a szinkron gépek esetén nem a gerjesztések egyensúlya törvénye vezérli a működést, hanem a gerjesztő áram kényszere.

23 Szinkron gép fazorábrája A feszültség-egyenlet alapján: U p = U k jx s I a jx a I a = U k U s U a U a Re U i U S U p U R U k Φ a I a Im Φ eredő Φ p U p Φ eredő U i I a Φ a Φ p

24 Szinkronozás A szinkron gépek általában párhuzamosan vannak kapcsolva a hálózattal. A párhuzamos kapcsolás, amelyet szinkronozásnak szokás nevezni, elvégzése előtt meg kell győződni az alábbi feltételek teljesüléséről. Feltételek: Fázissorrend azonosság: optikai fázissorrend-mutatóval, vagy fázissorrendtől függő forgásirányú géppel ellenőrizzük Frekvenciaazonosság: frekvenciamérővel vagy lámpakapcsolással ellenőrizzük Feszültség amplitúdó azonosság: abszolút vagy különbözeti feszültségmérővel ellenőrizzük Megfelelő fázisfeszültségek közötti fázisszög zérus: vegyes lámpával ellenőrizzük kapcsolású

25 Teljesítmény és nyomaték Feltétel: azaz P = 0 R = 0, X = X + X veszt P = P P 3U I mech légrés 1 k a a A vektorábra felhasználásával a következő összefüggést kapjuk: melyből: U I a p sin δ = X I = d a U cosϕ = X ahonnan a teljesítmény: p d d cosϕ cos( π ϕ ), sinδ, P = P = 3U I cosϕ = 3U mech 1 k a a k s U X p d sinδ, U p U p sinδ I a X d δ φ Φ a I a U k Φ eredő Φ p π-φ

26 A teljesítmény: Teljesítmény és nyomaték P = P = 3U I cosϕ = 3U mech 1 k a δ a terhelési szög, ami ha δ < 0 a motoros üzemállapotnak felel meg, δ > 0 generátoros üzemállapotnak felel meg. A nyomaték: M = P Ω ahol Ω 0 a mechanikai szögsebesség 3 mech mech 0 P = ω 1 p k U X p U U k = { ω X 1 d U U M = k k k X d p p d p sinδ sinδ, sinδ

27 Terhelésfelvétel I a X d I a X d δ U p U k U p U Uk U p U Uk Φ p I a Φ p I a Φ p

28 Terhelésfelvétel Ha aφ p pólusfluxus (a gerjesztő áram) növelésével a pólusfeszültség (U p ) nagyságát növeljük, akkor a középső ábra szerint a megjelenő feszültségkülönbséghez tiszta kapacitív meddő áram, azaz meddő teljesítmény leadás tartozik. Ha a turbina gőzbeömlésének növelésével a tengelyen kifejtett nyomatékkal a c. ábra szerint U p -t előre forgatjuk, akkor a megjelenő I a árammal közel tiszta hatásos teljesítmény leadást létesítünk. A hatásos teljesítményt tehát a tengelyen, a meddőt a forgórész egyenáramának változtatásával lehet módosítani. Az elmondottakat energetikai megfontolások is alátámasztják. Miután az armatúra nem hat - indukálás révén - a pólusokra az energetikai folyamat, a mechanikai - villamos energiaátalakítás az armatúrában folyik le. A gerjesztő tekercselésbe betáplált villamos energia teljes egészében joule hővé alakul.

29 Terhelésfelvétel

30 Nyomaték és stabilitás M S = = δ M b cosδ

31 Szinkron gépek Különféle szinkrongéptípusok

32 Reluktanciamotor Rossz teljesítménytényező és nagy hálózati áram rossz hatásfok Olcsó, robusztus, pontos fordulatszám- illetve szöghelyzettartás Pontos szöghelyzetet vagy együttfutást igénylő hajtásokban alkalmazzák.

33 Állandó mágneses szinkron motor Teljesítménytényezője és hatásfoka igen jó, 0,5 10kW tartományban cosφ 0,9 0,99, mivel nincsen szlip, ill. forgórészáram, nincsenek forgórészveszteségek.

34 Hiszterézismotor 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).

35 Léptetőmotor Előnyök: nincs benne szénkefe, így tartósabb lehet. A pontos pozícióba álláshoz nem szükséges bonyolult visszacsatolás. Hátrányok: alacsony fordulatszám (a maximális fordulatszám tipikusan fordulat/perc). Azonos teljesítmény mellett nagyobb méret és tömeg, nem számítógépes környezetben bonyolultabb vezérlés.

36 Léptetőmotor

37 Példák