Óbudai Egyetem Bánki Donát Gépész és Biztonságtechnikai Kar Mechatronikai és Autótechnikai Intézet Váltakozóáramú gépek Összeállította: Langer Ingrid adjunktus
Aszinkron (indukciós) gép Az ipari berendezések villamos hajtásaiban túlnyomórészt az aszinkron gépek terjedtek el. Általában háromfázisú hálózatról és csaknem kizárólag motorként üzemeltetik. Felépítés 1. Állórész (sztátor) -Lemezelt vastest: kb. 0,5 mm vastag körgyűrű alakú lemezekből áll, belső kerülete mentén hornyok találhatók -Háromfázisú tekercselés: a tekercsvégek a kapocstáblához vannak kivezetve, melyek Δ vagy Y kapcsolásban csatlakoznak a háromfázisú hálózathoz. OE BGK MEI 010.
. Forgórész (rotor) Az aszinkron motorok felépítése Lemezelt vastest: kb. 0,5 mm vastag körgyűrű alakú lemezekből áll. Kivitele lehet: Csúszógyűrűs (tekercselt forgórészű) Kalickás (rövidrezárt forgórészű) A forgórész is háromfázisú tekercselést tartalmaz, melyet általában Y-ba kapcsolnak. A tekercsvégek a tengelyen elhelyezett csúszógyűrűlhöz csatlakoznak. A forgórész hornyaiba vezetőkből készült rudazat kerül, melyeket a homlokoldalon gyűrűk zárnak rövidre. OE BGK MEI 010. 3
Csúszógyűrűs (tekercselt forgórészű) aszinkron motor OE BGK MEI 010. 4
Kalickás (rövidrezárt forgórészű) aszinkron motor OE BGK MEI 010. 5
A kalickás és a csúszógyűrűs aszinkron motorok összehasonlítása Kalickás egyszerű szerkezet üzembiztos működés olcsó megoldás fordulatszáma csak bonyolultabb megoldásokkal változtatható Csúszógyűrűs bonyolult felépítés drága kivitel nagy indítónyomaték kíméletes indítás indítóellenállások használatával ipari alkalmazásoknál az aszinkron motorok kb. 90%-a kalickás. OE BGK MEI 010. 6
Működés Az állórész térben egymással 10 -os szöget bezáró három tekercsére a háromfázisú hálózat időben egymáshoz képest 10 -os fáziseltérésű feszültségét kapcsoljuk Forgó mágneses mező alakul ki. Ennek fordulatszáma: n 0 60 f p 1 min ahol: f [Hz]: a tekercsekre kapcsolt feszültség frekvenciája p:a póluspárok száma A forgó mágneses tér a forgórész tekercseiben (csúszógyűrűs motor) illetve rudazataiban (kalickás motor) feszültséget indukál, minek hatására a forgórészben a tekercseken-csúszógyűrűkön-kefékenindítóellenállásokon illetve a rudazatokon-rövidrezáró gyűrűkön keresztül áram indul meg. Ezen áram mágneses tere a forgó mágneses térrel kölcsönhatásba lépve a forgórészre nyomatékot gyakorol, ezért a forgórész megindul a mágneses mező forgásának irányában. A forgórész sebessége elmarad a forgó mágneses mező fordulatszámától, a szinkron fordulatszámtól ( n 0 ). (Ezért nevezik aszinkron motornak) OE BGK MEI 010. 7
Szlip A forgórész relatív lemaradása (csúszása) a szinkron fordulatszámhoz képest: szlip s n0 n n 1 n n 0 0 s 1 n ( 1 s) n 0 Ellenáramú n 0 n féküzem Motor Generátoros üzem p n 0 [1/min] n n [1/min] 1 3000 800-880 1500 1410-1450 3 1000 90-970 4 750 710-730 s n [%] 4-6 3-5 3-8 -5 OE BGK MEI 010. 8
Teljesítménymérleg, hatásfok P1 3U 1 I1 cos P l P ( 1 s) m P l P M Felvett (hálózati) teljesítmény Légrésteljesítmény Mechanikai teljesítmény Hasznos (tengely) teljesítmény Állórész tekercsveszteség: P t1 =3I f1 R 1, ahol R az állórész tekercs egy fázisának ohmos ellenállása. Vasveszteség P vas Állórész veszteségek P (P Forgórész tekercsveszteség t 3 I v as f 0) R s P l Súrlódási és ventillációs veszteségek P P 1 OE BGK MEI 010. 9
Az aszinkron gép nyomatéka P l P t M P l 0 P mech M forgórész kapcsain mérhető feszültség U 0 szinkron szögsebesség M ( 1 s) 0 M s 0 3 I R ( s U 0 forgórész kapcsain mérhető feszültség álló helyzetben s 0 forgrészben indukálódó feszültség szögsebessége s P ) l I forgórésztekercs egy fázisának ellenállása R U X L forgórésztekercs egy fázisának reaktanciája X L s L s X L 0 L0 forgórésztekercs egy fázisának reaktanciája álló helyzetben 3 s U R s 0 R X 0 M s 0 M 0 X L L 0 0 R 3 s U s R A motor nyomatéka a feszültség négyzetével arányos OE BGK MEI 010. 10
Az aszinkron motor helyettesítő kapcsolása R 1 :az állórész tekercselés egy fázisának ellenállása X s1 : az állórész tekercselés egy fázisának szórási reaktanciája X m : mágnesező reaktancia X' s : a forgórész egy fázisának szórási reaktanciája az állórész tekercselés menetszámára átszámítva R' : a forgórész egy fázisának ellenállása az állórész tekercselés menetszámára átszámítva R v : vasveszteségi ellenálás R' t : a terhelésnek megfelelő ellenállás OE BGK MEI 010. 11
Nyomaték-fordulatszám jelleggörbe OE BGK MEI 010. 1
Az aszinkron motorok üzemi kérdései Indítás Probléma: I i =(3...9)xI n ez a hálózatban nagy feszültségesést okozhat csökkenteni kell 1. Csúszógyűrűs aszinkron motorok indítása M m A forgórészkörbe csúszógyűrűkön keresztül beiktatott csillagba kapcsolt indítóellenállásokkal történik. Az indítóellenállásokkal elérhető, hogy az indítási áramlökés lecsökkenése mellett megnő az indítónyomaték. Az inditás folyamata alatt az indítóellenállásokat fokozatosan rövidre zárják. 0 n 0 OE BGK MEI 010. 13
Indítás. Kalickás aszinkron motorok indítása Közvetlen indítás: Kis teljesítményű gépek és/vagy nagy teljesítményű hálózatok esetén lehetséges Indítási áram csökkentése a kapocsfeszültség csökkentésével: I. A motor és a hálózat közé ellenállások vagy fojtótekercsek beiktatása: Az indítási nyomaték is csökken! OE BGK MEI 010. 14
Indítás II. Takarékkapcsolású transzformátor alkalmazása (nagyfeszültségű motoroknál alkalmazzák) Indításkor először K és 1K kapcsolót zárjuk, majd az üzemi fordulatszám közelében K nyit és 3K zár. A hálózati áramlökés és az indítnyomaték egyaránt 1/a -szeresre csökken OE BGK MEI 010. 15
Indítás III. Y-Δ indítás (kisfeszültségű motorok, 3 kw felett) Indításkor az állórész tekercseit csillagba kapcsolják, majd az üzemi fordulatszám közelébe deltába. A csillagba kapcsolt tekercsek áramfelvétele 1/3-a deltába kapcsolténak, de ezzel egyidejűleg az indítónyomaték is a harmadára csökken. K zár, 3K nyit: Y kapcsolás 3K zár, K nyit: Δ kapcsolás I I Y M M 3 I I Y fy f U U f fy Uf 3 Z UfY Z f f U U 3 3 U U 3 3 3 OE BGK MEI 010. 16
Indítás Mélyhornyú és kétkalickás motorok A közönséges kalickás motorok indításához használt áramcsökkentő módszerek az indítónyomatékot is lecsökkentik. 40-50 kw teljesítmény felett nem lehet összehangolni az áramcsökkentést a szükséges indítónyomaték biztosításával speciális forgórészeket gyártanak: mélyhornyú kalickával vagy kettős kalickával Működési elv: Mélyhornyú kalicka: A vezetők magas keskeny rudak. A rudak alsó részének reaktanciája sokszorosa a felső rész reaktanciájának. Indításkor, amikor a forgórész áram frekvenciája nagy (f=sf0), az áram a felső, kisebb reaktanciájú vezetékelembe szorul ( szkin hatás) A hatás olyan, mintha a forgórész ellenállása megnőne Mi Ii Kétkalickás motor : A légréshez közelebbi kalicka nagy, az alsó kis ellenállású. Induláskor az áram kiszorul a nagy ellenállású, kis reaktanciájú külső kalickába, üzem közben pedig a kis ellenállású belső kalicka vezetőiben folyik. OE BGK MEI 010. 17
Fordulatszám változtatás n n0 ( 1 f n0 p s) n f ( 1 p s) A fordulatszám megváltoztatható: a szlip a pólusszám a frekvencia változtatásával 1. Szlip változtatása (csúszógyűrűs aszinkron motorok) A légrésteljesítmény a terhelőnyomatéktól függ. Ha M t nem változik, P l sem változik. P l Pt áll. P t változik s is változik s P t változtatása: forgórész körbe iktatott ellenállásokkal R R s ' ' 1 ' R s OE BGK MEI 010. 18
Fordulatszám változtatás. Pólusszám változtatás (kalickás motorok) Veszteségmentes megoldás. Dahlander-féle tekercselés: az egyes fázistekercsek két félből állnak, amelyeket sorban vagy párhuzamosan lehet kapcsolni OE BGK MEI 010. 19
Fordulatszám változtatás 3. Állórész frekvencia változtatása A legkorszerűbb megoldás. Félvezető elemekből épített frekvenciaváltókkal veszteségmentes, folyamatos fordulatszám változtatás érhető el. 3000 1/min-nél nagyobb fordulatszám is elérhető OE BGK MEI 010. 0
Fékezés 1. Haszonfékezés A teher a szinkron fordulatszám fölé gyorsítja a forgórészt (pl. lejtmenet, tehersüllyesztés) a motor indukciós generátorként a tengelyen felvett mechanikai energiát villamos energiává alakítva visszatáplálja a hálózatnak. A billenőnyomatékot még átmenetileg sem szabad túllépni, mert ha teher nyomatéka nagyobb a fékező nyomatéknál a terhet többé nem lehet lefékezni. OE BGK MEI 010. 1
Fékezés. Ellenáramú fékezés A forgófluxus (a motor nyomatéka) ellentétes a forgásiránnyal: Két fázis megcserélésével megfordítjuk a forgófluxus irányát: lassító fékezés A munkagép forgásiránya megváltozik, a fluxus forgásiránya változatlan marad: tehersüllyesztés 3. Dinamikus fékezés (fékezés egyenáramú gerjesztéssel) Az állórészt lekapcsoljuk a hálózatról és egyenárammal gerjesztjük, a motor csúszógyűrűihez pedig fékező ellenállásokat kapcsolunk OE BGK MEI 010.
Egyfázisú aszinkron motor Kis teljesítményű hajtásokhoz használják, ahol nem áll rendelkezésre háromfázisú hálózat. (pl. kis kompresszorok, szivattyúk). Felépítés: Állórész: egyfázisú tekercselést tartalmaz Forgórész: kalickás, (esetleg háromfázisú csúszógyűrűs) A tekercsben folyó váltakozó áram szinuszosan változó, de álló mágneses teret hoz létre. Ez olyan, mint két egymással ellentétes irányú fél amplitúdójú forgófluxus eredője. A nyomatéki jelleggörbe a két forgófluxus által létrehozott jellegörbe eredőjének tekinthető: Az indítónyomaték 0, a motor magától nem indul. (Indítás berántással, vagy segédfázissal) Ha valamelyik irányba elindítjuk, az eredő nyomaték már nem 0, a motor a névleges fordulatszámra felfut A forgórésszel együtt futó fluxus hajtó-, az ellentétes fékezőnyomatékot hoz létre. OE BGK MEI 010. 3
Segédfázisú motorok A főfázis tekercselés az állórész /3-át, a segédfázis az 1/3-át foglalja el. A két tekercs egymással 90 -os szöget zár be. Forgó fluxus akkor keletkezik, ha a segédfázisben folyó áram fázisban is 90 -os fázis eltérésben van a főfázis áramához képest. ezt a segédfázishoz kapcsolt kondenzátor biztosítja indítókondenzátoros : a kondenzátor a billenőnyomaték elérése után automatikusan lekapcsolódik üzemi kondenzátoros: a kondenzátor nem kapcsolódik le kétkondenzátoros: külön indító- és üzemi kondenzátor párhuzamosan kötve (az indítókondenzátor lekapcsolódik) A lekapcsolást áramrelé időrelé vagy a fordulatszám alapján centrifugál-kapcsoló végzi. OE BGK MEI 010. 4
Szinkrongépek A váltakozóáramú villamosenergia-termelés legfontosabb gépe. Generátorként és motorként egyaránt működtethető. Háromfázisú kivitelben készülnek. Csak a szinkron fordulatszámon képesek tartósan üzemelni 60 f p 1 min Forgórészét egyenáram gerjeszti. (A tekercsek gerjesztése csúszógyűrűkön és keféken keresztül történik.) Felépítés: Állórész: lemezelt, háromfázisú tekercselést tartalmaz n 0 Forgórész: póluskerék Hengeres pólusú: (kevés pólusszámmal nagy forgási sebesség) A gerjesztőtekercsek a tömör vagy lemezelt forgórész hornyaiban helyezkednek el. Kiálló pólusú: (nagyobb pólusszám kisebb forgási sebesség) a gerjesztőtekercseket a forgórész koszorújához erősített pólusok hordják OE BGK MEI 010. 5
A szinkrongépek működése Motor Az állórészre kapcsolt 3 fázisú feszültség n 0 fordulatszámmal forgó mágneses teret hoz létre. A forgó fluxus a gerjesztett póluskereket n 0 fordulatszámon tartja, amin a motor nyomaték kifejtésére is képes. Az indítónyomaték 0, azaz álló póluskereket a forgófluxus elindítani nem tud. Generátor Az egyenárammal gerjesztett forgórészt állandó fordulatszámmal forgatják. (gőz-, víz-, gázturbina, diesel motor) az állórésztekercsekben szinuszos háromfázisú feszültség indukálódik http://vimeo.com/groups/37089/videos/1091411 OE BGK MEI 010. 6
A szinkrongép áramköri modellje U a U s U R I a I a jx a jx s R jx U p U i U k U p U k X X I a a U k X U jx s p ;R X U i U p U a U i :indukált feszültség U a : armatura feszültség U p : pólusfeszültség U k : kapocsfeszültség X a : armatura reaktancia X s : armatura szórási reaktancia X: szinkron reaktancia OE BGK MEI 010. 7
Szinkrongép nyomatéka M 3 0 Uk U X d p sin M: nyomaték : terhelési szög (U p és U k közötti szög) OE BGK MEI 010. 8
A szinkron motor indítása A legelterjedtebb indítási mód az aszinkron felfutás: A pólussarukban beépített csillapítórudak a rövidrezáró gyűrűkkel a kalickás aszinkron motoréhoz hasonló kalickát alkotnak. Indításkor a forgórész egyenáramú tekercselését rövidre zárják, a motor aszinkron motorként elindul és a szinkron fordulatszámhoz közeli fordulatszámra felgyorsul. A forgórész gerjesztőáram bekapcsolása után a motor "beugrik" a szinkron fordulatszámra beugrás a szinkronizmusba OE BGK MEI 010. 9