6. MÉRÉS ASZINKRON GÉPEK A techikai fejlettég mai zívoalá az azikro motor a legelterjedtebb villamo gép, amely a villamo eergiából mechaikai eergiát (forgó mozgát) állít elő. Térhódítáát a háromfáziú váltakozó áramú redzerek elterjedééek é vizoylag egyzerű zerkezeti felépítééek közöheti. Megjegyzé: Háromfáziú redzerbe az U-val jelölt fezültég így a évlege fezültég i midig voali érték! Ebbe a fejezetbe kivételee az idexek zámát cökketedő em jelöljük külö idexzel, de midig fázifezültégről va zó... Működéi elv Az azikro gépeket főkét motoro üzemállapotba hazálják. Mit mide villamo motor, az azikro motor működée i azo a fizikai felimerée alapzik, hogy mágee térbe árammal átjárt vezetőre erő hat. Az azikro forgógépekre a forgó mágee tér jellemző. Ezt a forgó mágee teret az állóréze elhelyezett tekerceléi redzerbe folyó többfáziú áramredzer gerjezti. (Ezetúl a többfáziú redzerek helyett cak a háromfáziúról bezélük, mivel a gyakorlatba, túlyomó többégbe háromfáziú gépekkel találkozuk.) Ha az állóréz horyaiba elhelyezett a térbe eloztott háromfáziú tekercelére háromfáziú időbe eltolt fezültéget kapcoluk, akkor a megiduló háromfáziú áram a kerület meté forgó mágee teret gerjezt (3.3.-. ábra). a) b) W θ e V W +j j V θ 30 o e θ V θ U θ U W - + θ U θ W U U + L + U W W V +j I =-0,5 W V -j L3 I U =0,866 j I W =-0,866 L 30 o L3 - - I = U + I V = 0 ω -j I =-0,5 V L ω L - 3.3.-. ábra. Forgó mágee tér létrehozáa
A forgó mágee tér erőége, azaz az állóréz által létrehozott forgó fluxu agyága, a tekercelére kapcolt tápfezültég agyágától függ. Ugyai a forgó mágee tér létrehozza az állóréz tekerceléébe a kapocfezültéggel egyeúlyt tartó idukált-fezültéget, mit azt a trazformátorokál vagy a zikrogépek motoro üzeméél láttuk. Ui = 4, 44 f N ξ Φmax U = áll. Álladó kapocfezültéget feltételezve, a forgó fluxu erőége ( Φ é B ) közel álladó. Az árammal átjárt vezetők a forgóréze találhatók. Ezek lehetek az állórézel megegyező fázizámú é póluzámú tekercelé elemei, vagy a forgóréz horyokba elhelyezett rudazatok, amelyek a forgóréz két oldalá eleve rövidre vaak zárva. Az előbbieket cúzógyűrű forgórézű azikro gépekek evezzük, mert a tekercek végei a forgóréze lévő cúzógyűrűkhöz catlakozak, utóbbiakat pedig, kalická forgórézű azikro gépekek evezzük. Az áramot a forgóréz vezetőibe idukált fezültég hajtja át, ie zármazik a ritkábba hazált idukció motor elevezé. A forgó mágee tér fezültéget idukál a forgóréze elhelyezett tekercelébe, rudazatba i: Ui = 4,44 f N ξ Φ max. A forgóréz álló állapotába, a forgórézbe idukált fezültég frekveciája megegyezik az állórézre kapcolt hálózati fezültég frekveciájával: f = f. Zárt áramkör eeté olya iráyú áram idul a forgóréz vezetőkbe, ami a forgórézt a mágee térrel való együttforgára kézteti (Úgy i elképzelhető, mit két együtt forgó máge). A forgó tekercelébe idukálódó fezültég frekveciája attól függőe változik, hogy meyi a forgó mező é a forgóréze elhelyezett tekercelé fordulatzámáak külöbége. A forgóréz fordulatzámáak relatív eltérée a forgó fluxutól a zlip: o = ahol, o a forgó mező fordulatzáma (zikro fordulatzám: a forgóréz téylege fordulatzáma. o f p o = ), (3.3-) A zlipet (3.3.-) felhazálva özefüggét írhatuk fel a forgóréz vezetőket metző erővoalak által idukált fezültég frekveciája é a hálózati frekvecia között: f = f. (3.3-) A forgórézbe idukált fezültégek azoba em cak a frekveciája cökke, haem a agyága i, az erővoalzám-változá ebeégéek cökkeée miatt. A zlip fogalmáak felhazáláával felírhatjuk a forgórézbe idukált fezültég effektív értékét: U = 4 44 f N ξ Φ i, max. (3.3-3) A forgóréz fezültégéek agyága é frekveciája, forgó állapotba, az állóréz fezültégéek zereére változik. Mivel a forgát előidéző yomaték a forgórézbe idukált fezültég által áthajtott áramtól ered, a forgóréz fordulatzáma külő egítég élkül em érheti el a zikro fordulatzámot, mert ekkor =0 miatt megzűe a forgóréz idukált fezültége, é így a tekercelébe folyó áram. Motoro üzembe tehát a forgóréz fordulatzáma midig elmarad a forgómező fordulatzámától, ie ered az általáoa elterjedt azikro elevezé. Tegelyre ható külő yomatékkal, ha aak iráya megegyezik a forgómező forgáiráyával, a forgóréz fordulatzáma elérheti, őt túl i lépheti a zikro fordulatzámot. Ha
túllépi, akkor a zlip egatív lez, a létrejövő yomaték elletéte lez a forgá-iráyal (em hajt, haem fékez), a azikro gép áttér geerátoro üzemre. Az eergia áramlá iráya megfordul, a forgóréz forgatáára hazált mechaikai eergiát az állóréz kapcoko megjeleő villamo eergiává alakítja át az azikro gép (geerátoro üzem lád 3.3.-. ábra). Ha álló állapotba a forgórézre ható, é a forgó mezővel elletéte iráyú külő yomaték agyobb, mit a forgóréz vezetőkbe folyó áram hatáára a forgóréz kifejt, a forgóréz a forgómezővel elletéte iráyba kezd el forogi. Ezt az üzemállapotot féküzemek evezzük (3.3.-. ábra). (Bár az armatúra tekercelébe em fordul meg az áramiráy, a gyakorlatba elterjedt az elleáramú féküzem elevezé i.) Féküzem 0 Motorüzem 0 Geerátorüzem > 0< < <0 3.3.-. ábra. Az azikro gép üzemállapotáak változáa a fordulatzám függvéyébe (+ a forgó mező forgáiráya, a zlip.) Ebbe az üzemállapotba a forgóréz tegelye bevezetett mechaikai teljeítméy é a hálózatból felvett villamo teljeítméy egyarát hővé alakul a gépbe, zükégeé válik valamilye külő beavatkozá, hogy a létrejövő évlegeél 5 8-zor agyobb áramot megfelelő mértékbe korlátozzuk... Szerkezeti felépíté Az azikro motorok állóréze léyegébe megegyezik a zikro gépek állórézével. Külöbég cak a méretekbe adódik, az azikro motorok kiebb teljeítméye miatt. A forgóréz tekerceléek kialakítáa azoba két külö coportra oztja az azikro motorokat, ahogy az majd a következő ábráko látható: a.) Rövidrezárt rudazat, kalická forgóréz (3.3.-3. ábra) Néháy wattól több záz kilowattig terjedő teljeítméy tartomáyba a forgóréz horyokba elhelyezkedő rudak, é az azokat rövidre záró gyűrűk alumíium kiötéel kézülek. 3
a. f. 3.3.-3. ábra. Kalická azikro gép metzete b.) Cúzógyűrű forgóréz (3.3.-4. ábra) A forgóréze az állóréz póluzámával megegyező tekercelé, amelyek végeit cúzógyűrűkö kereztül rövidre zárhatjuk. A vöröréz huzalból kézült forgóréz tekercelé végeit cúzógyűrűkhöz vezetik ki, amely lehetővé tezi a forgóréz körbe törtéő beavatkozát. Ez törtéhet egyzerű pazív elemekkel (idító elleállá), vagy félvezetőkkel (kazkádkapcoláok). Néháy kilowattól több záz kilowattig, e zéle teljeítméy tartomáyba elterjedte alkalmazzák. a. f. c. k. 3.3.-4. ábra. Cúzógyűrű forgórézű azikro gép metzete a.) állóréz tekercelé, f.) forgóréz tekercelé, c). cúzógyűrűk, k). kefezerkezet 4
..3. Helyetteítő vázlat Képzeljük el egy olya cúzógyűrű azikro motort, amelyek a forgóréz tekercelée teljee megegyezik az állóréz tekerceléével. Ha az állóréz tekercelét a hálózatra kapcoljuk, akkor a forgóréz álló állapotába a yitott cúzógyűrűk között éppe akkora fezültég idukálódik, mit az állórézbe idukált fezültég. Álló állapotba az azikro gépet egy agy légréű trazformátorak tekithetjük (3.3.-5a ábra, A megkülöböztető Á idex az álló állapotra utal). 3.3.-5. ábra. Azikro motor helyetteítő vázlatai 5
U U = U a) a forgóréz áll, cúzógyűrűk zártak ( U = ); b) forgóréz forog ( i U i Á i i i c) álló é forgóréz egyeítée; d) R / = R +Rt zeriti fizikai értelmezée ); Az azikro gép, mit agy légréű trazformátor idukált fezültége: U i = 4, 44 f N ξ φmax, (3.3-4) é az álló forgórézbe idukált fezültég a trazformátorhoz haolóa: U = f N φ = a U = U 4,44 ξ i Á max i Á i. (3.3.-5) A redukálához azoba a teljeítméy é a gerjezté azooág miatt figyelembe kell veük az eetlege fázizám (m) eltérét (pl.: kalická gépek), ezért az áttételt azikro gépekél: m N a = m N ξ ξ alakba kell defiiáluk. (A póluok záma midig megegyezik.) Eltérő tekerceléi adatok eeté tehát: m N ξ U = U = a U = U i Á i Á i Á i m N ξ (3.3.-6), (3.3.-7) é az áttételek megfelelőe a többi zekuder villamo meyiég redukált értéke: I = I a R = a R X ; = a X. (3.3.-8) ; Ha a cúzógyűrűk záráakor megiduló forgórézáram hatáára a forgóréz forogi kezd, a forgóréz tekercelébe idukált fezültég agyága é frekveciája i az álló állapot zlipzeree lez: 0 Ui = U = U ; i Á i. (3.3.-5b ábra.) De a forgóréz zórái reaktaciája i zlip zereére változik a frekvecia változáa miatt. Ahhoz, hogy egyeítheük a forgórézt é az állórézt, é forgó állapotra i érvéye helyetteítő vázlatot kapjuk, írjuk fel a fogóréz körre egy hurok egyeletet: U = I ( R + j X ) i Az egyelet midkét oldalát eloztva az zlippel: R U = i = I + j X Ui (3.3.-9) (3.3.-0) 6
Látható, hogy a forgóréz kör villamo jellemzőiek matematikai megváltoztatáával a két fezültég egyelővé tehető, é az áramkörök egyeíthetők (3.3.-5c ábra). Azoba keletkezett egy új tag, az R, melyek egyelőre em tuduk fizikai értelmet tulajdoítai. Hívjuk egítégül megit a matematikát, é botuk fel R zliptől függő tagra, azaz: R + = R = R + = R + R R t = R R -t egy zliptől függetle R (3.3.-) é egy Ahhoz, hogy a helyetteítő vázlatba az elleállá (3.3.-5d ábra.) fizikai értelmet kapjo, vizgáljuk meg a teljeítméy átalakítá folyamatát motoro üzembe! (Mivel a helyetteítő vázlatba zereplő elemek midig egy fázira voatkozak, a helyetteítő vázlatból zámított teljeítméyeket meg kell zorozi a fázizámmal. Eetükbe legye m=3.) Az A-A kapcoko bevezetett villamo teljeítméy hatáo özetevőjéek egy réze az állóréz P tekercelé ohmo elleálláá rézvezteég formájába réz I R hővé alakul (3.3.-6. ábra). Egy máik háyada a forgó mágee tér létrehozáakor az állóréz lemezcomagba a Ui Pva vavezteég fedezéére fordítódik: Rv A P P réz P δ P va B P δ P réz C P mech P url+vet P A B C 3.3.-6. ábra. Az azikro motor teljeítméy-átalakítái folyamata A teljeítméy agyobbik háyada a légrée kereztül mágee eergia közvetítéel átáramlik a forgórézbe. Ezt a háyadot légrételjeítméyek evezzük: R Pδ = P P réz Pva I. (3.3.-) A forgórézbe a légrételjeítméy egy réze a tekercelé ohmo elleálláá átfolyó áram hatáára P zité hővé alakul át: réz I R. 7
(A forgóréz vatetbe keletkező vavezteégtől az átmágeezé alacoy frekveciája miatt: f = f = 0,0...0, 06 f eltekithetük.) A rövidrezárt forgórézbe átáramló hatáo teljeítméy agyobbik réze átalakított, mechaikai teljeítméy formájába forgatja a forgórézt: P mech = Pδ 3 I R I R. (3.3.-3) R A 3.3.-5d. ábra helyetteítő vázlatába az elleálláo keletkező teljeítméy a 3.3.-3 özefüggé zerit egyelő az átalakított mechaikai teljeítméyel. A motor tegelyé hazoítható leadott teljeítméy azoba eél a keletkező úrlódái é vetilláció vezteégek miatt kiebb: P = P mech P url + vet. (3.3.-4) Az eergia átalakítához zükége mágee tér felépítééhez a meddő eergiát az azikro motor a hálózatból vezi fel. Eek túlyomó többége a forgó mágee tér felépítéét fedezi, amelyet a helyetteítő vázlatba az Xm reaktaciá megjeleő: Q U X i 0 m meddő teljeítméy jelképez. Eze kívül az álló é forgóréz tekercelé egye meeteivel kapcolódó zórt fluxu fetartáát teteíti meg az X é X reaktaciáko megjeleő: Q I X é Q I X meddő teljeítméy...4. Az azikro motor yomatéka Az azikro motor yomatékát előző fejezet 3.3.-4 özefüggééből megkapjuk: M P = (3.3.-5) ω A yomaték é a zlip közötti özefüggé zámzerű meghatározáára zámítógépet, vagy valamilye egyzerűített grafikai módzert kell igéybe vei. Hely é idő hiáyába mot cak a végeredméyt é közelítő miőégi özefüggéeket imertetjük (3.3.-7. ábra). M M > i <0 Féküzem = =0 Motor M B + - = 0 =o B Geerátor - = o 3.3.-7. ábra. Az azikro gép yomaték-zlip jelleggörbéje 8
Adott zlipél az azikro gép yomatéka a kapocfezültég égyzetével aráyo. Az M i idítóyomaték adott fezültégél a forgórézkör elleálláától függ. A billeőyomaték a kapocfezültég égyzetével egyeee, míg a gép reaktaciájával fordította aráyo. X = X + X zórái Az B billeőzlip értéke adott gépél a forgórézköri elleállától függ. (Cúzógyűrű gépél a forgórézköri elleállát változtathatjuk a cúzógyűrűk közé bekötött elleálláal.)..5. Azikro motorok idítáa Az azikro motorok idítááál két probléma vár megoldára: ) az álló motor közvetle hálózatra kapcoláakor keletkező 5...8-zoro áramlöké cökketée, ) az idítái folyamat hozú, ezért aak felgyorítáa az idítóyomaték ideiglee megöveléével. Miutá az azikro motorok két fő fajtája külöböző megoldáokat é lehetőégeket kíál a két probléma megoldáára, ezért ezeket célzerű külö tárgyali. a) Kalická motorok Kalická azikro motorok idítái áramlökééek cökketéére cak a két legelterjedtebb módzert imertetjük: Cillag-háromzög ( Y ) idítá. Ez a módzer üzemzerűe delta (háromzög) kapcoláú motorokál (3.3.-8. ábra) alkalmazható, ha mid a három fázitekerc kezdetét é végét (6 kivezeté) kivezették a kapoczekréybe. 3.3.-8. Azikro motor cillag-háromzög idítáa 9
Idítákor a tekercelét cillag kapcolába kötik, ezért egy fázi tekercre a fázifezültég, azaz a évlege fezültégek cak a 3 -ada jut, ilye aráyba cökke a tekerce átfolyó áram i. A motor felpörgée utá a tekercelét átkapcolják a évlege háromzög kapcolába, ami a motor évlege üzemeléét biztoítja. Mivel a yomaték a fezültég égyzetével változik, a módzer alkalmazááak feltétele, hogy a tekercfezültég lecökketée miatt harmadára cökketett idító yomaték elegedő-e a redzer idítáához. A cillag-háromzög átkapcolá alkalmazáa következtébe a hálózatból felvett idítái (rövidzárái) áram i cökke, a háromzög kapcolá idítái áramáak harmadára. Az idítóyomaték ideiglee öveléére kalická gépekél ic lehetőég, ilye igéy eeté kétkalická vagy mélyhoryú gépeket kell alkalmazi. Trazformátoro idítá. Itt i a tekercre kapcolt fezültég cökketéével cökketjük a rövidzárái áramot, de a trazformátor áttételétől függőe tetzőlege mértékbe. Mivel a yomaték a tekercre kapcolt fezültég égyzetével aráyo, az idítóyomaték az áttétel égyzetéek aráyába cökke. Az idítái áram a hálózatból a trazformátor áttétele miatt zité égyzetee cökketett áramot vez fel az eredeti rövidzárái áramhoz képet. A trazformátor drága, alkalmazáa megdrágítja ezt az idítái módzert, ezért a költégeket takarék kapcoláú trazformátor (3.3.-9. ábra) alkalmazáával mérékelik. b) Cúzógyűrű motorok 3.3.-9. ábra. Trazformátoro idítá A cúzógyűrűk közé kötött elleálláal cökkethetjük a rövidzárái áramot, é idítá zempotjából előyöe módoíthatjuk az azikro motor yomatéki jelleggörbéjét. Mivel a 0
cúzógyűrűk közé kötött elleálláo kereztül zárjuk a forgóréz kört, a rajta átfolyó áram vezteéget okoz az eergia átalakítá orá, ezért cak ideigleee hazáljuk (idító elleállá). M M bill R i3 + R R i4 + R max M max R i + R R i + R R M mi =0 termézete jelleggörbe = 3 0 max 3.3.-0.ábra. Cúzógyűrű azikro motor yomatéki jelleggörbéi égy fokozatú idító elleállá eeté Az idító elleállá agyágával változtati tudjuk a yomatéki jelleggörbe módoítááak mértékét. Ebből a célból az idítá orá több elleállá fokozatot hazáluk, így biztoítva azt, hogy a zliptől függőe midig a legoptimáliabb jelleggörbé üzemelje a gép. A múlt zázadba hazált folyadékidítóval folyamatoa lehetett cökketei a felfutá orá a cúzógyűrűk közé beiktatott elleállá értékét. Maapág a folyadékidítót már dizkrét elleálláokból felépített több fokozatú idító elleálláokkal helyetteítik. A helyee méretezett többfokozatú idító elleálláok úgy vaak méretezve, hogy az egymát követő rotorkörbe iktatott elleálláok mértai ort alkotak. Így az átkapcoláok orá az átkapcolái zlipek i mértai ort alkotak. Az átkapcoláok miimáli é maximáli yomatékáak háyadoa i álladó (3.3.-0. ábra), agyága épp a mértai or egymát követő tagjaiak kóciee (háyadoa): 3 M q = = = max = = M 3 mi max (3.3.-6) (A forgóréz körbe kötött elleálláal tulajdoképpe yújtjuk a yomatéki jelleggörbét a fordulatzám tegely meté, de a billeőyomaték értéke em változik.)..6 Azikro motorok fordulatzám változtatáa Az azikro motorok fordulatzáma a zlip egyeletéből kifejezve: f = 0 ( ) = ( ) (3.3.-7) p Az azikro motorok fordulatzámát tehát a pólupárok záma, a hálózati frekvecia é a zlip határozza meg. A három jellemző közül bármelyiket megváltoztatva az azikro motor fordulatzáma i megváltozik.
a) Pólupárok zámáak megváltoztatáa Vezteégmetee lehet fordulatzámot változtati, ha külöböző póluzámú állóréz tekerceléeket helyezük el a gépbe. A forgóréz tekercelé átkapcoláa boyolult lee, ezért cak kalická gépekél hazálják ezt a módzert. A külöböző póluzámot elérhetjük egymától függetle, több tekerceléel vagy egyetle átkapcolható tekerceléel. A több tekerceléel kézült gépek kihazáláa ige roz, mert egyzerre cak az egyik tekercelé lehet üzembe. Sokkal jobb kihazálát biztoít az átkapcolható tekercelé. Az átkapcolható tekerceléek közül ige jól bevált a Dahlader-féle kétrétege tekercelé, mellyel : aráyba tudjuk változtati a póluok zámát, é ez által a fordulatzámot. b) Frekvecia változtatáa A tápfezültég frekveciájáak változtatáával zité vezteégmetee tudjuk a fordulatzámot változtati bármilye forgórézű gépél. A frekvecia öveléével lehetőég va az 50 Hz-hez tartozó maximáli 3000 /mi fordulatzámál agyobb érték eléréére i. A frekveciát azikro perióduváltóval (forgógépe), vagy iverterrel (félvezető) változtathatjuk. A motorok jó kihazáláa érdekébe célzerű a fluxut álladó értéke tartai a fordulatzám változtatá orá. Ezért az U Ui = 4, 44 f N ξ Φ egyelet értelmébe a frekveciával együtt a tápfezültég effektív értékét i változtati kell. A évlegeél agyobb frekveciáko a fezültég övelééek határt zabhat a lieáriál meredekebbe emelkedő vavezteég, vagy az ivertert tápláló tápfezültég értéke. Ilye eetbe a motorokat ú. fluxu gyegítée tartomáyba, a évlegeél kiebb teljeítméyel terhelhetjük. c) Szlip változtatáa Mit azt az azikro motorok idítáa fejezetbe láthattuk, cúzógyűrű forgórézű motorokál a cúzógyűrűk közé bekötött elleálláal módoíthatjuk az azikro motor yomaték-fordulatzám jelleggörbéjét. Adott terhelő yomaték eeté elvileg tetzőlege fordulatzámot állíthatuk be. Nem zabad megfeledkezük azoba arról, hogy az elleállá bekötéével a yomatéki görbe meredekége az üzemi tartomáyba cökke, a jelleggörbe lágyabb lez, a terhelőyomaték változáa agyobb fordulatzám változát eredméyez. Mivel a cúzógyűrűk közé kötött elleálláoko: Pk = 3 I Rk teljeítméy hővé alakul, ezt a vezteége fordulatzám változtatát cak rövidebb ideig tartó, igéyteleebb etekbe alkalmazzák.
0 M terh M mot U < U < U M 3.3.-. ábra. Azikro motor fordulatzám yomaték (-M) jelleggörbéje cökketett fezültégél Kalická azikro motorok zlippel törtéő fordulatzám változtatáa kiebb teljeítméyű- (00 00 W), jellemzőe zellőző hajtáokál terjedt el. Ezekek a motorokak vizoylag agy forgóréz elleálláuk miatt lágy karakteriztikájuk va, é a tápfezültég cökketéével a évlegeél alacoyabb fordulatzámo lez a mukapotjuk (3.3.-. ábra) d) Kazkád kapcoláok A kazkád kapcoláokat cúzógyűrű motorok eté alkalmazzák a fordulatzám vezteégmete változtatáára. A jelleggörbe módoítáát a cúzógyűrűkö kivett zlipeergia hazoítáával tezik vezteég meteé. L L L3 f k f = A f A B p A p B 3.3.-. ábra. Hagyomáyo kazkádkapcolá A zámo kazkád kapcolá közül az egyik legegyzerűbbet imertetjük, amelybe fellelhetjük az eddig tárgyalt fordulatzám változtatái módok majdem midegyikét. Példakét legye egy p A =4 póluú cúzógyűrű motor tegelykapcolatba egy p B =6 póluú, zité cúzógyűrű motorral (3.3.-. ábra) 3