BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM VILLAMOSMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR VILLAMOS ENERGETIKA TANSZÉK Mérési útmuttó A villmos forgógépek működési lpjink vizsgált Az Elektrotechnik tárgy lbortóriumi gykorltok 4. sz. méréséhez 1. A mérési gykorlt célji: z elektromechniki energiátlkítás elvének megismerése és tnulmányozás, váltkozó ármú villmos gépek működésének lpjául szolgáló forgó elektromágneses tér előállítás, egyenármú és szinkron gépek lpvető jellemzőinek és krkterisztikáink megismerése. 2. A mérés fontosbb eszközei: forgó mágneses tér méréséhez: - háromfázisú váltkozó ármú tápforrás 3x17,3/10 és 3x40/23 V~ feszültség kimenettel - 3 db vsmgos szolenoid tekercs (12 Ω, 35 mh) - forgó nyíl - forgó tárcs z egyenármú gép méréséhez: - FGE-ND egyenármú forgógép mérőegységgel - PC Lbview mérő szoftverrel z szinkron gép méréséhez: - FGV1-ND egyfázisú, rövidrezárt forgórészű motor mérőegységgel - PC Lbview mérő szoftverrel 3. Foglomtár Mezőtípusok: álló, lüktető, forgó, elliptikus mezők állíthtók elő álló tekercsrendszerrel. Villmos forgógépek esetén forgó mágneses mező létrehozásár törekszünk. Armtúr: A villmos gép zon része, melyben állndósult állpotbn feszültség indukálódik. Gerjesztés: Az egyenármú gép működéséhez szükséges mágneses teret hozz létre. Hgyományosn egy egyenármml táplált tekercs, kisebb gépeknél lehet állndómágnes is. Belső feszültség: Egyenármú gépeknél z rmtúrábn indukált feszültség. Állndósult állpotbn kifejezhető következő képlet segítségével: U b = k Φ ω (1) hol k egy gépre jellemző állndó Φ gerjesztés áltl rmtúrtekercseléssel kpcsolódó fluxus, ω forgórész szögsebessége. Kpocsfeszültség: villmos gép kpcsir kötött feszültség. 1
Indítónyomték: z álló forgórészre htó nyomték, melynek htásár forgórész indulásr képes, és felgyorsul egy dott állndósult fordultszámig.. Fordultszám: A forgógép tengelyének fordultszám. Szinkron fordultszám: (áltlábn) z állórész mágneses mezejének fordultszám, f1 n0 = p hol n 0 szinkron fordultszám, f 1 hálózt frekvenciáj és p póluspárszám.. Szlip: szinkron gépek esetében forgórész fordultszám és z állórész mágneses mezejének fordultszám közti különbség ns nt s = n hol s szlip, n s szinkron fordultszám n t pedig tengely fordultszám. 4. Forgó mágneses mező létrehozás álló tekercsrendszerrel Elméleti áttekintés s Váltkozó ármml táplált tekercs lüktető mágneses teret hoz létre, minek intenzitás és polritás időben z ármnk megfelelően időben szinuszosn lkul. H térben egymáshoz képest 120 -r elfordított 3 tekercset időben 120 -l periódus idő 1/3-ávl eltolt ármml táplálunk, kkor térben és időben is eltolt 3 lüktető mező eredőjeként egy egyenletes szögsebességgel forgó mágneses teret mágneses pólusrendszert kpunk. Tetszőleges két tekercs táplálásánk felcserélése fázissorrend változttás z eredő mező forgásirányánk változásához vezet. Hsonló forgó mezőt kpunk, h térben 90 -l elfordított 2 tekercset időben 90 -kl periódus idő 1/4-ével eltolt ármml táplálunk. Ferromágneses nygból készült lemezt mágneses térbe helyezve z igyekszik beállni fluxusvonlk irányáb. H fluxusvonlk mágneses tér irány változik, ferromágneses lemez követi ezt változást, jelen esetben forgó mozgást végez. Amennyiben változó fluxus hld át vezető nygból készült lemezen, bbn z indukció törvény értelmében feszültség indukálódik és árm folyik (függetlenül ttól, hogy lemez ferromágneses vgy nem). Az ármút lkjáról ezt örvényármnk nevezik. Lenz törvénye lpján z örvényárm áltl létrehozott fluxus z őt kiváltó ok, fluxusváltozás htását igyekszik csökkenteni. H egy lumínium tárcsát (Ferrris-tárcs) forgó mágneses térbe helyezünk, z örvényármok és forgó mező kölcsönhtásánk eredményeként tárcs forgásb jön így mérsékelve z árm kilkulásánk okát. H tárcs együtt forogn mezővel, kkor nem lenne lemezben fluxusváltozás és nem lenne indukált feszültség sem. Viszont nyomték sem lkuln ki, mi forgásbn trtná tárcsát. Állndó mágneses térben forgó tárcsánál hsonló jelenséget tpsztlunk: mozgó vezető metszi z álló mágneses tér erővonlit, benne feszültség indukálódik és létrejövő örvényármok létrehozó okot forgást igyekeznek megszüntetni, vgyis fékezik mozgást, forgást. Feldtok 1. Állítsuk össze z 1. ábr szerinti tekercs-elrendezést és kpcsoljuk 3 fázisú tápegységre. A kpott forgó mezőt ellenőrizzük forgó nyílll. 2. Irányváltó kpcsoló segítségével igzoljuk fázissorrend és forgásirány kpcsoltát. 2
1. ábr: Forgó mező létrehozás 3. Állítsuk össze 2. ábr szerinti tekercs-elrendezést és kpcsoljuk 3 fázisú tápegységre. A kpott forgó mezőt ellenőrizzük forgó tárcsávl. 2. ábr: Ferrris-tárcs forgó mezőben 4. Irányváltó kpcsoló segítségével igzoljuk fázissorrend és forgásirány kpcsoltát. 5. Vizsgáljuk meg z állndó mágnes fékező htását. 3. ábr: Forgó mező létrehozás 2 fázisú táplálássl 6. Állítsuk össze 3. ábr szerinti 2 fázisú tekercs-elrendezést és tápláljuk 2 fázisú feszültségről. Az egyik tekercset z -0, másikt b-c pontokról táplálv két tekercs árm között 90 -os fázistolást biztosítunk. Mivel z egyik tekercset z -0 fázis feszültségre, másikt pedig 3 - szoros b-c vonli feszültségre kpcsoltuk, z így létrejövő mező nem lesz szimmetrikus. 3
Szorglmi feldt Függőlegesen trtott műnyg csőbe ejtsünk be egy kis állndó mágnest ( másik végénél kézbe érkezzen, mert z nyg rideg, könnyen széttörhet). Ismételjük meg kísérletet közel zonos méretű lumínium csővel is. Mgyrázzuk meg tpsztlt különbséget. 5. Az egyenármú gép A vizsgált gép állndómágneses gerjesztésű, tehát gerjesztés változttásár nincs lehetőség. A gép tengelykpcsoltbn áll egy örvényármú fékkel (terhelés), melyre egy fordultszámmérőt is elhelyeztünk. Alpegyenletek: Az egyenármú gépek viselkedését könnyen átláthtjuk lpegyenleteik áttekintésével. Jól megépített egyenármú gépek U b belső feszültsége és nyomték egyenesen rányos z ω szögsebességgel és z I ármml: U k Φ ω (2) b = M = k Φ (3) I hol k gépre jellemző állndó és Φ z állórész áltl létrehozott fluxus. Φ értéke vizsgált gép esetében állndónk tekinthető, mivel z állórészen elhelyezett mágnesek állndó gerjesztést biztosítnk. A belső feszültség értéke kpocsfeszültségtől eltérő. U b z indukált feszültség, melyet z állórész fluxus hoz létre forgórész tekercseiben, míg z U kpocsfeszültség értékét kívülről - kommutátoron keresztül - kényszerítjük gépre. A két mennyiség közti összefüggés motoros üzemállpotbn: U = U + R I (4) k b hol R z rmtúr-ellenállás, mely forgórész tekercseinek, z esetleges soros gerjesztőtekercsek és segédpólusok tekercseinek, vlmint kefeátmeneti ellenállás eredője (összege). Állndó mágneses gépek esetén nincs gerjesztőtekercs és segédpólus tekercs. Az összefüggés szemléltethető z egyenármú gép helyettesítő képének megrjzolásávl is: I R U U b 4. ábr: Egyenármú gép helyettesítő kpcsolás Az (1) (2) és (3) egyenlet felhsználásávl kifejezhető z egyenármú motor mechniki szögsebesség terhelőnyomték függvényében: 4
U = R I = U R M k k ω (5) k Φ ( ) 2 k Φ k Φ hol U k kpocsfeszültség, R z rmtúrellenállás, I z rmtúrárm és Φ z rmtúrfluxus. Indítás, forgásirány váltás Megfigyelhető (4) egyenletben, hogy fordultszám feszültségtől lineárisn függ. A kpocsfeszültség változttásávl fordultszám rányosn nőni vgy csökkeni fog. A forgásirány megváltoztthtó feszültség vgy fluxus előjelének megváltozttásávl. Mivel vizsgált gép állndómágneses gerjesztésű, ezért itt fluxus előjelét (irányát) nem tudjuk megváltozttni, gép forgásirányát kpocsfeszültség előjelének megváltozttásávl tudjuk megoldni. Hgyományos gerjesztőtekercses gépek esetében forgásirány megváltoztthtó gerjesztő árm irányánk megváltozttásávl is. Az egyenármú gépek álló állpotból indíthtók. Az indítónyomték feltétele gerjesztés (jelen esetben ezt z állndómágnesek dják) és z rmtúrárm megléte, mint hogy z (3) összefüggésből látszik. Állndó kpocsfeszültség és gerjesztés esetén z egyenármú gép fordultszám terhelés htásár csökken. Mint hogy z (5) összefüggésben megfigyelhető, dott M terhelőnyomték htásár z üresjárási értékhez képest csökken fordultszám. (A csökkenés mértéke z rmtúr ellenállásávl rányos és gépállndó négyzetével fordítottn rányos.) Korábbn említettük, hogy állndó gerjesztés mellett z egyenármú gép fordultszám kpocsfeszültséggel lineárisn rányos, nnk értékével könnyen szbályozhtó. Ezen tuljdonság rendkívül előnyössé tette, bonyolult és érzékeny konstrukció ellenére is, mivel megvlósíthtó volt vele sok, fordultszám szbályozást igénylő feldt (gondoljunk például villmosokr és trolibuszokr). Egyenármú gép mérése: Az egyenármú gép viselkedésének megismeréséhez következő méréseket végezzük el: Üresjárási mérés feszültség változttásávl Terhelési mérés állndó feszültségen A méréseket egy számítógépes dtgyűjtő egység segítségével végezzük el, mellyel z egyenármú gép kpocsfeszültségét, rmtúrármát és fordultszámát mérjük. A mérések során rögzített dtokt LbView szoftverrel értékeljük ki és jelenítjük meg. Üresjárási fordultszám-feszültség jelleggörbe: Állíts össze mérést következő kpcsolási rjz lpján: 5
PC Kpcsoljon feszültséget gép kpcsir. A számítógép monitorán megfigyelhető kpocsfeszültség, z rmtúrárm és fordultszám értéke. Változtss meg forgásirányt kpocsfeszültség segítségével. Tetszőleges forgásirány mellet vegye fel fordultszámkpocsfeszültség jelleggörbét feszültség egyenletes növelésével. Fordultszám-rmtúrárm jelleggörbe: Mivel mérőállomás nem képes közvetlenül terhelőnyomték mérésére, ezért nyomtékkl közvetlenül rányos mennyiséget mérünk: gép rmtúrármát. Állítsunk be egy fix feszültséget z egyenármú gép kpcsir, és mérés során időről-időre győződjünk meg nnk állndóságáról. Szükség esetén korrigáljuk. Az örvényármú fék ármát növelve gép terhelőnyomték nő. Mivel z örvényármú fék terhelőnyomték függ féktárcs fordultszámától is, ezért célszerű minél mgsbb fordultszámról indítni mérést. Vegye fel terhelési jelleggörbét terhelés egyenletes növelésével. 6. Egyfázisú szinkron gép kondenzátoros segédfázissl Áttekintés Váltkozóármú gépeknél forgó mozgást minden esetben forgó mágneses mező hozz létre. Egyfázisú feszültségforrás áltl egy tekercsrendszerben csk lüktető mágneses mező hozhtó létre, ezért szükség vn tekercsrendszer egyik elemében folyó árm fázisszögének megváltozttásár. Így létrehozhtó egy közel körforgó mágneses mező. A vizsgált gépben ezt z lábbi úton oldották meg: C L s L f 6
A segédfázis (L s ) ármánk fázisszögét z ábrán láthtó kondenzátor módosítj (megközelítően 90º-kl eltolj) főfázis ármához képest, létrehozv forgómezőhöz szükséges fázistolást. A létrejövő forgómező forgórészen elhelyezett rövidrezárt klickábn feszültséget indukál, minek htásár ármok indulnk meg forgórészen. Az állórész és forgórész ármi áltl létrehozott mágneses terek kölcsönhtásánk következtében forgtónyomték keletkezik, mi forgórészt felgyorsítj. A forgás irányát fázissorrend htározz meg. A forgásirány-váltáshoz fő- és segédfázistekercsek ármink fázissorrendjét kell megváltozttni. Ez vizsgált egyfázisú gép esetében nnyit jelent, hogy gép fő- és segédfázis áltl létrehozott fluxus időbeli követési sorrendjétkell megváltozttnunk egymáshoz képest. Legkönnyebben ez úgy oldhtó meg, h vlmelyik fázis tekercseinek kpcsit fordítv kötjük be. Váltkozóármú gépek fordultszámát gerjesztő feszültségnek nem ngyság, hnem frekvenciáj szbj meg. Aszinkron gépek esetében forgórészben folyó ármok fenntrtásához szükséges, hogy fennmrdjon forgórészben indukált feszültség. Emitt z szinkron gép fordultszám soh nem érheti el z úgynevezett szinkron fordultszámot, z állórész mágneses mezejének fordultszámát, mivel együttforgás esetén nincs erővonlmetszés és így nincs indukált feszültség sem. A forgórész és z állórész mágneses mezejének fordultszám közti különbséget nevezik szlipnek: ns nt s = n s hol s szlip, n s szinkron fordultszám n t pedig tengely fordultszám. A szlip reltív mérőszám. Azt fejezi ki, hogy tengely fordultszám hány százlékbn késik (vgy siet) szinkron fordultszámhoz képest. Minél ngyobb szlip, egységnyi idő ltt nnál több erővonlmetszés történik forgórészen, tehát nnál ngyobb forgórészárm és ledott teljesítmény gép üzemszerű működési trtományábn. A mérés során megfigyelhető lesz, hogy szlip ledott teljesítmény függvényében változik, mi zt jelenti, hogy tengely fordultszám is változik, bár változás csk igen kis mértékű. Terhelési jelleggörbe: Állítsuk össze mérést z lábbi ábr lpján: (6) PC Kössük gépet villmos hálóztb. A számítógép képernyőjén megfigyelhető kpocsfeszültség és z állórészárm effektív értéke, látszólgos és htásos teljesítmény, vlmint 7
cosφ és szlip értéke. Az egyenármú tápegység feszültségének növelésével gép terhelése nő. Ábrázoljuk terhelési jelleggörbét szlip függvényében. Figyeljünk meg továbbá, hogy felvett htásos teljesítmény növelésével cosφ értéke miképp változik. 7. Felkészülést segítő kérdések 1. Milyen feltételek mellett lkul ki forgó mágneses mező? 2. Mi z örvényárm? 3. Írj fel z egyenármú motor lpegyenleteit! 4. Hogyn fordíthtó meg egy egyenármú gép forgásirány? 5. Mi z összefüggés z egyenárm gép kpocsfeszültsége és fordultszám között? 6. Hogyn függ fordultszám terhelőnyomtéktól? Mik kpcsolódó prméterek? 7. Mi z szinkron gépek működési elve? 8. Mit nevezünk szlipnek? 9. Hogyn hozhtó létre forgómező egyfázisú táplálás esetén? 10. Foroght-e egy szinkron gép szinkron fordultszámon? Miért? Készítette: Dr. Kádár István és Horváth Dániel Villmos Energetik Tnszék 2006 8