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 csatlakozhatnak a háromfázisú hálózathoz.
Az aszinkron motorok felépítése. Forgórész (rotor) 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.
Csúszógyűrűs (tekercselt forgórészű) aszinkron motor
Kalickás (rövidrezárt forgórészű) aszinkron motor
A kalickás és a csúszógyűrűs aszinkron motorok összehasonlítása Kalickás egyszerű szerkezet üzembiztos működés olcsó megoldás fordulatszáma csak bonyolultabb/drágább megoldásokkal változtatható Csúszógyűrűs bonyolult felépítés drága kivitel nagy indítónyomaték kíméletes indítás indítóellenállások használatával ipari alkalmazásoknál az aszinkron motorok kb. 90%-a kalickás.
Működés https://www.youtube.com/watch?v=ltjojbse8 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: n0 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 ( n0). (Ezért nevezik aszinkron motornak) ÓE-BGK MEI Elektrotechnika Langer Ingrid
Szlip A forgórész relatív lemaradása (csúszása) a szinkron fordulatszámhoz képest: szlip n0 n n s 1 n n 0 0 s n ( 1 s) n 1 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
Teljesítménymérleg, hatásfok P1 3 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
Az aszinkron gép nyomatéka P l P t M P l 0 P mech M forgórész kapcsain mérhető feszültség 0 szinkron szögsebesség M ( 1 s) 0 M s 0 3 I R ( s 0 forgórész kapcsain mérhető feszültség álló helyzetben s 0 s P ) forgrészben indukálódó feszültség szögsebessége l I forgórésztekercs egy fázisának ellenállása R X L forgórésztekercs egy fázisának reaktanciája X L s L s X L 0 L0 forgórésztekercs egy fázisának reaktanciája álló helyzetben 3 s R s 0 R X 0 M s 0 M 0 X L L 0 0 R 3 s s R A motor nyomatéka a feszültség négyzetével arányos
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
Nyomaték-fordulatszám jelleggörbe
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
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!
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
Indítás III. Y-Δ indítás (kisfeszültségű motorok, 3 kw felett) Indításkor az állórész tekercseit csillagba kapcsolják, majd az üzemi fordulatszám közelében 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 f fy f 3 Z fy Z f f 3 3 3 3 3
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 induktivitása sokszorosa a felső rész induktivitásának. 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 ellenállása nagy, induktivitás kicsi, az alsó kalicka kis ellenállású, nagy induktivitású. Induláskor az áram kiszorul a kis induktivitású külső kalickába, üzem közben pedig a kis ellenállású belső kalicka vezetőiben folyik. ÓE-BGK MEI Elektrotechnika Langer Ingrid
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. Pt Pl áll. Pt változik s is változik s P t változtatása: forgórész körbe iktatott ellenállásokkal R R s ' ' 1 ' R s
Fordulatszám változtatás. Pólusszám változtatás (kalickás motorok) Veszteségmentes megoldás. Dahlander-féle tekercselés: az egyes fázistekercsek két félből állnak, amelyeket sorban vagy párhuzamosan lehet kapcsolni
Fordulatszám változtatás 3. Állórész frekvencia változtatása A legkorszerűbb megoldás. Félvezető elemekből épített frekvenciaváltókkal veszteségmentes, folyamatos fordulatszám változtatás érhető el. 3000 1/minnél nagyobb fordulatszám is elérhető 1. Betáplálás. Jellemzően 3x400V AC. Három fázisú egyenirányító híd, amely egyenáramot állít elő 3. Közbenső DC kör 4. Szűrőtekercsek 5. Nagy kapacitású szűrőkondenzátor, amelyen előáll a közbenső köri szűrt, kb 540V-os (3x400V-os bemeneti feszültség esetén) vagy kb. 30 V-os (egyfázisú 30 V-os bemeneti feszültség esetén) egyenfeszültség 6. Félvezetős teljesítmény fokozat. Három fázisú tranzisztor híd (általában IGBT, kisebb telj, típusokban FET), amely a közbenső köri DC feszültségből PWM jel segítségével előállítja a motor számára a három fázisú változtatható frekvenciájú feszültséget (pl. 0-13 Hz) 7. A meghajtott hagyományos 400V AC aszinkron motor 8. Vezérlő elektronika amely vezérli a teljesítmény fokozatot, ellenőrzi az üzemi körülményeket, előállítja a kimenő jeleket, kezeli a bemeneteket, lehetővé teszi a paraméterezést, stb ÓE-BGK MEI Mechatronika alapjai Langer Ingrid
A frekvenciaváltó funkciói A motor fordulatszámának fokozatmentes változtatása Kisteljesítményű 3f motorok használata egyfázisú hálózatról A motor védelme (túláram, túlterhelés, melegedés, földzárlat, fáziskiesés, fáziszárlat) Hálózati fáziskiesés, túlfeszültség védelem Sebesség vagy nyomaték szabályozás Számítógépes kommunikáció (programozhatóság, diagnosztika) Drága A frekvenciaváltó hátrányai Felharmonikus zavarokat hoz létre a hálózaton Érzékeny a túlfeszültségre, statikus kisülésekre, légnedvességre (ezek elleni megoldások további költséget jelentenek)
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.
. Ellenáramú fékezés 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
Egyfázisú aszinkron motor Kis teljesítményű hajtásokhoz használják, ahol nem áll rendelkezésre háromfázisú hálózat. (pl. kis kompresszorok, szivattyúk, fűnyírók). Felépítés: https://www.youtube.com/watch?v=awrxv7b-a8 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.
Egyfázisú aszinkron motorok segédfázissal 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.
Szinkrongépek A váltakozóáramú villamosenergia-termelés legfontosabb gépe. Generátorként és motorként egyaránt működtethető. Háromfázisú kivitelben készülnek. 60 f 1 n0 p Csak a szinkron fordulatszámon képesek tartósan üzemelni min Forgórészét egyenáram gerjeszti. (A tekercsek gerjesztése csúszógyűrűkön és keféken keresztül történik.) Felépítés: Állórész: lemezelt, háromfázisú tekercselést tartalmaz 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
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. https://www.youtube.com/watch?v=vkjdxxzihs 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 A szinkron generátorokat a hálózatra kapcsolás előtt szinkronizálni kell. Üresjárásban (nyitott állórész kapcsoknál) a forgórész póluskerék forgatásával forgó mágneses mező jön létre, ami feszültséget indukál az állórész (armatúra) 3 fázisú tekercseiben. A tekercsekben indukált feszültségnek meg kell egyezni frekvenciában, fázisban, fázissorrendben a hálózati feszültséggel: Frekvencia beállítás: fordulatszám változtatással Amplitúdó változtatás: gerjesztő árammal Fázis beállítás: fordulatszám nagyon finom állításával
A szinkrongép áramköri modellje a s R I a I a jx a jx s R jx p i k p k X X I a a k X jx s p ;R X i p a i :indukált feszültség a : armatura feszültség p : pólusfeszültség, a gerjesztett forgórész által üresjárásban az állórész tekercselésben indukált feszültség k : kapocsfeszültség X a : armatura reaktancia X s : armatura szórási reaktancia X: szinkron reaktancia
Szinkrongép nyomatéka sin 3 0 d p k X M M: nyomaték : terhelési szög ( p és k közötti szög) sin cos cos 3 cos 3 sin cos cos 3 0 0 0 p d k k a p d a a k X M M I X I I M
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