Óbudai egyetem bánki donát gépész és biztonságtechnikai...

Váltakozóáramú gépek

Összeállította: Langer Ingrid

adjunktus

Óbudai Egyetem Bánki Donát Gépész és Biztonságtechnikai Kar Mechatronikai és Autótechnikai Intézet

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.

ÓE-BGK MEI Elektrotechnika Langer Ingrid

Az aszinkron motorok felépítése 2. 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 indító-

ellenállások használatával

ipari alkalmazásoknál az aszinkron motorok kb. 90%-a kalickás.


Működés

https://www.youtube.com/watch?v=LtJoJBUSe28

Az állórész térben egymással 120°-os szöget bezáró három

tekercsére a háromfázisú hálózat időben egymáshoz képest 120°-os

fáziseltérésű feszültségét kapcsoljuk Forgó mágneses

mező alakul ki. Ennek fordulatszáma:

minp

fn

1600

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-keféken-

indítóellenállásokon 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)




Szlip

A forgórész relatív lemaradása (csúszása) a szinkron fordulatszámhoz

képest: szlip

00

0 1n

n

n

nns

Ellenáramú

féküzem Motor Generátoros üzem

s

n n0

1 01 n)s(n

p n0 [1/min]

nn

[1/min]

sn

[%]

1 3000 2800-2880

4-6

2 1500 1410-1450

3-5

3 1000 920-970

3-8

4 750 710-730

2-5


Teljesítménymérleg, hatásfok

22 MP

Felvett (hálózati) teljesítmény

Súrlódási és ventillációs veszteségek

cosIUP 111 3

Légrés-teljesítmény

Hasznos (tengely) teljesítmény

Állórész veszteségek

1

2

P

P

• Állórész tekercsveszteség: Pt1=3If1

2R1, ahol R az állórész

tekercs egy fázisának ohmos ellenállása.

• Vasveszteség Pvas

lP

Mechanikai teljesítmény

lm P)s(P 1

Forgórész tekercsveszteség

)P(

PsRIP

vas

lft

0

3

2

2

2

22


Az aszinkron gép nyomatéka

)(3)1( 2

2

20002

0

lmechlt

l

PsRIsMsMMPPP

MP

2

2

2

2

22

LXR

UI

202 UsU

2020222 LL XsLsLX

02 s

02

20

22

2

2

2

20

23

sM

XsR

RUs

L 0

2

20

22

2

2

2

203

LXsR

RUsM

szinkron szögsebesség

forgórész kapcsain mérhető feszültség álló helyzetben

forgórész kapcsain mérhető feszültség

forgrészben indukálódó feszültség szögsebessége

forgórésztekercs egy fázisának ellenállása

forgórésztekercs egy fázisának reaktanciája

forgórésztekercs egy fázisának reaktanciája álló helyzetben

A motor nyomatéka a feszültség négyzetével arányos


Az aszinkron motor helyettesítő

kapcsolása R1 :az állórész tekercselés egy

fázisának ellenállása

Xs1: az állórész tekercselés egy fázisának szórási reaktanciája

Xm: mágnesező reaktancia

X's2: a forgórész egy fázisának szórási reaktanciája az állórész tekercselés menetszámára átszámítva

R'2: a forgórész egy fázisának ellenállása az állórész tekercselés menetszámára átszámítva

Rv: vasveszteségi ellenálás

R't: a terhelésnek megfelelő ellenállás


Nyomaték-fordulatszám jelleggörbe


m

0 n0

M

Az aszinkron motorok üzemi kérdései Indítás

Probléma: Ii=(3...9)xIn ez a hálózatban nagy feszültség-

esést okozhat

csökkenteni kell

1. Csúszógyűrűs aszinkron motorok

indítása

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.


Indítás 2. 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 2K és 1K kapcsolót zárjuk, majd az üzemi fordulatszám közelében 2K nyit és

3K zár.

A hálózati áramlökés és az indítnyomaték egyaránt 1/a2-szeresre csökken


Indítás

III. Y-Δ indítás (kisfeszültségű motorok, 3 kW felett)

2K zár, 3K nyit: Y kapcsolás

3K zár, 2K nyit: Δ kapcsolás

3

3

U

U3

Z

U

Z

U3

I

I3

I

I

f

fY

f

f

fY

f

Y

3

3

U

U

U

U

M

M2

2

2fY

2f

Y

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.


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 (f2=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.


Fordulatszám változtatás

p

fn

)s(nn

0

0 1

)s(p

fn 1

A fordulatszám megváltoztatható: • a szlip

• a pólusszám

• a frekvencia változtatásával

1.Szlip változtatása (csúszógyűrűs aszinkron motorok)

A légrésteljesítmény a terhelőnyomatéktól függ. Ha Mt nem változik, Pl sem

változik.

.álls

PP tl 2

2tP változik s is változik

változtatása: forgórész körbe iktatott ellenállásokkal 2tP

s

R

s

RR '''2

1

2


Fordulatszám változtatás

2. 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/min-

nél nagyobb fordulatszám is elérhető

ÓE-BGK MEI Mechatronika alapjai Langer Ingrid

1. Betáplálás. Jellemzően 3x400V AC

2. 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. 320 V-os (egyfázisú 230 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. 0-132 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

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

• Felharmonikus zavarokat hoz létre a hálózaton

• Érzékeny a túlfeszültségre, statikus kisülésekre, légnedvességre (ezek elleni

megoldások további költséget jelentenek)

A frekvenciaváltó hátrányai

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.


Fékezés 2.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


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=awrUxv7B-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 2/3-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.

Csak a szinkron fordulatszámon képesek tartósan üzemelni

Forgórészét egyenáram gerjeszti. (A tekercsek gerjesztése csúszógyűrűkön és

keféken keresztül történik.)

minp

fn

1600

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 n0 fordulatszámmal forgó mágneses teret hoz

létre. A forgó fluxus a gerjesztett póluskereket n0 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=Vk2jDXxZIhs

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/10291411

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


https://www.youtube.com/watch?v=Vk2jDXxZIhs

http://vimeo.com/groups/37089/videos/10291411

A szinkrongép áramköri modellje

Xj

UUI

XR;XXX

pk

a

sa

Uk Up

jX

Ia

Uk Up

jXa

Ui

UR Us Ua

jXs

Ia

R

api UUU

Ui :indukált feszültség

Ua: armatura feszültség

Up: pólusfeszültség, a gerjesztett forgórész által üresjárásban az állórész tekercselésben indukált feszültség

Uk: kapocsfeszültség

Xa: armatura reaktancia

Xs: armatura szórási reaktancia

X: szinkron reaktancia


Szinkrongép nyomatéka

sin3

0

d

pk

X

UUM M: nyomaték

: terhelési szög (Up és Uk közötti szög)

sincoscos3

cos3

sincos

cos3

0

0

0

pdk

ka

pda

ak

UXU

M

U

MI

UXI

IUM


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


Óbudai egyetem bánki donát gépész és biztonságtechnikai...

Documents