Upload
others
View
3
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
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.
ÓE-BGK MEI Elektrotechnika Langer Ingrid
Csúszógyűrűs (tekercselt forgórészű)
aszinkron motor
ÓE-BGK MEI Elektrotechnika Langer Ingrid
Kalickás (rövidrezárt forgórészű)
aszinkron motor
ÓE-BGK MEI Elektrotechnika Langer Ingrid
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.
ÓE-BGK MEI Elektrotechnika Langer Ingrid
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)
ÓE-BGK MEI Elektrotechnika Langer Ingrid
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
ÓE-BGK MEI Elektrotechnika Langer Ingrid
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
ÓE-BGK MEI Elektrotechnika Langer Ingrid
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
ÓE-BGK MEI Elektrotechnika Langer Ingrid
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
ÓE-BGK MEI Elektrotechnika Langer Ingrid
Nyomaték-fordulatszám jelleggörbe
ÓE-BGK MEI Elektrotechnika Langer Ingrid
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.
ÓE-BGK MEI Elektrotechnika Langer Ingrid
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!
ÓE-BGK MEI Elektrotechnika Langer Ingrid
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
ÓE-BGK MEI Elektrotechnika Langer Ingrid
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.
ÓE-BGK MEI Elektrotechnika Langer Ingrid
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.
ÓE-BGK MEI Elektrotechnika Langer Ingrid
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
ÓE-BGK MEI Elektrotechnika Langer Ingrid
Fordulatszám változtatás
2. Pólusszám változtatás (kalickás motorok) Veszteségmentes megoldás.
Dahlander-féle tekercselés: az egyes fázistekercsek két félből állnak,
amelyeket sorban vagy párhuzamosan lehet kapcsolni
ÓE-BGK MEI Elektrotechnika Langer Ingrid
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.
ÓE-BGK MEI Elektrotechnika Langer Ingrid
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
ÓE-BGK MEI Elektrotechnika Langer Ingrid
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.
ÓE-BGK MEI Elektrotechnika Langer Ingrid
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.
ÓE-BGK MEI Elektrotechnika Langer Ingrid
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
ÓE-BGK MEI Elektrotechnika Langer Ingrid
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
ÓE-BGK MEI Elektrotechnika Langer Ingrid
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
ÓE-BGK MEI Elektrotechnika Langer Ingrid
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
ÓE-BGK MEI Elektrotechnika Langer Ingrid
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
ÓE-BGK MEI Elektrotechnika Langer Ingrid