Kommutátoros törpe gépek

Az előadások a következő témára: "Kommutátoros törpe gépek"— Előadás másolata:

1 Kommutátoros törpe gépek
Vajda István:Elektromechanikai átalakítók működése Villamos Gépek és Alkalmazások, BME VIK, 2010 tavasz

2 A váltakozó áramú soros motor
Vajda István:Elektromechanikai átalakítók működése Villamos Gépek és Alkalmazások, BME VIK, 2010 tavasz

3 Gépfajták származtatása #3: ωs= 0
Az egyenáramú gépben az álló- és forgórész egyenáramú táplálásával a frekvenciafeltételt nem lehet kielégíteni. Ezt hidaljuk át a kommutátorral, amely a frekvencia átalakítást minden fordulatszámon elvégzi és így az -hoz tartozó frekvenciafeltétel kielégítését minden fordulatszámon biztosítja. A kommutátor frekvenciaátalakító marad akkor is, ha a keféket váltakozóárammal tápláljuk, ekkor, a frekvenciaváltozás változatlanul egyenlő a kommutátor forgási sebességével. Az frekvenciákkal a frekvenciafeltétel automatikusan kielégül minden mechanikai fordulaton. Ez az alapja a váltakozóáramú kommutátoros gépek működésének. Vajda István:Elektromechanikai átalakítók működése Villamos Gépek és Alkalmazások, BME VIK, 2010 tavasz

4 Az egyenáramú gép mint rendszer, 3
A soros kommutátoros gép váltakozó áramú táplálással is működik. A soros kapcsolás révén az armaturaáram és a vele azonos gerjesztő árammal a fluxus egyidejűleg vált előjelet, így a nyomaték előjele marad. A szinuszos időbeli változás miatt lüktető nyomaték összetevő jelentkezik és a transzformátoros - nyugalmi indukciós - feszültség a kommutációt (más hatásai mellett) rontja. Az egyenáramú üzemben nem mutatkozó induktivitások önindukciós feszültségei is módosítják, rontják az üzemet, a kölcsönös indukciós transzformátoros feszültség mellett Vajda István:Elektromechanikai átalakítók működése Villamos Gépek és Alkalmazások, BME VIK, 2010 tavasz

5 Az egyenáramú gép mint rendszer, 3
Az elektrotechnikában két váltakozóáramú soros géptípus került alkalmazásra. Nagy teljesítményre a nagyvasúti motorok, Kis teljesítményre az un. univerzális motorok. A félvezetős áramirányítók előtt Nyugat-Európában a nagyvasutakon a v.á. soros motorokat alkalmazták. A kommutáció javítására és a gépkihasználás növelésére csökkentett 50/3=16 2/3Hz frekvenciát alkalmaztak. Emiatt a nagyvasutak táplálására külön alállomások voltak szükségesek. Magyarországon a Kandó rendszerű mozdonyokat 50Hz-es hálózatról lehetett táplálni. Vajda István:Elektromechanikai átalakítók működése Villamos Gépek és Alkalmazások, BME VIK, 2010 tavasz

6 Indukált feszültségek
A v.á. táplálás következtében a gép árama és fluxusa is az időben változó. Ha a kefék vízszintes - merőleges - helyzetben vannak (a. ábra) a kölcsönös induktivitás a két tekercsrendszer között zérus így a változó pólusfluxus az armatúrában (mint szekunderben) un. transzformátoros feszültséget nem indukál. Az egyes armatúra tekercsek forgási indukált feszültségei (vektorosan) összeadódnak és a keféken eredőjük mérhető. Ennek frekvenciája egyenlő a mező frekvenciájával az őt indukáló fluxus ütemét követi (d. ábra). Nagysága viszont a v kerületi sebességgel azaz az n fordulatszámmal arányos. Ha a keféket 90-kal - a pólustengelybe - eltoljuk akkor az armatúrában a fordulatszámtól független a frekvenciával arányos transzformátoros feszültség indukálódik. Az eredő forgási feszültség ekkor nulla, mert az északi és déli félpólusok alatt indukált feszültségek (l. b. ábra) kiegyenlítik egymást. Kefeeltolás esetén - ha az kisebb 90-nál - mindkét fajta feszültség megjelenik az armatúra tekercselésben. A transzformátoros feszültség rontja a kommutációt és más hatásai is vannak. A továbbiakban a transzformátoros feszültséget - az általában kis kefeeltolás és a tárgyalás egyszerűsítése miatt - elhanyagoljuk. Vajda István:Elektromechanikai átalakítók működése Villamos Gépek és Alkalmazások, BME VIK, 2010 tavasz

7 Helyettesítő kapcsolás
A reaktanciák a fő és szórt fluxusokat is "tartalmazzák". Uf mint a d. ábrából is látható "együtt lüktet" -vel azaz fázisban van vele és nagysága arányos n-nel. Mellékjelenségek, így a rövidrezárt, kommutáló menetek veszteségeinek elhanyagolásakor a fluxus az árammal is fázisban van. Vajda István:Elektromechanikai átalakítók működése Villamos Gépek és Alkalmazások, BME VIK, 2010 tavasz

8 Helyettesítő kapcsolás
Vajda István:Elektromechanikai átalakítók működése Villamos Gépek és Alkalmazások, BME VIK, 2010 tavasz

9 Egyfázisú aszinkron gépek
Vajda István:Elektromechanikai átalakítók működése Villamos Gépek és Alkalmazások, BME VIK, 2010 tavasz

10 A két fázis A 360º/m=360º/2=180º-ra eltolt tekercsekből álló "igazi kétfázisú" tekercsrendszert látható az ábrán. A gyakorlatban kétfázisunak nevezett rendszer egy négyfázisúból leszármaztatott "félig-négyfázisú" elrendezés. A szimmetrikus négyfázisú (360º/4=90º) tekercsrendszert a b. ábrán látjuk. Az a-c és b-d fázistekercsek sorbakötésével nyerjük a c. ábra használatos rendszerét, amelyet a két tekercs miatt, "kétfázisunak" szokás nevezni. Az egyfázisú táplálás miatt gyakran a segédfázisos gépeket is egyfázisúnak nevezik. Vajda István:Elektromechanikai átalakítók működése Villamos Gépek és Alkalmazások, BME VIK, 2010 tavasz

11 Az egyfázisú gép #1 A kommunális fogyasztók - lakások, üzletek, irodák, stb. - többsége csak 231V-os egyfázisú feszültséggel rendelkezik. Az ábrán látható egyfázisú gép egyetlen állórész tekercsének lüktető mezeje a már megismert módon két egyenlő nagy ellenkező irányban egyező sebességgel haladó forgó mezőre bontható. A kalickás forgórész álló helyzetében a két mező egyenlő nagyságú ellentétes nyomatékának eredője, a gép indító nyomatéka zérus, az tehát nem tud indulni. Vajda István:Elektromechanikai átalakítók működése Villamos Gépek és Alkalmazások, BME VIK, 2010 tavasz

12 Az egyfázisú gép #1 Megváltozik a kép, ha - pl. berántással - a forgórész már forgó állapotban van pl. a balra forgó mező irányában. A jobbra forgó az "elleneforgó" mező fordulatszáma ekkor a forgórészhez képest a forgórész és a mező fordulatszámainak az összege. Az ehhez tartozó viszonylag nagy frekvencia nagy indukált feszültséget, az nagy forgórész áramokat hoz létre. E nagy forgórész áramok ellengerjesztése ellene dolgozik az állórész jobbraforgó gerjesztésének és letöri azt. A kis eredő gerjesztéshez kis fluxus, ahhoz kis indukált feszültség tartozik ott, ahol beáll az egyensúlyi állapot. A forgórész, tehát a vele egyirányban forgó "veleforgó" mezővel "együttműködik" az elleneforgót pedig letöri. "Jellemtelen" gép, mindig arra forog, amerre "lökték" Vajda István:Elektromechanikai átalakítók működése Villamos Gépek és Alkalmazások, BME VIK, 2010 tavasz

13 Az egyfázisú gép #2 Az elmondottakat a háromfázisú gép már megismert elméletének a segítségével is nyomon követhetjük. A rotor szlipje a veleforgó mezőhöz viszonyítva, az ismert módon míg az elleneforgó mezőhöz képest A veleforgó mező nyomatéka tehát a háromfázisú gép motorüzemének felel meg, míg az elleneforgó mező annak féktartományában működik. Vajda István:Elektromechanikai átalakítók működése Villamos Gépek és Alkalmazások, BME VIK, 2010 tavasz

14 Az egyfázisú gép #2 Ennek alapján úgy képzelhetjük, hogy - mellékjelenségek elhanyagolásával - a két forgó mező egy-egy ellentétes forgásirányú háromfázisú géphez tartozik, amelyeknek forgórészei tengelykapcsolatban vannak, állórészeik pedig - az "elleneforgó gép" fáziskapocs cseréjével - sorba vannak kapcsolva és háromfázisú hálózat táplálja azokat, lásd az ábrát. Vajda István:Elektromechanikai átalakítók működése Villamos Gépek és Alkalmazások, BME VIK, 2010 tavasz

15 Az egyfázisú gép #2 Miután egyfázisú gépünket ilymódon "modelleztük", az ábrán helyettesítő kapcsolását is felrajzoltuk. Az ill. eredő rotorellenállással bíró háromfázisú helyettesítő áramkörök soros kapcsolása. Az elleneforgó gép nagy forgórész frekvenciája a rotor paraméterek megváltozását okozza, de ezeket a járulékos hatásokat üzemi vizsgálatoknál gyakran - a következőkben mi is - elhanyagolják. Vajda István:Elektromechanikai átalakítók működése Villamos Gépek és Alkalmazások, BME VIK, 2010 tavasz

16 Az egyfázisú gép #2 A helyettesítő kapcsolás alapján a motor nyomatékgörbéje is megszerkeszthető, lásd ábra. A veleforgó gép szlipje 0 és 2, az elleneforgóé 2 és 0 között változik. A két tükörkép görbe különbsége, eredője az egyfázisú gép nyomaték-görbéje. Ez a - gyakran alkalmazott - szerkesztés közelítés. A helyettesítő kapcsoláson látható, hogy az eltérő (és a szlippel változó) eredő rotorellenállások hatására a két, sorba kapcsolt helyettesítő áramkör bemeneti impedanciája, így primer feszültsége is eltérő. Az elleneforgó gép kisebb kapocsfeszültségének hatására a féktartományi nyomaték a szaggatottan rajzolt módon letörik. Vajda István:Elektromechanikai átalakítók működése Villamos Gépek és Alkalmazások, BME VIK, 2010 tavasz

17 Az egyfázisú gép #2 Az egyfázisú gép nyomatékának három jellegzetességét jelöltük az ábrán. Az 1. jelű a legfontosabb: a gépnek nincs indítónyomatéka. A 2. jelű szerint a gép billenő nyomatéka ill. a teljes nyomatékgörbéje - az elleneforgó mező fékező nyomatékának hatására - jelentősen csökken az azonos nagyságú háromfázisú gépéhez képest. A 3. jelű észrevétel az előbbi kettőnél kisebb jelentőségű. A szinkron pontban a gépnek negatív, fékező nyomatéka van. Vajda István:Elektromechanikai átalakítók működése Villamos Gépek és Alkalmazások, BME VIK, 2010 tavasz

18 Az egyfázisú gép #2 Az eddigiek alapján a háromfázisú gép megismert nyomatékképletének felhasználásával az egyfázisú gép nyomatékának kifejezése: Az egyfázisú gépeket rossz tulajdonságaik, elsősorban az indító nyomaték hiánya miatt a gyakorlatban alig alkalmazzák. Vajda István:Elektromechanikai átalakítók működése Villamos Gépek és Alkalmazások, BME VIK, 2010 tavasz

19 segédfázisos aszinkron gépek
Vajda István:Elektromechanikai átalakítók működése Villamos Gépek és Alkalmazások, BME VIK, 2010 tavasz

20 A segédfázisos gép Ahhoz, hogy gépünknek induláskor is legyen nyomatéka ebben az állapotban is forgó mezőre, azaz olyan mezőre van szükség, ahol a veleforgó mező összetevő - így annak nyomatéka - nagyobb az elleneforgónál, tehát annak fékező nyomatékánál. Ilyen módon az elleneforgó mező egyéb káros hatásai, veszteségei, - üzemközbeni fékező nyomatéka is - csökkennek. Az ideális eset a körforgó mező, amikor az elleneforgó mező hiányzik. Tudjuk, hogy körforgó mezőt szimmetrikus többfázisú tekercsrendszer szimmetrikus többfázisú áramrendszerével lehet létesíteni. Esetünkben a fő nehézséget az okozza, hogy a többfázisú áramrendszer létrehozásához pusztán egyetlen feszültség áll rendelkezésre. Vajda István:Elektromechanikai átalakítók működése Villamos Gépek és Alkalmazások, BME VIK, 2010 tavasz

21 A segédfázisos gép A gyakorlati megoldáskor a forgómező létrehozására a gép állórészén az eddigi egyetlen tekercs (az a jelű főfázis) mellett (lásd ábra) egy hozzá képest villamos szögben 90º-ra elforgatott második tekercset (a b jelű segédfázist) helyezünk el és annak áramát - a főfázis áramához képest - az elé kapcsolt előtét impedanciával időben eltoljuk (b. ábra). Ilymódon kétfázisú szimmetrikus tekercsrendszert készítünk. Vajda István:Elektromechanikai átalakítók működése Villamos Gépek és Alkalmazások, BME VIK, 2010 tavasz

22 A segédfázisos gép Az előtét lehet ellenállás, induktivitás és kapacitás. A b. ábrából látható, hogy szimmetrikus kétfázisú áramrendszer csak kondenzátorral nyerhető. Az ellenállásos segédfázist gyenge mezőalakja ellenére olcsósága és egyszerűsége miatt kisebb igényű és teljesítményű hajtásokhoz alkalmazzák, a költséges induktivitásos megoldás nem használatos Vajda István:Elektromechanikai átalakítók működése Villamos Gépek és Alkalmazások, BME VIK, 2010 tavasz

23 A kondenzátoros motor Körforgó mezőt csak kondenzátoros segédfázissal lehet létrehozni. A körforgó mező az ideális üzemállapot, mert ekkor nincs ellenforgó mező, amely fékező nyomatékot és veszteséget okoz. A kondenzátoros motort ezért széleskörűen alkalmazzák. A körforgó mező állapota akkor jön létre, ha a fő- és segédfázis áramok, illetve a fő- és segédfázis gerjesztések szimmetrikus kétfázisú rendszert alkotnak. Ezt nevezzük szimmetrikus állapotnak és feltételeit szimmetria feltételeknek. Kettő van hiszen egy fázort két adat - pl. nagyság és szög - jellemez. Kis eltérések e szimmetrikus állapottól az üzemviszonyokat csak kevéssé rontják. Vajda István:Elektromechanikai átalakítók működése Villamos Gépek és Alkalmazások, BME VIK, 2010 tavasz

24 A kondenzátoros motor Gyakorlati okokból a két tekercs hatásos menetszáma általában nem egyenlő (a két tekercs merőleges térbeli helyzetét végig feltételezzük): A szimmetria feltételek - a körforgó fluxus feltételei - szimmetrikus többfázisú - itt kétfázisú - gerjesztésrendszert azaz egyező nagyságú előírt - merőleges - szöghelyzetű gerjesztésrendszert, azaz az összefüggést írják elő. Ennek megfelelően az összefüggésből Tehát a valóságos tekercsrendszert helyettesítjük egy képzeletbeli szimmetrikussal és ehhez tartoznak a vesszős mennyiségek. Vajda István:Elektromechanikai átalakítók működése Villamos Gépek és Alkalmazások, BME VIK, 2010 tavasz

25 A kondenzátoros motor A képzelt helyettesítő szimmetrikus tekercsrendszerhez tartozó áram- ill. feszültségrendszerek: E rendszerek az feltételek esetén szimmetrikusak. Kérdés milyen k és Xs értékek szükségesek a szimmetria létrehozásához? A szimmetrikus állapot fázorábrája az ábrán látható. Vajda István:Elektromechanikai átalakítók működése Villamos Gépek és Alkalmazások, BME VIK, 2010 tavasz

26 A kondenzátoros motor (olvasmány)
Az ábrából leolvasható, hogy a k menetszámáttétel a főfázis impedanciájának komponensei. Az ugyancsak a fázorábrából leolvasható összefüggésből a kapacitív reaktancia Vajda István:Elektromechanikai átalakítók működése Villamos Gépek és Alkalmazások, BME VIK, 2010 tavasz

27 A kondenzátoros motor (olvasmány)
A keresett két szimmetria feltétel tehát A használatos gépek esetében rendszerint tgφ ≠ 1, φ ≠ 45º ezért szükséges a k ≠ 1 menetszám-áttétel. A két szimmetria feltétel adott menetszámáttétel és adott kapacitás esetén csak egyetlen s értékre, egyetlen fordulatszámra teljesül. Sem k sem Xc a szükséges nagy kapacitás érték miatt nem változtatható folytonosan. Vajda István:Elektromechanikai átalakítók működése Villamos Gépek és Alkalmazások, BME VIK, 2010 tavasz

28 A kondenzátoros motor Szerencsére a gyakorlatban is rendszerint egyetlen fordulaton elégséges a szimmetria, éspedig vagy a névleges fordulatszámon vagy esetleg induláskor. Az első esetben üzemi a másodikban indító kondenzátorról - illetve kondenzátoros motorról - beszélünk és az utóbbinál a segédfázist a billenő nyomaték környékén lekapcsolják. A gép mint egyfázisú motor működik tovább. A kapcsolókat meghibásodási kockázatuk miatt nem szeretik. Az ideális megoldás a kettős kondenzátoros motor lenne. A kondenzátoroknak a motorhoz viszonyított magas ára miatt ritkábban alkalmazzák. A három típus nyomatékgörbéit az ábrán látjuk. Vajda István:Elektromechanikai átalakítók működése Villamos Gépek és Alkalmazások, BME VIK, 2010 tavasz

29 Vége Vajda István:Elektromechanikai átalakítók működése
Villamos Gépek és Alkalmazások, BME VIK, 2010 tavasz