44
SZINKRON GÉPEK. Szögsebességük az állórész f1 frekvenciájához mereven kötődik az ω 0 =
2 ⋅ π ⋅ f1 p
képlet szerint. A gép csak ezen a szögsebességen tud állandósult nyomatékot kifejteni. Az állórész felépítése megegyezik az aszinkron motorok állórészének felépítésével, azaz itt is ω0 szinkron szögsebességű körforgó, vagy elliptikusan forgó mezőt hozunk létre, amellyel a forgórész „együtt jár”. A forgórész •
kb. 5 kVA-nél nagyobb teljesítményeknél két csúszógyűrűn be- ill. kivezetett, egyenárammal gerjesztett elektromágnes, amelyik hengeres, vagy kiálló pólusú (3.17. ábra). Póluspár száma megegyezik az állórész pólupár számával.
•
törpe, ill. automatikai szinkron gépeknél lehet un.: reluktancia, állandó mágnesű, hiszterézis forgórészű. Ezek egyben az ilyen gépek elnevezését is jelentik. Állandó mágnesű törpe gépeknél bizonyos esetben a forgórész póluspár száma
eltérhet az állórész póluspár számától.
3.17. ábra
45 A szinkron gépre alkalmazható a legközvetlenebbül a bevezető fejezetben említett kétmágnes elv. Itt legkönnyebben felismerhető a két mágnes, a mágneses tengelyek, a β terhelési szög, stb. A szinkron gépeket hálózatra kapcsoláshoz előtt „szinkronizálni” kell. Ez azt jelenti, hogy nyitott állórész kapcsoknál (üresjárásban) a forgórész mágnes forgatásával egy forgó mágneses mezőt létesítünk, ami váltakozó feszültséget indukál az állórész (armatúra) tekercsekben. Ezt az indukált feszültséget Up pólusfeszültségnek hívjuk, (mert a forgórész pólusfluxus hatására keletkezik). Szinkronizáláskor az Up feszültség •
frekvenciáját a szögsebesség (fordulatszám) változtatásával,
•
nagyságát (amplitudóját) a forgórész gerjesztő áramának változtatásával,
•
fázishelyzetét a szögsebesség nagyon finom állításával és
•
háromfázisú motoroknál a fázissorrendjét
kell ugyanolyanra állítani, mint a váltakozó áramú hálózat feszültségének frekvenciája, amplitudója, fázishelyzete és fázissorrendje. A generátoroknál a forgórész forgatására pl. egy turbina eleve rendelkezésre áll. A generátorok a villamos energiatermelés kizárólagos gépei. Motoroknál az indítás •
indító segédgéppel történhet, amellyel a frekvencia beállítására szinkron fordulatra hozzuk a forgórészt. A további egyeztetések után a hálózatra kapcsolás elvégezhető.
•
legtöbbször a pólussarukba épített indító kalicka segítségével történik. A kalickákkal aszinkron módra közel szinkron fordulatszámra gyorsul a forgórész. Ezután a forgórész tekercselés egyenáramú gerjesztésével megjelenik a szinkronozó nyomaték és a gép „beugrik” a szinkronba.
•
a tápláló frekvencia folyamatos növelésével is történhet. Ehhez frekvenciaváltó szükséges, amelynek frekvenciája (közel) 0 Hz-től a kívánt frekvenciáig folyamatosan változtatható, és a motor terhelésekor is képes táplálni a motort. A frekvenciaváltóval a szinkron motor mechanikai jelleggörbéjét, így fordulatszámát is változtathatjuk.
„Ideális” szinkronizáláskor még nyitott állórész kapcsoknál megmérhetjük a pólusfluxus által indukált feszültséget. A hálózatra kapcsolása után sem folyik még
46 áram az armatúra tekercselésben, mert a hálózat Uk feszültségének és az Up pólusfeszültségnek fazorjai tartósan egyirányúak és azonos nagyságúak, a köztük lévő terhelésre jellemző szög pedig β=0. Ezt az állapotot elméleti, vagy ideális üresjárásnak nevezzük (3.19.a. és d. ábra). Ettől eltérő állapotban az armatúra tekercsekben áram folyik, ami egy másik mágneses mezőt hoz létre. Ennek legnagyobb része a forgórész vastestén keresztül záródik és szintén egy forgó mezőt alkot, amit armatúra mezőnek, armatúra (vissza)hatásnak nevezünk, mert összegeződik (vektorosan) a pólusmezővel, így befolyásolja az eredő mezőt. Ez vesz részt az állórész-forgórész közötti energiaátadásban. Valójában a gépben csak az állórész tekercsekre kapcsolt feszültség által kényszerített eredő mező létezik, de az összetevők külön-külön befolyásolhatók, ezért célszerű hatásaikat külön vizsgálni. Az armatúraáram által létesített mágnesmező kisebbik része (kb. 10%-a) nem a forgórész vastestén, hanem az állórész tekercs körül a levegőben záródik, nem vesz részt az energia közvetítésben. Ezt a részt szórt mágneses mezőnek hívjuk. Az armatúramező (a nyomatékképzésen túl), és a szórt mező is, hogy feszültséget indukál az armatúra tekercselésben. Hengeres pólusú (állandó légrésű) gépek esetén mindkét indukált feszültséget nagyság és fázis szerint kifejezhetjük az őket okozó Ia armatúra áram és az Xa armatúra reaktancia, ill. az Xs szórási reaktancia szorzataként. Így •
az armatúra fluxus által indukált feszültség
j·Ia·Xa,
•
a szórási fluxus által indukált feszültség
j·Ia·Xs.
Az armatúra tekercsek ohmos ellenállásai miatt még egy Ia.Ra feszültségesés is fellép. A felsorolt feszültségekkel kell egyensúlyt tartani a kapocsfeszültségnek. Uk = Up + j⋅ Ia ⋅ Xa + j⋅ Ia ⋅ Xs + Ia ⋅ R a . Névleges üzemben az egyes feszültségek százalékos értékei:
I an ⋅ R a ⋅ 100 = (0,5 − 1)% U kn
I an ⋅ X a ⋅ 100 = (100 − 200)% U kn
I an ⋅ X s ⋅ 100 ≈ 10%. U kn
Az értékekből látszik, hogy az Ra-n lévő feszültség elhanyagolható, az Xa hatásától alig különbözik az Xa+Xs együttes hatása, így azok összevonhatók egyetlen Xd
47 reaktanciává, amit szinkron reaktanciának nevezünk Xd=Xa+Xs. Így jutunk el a szinkron gép armatúrájának egyszerűsített helyettesítő kapcsolásához, amit az Uk = Up + j⋅ Ia ⋅ Xd feszültség egyenletet fejezi ki (3.18. ábra). Természetesen itt minden mennyiség fázisértéket jelent.
3.18. ábra
Ennek segítségével követhetjük a szinkron gép üzemét. Elméleti üresjáráskor tehát az Ia=0, a légrésen átadódó elektromágneses nyomaték M=0 és a terhelési szög is β=0. Ha ezek után csak a forgórész Ig gerjesztő áramát változtatjuk meg, ami az Up változását eredményezi, továbbra is M=0 és β=0 marad,
3.19. ábra
48 de az Ia≠0. A feszültségegyenletből következően az Up növekedésekor az Ia 90o-ot sietni fog az Uk-hoz (és az Up-hez) képest, mint egy kondenzátor hálózatra kapcsolva, vagyis a gép meddő teljesítményt ad a hálózatnak. Az ilyen gépet túlgerjesztettnek mondjuk. Ez előnyös a hálózati teljesítménytényező (cosϕ) javításakor. Az Up csökkentésekor a gép úgy viselkedik, mint egy L induktivitás hálózatra kapcsolva, meddő teljesítményt vesz fel a hálózatból. Az ilyen gépet alulgerjesztettnek hívjuk. A viszonyokat a 3.19.d. ábra mutatja. Az elmondottakból következik, hogy a szinkron gép gerjesztésének változtatásával csak a meddő árama, ill. a meddő teljesítménye változtatható, míg a hatásos teljesítmény nem. Ez abból is belátható, hogy ha az M=áll., az M.ω0=P=3.Uk.Ia.cosϕ is állandó marad, azaz az Ia.cosϕ, az áram hatásos komponense sem változhat. A lehetséges üzemi viszonyokat a 3.19.e. ábra foglalja össze. A 3.19.a.b.c. ábra mutatja még az eredő (forgó) fluxus és a forgórész (póluskerék) mágneses tengelyének helyzeteit is a különböző üzemállapotokban. Az M nyomaték számításakor a gép veszteségeit elhanyagoljuk. Példaként vizsgáljunk meg egy háromfázisú, túlgerjesztett motor üzemét M≠0 esetén. Ekkor az Ia áram 900-kal kisebb szöggel siet az Uk-hoz képest (3.20. ábra). M.ω0=3.Uk.Ia.cosϕ. Az ABC és az ABO háromszögekből Ia.Xd.cosϕ=Up.sinβ. Ezzel M=
3⋅ Uk ⋅ Up ω0 ⋅ X d
3.20. ábra
⋅ sin β.
49 Az M(β) jelleggörbét a 3.20 ábrán látjuk. Stabil állandó üzem csak a ±90o-on belüli tartományban lehet, de a motorok névleges nyomatékát általában a maximális (billenő) nyomaték 50...60 %-a környékén szokták megállapítani. A szinkron gép veszteségei hasonlóak az eddig tanult gépek veszteségeihez. Az állórészen tekercsveszteség és vasveszteség lép fel. Az utóbbi miatt az állórész vastestét lemezelve készítik. A forgórészen a gerjesztési, a csapágy- és a lég-súrlódási veszteségek keletkeznek. A hatásfok szokásos értéke η=86...98 %.
A törpe és automatikai szinkron motorok állórészén az aszinkron törpe motorokéhoz hasonló forgómezős tekercselés van. A forgórészén nincs gerjesztő tekercs, ezért szerkezetük egyszerűbb. A reluktancia motorok 50-200 W teljesítményre készülnek. Forgórészük az aszinkron motorok kalickás forgórészére emlékeztet, de a reluktancia nyomaték keletkezése érdekében a forgórészt kiálló pólusokkal látták el azáltal, hogy kb. a pólusok felének megfelelő részeken a légrést a fogak kimarásával megnövelték. A kimarások helyét és a forgórész hornyait alumíniummal öntik ki, amit a homlokoldalakon gyűrűk kötnek össze. Ilymódon egyrészt kialakult a kiképzett pólusú (nem állandó légrésű) forgórésztest, másrészt indítókalicka is keletkezik (3.21. ábra).
3.21. ábra Indításuk a kalickák révén aszinkron motorként történik. Az ω0 szinkron szögsebesség közelébe gyorsulva a forgórész a reluktancia nyomaték hatására „beugrik” a szinkronizmusba. A 3.22.a. ábra mechanikai jelleggörbéjén látszik, hogy az aszinkronos billenőnyomaték nagyobb, mint a szinkron (reluktancia) billenőnyomaték. Szinkron üzemben az indítókalickák lengéscsillapító hatásúak.
50
a.
3.22. ábra
b.
Ha az Mt tehelőnyomaték nagyobb lesz, mint a szinkron billenőnyomaték, a motor kiesik a szinkronizmusból. Ekkor esetleg aszinkronos üzemmód keletkezik, de ez tartós működésre nem használható. Az állandó mágnesű szinkron motornál a forgórész vastestét állandó mágnessel kombinálják (3.23. ábra). Az ilyen gépek teljesítménye ma már 50 W- 10 kW-ig
3.23. ábra terjedhet. A reluktancia nyomaték mellett 3-4-szer nagyobb az állandó mágnes miatt keletkező elektromágneses nyomaték, aminek 2.π a periódusa. További előny a csak reluktancia motorokhoz képest: a jobb cosϕ, η, ugyanolyan teljesítmény esetén kisebb méret. Hátrányok: Az indításhoz különleges megoldások kellenek. Ezek: kalickarendszer a pólusokban, különleges (kilincskerekes, rugós) indító mechanizmus, aszinkron-szinkron motor közös házban. Az aszinkron csak indításkor üzemel. Kieshet a szinkronizmusból túlterheléskor és leáll. A mechanikai jelleggörbéje és az M(β) jelleggörbéje a 3.24. ábrán látszik.
51
3.24. ábra A hiszterézis motor. 50-100 W teljesítményekre készül. A szerkezeti kialakítását a 3.25. ábra mutatja. A forgórészen levő mágnesezhető, (kemény mágneses anyagból készült) acélgyűrű, egy nem mágnesezhető vas, vagy műanyag belső hengeren helyezkedik el. Aszinkron üzemben, pl. indításkor kétféle nyomaték lép fel: •
a forgórész vastestében, (az acélgyűrűben) idukálódó örvényáramok miatt Masz, aszinkronos nyomaték,
•
az acélgyűrű átmágneseződése miatt hiszterézis veszteség ill. Mh hiszterézis nyomaték. Forgórész
A mező és a rotor ω0-ω=s.ω0 relatív szögsebességénél a keletkező hiszterézis veszteség is s.Ph–szorosa lesz az álló állapotú Ph-nak, ami a hiszterézis göbe területével arányos. Így az ebből
Állórész horony
3.25. ábra
eredő hiszterézis nyomaték Mh =
s ⋅ Ph Ph = = áll., független a mező és a s ⋅ ω0 ω 0
forgórész relatív sebességétől. Szinkron szögsebességen átmágnesezés nincs, a mágnesezettség „befagy, megáll”, a forgórész, mint állandó mágneses forgórész üzemel tovább a terhelésnek megfelelő β szöggel. A 3.26. ábrán látható Mt1 terhelőnyomatéknál szinkron üzem keletkezik. A kifejtett nyomaték M<Mh. Az Mt2>Mh terhelőnyomaték esetén aszinkron üzem jön létre és Mh+Masz=Mt2. Az aszinkron nyomaték megjelenése lehetővé teszi a szinkron szögsebesség 3.26. ábra
52 alatti üzemet is, bár ekkor a hatásfok romlik. Az M(β) jelleggörbe ±90o után nem csökken, mert szinkron alatti szögsebességeknél az átmágnesezés „beindul” és az állandó Mh tartósan létrejön. Előnyök: •
nagy idítónyomaték,
•
rendkívüli nyugodt járás a forgórész tökéletes (horonymentes) körszimmetriája miatt.
Hátrány: drága. Alkalmazások: stúdió, lemezjátszó, magnó hajtások, filmtechnikai hajtások, regisztrálók, számítógép perifériák hajtásai, hiszterézis fékek, (ekkor az állórész egyenárammal van gerjesztve).
53
54
