4.Modul 1. Lecke1, Villamos gépek fogalma, felosztása
4.M 1.L. 1.1, Villamos gépek fogalma Azokat a villamos berendezéseket, amelyek mechanikai energiából villamos energiát, vagy villamos energiából mechanikai energiát állítanak elő, vagy a villamos energiát alakítják át más feszültségű villamos energiává villamos gépeknek nevezzük. A villamosenergia előállítása, átalakítása és szállítása teszi lehetővé nem csak az ipari termelést, hanem a közlekedést, az információ közvetítést és a hétköznapi életvitelünket is. A villamos gépek közül az egyenáramú forgó gépekkel gerjesztett szinkron gépek termelik az erőművekben az energiát a különböző turbinák mechanikai munkájából, a transzformátorok átalakítják először növelve a feszültség szintjét, majd a különböző feszültségszintű és rendeltetésű hálózatoknál lefelé transzformálják egészen a kisfeszültségű fogyasztók szintjéig. Az energetikai láncolat tehát az erőműtől a hálózatokon át a különböző fogyasztókig tart. Az u.n. „motorikus fogyasztók” azok a villamos gépek, amelyek segítségével valamilyen célból mechanikai munkát nyernek.
4.M 1.L. 1.2, Villamos gépek felosztása
4.M 1.L. 1.2.1, Álló és forgó gépek Az álló villamos gépek közé a transzformátorok és transzformátor jellegű átalakítók (mérőváltók, hegesztő transzformátorok) tartoznak, bennük nincs forgó alkatrész. Forgó villamos gépek közé tartoznak a különböző elven működő generátorok és motorok, amelyek villamos munkát mechanikai munkává alakítják. Az álló és a forgó részükön kialakított tekercsekben folyó áramok mágneses terei hozzák létre az indukált feszültséget, vagy a forgórészre ható nyomatékot.
4.M 1.L. 1.2.2, Működési alapelvük szerinti csoportosítás Szinkron gép esetében a forgó mágneses mező és a forgórész fordulatszáma megegyezik, szinkronban van. Azinkron gép Az aszinkron, másképpen „nem szinkron” jelentés alapján a forgó mágneses mező és a forgórész fordulatszáma nem egyezik meg, nincs szinkronitás. Az egyenáramú gépek nevükben hordozzák, hogy nem váltakozóáram folyik a tekercsekben, hanem egyenáram. A forgórész u.n. kommutátoros kialakítású. Univerzális gépek, amelyek egyenárammal és váltakozóárammal is működnek.
A különleges, vagy egyéb villamos gépek kategóriájába is többféle elvű és kialakítású villamos forgógép tartozik.
4.M 1.L. 1.2.3, Generátor, vagy motor A generátor feszültségkeltő(előállító) villamos forgógép, amely valamilyen mechanikai energiából villamos energiát állít elő. Az áramnem szerint a generátorok egyenáramú, vagy váltakozó áramúak lehetnek. Az aszinkrongépek bizonyos állapotban generátorként működhetnek(féküzem), amelyekre elsősorban a villamos vontatás visszatáplálásos üzemmódjában találunk példát. A motorok lehetnek aszinkron, szinkron,vagy egyenáramú motorok
4.M 1.L. 2, Aszinkrongépek 4.M 1.L. 2.1, Aszinkrongépek szerkezeti felépítése 4.M 1.L. 2.1.1, Rövidrezárt vagy csúszógyűrűs forgórészű motorok Az aszinkron gép kialakítás szerint lehet csúszógyűrűs, vagy rövidrezárt forgórészű (kalickás) Ezek szerkezeti kialakítására mutatunk képeket az alábbiakban
4 M 4.1.1. ábra csúszógyűrűs forgórész, Forrás: Marcsa B. 2013
4 M 4.1.2, ábra Kalickás forgórész, Forrás: Marcsa B. 2013
A kalickás forgórész is kétféle kivitelű lehet: Öntött, vasmag nélküli, vagy rudazott. Az ú.n spin hatás elkerülésére a kalickás forgórészt kétkalickásra, vagy mélyhornyúra alakítják ki.
4 M 4.1.3. ábra Rúd kiképzésű kalicka, Forrás: Marcsa B. 2013
4 M 4.1.4. ábra Öntött kalicka, Forrás: Marcsa B. 2013
4 M 4.1.5, ábra Kétkalickás és mélyhornyú forgórész, Forrás: Marcsa B. 2013
4.M 1.L. 2.1.2, Az aszinkron motor felépítése Az aszinkrongép főbb szerkezeti részei:
-
Állórész ház az emelőhoroggal, kapocstáblával, rögzítő talpakkal (fülekkel) Lemezelt vastestű állórész Állórész tekercsrendszer Forgórész (csúszógyűrűs, vagy rövidrezárt) Csapágyak a forgórész két végén és a csapágyház Egyéb passzív részek
4.M 1.L. 2.2, Aszinkrongépek működési elve 4.M 1.L. 2.2.1, A nyomaték keletkezése és a szlip Az állórész tekercseire kapcsolt váltakozó feszültség által általhajtott áramok forgó mágneses mezőt hoznak létre, amely a póluspárok számának megfelelő n0 szinkron fordulattal forog az
képlet alapján, ahol f a frekvencia(leggyakrabban f= 50 Hertz,) p a póluspár száma. Ez a forgó mágneses mező metszi a forgórész tekercseit/illetve kalickáit és feszültséget indukál benne, amely feszültség áramot hajt a forgórészben. A forgórész árama által keltett erő és a forgó mágneses mező kölcsönhatásba lép, a forgórész a forgó mező irányába elfordul, hogy az őt keltő okot megszüntesse. (Lenz törvénye)
4 M 4.1.6, ábra A működési alapelv Erőhatás elve és a forgórész motoros állapotú áramviszonya, Forrás: Marcsa B. 2013 A szlip, az a „csúszás”, amivel a forgórész fordulatszáma lemarad a forgó mező fordulatszámától, pontosabban ennek viszonyított értéke.
Nagyon jól lehet szemléltetni a forgó mágneses mező és a forgórész mágneses mezejének forgását, ha készítünk egy golyóscsapágyra erősíthető flexi lapokból álló rendszert. Az egyik plexi lapra a forgórész mágneses mezejének indukcióvonalait rajzoljuk színes vonalakkal, a másikra a forgórész mágneses mezejének indukcióvonalait. Írásvetítőre helyezve a csapágyra erősített lapokat a forgó mágneses mező lapját megforgatva a másik lap, vagyis a forgórész is fordulni fog megegyező irányba, de nagyon jól látszik, hogy lemarad, mert a csapágy külső és belső perselyének szögsebessége eltérő.
4.M 1.L. 2.2.2, Az aszinkrongép helyettesítő kapcsolása Az álló és a forgórész rendszerét egy ohmos és egy induktív ellenállással, valamint a légrést egy párhuzamosan kapcsolt ohmos és induktív ellenállás redukcióval vesszük figyelembe. A szekunder oldalon(forgórész) az Rx’ egy szliptől függő ellenállás. Tehát induláskor a szlip 0, vagyis rövidre zárásban van a gép.
4 M 4.1.7. ábra Aszinkrongép helyettesítő kapcsolása, Forrás: saját szerkesztés
4.M 1.L. 2.3, Aszinkrongépek jellemzői, üzemviszonyai 4.M 1.L. 2.3.1, Az aszinkrongép terhelési állapotai A helyettesítő kapcsolásokat is felhasználva a terhelési állapotokról a következőket mondhatjuk: Valós üresjárásnál a gép tengelye terheletlenül forog, csak a súrlódás és légellenállás terhelés áramát veszi fel. Ideális üresjárás-valós üresjárás
valamilyen szlip és fordulatszám mellett vesz fel áramot
A gép áll, ilyenkor a hálózati áram 3-9 szeresét veszi fel
terhelés
rövidrezárás
Az aszinkrongép veszteségei, energia diagramja a helyettesítő kapcsolásból levezethető, illetve magyarázható.
M 4.1.8. ábra Aszinkron gép energiamérlege, Forrás: Marcsa B. 2013
4.M 1.L. 2.3.2, A kördiagram A helyettesítő kapcsolás segítségével ábrázolni tudjuk az állórész áramvektorát a különböző terhelési állapotokban, illetve üzemviszonyokban.
4.M 4.1.9. ábra A kördiagram származtatása, Forrás: Hollenzer 2010/2 A generátoros, a motoros és a féküzemben az áramvektorok egy körön mozognak, amelyből a különböző metszékekkel meghatározhatóak a nyomatok, illetve teljesítmény viszonyok is.
A kördiagram szerkesztésének lépéseit itt nem ismertetjük. Lehet 2, illetve 3 pontból a mérési eredmények, illetve számítási adatokból szerkeszteni.
4 M 4.1.10. ábra A kördiagram és metszékei, Forrás: Hollenzer 2010/2
4.M 1.L. 2.3.3, Az aszinkrongép jelleggörbéi, üzemi tulajdonságai Egyik jellemző jelleggörbe az u.n nyomatéki jelleggörbe, amely a nyomaték és a fordulatszám viszonyát ábrázolja.
4 M 4.1.11. ábra Aszinkrongép nyomatéki jelleggörbéje, Forrás: Hollenzer 2010/2
Látható az ábrából, hogy három jellegzetes üzemmódja van a motornak. A nyomaték a maximumot a motoros üzemben az ú. n. billenő nyomatéknál éri el, a generátoros üzemmódban értelemszerűen a negatív tartományban van a nyomaték. Látható továbbá az az üzemi tulajdonsága is, hogy az indító nyomaték viszonylag kicsi. A rövidrezárt forgórészű motorokat csillag-delta indítással indítjuk, ekkor az indítási áramlökést harmadára csökkentjük, de ezzel együtt jár, hogy az indítónyomaték is harmadára csökken.
4.M 1.L. 2.4, Aszinkrongépek alkalmazása A rövidrezárt forgórészű aszinkron motorok előnyös tulajdonságai miatt(egyszerű szerkezet, az áramvezetés mozgó alkatrészeken nincs, tetszőlegesen nagy teljesítményre készíthető stb.) számtalan helyen alkalmazzák. Az indítási áramlökések csökkentésére különböző kapcsolásokat alkalmaznak(transformátoros, csillag-delta, stb.) Ma már a korszerű elektronikai eszközök segítségével a fordulatszám változtatás megvalósítható, ezért a rövidrezárt forgórészű aszinkronmotorokat széles területen alkalmazzák. A fordulatszám 1:2 arányú változtatására szerkesztették az u.n. Dahlander motorokat, amelyek a póluspár számát változtatja. A csúszógyűrűs motorok hátránya a forgó alkatrészek miatti meghibásodás. Indítását viszont a bekötött ellenállásokkal egyszerűen meg lehet oldani.
4.M 1.L. 3, Egyenáramú gépek 4.M 1.L. 3.1, Egyenáramú gépek szerkezeti felépítése Mint minden forgó villamos gépnél itt is vannak aktív, vagyis az áram vezetésében, az indukált feszültség keltésében/kompenzálásában szerepet játszó részek, és u.n passzív szerkezeti elemek. Ez utóbbihoz tartoznak a tengely, a villamos gép háza, talpazata, adattáblája, emelőhorog stb. Az egyenáramú gép állórészét a fő és segédpólusok, azok vasteste és tekercsei alkotják. A forgórész (armatúra) vastestében kialakított hornyokban van a forgórész tekercs, amelynek végei kommutátorhoz vannak kivezetve. A kommutátorokhoz szénkefék csatlakoznak, amelyeken keresztül folyik az áram. Ezeket a szerkezeti elemeket és azok működéshez kapcsolódó funkcióit kell bemutatni és magyarázni képekkel, táblai rajzokkal, egyéb rajzos és animációs illusztrációval.
4 M 4.1.12. ábra Egyenáramú gép kommutátor 4 M 4.1.13. ábra Segédpólusos gép szerkezeti és szénkefe elhelyezkedése, Forrás: Hollenzer vázlata, Forrás: Hollenzer 2010/2 2010/2
4 M 4.1.14. ábra Egyenáramú gép szerkezeti felépítésének elvi vázlata, Forrás: Hollenzer 2010/2
4 M 4.1.15. ábra Gyűrűs tekercselésű forgórész a kommutátorokkal Elvi rajz, Forrás: Hollenzer 2010/2
4.M 1.L. 3.2, Egyenáramú gépek működési elve, generátorok és motorok kapcsolása Megjegyezzük, hogy a tanítás-tanulás során nem lehet mereven szétválasztva kezelni a szerkezeti felépítést és a működési elvet. Ebben a fejezetben a működési alapelvvel kapcsolatos legfontosabb jelenségeket, elveket, vesszük sorba.
4.M 1.L. 3.2.1, A működés elektrotechnikai alapelve A mozgási indukció jelenségén alapszik a gép működése. Az indukált feszültség Ui= B*l*v, vagy Ui= c* Φ* n
Az indukált feszültség generátor és motor esetében is keletkezik, de motornál a forgórész nyomatéka egyensúlyt tart a rákapcsolt feszültséggel. A gép nyomatéka: M= cu* Φ * Ia
4 M 4.1.16. ábra A működés alapelve, Forrás: Hollenzer 2010/2
4 M 4.1.17. ábra Az egyenáramú generátor működési elve, Forrás: Hollenzer 2010/2
4.M 1.L. 3.2.2, A kommutáció Az armatúra tekercsében az áram iránya megváltozik a semleges vonalon való áthaladáskor. Ezt a jelenséget kommutálásnak nevezzük. Ezt szemlélteti az alábbi ábra, amelyen a folyamatának 3 fázisát tüntettük fel.
4 M 4.1.18. ábra A kommutáció alapelve és folyamata, Forrás: Hollenzer 2010/2
4.M 1.L. 3.2.3, Az armatúra visszahatás Az armatúra gerjesztésnek a pólusgerjesztésre gyakorolt hatása az armatúra visszahatás. A terhelés hatására megváltozik a gép fluxusa az üresjárási értékhez képest az armatúrában folyó áram hatására. A semleges vonal a forgás irányába elfordul, s az eredeti semleges vonalban alló kefék olyan tekercseket zárnak rövidre, amelyekben feszültség indukálódik, a keféken átfolyó rövidrezárási áramok miatt a kefék szikráznak. A kiküszöbölésre a segédpólust, és a kompenzáló tekercset alkalmazzák.
4 M 4.1.19. ábra Az 4 M 4.1.20. ábra Kompenzálás 4 M 4.1.21. ábra Kompenzálás eredő fluxus segédpólussal, Forrás: Hollenzer segédpólussal és kompenzáló 2010/2 tekerccsel
4.M 1.L. 3.2.4, Generátorok kapcsolási módjai és jellemzői Az egyenáramú gépeket generátoros és motoros üzemmódban egyaránt használhatjuk és alapvetően négyféle kapcsolási módban. Ezek a kapcsolási módok az armatúra és a gerjesztő tekercs villamos kapcsolata alapján különböznek. A következőkben sorba vesszük a külső, a párhuzamos, a soros és a vegyes gerjesztésű generátorok és motorok kapcsolását és jelleggörbéit.
4.M 1.L. 3.2.4.1, Külső gerjesztésű generátor kapcsolása és jelleggörbéi
Ha a gerjesztő tekercstől független az armatúra tekercsre kapcsolt feszültségforrás, akkor külső gerjesztésről beszélünk. Az üresjárásban, amikor nem folyik terhelő áram, akkor az indukált feszültség egy bizonyos visszamaradó mágnesség által indukált értékről eleinte meredeken változik, majd bizonyos pont után, a telítődés miatt a görbe laposabb. Terhelés hatására a kapocsfeszültség viszonylag állandó értékű, tehát feszültségtartó ez a generátor.
4 M 4.1.22. ábra Külsőgerjesztésű generátor kapcsolása, Forrás: Hollenzer 2010/4
4 M 4.1.23. ábra Külső gerjesztésű generátor üresjárási és terhelési jelleggörbéje, Forrás: Hollenzer 2010/4
4.M 1.L. 3.2.4.2, Párhuzamos gerjesztésű generátor kapcsolása és jelleggörbéi. Az elnevezésből adódóan a gerjesztő tekercs az armatúrával párhuzamosan van kapcsolva. A belső jelleggörbéből látható, hogy a gerjesztő áram változásra a feszültség hogyan változik. A visszamaradó mágnesség Um értékéből indul, majd a meredek emelkedés után a telítődés után lapossá
válik. Az Rt terhelő ellenálláson folyó áram a kapocsfeszültséget eleinte kisebb mértékben csökkenti, majd visszahajlik. Tehát nem feszültségtartó.
4 M 4.1.24. ábra Párhuzamos(sönt, mellékáramkörű) gerjesztésű generátor elvi kapcsolása, Forrás: Hollenzer 2010/4
4 M 4.1.25. ábra Párhuzamos gerjesztésű generátor belső jelleggörbéje, Forrás: Hollenzer 2010/4
4 M 4.1.26. ábra Sönt generátor , terhelési (külső) jelleggörbéje, Forrás: Hollenzer 2010/4
4.M 1.L. 3.2.4.3, Soros gerjesztésű generátor kapcsolása és jelleggörbéi A soros gerjesztésnél a gerjesztő tekercs sorban van kötve az armatúrával. Bekötése és terhelési jelleggörbéje az alábbi ábrákon láthatók.
4 M 4.1.27. ábra Soros generátor belső kapcsolása
4. M 4.1.28. ábra Soros gerjesztésű generátor terhelési jelleggörbéje, Forrás: Hollenzer 2010/4
A külső, vagy terhelési jelleggörbéből jól látszik, hogy a kapocsfeszültség a terhelésnél nagyon egyenetlenül változik, tehát feszültséget nem tud tartani. Egyetlen előnye, hogy az Iz zárlati áram elég nagy. 4.M. 1. L. 3.2.4.4, Vegyes gerjesztésű generátor és jelleggörbéje. Ha a generátornál a soros tekercs mellett egy párhuzamos tekercset is bekötnek a körbe, akkor vegyes gerjesztésű gépet kapunk. A soros tekercset kétféleképpen lehet bekötni, aszerint, hogy a soros tekercs fluxusa erősíti a párhuzamos tekercs fluxusát(kompaund kapcsolás), vagy gyengíti azt (antikompaund).
Ennek megfelelően alakul a külső terhelési jelleggörbe is.
4 M 4.1.29. ábra Vegyes gerejesztésű generátor külső terhelési jelleggörbéje, Forrás: Hollenzer 2010/4
4.M. 1. L. 3.2.5, Egyenáramú motorok és jellemzői Az egyenáramú motorok belső kapcsolását ugyanúgy, mint a generátoroknál, négyféleképpen lehet kialakítani. Vannak külső, soros, párhuzamos és vegyes gerjesztésű motorok. Itt eltekintünk ezen kapcsolások ismertetésétől, mert a szakrajzi leckénknél ezekkel foglalkoztunk. Motoroknál mindig a nyomaték és a fordulatszám viszonya, értéke és változtathatósága a lényeges, ezért a jelleggörbéken is elsősorban ezeket tüntetjük fel.
4.M. 1. L. 3.2.5.1, Külsőgerjesztésű motor és jelleggörbéje
3. M 4.1.30. ábra Külsőgerjesztésű motor nyomaték-fordulatszám jelleggörbéje, Forrás: Hollenzer 2010/4
Amint látható ez a gép indításkor adja le a legnagyobb nyomatékot, ezért vontatásoknál jól lehet alkalmazni. A gép jó fordulatszámtartó. A fordulatszámot a levezetés után a következőképpen kapjuk:
Látható a képletből, hogy a fordulatszámot a gép fluxusával, a belső ellenállással és a fluxussal tudjuk változtatni. Ezek a nyomaték-fordulatszám (M-n) jelleggörbére gyakorolt hatását mutatják az alábbi ábrák.
4 M 4.1.31. ábra A külsőgerjesztésű motor fordulatszám szabályozási módjai és hatásuk a nyomaték fordulatszám jelleggörbére, Forrás: Hollenzer 2010/4
4.M. 1. L. 3.2.5.2, Párhuzamos gerjesztésű motorok és jellemzőik Gyakorlatilag a jellemzők megegyeznek a külső gerjesztésű motoréval. Az armatúra visszahatás miatt bekövetkező fluxus csökkenés hatására visszahajlik a párhuzamos gerjesztésű motor M-n jelleggörbéje. Terheléskor ezért a motor könnyen megszalad. Indítása nem oldható meg változtatható feszültség táplálással, mert a kis kapocsfeszültség miatt a fluxus is és a nyomaték is kicsi, tehát a gép nem indul el.
4.M. 1. L. 3.2.5.3. Soros gerjesztésű motorok és jellemzőik Az alábbi jelleggörbéből látható, hogy induláskor a nyomaték végtelen, csak terheléssel indítható. Ezért a vontatásoknál jól alkalmazható.
4 M 4.1.32. ábra Soros motor M-n jelleggörbéje, Forrás: Hollenzer 2010/4
4.M. 1. L. 4.
Szinkron gépek
4.M. 1. L. 4.1,
Szinkron gépek szerkezeti felépítése
A szinkron gépek generátorként, vagy motorként üzemelnek. A villamos energia előállítása belátható időn belül túlnyomó részben erőművekben történik, ahol a különböző meghajtó turbinák forgatják a szinkron generátort. A hőerőművekben vízszintes tengelyen együtt forog a turbina, a szinkron generátor, a fő és a segéd gerjesztő generátor. Utóbbiak egyenáramú gépek. A vízierőművekben függőleges tengelyen vannak ugyanezen egységek. Az itt alkalmazott szinkron generátorok többpólusúak, nagy átmérőjűek.
A szinkron gép szerkezeti felépítését is a működési elvhez, az alkalmazáshoz szervesen kapcsolódóan kell tanítani. Ehhez a konkrét szerkezeti kivitelek bemutatását, szemléltetését minél többoldalúan kell megoldani. Nyilván való, hogy az erőműben működő szinkron generátorokat csak a helyszínen lehet megtekinteni, a valós példányt tehát tanulmányi/üzem látogatás keretében lehet tanulmányozni. A tanítási órán ezekről a gépekről színes képeket, esetleg videofilmet használhatunk a táblai vonalas elvi szerkezeti rajzok mellett.
A szinkron gépek fő része: - Lemezelt vastestben egy, vagy háromfázisú tekercselés - Lemezelt vastest kiálló, vagy hengeres pólusokkal, illetve tekercsekkel - Csúszógyűrű a gerjesztő egyenáram bevezetésére a szénkefékkel
4 M 4.1.33. ábra Vizerőművi generátor
4 M 4.1.34. ábra Turbógenerátor egység hőerőműben
4 M 4.1.35. ábra Egy póluspárú kis teljesítményű szinkron gép forgórésze és állórésze
4 M 4.1.36. ábra Kiálló pólusú forgórész
4 M 4.1.37. ábra Négypólusú gép metszet vázlatai, Forrás: VIAU4035 Átalakító kapcsolások 4.M. 1. L. 4.2,
Szinkron gépek működési elve, jellemzői
4.M. 1. L. 4.2.1, A működés alapelve
A forgórészre bevezetett egyenáram fluxusa a forgás következtében metszi az álló rész(armatúra) tekercsét, és abban térben és időben eltolt szinuszosan váltakozó feszültséget indukál. Ezt szemléltethetjük az alábbiak szerint:
4 M 4.1.38.ábra A működés alapelve, Forrás: VIAU4035 Átalakító kapcsolások és villamos hajtások 2008
4 M 4.1.39. ábra Négypólusú gép mágneses mezeje, Forrás: VIAU4035 Átalakító kapcsolások és villamos hajtások 2008
A forgórész n0=60*f/p képlettel meghatározott, u.n szinkron fordulaton forog. A szinkrongenerátor elvi kapcsolási rajzából láthatjuk a fontosabb egységek és részeinek villamos és mechanikai kapcsolatát.
4. M 4.1.40. ábra Szinkrongenerátor elvi kapcsolási rajza, Forrás: saját szerkesztés
4.M. 1. L. 4.2.2, A nyomaték, a terhelési állapotok A szinkrongép üresen jár és egyedül, vagyis nincs hálózatra kapcsolva, akkor az indukált feszültség az armatúrában megegyezik a kapocsfeszültséggel, aminek a képlete: Ui=4.44*f*N* ξ, ahol ξ, a tekercselési tényező
4 M 4.1.41. ábra Szinkron generátor üresjárási jelleggörbéje és vektorábrája, Forrás: Hollenczer Lajos (2010/3) Jól látható, hogy a pólus, illetve a gerjesztő feszültség 90 fokot zár be a pólusfluxussal. Ehhez az alaphelyzethez kell berajzolni a tiszta ohmos, a tiszta induktív, vagy a tiszta kapacitív terhelés áram, illetve fluxus viszonyait. Ilyen értelemben is sajátos terhelési állapotként fogható fel a fogyasztók jellegének eredőjéből adódó feszültség csökkenés , illetve a fékező nyomaték hatása. A szinkrongépnek u.n egyszerűsített helyettesítő kapcsolását szokták felrajzolni, illetve levezetni, de ettől mi most eltekintünk. Lényeges a működés szempontjából az ú.n terhelési szög fogalma. Ez értelmezhető motoros és generátoros üzemben is. Generátor esetében a gerjesztett pólus mezeje ƒ fázisszöggel megelőzve forog az armatúra forgó mágneses mezeje előtt. A pólus és az armatúra mágneses mezeje közötti szöget nevezzük terhelési szögnek, mivel ennek nagysága az armatúra áramában, a teljesítményben is megjelenő terhelés nagyságától függ.
4 M 4.1.42. ábra Szinkron motor és generátor terhelési szöge, mechanikai teljesítménye és nyomatéka, Forrás: Hollenczer Lajos (2010/3)
4 M 4.1.43. ábra A szinkron gép teljesítmény- terhelési szög jelleggörbéje, Forrás: Hollenczer Lajos (2010/3)
4.M. 1. L. 4.3,
Szinkron gépek üzeme
A szinkron gépeket indításkor a szinkron fordulatra kell hozni. Ezt generátorok esetében a meghajtó turbinák, motorok esetében villamos motorok végzik. A szinkron közeli állapotban szinkronizálni kell, aminek feltételei vannak: - feszültség azonossága - frekvencia azonossága - fázissorrend azonossága - fázishelyzet azonossága Ezeket a feltételeket a szinkronozási művelet során különböző eszközökkel és műszerekkel ellenőrizve teljesítik, s ha mindegyik feltétel teljesül, akkor nem folyik kiegyenlítő áram a gép és a hálózat között.
4. M 4.1.44. ábra A szinkron generátor hálózatra kapcsolása, Forrás: Hollenczer Lajos (2010/3)
A szinkronizált generátor a hálózattal párhuzamosan üzemel. Ebben az állapotban a különböző terhelések felvételét szabályozással lehet befolyásolni. A szabályozási módok a következők:
-
A wattos teljesítményt a hajtónyomaték növelésével adja le a hálózatnak Meddőteljesítményt úgy ad a hálózat felé, hogy a gerjesztő áramot növeljük. Meddőteljesítményt vesz fel a hálózatból a gerjesztő áram csökkentésével.
4.M. 1. L. 5,
Transzformátorok
4.M. 1. L. 5.1,
Transzformátorok szerkezeti felépítése
4.M. 1. L. 5.2.1, A transzformátor jelentősége, fajtáinak csoportosítása Technikatörténeti vonatkozások a magyar mérnökség három kiemelkedő alakjához kapcsolhatók, mert 1885-ben Déry Miksa, Bláthy Ottó Titusz és Zipernowszky Károly feltalálták a transzformátort. Egészen pontosan azt a zárt vasmagú nyugalmi indukciós szerkezetet, amelyet a váltakozó feszültség átalakítására a Ganz gyárban kezdtek el gyártani. A tarnszformátor máig meghatározó szerepet tölt be az emberiség történetében, a villamosenergia átvitelében. Ez a készülék teszi lehetővé, hogy nagy távolságra lehessen szállítani a z erőművekben előállított villamos energiát. Nem csak az ipari termelésben, a közlekedésben, a hírközlésben, hanem az élet minden területén jelen lévő villamos energia tehát a transzformátor lévén válik nagy mennyiségben és szabályozott/átalakított formában elérhetővé. Ezt a tényt mindenképpen emeljük ki a transzformátor tanítása kapcsán. A fogyasztóhoz sajátos átalakító és hálózati rendszeren keresztüljut el a villamos energia. A rendszer végén 400 V feszültségre transzformálják le az érkező energiát. A transzformátor energia átvitelben betöltött szerepéről és a feltalálókról, a nagy áramerősségenalacsony feszültségen való szállítás veszteségeiről, a fogyasztók fontosabb csoportjáról is láthatunk részleteket az alábbi ábrán.
4. M 4.1.45. ábra A transzformátorok szerepe a villamosenergia átvitelben, Forrás: Hodossy László(2006)
A transzformátorokat többféle szempontból csoportosíthatjuk. Ezen szempontok a következők:
-
A villamosenergia átvitelében alkalmazott transzformátorok az erőátviteli, vagy hálózati transzformátorok. Rendszerint háromfázisú transzformátorok. A mért villamos jellemzők átalakítói: Mérőváltók, áram, illetve feszültségváltók Biztonsági transzformátorok Készülékek transzformátorai Hűtés szerint: olajhűtésűek (elsősorban a hálózati, erőátviteli transzformátoroknál), továbbá léghűtésűek. Fázisszám szerint: o háromfázisúak, o egyfázisúak Mindkettőnél lehet zegzug, a háromfázisúaknál csillag és delta kapcsolású a tekercs
4.M. 1. L. 5.2.2, A transzformátorok szerkezeti felépítése A transzformátorok két fontos részből állnak: Lemezelt vastest. A lemezek 3-4,5 % szilícium tartalmú hengerelt lemez Tekercsek, amelyek primer, illetve szekunder hálózathoz csatlakoznak. A tekercsek anyaga réz, vagy alumínium. Célszerű itt is a transzformátorok egészéről valóságos példányon, vagy képeken keresztül bemutatni a szerkezeti részeket, az adott példány típusát, fajtáját stb.
4 M 4 1 46. ábra Száraz transzformátor prespán szigetelésű tekercsekkel és kivezetésekkel, Forrás: Hollenzer 2010/1
4 M 4.1.47. ábra 400 kV-os olajhűtésű transzformátor egy alállomáson, Forrás: Hollenzer 2010/1
A tekercseket hengeres, vagy tárcsás elrendezéssel készítik a vasmag köré. Előzőnél az azonos fázisú oszlopon egymás fölött van a primer és a szekunder tekercs.
4 M 4.1.48. ábra Egyfázisú vasmag típusok, Forrás: Hollenzer 2010/1
4 M 4.1.49. ábra Háromfázisú transzformátor hengeres tekerccsel Forrás: Hollenzer 2010/1
4 M 4.1.50. ábra Hengeres és tárcsás tekercselés rajza
4.M. 1. L. 5.2,
4 M 4.1.51. ábra Olajhűtésű transzformátor nézetrajzai
Transzformátorok működési elve
4.M. 1. L. 5.2.1, A működés alapelve Az elektrotechnikában megtanult nyugalmi indukció elvén alapszik a transzformátor működésének alapelve, vagyis a szinuszosan váltakozó fluxus (fő fluxus Fi0) szinuszosan váltakozó feszültséget indukál a szekunder tekercsben, amelynek nagysága arányos a létrehozó fluxussal A primer tekercsben folyó áram által keltett fluxus azonban a primer tekercsben is indukál feszültséget, és van két szórt fluxus is(Φs1, Φs2)
4 M 4.1.52. A transzformátor működési alapelvének vázlatrajza Az indukált feszültségek :
a két indukált feszültség hányadosa pedig:
Áttételek: Menetszám áttétel: a=N1/N2 Feszültség áttétel: au= U1/U2 Áramáttétel: ai=I1/I2 4 M 4.1.53. ábra Ideális és valóságos háromfázisú transzformátor vasmagja, Forrás: Hollenzer 2010/1
4 M 4. 1.1 táblázat Transzformátorok áttétele, saját szerkesztés
Az ideális transzformátor teljesítményviszonyai, a gerjesztési törvény szerint alapján a P1=P2, illetve N1*I1=N2*I2, ebből következően a feszültségek viszonya fordítottan arányos az áram viszonyokkalhányadossal. U1/U2= I1/I2
4.M. 1. L. 5.2.2, A transzformátor terhelési állapotai
A transzformátornak három terhelési állapota van, illetve ezek jellegzetesen mutatják a viselkedését. Üresjárás
4. M 4.1.54. ábra A transzformátor üresjárási állapotát bemutató elvi rajz, Forrás: Hodossy László(2006
Ha a szekunder tekercsre nem kapcsolunk terhelést, akkor a transzformátor üresjárási üzemállapotáról beszélünk, ahol az U2 értéke az áttételnek megfelelően veszi fel értékét. Az I2 tekercsáram= 0, a primer tekercsben folyó I1 áram a Fi1 fő, illetve a szórt fluxust hozza létre Terhelés Értelemszerűen a szekunder tekercsre fogyasztót kapcsolunk, amely U2 indukálódott szekunder feszültség hatására I2 szekunder áramot hajt.
4M 4.1 55. ábra A transzformátor terhelési állapota, Forrás: Hodossy László(2006
A primer tekercsben indukálódott feszültség- Lenz törvénye értelmében – olyan áramot hajt a primer tekercsben, amely az U1 rákapcsolt feszültség által hajtott I1 áramot csökkenteni akarja.
Rövidre zárási állapot Ha a szekunder kört egy fémes vezetővel zárjuk, akkor az U2 értéke 0, a szekunder tekercsen Iz rövidrezárási áram folyik. Valójában ezt nem üzemállapotnak nevezzük, hanem a szekunder körben a névleges áramot engedjük át a rövidrezárási méréskor, közben a primer kör névleges feszültségét mérjük. Ez a névleges rövidrezárási feszültség. Szoktunk még egy viszonyszámot is használni, a dropot, amely százalékos rövidrezárási feszültség, megmutatja, hogy a zárlati feszültségben hányszor van meg a névleges feszültség. Ɛ = (U1z/U1névl)*100%
4.M. 1. L. 5.2.3, Helyettesítő kapcsolása
4 M 4.1.56. ábra A transzformátor helyettesítő kapcsolása, Forrás: Hollenzer 2010/1 A kapcsolás felrajzolásánál bizonyos egyszerűsítéseket végzünk, és a szekunder oldali elemeket a primer oldalra vonatkoztatjuk. U2’= U2*a, I2’= I2/a, R2’= R2/a2 Ennek a helyettesítő kapcsolásnak az alapján meg tudjuk rajzolni a vektorábrát.
4 M 4.1.57. ábra Terhelt transzformátor vektorábrája, Forrás: Hodossy László 2006
4.M. 1. L. 5.3,
Transzformátorok jellemzői, kapcsolásai
4.M. 1. L. 5.3.1, A transzformátor kapcsolási módjai, jellemzői A transzformátorok tekercseit háromfázisú rendszerek esetében csillagba, deltába és zeg-zugba lehet kapcsolni. A forgógépeknél is ismertetett kapcsolási módok rajzi jelöléseit itt nem részletezzük, mert a szakrajzi leckénél ezt megtettük. A tekercsek elrendezése alapján Y, D, és Z betűjelekkel a nagyobbik feszültségű oldal kapcsolását, míg kisbetűkkel a kisebbik feszültségű oldal kapcsolását jelölik. Az u.n órajel a primer és a szekunder tekercsek azonos fázisainál mutatott feszültségek viszonyát fejezi ki. Most csak részleteket mutatunk a kapcsolási módokból egy táblázat segítségével. Lásd a 4 M 4.1.2. táblázatot! Ebből látható az órajel értelmezése, illetve a fázisszöggel való összefüggés. A 0 órás transzformátornál 0 fok a szögelfordulás, a 2 órásnál 60 fok.
4 M 4.1.2. táblázat. Részlet a háromfázisú transzformátorok kapcsolásából, Forrás: saját szerkesztés
Y/y0 kapcsolási csoportú transzformátornál, ha a szekunder oldalt fázisonként nem egyenlően terheljük, akkor u.n csillagpont eltolódás jelensége áll elő.
4 M 4.1.58. ábra Csillagpont eltolódás feszültség vektorábrája, Forrás: saját szerkesztés 4.M. 1. L. 5.3.2, Transzformátorok párhuzamos üzeme Transzformátorok párhuzamos kapcsolására akkor van szükség, ha adott teljesítmény átvitelére nem elegendő egy transzformátor. Ezt úgy valósítjuk meg, hogy a két transzformátor primer tekercsei közös hálózatról veszik fel a teljesítményt és szekunder tekercseik közös hálózatra adják le. A párhuzamos kapcsolásnál a következő feltételeknek kell teljesíteni:
-
Nincs kiegyenlítő áram a transzformátorok között A terhelés a névleges teljesítményük arányában oszlik meg. Mindezek akkor teljesülnek, ha:
-
A primer és a szekunder feszültségek megegyeznek, azonosak az áttételek Kapcsolási csoportjuk azonos, vagyis a fázis feszültségeik azonos fázisúak A dropjuk megegyezik. Az azonos áttétel és az azonos kapcsolási csoport azért szükséges, hogy terhelésnél ne folyjék kiegyenlítő áram a két transzformátor között, mert ez károsan melegíti a transzformátorokat.
4.M. 1. L. 6,
Villamos hajtások
A tankönyv szempontjából irányt mutató az elektrotechnikus szak SZVK-jában és Képzési Programjában(Tantervében) leírt követelmény, amely a következő témaköröket sorolja fel: Háromfázisú aszinkron motorok forgásirányváltása. Rövidre zárt és csúszógyűrűs motorok indítási lehetőségei. Fordulatszám változtatásának elvi megoldásai. Fordulatszám-változtatás a frekvencia változtatásával (frekvenciaváltóval), szlipkompenzáció. Fordulatszám változtatás a póluspárok átkapcsolásával (Dahlander-tekercselés). Fordulatszám-változtatás a szlip változtatásával.
Az egyfázisú motor forgásirány változtatása. Ellenáramú és generátoros féküzem, dinamikus fékezés. Aszimmetrikus fékkapcsolások. Egyenáramú motorok indítási megoldásai (csökkentett kapocsfeszültség, indítóellenállás). Egyenáramú motorok fordulatszámának változtatása (kapocsfeszültség-, fluxus-, és ellenállás változtatásával ). Egyenáramú motor forgásirányváltása. Villamos fékezési módok visszatáplálásos fékezés).
egyenáramú
hajtásoknál
(ellenáramú,
dinamikus
és
energia-
Vezérelt áramirányítás hatásos ellenállást és belső feszültséget, valamint induktivitást is tartalmazó fogyasztók esetén (elv, kimeneti feszültségek alakja, értéke). Egyenáramú hajtások gyakorlati megvalósítása. A frekvenciaváltó működési elve, gyakorlati alkalmazása. A lágyindító gyakorlati alkalmazása. Ezek közül nem tudunk mindegyikkel részletesen foglalkozni, illetve kitérünk a követelményekben nem szereplő, de a villamosmérnök képzéshez szervesen tartozó korszerű, modern hajtásszabályozás néhány megoldására.
4.M. 1. L. 6.1,
Villamos hajtások alapjai
A villamos hajtások alatt az egyenáramú forgógépekkel, vagy váltakozóáramú forgógépekkel megvalósított hajtásokat értjük, amelyek a különböző rendeltetésű hajtott gépekkel állnak mechanikus kapcsolatban. A hajtásokhoz teljesítményelektronikai egységek, vezérlő, védelmi és érzékelő egységek is tartoznak. A motorhajtások nagyon széles teljesítménytartományban használatosak: néhány W-tól néhány MW-ig. Más szempontból is nagyon sokfélék az igények: egyes alkalmazásokban fontos a precíz pozíció szabályzás, míg máshol elégséges goromba sebességvezérlés. Minden hajtásnál, ahol a sebességet illetve a pozíciót vezérelni kell, szükség van teljesítményelektronikai átalakítókra is, illesztésként a bemenő táphálózat és a motor között. Leginkább a következő négy fajta motor használatos: • egyenáramú motor,
• aszinkron motor, • szinkron motor, • léptető motor.
A hajtások általános, elvi felépítésének blokkvázlata a 4 M 4.1.59. ábrán látható
4 M 4.1.59. ábra A hajtások általános felépítése, Forrás: saját szerkesztés
A korszerű villamos hajtáshoz a fenti elvi ábrán látható blokkvázlat elemein kívül más is hozzátartozik. Ezeket szemlélteti a következő ábra.
4 M 4.1.60. ábra A szabályozott villamos hajtás elvi felépítése, Forrás: saját szerkesztés
Ezen az ábrán látható, hogy a villamos gép a tengelyén Mt terhelőnyomatékot omega szögsebességű hajtást mechanikai áttételen(fogaskerék, fogasléc, ékszíj stb) ad le a Hajtott mechanizmusnak. Látható, hogy az Érzékelők kapnak jelet egyaránt az energetikai egységből, a villamos gépből, a Mechanikai áttételből és a Hajtott munkagépből, amelyet a védelemhez, illetve az irányító programhoz juttat el.
4.M. 1. L. 6.2,
Példák villamos hajtások kialakítására
4.M. 1. L. 6.2.1,
A Ward- Leonard hajtás
Érdemes a hajtási példák között megismertetni, elmagyarázni a felépítést, a jellemzőket és az alkalmazást! Szakmatörténeti szempontból is fontos és érdekes, de a mai gyakorlatban is előforduló hajtás, amely több forgógép tengelykapcsolatából és villamos kapcsolatából épül fel. Nagyteljesítményű egyenáramú hajtások finom fordulatszám szabályozására és forgásirányváltására használják. Mechanikus tengelykapcsolatban áll az M1, G1, G2 jelű motor, illetve generátor. Villamos kapcsolatban áll a G2 főgenerátor és a külső gerjesztésű főmotor. Ha a G2 állórész tekercs áramerősségét változtatjuk, akkor a generátor kapocsfeszültsége változik, ami az armatúra visszahatással a motorban fordulatszám változását okozza
4 M 4.1.61. ábra Egyszerű Ward-Leonard hajtás, Forrás: saját szerkesztés
4.M. 1. L. 6.2.2,
szabályozása
Egyenáramú és váltakozóáramú gépek vezérlése és
Ebben a fejezetben példákat mutatunk a villamos gépek vezérlésére és szabályozására, amely az indításra, a forgásirány váltásra, a fékezésre és a fordulatszám szabályozásra terjed ki. Először a vezérlések egyszerű(alap) kapcsolásait ismertessük a tanulókkal, amelyekből aztán a bonyolultabb áramkörök tevődnek össze. A következő ábra a, rászében nyomógombbal, b, részében végálláskapcsolóval működtetett áramutakat ábrázoltunk. A d, ábrán az öntartó áramkörnél az SB nyomógombbal párhuzamosan kötjük a K kapcsoló záró érintkezőjét. Az e, ábrán a reteszelés feladatát oldottuk meg.
4 M 4.1.62. ábra. Egyszerű relés vezérlő kapcsolások, Forrás: saját szerkesztés
Az aszinkrongépeket lehet durván (a hálózatra közvetlenül kapcsoljuk), vagy lágyan indítani. Utóbbi esetben valamilyen módon csökkentjük az indítási áramlökést. Ez rövidrezárt forgórészű motorok esetében u.n. csillag-delta kapcsolás alkalmazását jelenti. Vagyis először Y kapcsolásban kapják meg a tekercsek a tápfeszültséget, így az indító áram a harmadára csökken. Igaz az indítónyomaték is
harmada lesz, majd valamilyen időkésleltetési mód után átkapcsoljuk a tekercsvégeket háromszögbe. Lehet még rövidrezárt motort indítótranszformátorral is indítani, ahol szintén csökkentett feszültséget kapnak az indítás elején a tekercsek. Lágyindítást lehet megvalósítani ellenpárhuzamos tirisztorpárral is. Csúszógyűrűs motorok indításánál csak a forgórészkörbe avatkozhatunk be. Önműködő forgórészindító és forgásirány váltást megvalósító kapcsolást láthatunk az alábbi ábrán. Az u.n. időtől függő lefutó vezérlést a K3 és K4 kapcsolók, míg a forgásirányváltást a K1 és a K2 kapcsolók végzik, a kiiktatások időkésleltetését pedig a K5 és a K6 időrelék oldják meg.
4 M 4.1.63. ábra. Csúszógyűrűs motor önműködő forgórészindítóval két forgásiránnyal, Forrás: saját szerkesztés
A váltakozóáramú gépek forgásirányváltásának az elve a háromfázisú tekercselés bármely két fázis kivezetésének a felcserélésén alapszik. Ennek a vezérlésnek az elvi kapcsolását szemlélteti a következő ábra.
4 M 4.1.64. ábra. Kétirányú mozgatás (forgásváltás), Forrás: saját szerkesztés Egyenáramú motorok forgásirány váltásának az alapelve, hogy a gerjesztő tekercs pólusait cseréljük fel. A mágneskapcsolókkal, (kontaktorokkal) ezt a vezérlést valósítjuk meg. A fékezés sokféle funkcióhoz, illetve feladathoz kapcsolható. Egyik ilyen, hogy a forgásirány váltásakor a forgórészeket előbb le kell fékezni, hogy az átkapcsolás után az ellenkező irányba tudjanak forogni. Erre a feladatra mutat példát az alábbi kapcsolás.
4 M 4.1.65. ábra. Ellenáramú fékezés irányváltó üzemben, Forrás: saját szerkesztés
Látható az áramutas rajzon az előre és a hátra menetet kapcsoló KE és KH nyomógombos reteszelései, valamint az ellenáramú fékezést vezérlő A forgásérzékelő. Az eddigiekben zömében relés, illetve kontaktoros készülékekkel megvalósított vezérléseket ismerhettek meg. A
fordulatszám
szabályozása
a
váltakozóáramú
hajtásoknál
a
teljesítményelektronika
elemeivel(tirisztor) valósul meg. A számtalan módon kialakított kapcsolás közül egy tirisztoros feszültségbeállítóval kialakított módot választottunk ki. Szakmódszertani szempontból fontos kiemelni, hogy a szabályozás alapelveivel, illetve készülékeivel és az elektronikai elemek fajtáival és működési elvével kapcsolatos ismereteket felhasználva, azokra építve kell a témát elviekben feldolgozni. Legyen a szemléltetés itt is sokszínű, a táblai rajzok, kapcsolaási sémák, a legújabb változatok/típusok brossúrái, valós kapcsolaási variációi jelenjenek meg ebben.
4 M 4.1.66. ábra. Csúszógyűrűs motor fordulatszám-szabályozása tirisztoros feszültség beállítással, Forrás: saját szerkesztés
A hatásvázlat jól követhető az egyes elemek kapcsolata és funkciója. Ebben a kapcsolásban az állórész körbe ellenpárhuzamosan kapcsolt tirisztorokat iktattak be, s a feszültséget a gyújtásszög vezérlésével változtatjuk. Lágyindítást elektronikus elemekkel is megoldhatjuk. Erre mutat példát az alábbi kapcsolás.
4 M 4.1.67. ábra Lágyindítás sztator feszültség vezérlésével, Forrás: saját szerkesztés A mai kor technikai csúcsán a modul rendszerű és nagy integráltságú hajtások állnak. Ennek egyik válfaját, termékcsaládját mutatjuk be vázlatosan.
2009-ig 340 000 eladott Undrive SP Hajtás Szekrényes Teljes felszereltségű, szekrényes kivitelű AC hajtás a nagyobb teljesítményű szokásos alkalmazásokhoz Panelre szerelhető AC- és szervohajtás a szokásos teljesítményű alkalmazásokhoz Moduláris Moduláris kivitelű, kiváló működési tulajdonságokkal rendelkező AC hajtás, a nagyobb teljesítmenyű egyedi alkalmazásokhoz
4 M 4.1.3. táblázat Összefoglaló az Undrive SP hajtás rendszereiről, Forrás: A Unidrive SP terméksor Katalógus 2012
Az SPM előnyei -Párhuzamosított modulok a nagyobb teljesítményű rendszerek (45kW – 1.9MW) megvalósításához -A fékezési energia hajtások közötti hasznosítása a közös DC-busz felhasználásával -A fékezési energia visszavezetése a hálózati táphoz, aktív bemenet felhasználásával -Tisztább áramjelalak a 12, 18 vagy 24 ütemű egyenirányítók vagy aktív bemenet alkalmazásával
4 M 4.1.68. ábra szekrényes kivitel, Forrás: A Unidrive SP terméksor Katalógus 2012
4 M 4.1.4. táblázat Az SPM rendszer és előnyei, A Unidrive SP terméksor Katalógus 2012
