ASZINKRON GÉPEK (Indukciós gépek)

SZÉCHENYI ISTVÁN EGYETEM HTTP://UNI.SZE.HU

AUTOMATIZÁLÁSI TANSZÉK HTTP://AUTOMATIZALAS.SZE.HU

ASZINKRON GÉPEK (Indukciós gépek)

Marcsa Dániel – Villamos gépek és energetika

2013/2014 - őszi szemeszter

Aszinkron gép



Aszinkron gép



Aszinkron gép



Aszinkron gép Az indukciós motorok állórészére - áramirányítós hajtásoktól eltekintve a hálózati feszültséget kényszerítjük. Az indukálás révén a forgórészre is feszültségkényszer hat, amely terhelésfüggő. Mivel az álló- és forgórész-tekercselések általában szimmetrikus felépítésűek, és normális körülmények között a feszültségrendszer is az, az álló- és forgórészáramok is szimmetrikus áramrendszereket alkotnak. „Az indukciós motor hajtja a világ iparát.” Széleskörű alkalmazásának okai: egyszerűsége, robusztussága (ma egyre fontosabb) és olcsósága. Így az ipar mellett pl. a nagyvasúti vontatásban is széleskörűen alkalmazzák. Marcsa Dániel – Villamos gépek és energetika


Aszinkron gép Csúszógyűrűs


Rövidre zárt kalickás


Aszinkron gép működése A forgómezőnek a forgórész áramokkal nyomatékot kell létesíteni. Az aszinkron gép forgórészébe - galvanikusan - nem vezetünk áramot, ez a rövidzárás miatt nem is lehetséges. Hogyan jön hát létre a nyomaték? Induljunk ki a forgórész nyugvó állapotából. Az állórész forgó mezeje a forgórész vezetőiben indukálással áramokat hoz létre. Az indukált forgórész áramok és a forgómező kölcsönhatása nyomatékot létesít (Lenz-törvény). A forgórész felgyorsul, majd a gép és a terhelés nyomatékainak egyensúlyánál beáll az állandósult egyensúlyi állapot. Szinkron forgás nem lehetséges, mert ekkor nincs a forgórészben indukált feszültség. A gép tehát csak aszinkron üzemre képes, innen ered a másik neve. Marcsa Dániel – Villamos gépek és energetika


Aszinkron gép működése A forgórészben indukált áramok is létrehoznak egy forgó mezőt. A két mező (állórész és forgórész mező) a légrésben eredő mezővé egyesül, de a nyomatékképzés szemléletes képét nyerjük ha azt két összetapadt pólusrendszer hatásának tekintjük. Az ábrán a két pólusrendszert állandó mágnesekkel érzékeltettük. Állandó nyomaték csak azok együttfutásakor, azonos fordulatszámok esetén lehetséges. A terhelő nyomaték hatására közöttük szögelfordulás keletkezik - az erővonalak megnyúlnak - de fordulatszám-eltérés nem lehetséges, mert akkor csak zérus középértékű un. lüktető nyomaték keletkezik. E kép alapján az együttforgás feltétele az álló- és forgórész pólusszámok egyezése is.



Aszinkron gép működése Ha a forgórészt egy segédgéppel az állórész mezőétől eltérő n fordulatszámmal forgatjuk, akkor a forgórész nyitott kapcsain más frekvenciájú feszültségrendszert nyerünk, így a gép frekvenciaváltó. Forgassuk a forgórészt a mezővel megegyező irányba, de kisebb fordulatszámmal, n < n1 (szinkron fordulat). A mező indukcióvonalai ekkor a forgórészvezetőket az n2 = n1 – n lemaradási, vagy csúszási, angolból átvett szóval szlip fordulatszám szerint metszik. A forgórész vezetők ezzel a fordulatszámmal „látják” a mezőt elhaladni.



Aszinkron gép működése - Szlip (csúszás) Az n2 n1-re vonatkoztatott viszonylagos értékét nevezzük szlipnek

n2 n1 − n = =s n1 n1 Az állórész- és forgórész frekvenciák aránya

f 2 n2 p 2 n2 = = =s f1 n1 p1 n1 Mivel az állórész és forgórész pólusszámának egyenlőnek kell lennie! Szlipfrekvencia Marcsa Dániel – Villamos gépek és energetika

f 2 = sf1 illetve n2 = sn1 AUTOMATIZÁLÁSI TANSZÉK HTTP://AUTOMATIZALAS.SZE.HU

Aszinkron gép működése – Szlip (csúszás) A gép f1 → f2 frekvenciaváltó frekvenciaváltó. Példaként néhány szlip és n értékre felírjuk a frekvenciát. Negatív n a mezővel ellentétes irányú forgatást jelent. n=0

s=1

f2 = 50 Hz (=f1)

Álló helyzet

n = 0,5 n1

s=0,5

f2 = 25 Hz

Félfordulat

n = 0,95 n1

s = 0,05 = 5%

f2 = 2,5 Hz

Motoros üzem

n = n1

s=0

f2 = 0

Szinkron forgatás

n = 1,05 n1

s = - 0,05 = - 5%

f2 = 2,5 Hz

Generátoros üzem

n = –n1

s=2

f2 = 100 Hz

Szinkron forgatás a mezővel ellentétesen



Aszinkron gép működése









Aszinkron gép működése - Példa Legyen a gépünk kétpólusú (p=1) - így ωs = ω1/p = ω1 és dolgozzunk az ω-kal arányos n fordulatszámokkal. f1 50 s −1 Az állórész mező fordulatszáma: n1 = = = 3000 / min p 1

Az indukálás feltétele, hogy a forgórész - mechanikai - fordulatszáma ennél pl. kisebb n

Aszinkron gép működése - Példa A háromfázisú forgórész f2 frekvenciájú áramrendszere a forgórészhez képest: n2 =

f 2 1Hz = = 60 / min fordulatszámú forgómezőt hoz létre. p 1

De a forgórész is forog n fordulatszámmal, így a forgórészmező fordulatszáma az állórészhez képest n + n2 = 2940 / min+ 60 / min = 3000 / min = n1 Lemaradás esetén a forgórész áramok fázissorrendje azonos az állórész áramokéval, így az általuk létesített forgórész forgómező forgásiránya is egyező az állórész mezőével. Vagyis a forgórész mezeje együtt, szinkron forog az állórész mezővel. Két összetapadt pólusrendszer keletkezik, ami - mint láttuk - szükségszerű. Magyarázata ennek, hogy a forgórész frekvencia nagyságát éppen annak lemaradása szabja meg. A két mező tehát mindig együtt, egyező sebességgel forog, de kölcsönös helyzetük változik a szükséges nyomatéknak, a terhelésnek megfelelően. Marcsa Dániel – Villamos gépek és energetika


Aszinkron gép helyettesítő kapcsolása Az állórész tekercsében indukált feszültség: U i1 = 4 ,44Φ max f1 N1ξ1

Indexek: 1 - sztátor 2 - rotor

A forgórész tekercsében indukált feszültség álló állapotban: A gép áttétele álló állapotban: aa =

U i1 4 ,44Φ max f1 N1ξ1 Nξ = = 1 1 U i 2 a 4 ,44Φ max f1 N 2ξ 2 N 2ξ 2

A forgórész tekercsében indukált feszültség forgás közben: U i 2 a = 4 ,44Φ max f 2 N 2ξ 2 melynél figyelembe véve a szlipfrekvenciát ( f 2 = s ⋅ f1) : U i 2 a = 4 ,44Φ max sf1 N 2ξ 2 vagyis U i 2 = s ⋅ U i 2 a A forgórészben forgás közben az álló állapotban indukált feszültség szlipszerese indukálódik. Marcsa Dániel – Villamos gépek és energetika


Aszinkron gép helyettesítő kapcsolás Forgó állapotban az áttétel: a =

U i1 U i1 a = = a U i 2 sU i 2 a s

A forgórész tekercsének szórási reaktanciája álló állapotban: X s 2 = ωL2 = 2πf 2 L2 = 2πf1 L2 Forgó állapotban a szlipfrekvncia behelyettesítésével: 2πf 2 L2 = 2πsf1 L2 = s ⋅ X s 2 Forgás közben a forgórész frekvenciája, indukált feszültsége és szórási reaktanciája az álló állapotban érvényes értékek szlipszerese. A forgórész feszültségegyenlete:

' sU i 2

+

I '2 R'2

+

I '2

jsX '2

=0

' → U i2

+

I '2

R'2 + I '2 jX '2 = 0 s

és mivel U i' 2 = U i1 most már összeköthető a primer és a szekunder oldal a helyettesítő kapcsolásban! Marcsa Dániel – Villamos gépek és energetika


Aszinkron gép helyettesítő kapcsolás Érdemes az R2’/s rezisztenciát két részre bontani: R'2 = R'2 + R'm s R'm

R'2 R'2 − sR'2 1− s ' = − R2 = = R'2 s s s

ahol R2’ a forgórész tekercsvesztesége Rm’ a „mechanikai ellenállás” a tengelyes leadott teljesítmény



Aszinkron gép vektorábrái jI1 X s1

U1

Az aszinkron gép vektorábráinak szerkesztésére, ugyanazok a szabályok érvényesek, mint a transzformátorra. A lényeges különbség, hogy az aszinkron gép a tengelyén mechanikai teljesítményt ad le, vagy vesz fel, ami mindig hatásos. Ebből adódik, hogy pl. a forgórészen, mint „terhelőellenálláson” megjelenő U2’ feszültség ellenfázisban van I2’ árammal. Marcsa Dániel – Villamos gépek és energetika

I '2

R'2 s

I1 R1

Ui1=U2’ I1 I2’

jI '2 X 's 2

IΦ I2’


Φ

Aszinkron gép terhelési állapotai Ideális üresjárás I2 = 0 → s = 0

1 1 I1 = I Φ ≈ K I1n 4 2

Tekercselt és kalickás forgórészű gépekre egyaránt érvényes. Transzformátoros üresjárás Nyitott csúszógyűrűvel megvalósítható. Tekercselt forgórészű gépekre érvényes.

jI1 X s1

U1

I1 R1

Valóságos üresjárás Amikor a gép tengelye terheletlenül forog.

Ui Rövidzárás IΦ

Φ

Túl nagy terhelésnél a gép megáll, s = 1 -> Rm’= 0. Rövidzárában van a gép ha áll. I ≈ 3K 9 I


z1


1n

Aszinkron gép energiamérlege f2 ≈0 miatt Pvas, 2 ≈ 0, vagyis normál üzemi viszonyok között a forgórész vasveszteséget sokszor elhanyagoljuk. Vigyázzunk: ez nem mindig tehető meg!

Ez nincs benne a helyettesítő kapcsolásban! Marcsa Dániel – Villamos gépek és energetika


Aszinkron gép nyomatéka A légrésen átadott teljesítmény (légrésteljesítmény):

R'2 ' 2 Pl =3 I 2 s Pt 2 =s Pl → Pm =(1 − s )Pl A nyomaték a tengelyen:

Pm (1−s )Pl Pl Pl 3 R'2 ' 2 M= = = =p = I2 Ω (1−s )Ω 0 ω1 ω1 Ω 0 s p


Pt2= 0 esetén nincs Pl és nincs M !


Kördiagram (áram-munkadiagram) Az aszinkron gép kördiagramja (árammunkadiagramja, áram Park-vektor diagramja) az állórész áram-vektor végpontjának mértani helye a különböző terhelési állapotokban .



Kördiagram (áram-munkadiagram) A kör átmérőjét egyedül az Xs szórási reaktancia határozza meg, az ellenállások a pontok helyét - így az s=1, s = ∞ - pontok helyét írják elő. A kör nem "áramdiagram". Az áramdiagram a kör és a szlipskála együtt. A valóságos üresjárási pont és az s=0 szinkron pont - amelyet csak hajtó segédgéppel érhető el nagyon közel esnek, így gyakran nem különböztetjük meg őket.

motoros

generátoros


ellenáramú (fék) AUTOMATIZÁLÁSI TANSZÉK HTTP://AUTOMATIZALAS.SZE.HU

Kördiagram (áram-munkadiagram) Az s=1 pontot, amely a forgórész nyugvó, indulási helyzetének felel meg, "rövidzárási" pontnak hívják mert Rm’=0 így a helyettesítő kapcsolás rövidre van zárva. A körátmérőt Xs, a pontok eloszlását, helyét az R-ek szabják meg. A paraméter R2’/s. Legtöbbször R2’= állandó, ilyenkor a paraméter 1/s. Így a paramétereloszlás az s=0 ponttól az s=1-ig (és utána is) sűrűsödik. Az áram mindig késik a feszültséghez képest, mivel a gép mágnesező áramát – a transzformátorokhoz hasonlóan – mindig a hálózat fedezi. Marcsa Dániel – Villamos gépek és energetika


Kördiagram (áram-munkadiagram) A felvett primer teljesítményt a P1 = U 1 I1 cos ϕ = áll . ⋅ I1 cos ϕ összefüggés értelmében I1 hatásos összetevője, azaz a körpontnak a vízszintestől mért függőleges távolsága méri. A vízszintes tengely a felvett teljesítmény zérus vonala. A többi teljesítmény is hasonlóan egyenesektől mérhető az ábrából láthatóan.

A súrlódási veszteség erőteljesen függ a fordulatszámtól. A vasveszteséget az üresjárási áram hatásos összetevője jellemzi. A tekercsveszteségeket a metszékek szolgáltatják. Marcsa Dániel – Villamos gépek és energetika

A Pl légrésteljesítmény zérus vonala az s =0 (I2’=0) és s=∞ (R2’/s=0) pontokat köti össze. Ez egyúttal a nyomaték M = 0 zérusvonala is. A mechanikai teljesítmény zérus vonala az s=0 (I2’=0) és az s=1 (álló helyzet) pontokat összekötő egyenes. AUTOMATIZÁLÁSI TANSZÉK HTTP://AUTOMATIZALAS.SZE.HU

Kördiagram (áram-munkadiagram)



Aszinkron gép nyomatéki jelleggörbe A gép által kifejtett legnagyobb nyomatékot billenő nyomatéknak nevezzük. Ideális esetben a billenő nyomaték motoros és generátoros üzemben azonos. A mindig keletkező veszteségek miatt a generátoros billenő nyomaték nagyobb, mint a motoros. Az ábra jól mutatja, hogy az üzemi tartományban az aszinkron gép fordulatszámtartó: üresjárástól (szinkron fordulatszámtól) a névleges terhelésig a gép fordulatszáma csupán néhány százalékkal csökken.



Aszinkron gép stabilitása A lenti ábra a statikusan stabilis és labilis tartományokat mutatja. Az ábráról leolvasható, hogy az aszinkron gép statikusan stabilis, ha a szlip nem nagyobb a billenő-nyomatékhoz tartozó billenőszlipnél, és statikusan labilis, ha a szlip nagyobb, mint a billenőszlip. billenőszlip

Kloss formula

M 2 = s sb Mb + sb s R'2 sb = Xs



ASZINKRON GÉPEK (Indukciós gépek)

Recommend Documents