Elektrotechnika Egyenáramú gépek

Óbudai Egyetem Bánki Donát Gépész és Biztonságtechnikai Kar Mechatronikai és Autótechnikai Intézet

Elektrotechnika Egyenáramú gépek

Összeállította: Langer Ingrid adjunktus

Elektromechanikai energiaátalakítók Villamos energiából kémiai akkumulátor töltése •

fény

hő

mechanikai

•izzólámpa

•Főzőlap

•villanymotor

•Fénycső

•Ívkemence

•mágneskapcsoló

•ív

•vasaló

•relé

Villamos energia keletkezik kémiaiból

fényből

hőből

akkumulátor kisütése •galvánelem

•napelem

•MHD

•

ÓE-BGK MEI

Elektrotechnika

generátor

Langer Ingrid

mechanikaiból •villamos

generátorok

Villamos - mechanikai energiaátalakítók 1. Alakhű energiaátalakítók: a villamos és a mechanikai jel arányos egymással    

elektromechanikus műszerek hangszóró mikrofon lemezjátszó hangszedő

2. Egyenesvonalú energiaátalakítók:    

mágneskapcsoló mágneses tengelykapcsoló relé lineáris motor

3. Forgógépes átalakítók:   ÓE-BGK MEI

motorok generátorok Elektrotechnika

Langer Ingrid

Villamos forgógépek csoportosítása Váltakozó áramú gépek:

1.



Aszinkron (indukciós) gépek  



Szinkrongépek  

 

hengeres pólusú kiálló pólusú

Kommutátoros váltakozó áramú gépek Léptető motorok

Egyenáramú gépek:

2.     

3.

csúszógyűrűs kalickás (rövidrezárt forgórészű)

Külső gerjesztésű Párhuzamos gerjesztésű Soros gerjesztésű Vegyes gerjesztésű Permanens mágneses gerjsztésű

Univerzális motorok: egyen és váltakozó árammal egyaránt működnek ÓE-BGK MEI

4 Elektrotechnika

Langer Ingrid

Egyenáramú generátor működési elve b.

a.

a. ábra: Ha homogén B indukciójú mágneses térbe az ábrán látható módon vezető keretet helyezünk, melyet Ω szögsebességgel forgatunk, abban feszültség indukálódik. Az indukálódó feszültség a B indukció radiális komponenséből számítható:

ui  Br  2  l  v  B  cos   2  l  v  2  l  B  v  cos t

Ω

Ahol v=Ωr a kerületi sebesség, r a keret sugara, l a keret ábra síkjára merőleges hossza. Ez a gép (a.) váltakozó feszültséget szolgáltat. Ahhoz, hogy egyenáram folyjék a kefékre csatolt terhelésen a megjelenő szinuszos feszültséget egyenirányítani kell erre a gyakorlatban a mechanikus egyenirányító a kommutátor szolgál. (b. ábra) Amikor a keretben az indukált feszültség iránya megfordul, a kefékkel érintkező félgyűrűk is megcserélődnek, így a kefék közötti feszültség mindig egyirányú marad.

ÓE-BGK MEI

Elektrotechnika

Langer Ingrid

B

Br=Bcosα

DC generátor

Egyenáramú motor működési elve

I

I Az állandó mágnes mágneses A vezetőkeret mindkét oldalán terében helyezkedik el az ébredő F=BIl erő erőpárként M áramjárta vezetőkeret. Az áram forgatónyomatékot hoz létre: hatására a vezetőkeret körül is mágneses mező alakul ki. A két mágneses mező kölcsönhatása nyomatékot hoz létre, amelynek hatására a vezetőkeret elfordul.

M  2 F  k  2 I l  B 

D  cos   IBA cos  2

Amint a forgatónyomaték ellenkező irányúvá válna, s így a forgás lefékeződne, a kommutátor megfordítja a vezetőkeretben folyó áram irányát, ezáltal biztosítva, hogy a nyomaték mindig azonos irányba forgassa a forgórészt, így a forgás folyamatossá váljon.

https://www.youtube.com/watch?v=LAtPHANEfQo

ÓE-BGK MEI

Elektrotechnika

Langer Ingrid

Az egyenáramú gép szerkezeti felépítése A valóságos egyenáramú gépekben a vezető keret helyett tekercselést alkalmaznak. A tekercselés több kivezetése több kommutátor szegmenshez csatlakozik. A mágneses teret, melyben a forgórész elhelyezkedik, általában gerjesztett tekerccsel hozzák létre.

A kefe által rövidrezárt mindenkori két kommutátor szegmenshez tartozó menetben megfordul, kommutál az áram iránya.

ÓE-BGK MEI

Elektrotechnika

Langer Ingrid

Az egyenáramú gép szerkezeti felépítése Állórész:

Öntött acélkoszorúból, a főpólusból és a segédpólusokból áll. A lemezelt pólussaru biztosítja, hogy az armatura kerület minél nagyobb százalékában állandó légrésindukció alakuljon ki.

Armatura (forgórész): 0,35-0,5 mm vastag, axiális irányban egymásra rakott kör alakú, hornyokkal ellátott lemezekből állítják össze az örvényáramú veszteségek csökkentése érdekében. A hornyokban helyezkedik el a forgórész tekercs, melynek több kivezetése van, ezek mindegyike egy-egy kommutátor szegmenshez csatlakozik.

Kommutátor: Egymástól és az armaturától szigetelt rézszegmensekből felépített henger. A szegmensek közötti maximális feszültség kb. 15-20 V. Adott armaturafeszültség esetén ez megszabja a szükséges minimális szegmensszámot.

Kefék:

ÓE-BGK MEI

Elektrotechnika

Langer Ingrid

A kommutátor hengerpalástjára szorulva azon csúsznak. A forgó kommutátor és a kefe között kb. 1 V feszültségesés jön létre, mely a terheléstől függetlenül állandó.

Armatura reakció, kompenzáló tekercselés és segédpólus Semleges zóna Semleges zóna

1

2

4

3

Ha a forgórészben nem folyik áram, a semleges zóna a főpólus fluxusára merőleges (A ábra). Ha az armaturában is folyik áram, ez is létrehoz egy mágneses mezőt (B ábra). Az eredő mező e kettő eredője lesz. Ez az armatura visszahatás jelensége. Következményi: a semleges zóna helye megváltozik (A’-B’) Ha a kefék az eredeti A-B vonalban maradnak, kefeszikrázás lép fel. A pólussaruk 1-3 szélén nő, 2-4 szélén csökken a mágneses indukció, összességében az eredő fluxus csökken.

E hatások kiküszöbölésére: a pólussaruk hornyaiba kompenzáló tekercselést helyeznek amit az armatura árama gerjeszt, így a pólussaruk mentén az armatura és a kompenzálótekercs eredő gerjesztése 0 lesz, az armaturával sorba segédpólus tekercset kapcsolnak, melyek a rövidrezárt menet helyén 9 kompenzálja az armatura reakció hatását a kefeszikrázást. ÓE-BGK MEI

Elektrotechnika

Langer Ingrid

Az egyenáramú gép egyenletei Indukált feszültség: A főpólus mágneses terében forgó vezetőkeretben indukálódó feszültség középértéke:  1 1 ui1   ui dt 



0





max d 1 2 d  t   d      max  0 dt  max 

N sorba kapcsolt vezetőkeret esetén a gépben indukálódó feszültség, figyelembe véve, hogy ω=pΩ (ahol ω a villamos, Ω a mechanikai szögsebesség, p a póluspárok száma):

2 Ui  N  Ui1   N  p    max  k  max    Ahol k=2Np/π a gépállandó

Nyomaték:

Az egyenáramú gép belső teljesítménye:

Pb  Ui  Ia  M b    k      Ia

M b  k    Ia ÓE-BGK MEI

Elektrotechnika

Langer Ingrid

Teljesítménymérleg, hatásfok Motor Pbe  U k  I

PbM  UiM  Ia  M bM  M

Felvett (hálózati) teljesítmény

Pki  M t   M Hasznos (tengely) teljesítmény

Belső teljesítmény

•Súrlódási veszteség:

• Főáramköri veszteség: Pa=Ia2Ra, ahol R

tartalmazza az armatura, a kompenzáló, a segédpólus és a soros gerjesztőtekercs ohmos ellenállását és a kefék átmeneti ellenállásait

Csapágy- lég- és kefesúrlódás okozza

Villamos veszteségek Forgási veszteségek (3-15%) (3-15%)

Pki PM  Pbe  PgM PM   Pveszt  PgM

• Gerjesztési veszteség:

M 

a sönt- és a külső gerjesztésű tekercsek veszteségei:

P PM M  ki  Pbe PM   Pveszt

Pg=UgIg ÓE-BGK MEI

Elektrotechnika

Langer Ingrid

•Vasveszteség: Az örvényáram és hiszterézis veszteségből adódik.

Külső gerjesztésű motoroknál Soros és párhuzamos gerjesztésű motoroknál

Teljesítménymérleg, hatásfok Generátor Pbe  Pmech  M H  G Felvett (mechanikai) teljesítmény

Pki  U k  I t

PbG  UiG  Ia  M bG  G Belső teljesítmény

Hasznos teljesítmény

• Főáramköri veszteség:

•Súrlódási veszteség: Csapágy- lég- és kefesúrlódás okozza

•Vasveszteség: Az örvényáram és hiszterézis veszteségből adódik.

•P=I2R, Forgási veszteségek (3-15%) G 

Villamos veszteségek (3-15%)

Pki PG  Pbe  PgG PG   Pveszt  PgG

P PG G  ki  Pbe PG   Pveszt ÓE-BGK MEI

Elektrotechnika

Langer Ingrid

ahol R tartalmazza az armatura, a kompenzáló, a segédpólus és a soros gerjesztőtekercs ohmos ellenállását és és a kefék átmeneti ellenállásait

Külső gerjesztésű generátoroknál

• Gerjesztési

Soros és párhuzamos gerjesztésű generátoroknál

a sönt- és a soros gerjesztésű tekercsek veszteségei:

veszteség:

P=UgIg

Egyenáramú gépek gerjesztő teljesítmény-szükséglete és armatúraköri feszültségesése [%]

In  R [%] Un

1-5

5-3

8-5

5 - 20

3-2

5-3

20 - 100

2-1

3-2

100 -

1

2-1

Pn [kW]

ÓE-BGK MEI

Pg

Elektrotechnika

Pn

Langer Ingrid

Az egyenáramú gépek gerjesztése Gerjesztési mód = A főpólus fluxusának létesítése

Külső gerjesztésű egyenáramú Párhuzamos gerjesztésű egyenáramú motor motor Ra

Ig

Ra

Ia

Ug

Rg

M

Gerjesztő kör

Ui

M

Armatura kör

Rg

Ra

G

Gerjesztő kör ÓE-BGK MEI

Ui

Armatura kör

Rg

Ui

Ia= Ig

I

M

Uk

Párhuzamos gerjesztésű egyenáramú generátor

Uk Rt

Fogyasztó Elektrotechnika

G

Ui

Armatura kör

Uk

Soros gerjesztésű egyenáramú generátor Rg

Ra Ig

Ia

Ui

Armatura kör Gerjesztő kör

Ra Ia

Ug

Ig

Armatura kör Gerjesztő kör

Külső gerjesztésű egyenáramú generátor Ig

a

Ia Uk

Soros gerjesztésű egyenáramú motor Rg R

Rg

It

Ia=Ig=It Uk

Gerjesztő kör

Langer Ingrid

Rt

Fogyasztó

G

Ui

Uk

Rt

Armatura kör Gerjesztő kör Fogyasztó

Külső gerjesztésű egyenáramú generátor jelleggörbéi Ui Ra

Ig

Ia Rg

G

Ui

Ia=0 n=állandó

Uk Rt

Üresjárási jelleggörbe

Ia=állandó n=állandó

Ig

A gép állórészét külső gerjesztő hálózatra kapcsolják és a forgórészt egy hajtógép segítségével állandó fordulatszámmal forgatják. Az armatúra kapcsain mérve az indukált feszültséget az ún. üresjárási jelleggörbét kapjuk. A görbe érdekessége, hogy nem az origóból indul zérus gerjesztő áram esetén sem. Ennek oka: a ferromágneses anyagokban van visszamaradott mágnesesség a korábbi működés miatt (remanencia). A ferromágneses anyag telítődése miatt nem lineáris a görbe menete. A kapocsfeszültség terheléskor kisebb, mint üresjárásban. A feszültségesés nagyobb az ohmos belső feszültségesésnél, mert az armatúra-visszahatás csökkenti a gép főfluxusát és ez az indukált feszültség csökkenését eredményezi. A kapocsfeszültséghez az ohmos feszültségesést hozzáadva nyerjük a gép indukált feszültségét. (szaggatott vonal) ÓE-BGK MEI

Elektrotechnika

Langer Ingrid

Terhelési jelleggörbe

Ig=állandó n=állandó

Külső jelleggörbe Az ábrán látható, hogy a feszültség tág határok között stabilan beállítható.

Párhuzamos gerjesztésű egyenáramú generátor A párhuzamos gerjesztésű egyenáramú generátor villamos energia befektetése nélkül, csak mechanikai energia segítségével állít elő villamos energiát. Dinamó elv, az öngerjedés elve (Jedlik Ányos 1861): A generátor gerjesztő árama a gerjesztőkör zárása után fokozatosan alakul ki. Ez a folyamat a felgerjedés. Ennek feltétele, hogy a generátor vastestében remanens fluxus legyen. Ha a remanens feszültség olyan áramot hajt keresztül a gerjesztőtekercsen, amely növeli a remanens fluxust, az öngerjedés végbemegy. Új gép esetén, a gerjesztőtekercs pólusainak felcserélésekor vagy ellentétes irányú forgatáskor az öngerjedés folyamata nem indul meg. üresjárásban:

Ra Ig

Ia G

Ui

Rg

Ha uL feszültség >0, az áram deriváltja pozitiv, így ig növekszik. uL=0 esetén alakul ki az állandósult állapot

Rt  , it  0

It Uk

ia  ig , Rt

ui  u R  u L uL  L

dig

Az öngerjedés folyamata

dt u R  ig ( Ra  Rg )

A tehelés növelésével a generátor árama Ih határáramig növekszik, ezután csökken. A névleges áramig a sönt generátor is feszültségtartó.

Terhelési jelleggörbe ÓE-BGK MEI

Elektrotechnika

Langer Ingrid

Egyenáramú motorok jelleggörbéi ui  k     M b  k    Ia uk  ui  I a  Ra

Üresjárásban (Ia=0):

U k  U i 0  k    0

Uk 0  k 

Üresjárási szögsebesség

Terheléskor (Ia≠0):

U i  k      U k  I a Ra  U k 

Mb  Ra / : k   k Ia

Mb   0  R a 2 (k )

ÓE-BGK MEI

Elektrotechnika

Langer Ingrid

Külső és párhuzamos gerjesztésű egyenáramú motor Motorüzemben a sönt és a külső gerjesztésű gép között nincs különbség: a fluxus állandó (a kompenzált gépeknél). A motor egyik legfontosabb tulajdonsága a fordulatszámtartás, azaz növekvő nyomaték mellett nem változik meg lényegesen a fordulatszám.

Ra

Ig

Ia Rg

M

Ui

Uk

Ra Ia M

ÓE-BGK MEI

Ui

Ig Rg

I Uk

Elektrotechnika

A nyomaték-fordulatszám jelleggörbe szerkesztése Langer Ingrid

Soros gerjesztésű egyenáramú motor A gép fluxusa arányos az armatúra árammal:

Rg

Ra

  c  Ia

k M b  k    I a  k  c  I a2    2 c Ui  k    

Ia= Ig M

Ui

Uk

U i  U k  ( Ra  Rg )  I a  k      U k  ( Ra  Rg )  I a  U k  ( Ra  Rg )  c Ra  Rg U k Ra  Rg Uk     k  k c k  c  Ia k c U k U k Ra  Rg 1 Uk 1        ( Ra  Rg )  k1  k  k 2  ( Ra  Rg ) c  Mb k k c k c Mb k c Mb Az ábráról leolvasható, hogy a soros gerjesztésű motornak nincs üresjárási fordulatszáma. Terhelés nélkül indítani tilos. A motor indulásakor, amikor az armatúraáram nagy és a fordulatszám még kicsi, akkor adja le a legnagyobb nyomatékot, majd a fordulatszám növelésével csökken a nyomaték és az áramfelvétel is. Ezt a viselkedést járműveknél (troli, villamos, metró, vasút) és különböző kéziszerszámoknál ideálisan ki lehet használni, hiszen ezeknek a gépeknek induláskor van szükségük nagy nyomatékra, az elért fordulatszámot már kisebb nyomatékkal is fenn lehet tartani. ÓE-BGK MEI

Elektrotechnika

Langer Ingrid

Egyenáramú motorok üzemi kérdései 1. A fordulatszám változtatása Az egyenlet alapján a fordulatszám-változtatás lehetőségei:

Uk Mb    Ra 2 k (k )

I.

Uk kapocsfeszültség-változtatásával

II.

M≠0 esetén R változtatásával

III.

Φ változtatásával

I.

Ua (armatúra kapocsfeszültség) változtatása

 

veszteségmentes ez a leggyakoribb és legjobb módszer külső és soros gerjesztésű motornál

Külső gerjesztésű motor ÓE-BGK MEI

Elektrotechnika

Soros gerjesztésű motor Langer Ingrid

A fordulatszám változtatása II. R (főáramköri ellenállás) változtatása

az üresjárási pont nem változik (külső gerjesztésűnél), a sorosnál nincs üresjárási fordulatszám veszteséges, hőenergiát termel (csak kis teljesítményű gépeknél, kis fordulatszám tartományban (1-5 %) használják

Külső- és párhuzamos gerjesztésű motor

Soros gerjesztésű motor

A gyakorlatban az ellenállásokat a velük párhuzamosan kapcsolt mágneskapcsolókkal kapcsolják be és ki. ÓE-BGK MEI

Elektrotechnika

Langer Ingrid

A fordulatszám változtatása III. Φ (fluxus) változtatása Előny: kis teljesítményen lehet beavatkozni Hátrány: a gerjesztőkör időállandója nagy, ezért lassú a fluxus változás, valamint Φ csökkenésekor a motor nyomatéka is csökken A gyakorlatban a vas telítődése és a gerjesztőtekercs túlmelegedése miatt a fluxus a névleges érték fölé tartósan nem emelhető. Ezért csak a fluxus csökkentés (mezőgyengítés) jöhet szóba.  

ÓE-BGK MEI

Elektrotechnika

Langer Ingrid

2. Indítás UK  Ui  Ia  R a  Ia 

UK  Ui Ra

ahol

Ui  k    

Indításkor Ω=0, ezért nem indukálódik feszültség az armatúrában: Ui=0, ezért az armatúra áram 10-30 szorosa is lehet a névleges áramnak. Ez a nagy armatúra áram nemcsak a hálózatra nézve káros, hanem a motorra nézve is, ugyanis nagy teljesítményű motornál olyan nagy áram adódik, amely tönkreteheti a kommutátort és a szénkeféket is. Ezért az indítási áramot mindenképpen csökkenteni kell: Ia -t csökkenthetjük például az armatúrával sorba kötött ellenállások bekapcsolásával (a tört nevezője nő) Ennél a módszernél kihasználjuk, hogy a motor rövid ideig elviseli a névlegesnél kissé nagyobb armatúraáramot.

ÓE-BGK MEI

Elektrotechnika

Langer Ingrid

3. Fékezés 1. Visszatápláló (generátoros) fékezés Ez a módszer csak az üresjárási fordulat felett használható, azaz generátoros üzemmód esetén, amikor a motor az aktív terhelőnyomaték hatására az üresjárási fordulatszám fölé gyorsul, Ui növekszik, Ui>Uk jön létre, így az áram iránya és ezzel a nyomaték is megfordul, a gép fékez.

U i  k     U k  I a  Ra U k  k    Ia  Ra Generátoros fékezés esetén a motort, mint generátort üzemeltetik, és a motor által termelt energiát a hálózatba visszatáplálják. Ez a fajta fékezési mód a soros motornál nem alkalmazható. Hátrány, hogy a motort nem lehet teljesen megállítani.

ÓE BGK MEI 2014. ÓE-BGK MEI

Elektrotechnika

Langer Ingrid

Fékezés 2. Ellenállásos (dinamikus) fékezés Sönt és külső gerjesztésű motornál: A gerjesztés fenntartása mellett az armatúra táplálását megszüntetik és az armatúra kapcsaira ellenállást kapcsolva fékezik a motort. Soros motornál: Az ellenállásra kapcsolás pillanatában a gerjesztőtekercs kapcsait felcserélik. A gép jelleggörbéje Ω0=0 M=0 ponton átmenő egyenes.

U i  I a ( Ra  Rk )  0 M b  kI a M Ui   ( Ra  Rk ) k Csökkenő nyomatékkal, de a hajtás megállásig fékez, a mechanikai energia az ellenálláson hővé alakul. ÓE-BGK MEI

Elektrotechnika

Langer Ingrid

Fékezés 3. Ellenáramú (irányváltásos) fékezés

A motor armatúra kapocsfeszültségének a polaritását megcserélik, és ezzel egyidejűleg Rk ellenállást iktatunk az armatúra körbe. A motorban folyó áram ellenkező iránya miatt a motor a másik irányba akarna forogni, ez azonban csak úgy lehetséges, ha a motor először megáll. Ezzel a módszerrel meg lehet teljesen állítani a motor forgását, de ekkor a gépet le kell kapcsolni a hálózatról, különben az ellenkező irányban felgyorsul, hiszen -Ω0 az új üresjárási fordulatszám. A fékezés előnye, hogy zérus fordulatszámnál is van fékező nyomaték

ÓE-BGK MEI

Elektrotechnika

Langer Ingrid

4. Forgásirány váltás Megváltozik a motor forgásiránya ha: 1.

Változatlan armatura áram mellett megváltoztatjuk a gerjesztés irányát

2.

Változatlan irányú gerjesztés mellett megváltoztatjuk az armaturaáram irányát

2

1 Külső gerjesztésű motor

2

1

Párhuzamos gerjesztésű motor

ÓE-BGK MEI

Elektrotechnika

1

2

Soros gerjesztésű motor Langer Ingrid

Univerzális motorok • • • • • • •

Egyen- és váltakozó árammal üzemeltethetők soros gerjesztésű kommutátoros motorok Állórészük is lemezelt gerjesztő tekercsük megcsapolással készül: nagyobb menetszám az egyenáramú, kisebb menetszám a váltakozó áramú üzemre kis teljesítményűek (0,5-800 W) fordulatszámuk 1500-2000 1/min tartományba esik háztartási- és barkácsgépekben használják

ÓE-BGK MEI

Elektrotechnika

Langer Ingrid

Az univerzális motorok működése Kapcsoljunk kommutátoros motorra váltakozó feszültséget: 1. Párhuzamos gerjesztésű motor esetén:

u(t)  Umax sin t , ia (t)  I amax sin t ig (t)  I gmax sin( t  90 ) (t)  c  I g (t)   max sin( t  90 )   max cos t M(t)  k  (t)  I a (t)  k  2  I a  sin t  2    cos t   k  I a    2 sin t  cos t  k  I a    sin 2t ennek időbeli átlaga= 0 ! T

T

1 1 M(t)dt    k 2    Ia   sin( 2t)dt  0  T0 T 0 Tehát a párhuzamos gerjesztésű motor váltakozó feszültségről NEM működik!

ÓE-BGK MEI

Elektrotechnika

Langer Ingrid

Az univerzális motorok működése 2.

Soros gerjesztésű motor esetén:

u (t )  U max sin t , ia (t )  ig (t )  I a max sin(t   )  (t )  c  I g (t )  c  I a max sin(t   )





2

M (t )  k   (t )  I a (t )  k ' 2  I a  sin(t   )  2  k 'I a2  sin 2 (t   ) T





T

1 1 M   2  k 'I a2  sin 2 (t   ) dt  2  k 'I a2   sin 2 (t   )dt T 0 T 0 A nyomaték átlagértéke nem 0, tehát a soros motor üzemelhet váltakozó áramú hálózatról is! Váltakozó áramú táplálás esetén: •Nagyobb áramfelvétel (cosφ) •Nagyobb veszteségek •Erősebb kefeszikrázás •Zavarszűrésről gondoskodni kell (C≈0,1μF) •https://www.youtube.com/watch?v=0PDRJKz-mqE ÓE-BGK MEI

Elektrotechnika

Langer Ingrid