14 Állandó gerjesztés (állandó Φ) esetén a kefék felől nézve az armatúra tekercselés az Ra armatúra ellenállásból és az La armatúra induktivitásból áll, valamint Ui indukált (belső) feszültséget tartalmaz. A megfelelő helyettesítő kapcsolást 2.2.a. ábrán látjuk. Állandó armatúra áramnál az L a ⋅
di a = 0. Ilyen üzemben az armatúrára érvényes dt
hurokegyenlet 2.2.b. ábra motoros referencia irányaival:
U = Ui + R a ⋅ Ia = k ⋅ φ ⋅ ω + R a ⋅ Ia .
2.2. ábra Névleges üzemben, ha Un-t 100%-nak vesszük az Ra.Ian ≈ 5%, így Uin ≈95%. Az ω(M) mechanikai jelleggörbét a Pb belső teljesítményből számítjuk: ⎛ M ⎞ M ⎟⋅ , amiből: Pb = M ⋅ ω = U i ⋅ I a = (U − R a ⋅ I a ) ⋅ I a = ⎜⎜ U − R a k ⋅ φ ⎟⎠ k ⋅ φ ⎝
ω=
R U − M⋅ 2 a 2 . k⋅φ k ⋅φ
(2.1)
A hurokegyenlet arányai öröklődnek, ezért névleges nyomatéknál ωn kb. 95%-a az
Un k ⋅ φn
nek. Így a természetes (névleges paraméterű) ω(M) jelleggörbe a 2.4. ábrán látható. Az ilyen jelleggörbét, amikor a szögsebesség csak néhány százalékot csökken az üresjárási szögsebességhez,
Un -hez képest fordulatszám tartónak (szögsebesség tartónak) mondjuk. k ⋅ φn
Ilyen a jelleggörbéje a külsőgerjesztésű, a söntgerjesztésű és az állandó mágnesű egyenáramú motoroknak, amelyek kapcsolásait a 2.3.a.b.c. ábra mutatja.
2.3. ábra
15
A (2.1) jelleggörbe az egyenlet paramétereivel változtatható: U-val ±Un között, Ri-vel, amit az Ra-val sorba kapcsolunk, φ-vel, (a gerjesztő tekerccsel sorba kapcsolt ellenállással, ami a gerjesztő áramot csökkenti). Állandó mágnesű gépeknél a φ nem változtatható. A paraméter változtatás hatásait a természetes jelleggörbéhez képest a 2.4. ábra szemlélteti. 2.4. ábra A terhelőgép adott Mt jelleggörbéje esetén a motor jelleggörbe változtatása az ω változását eredményezi, (változik a munkapont,) ezért –mint tudjuk- a paraméter változtatást fordulatszám- (szögsebesség-) változtatásnak is hívjuk. A jelleggörbe seregből látszik, hogy maga a gép 4/4-es üzemet enged meg, de ez csak akkor valósulhat meg, ha ezt a meghajtó (a táplálás) is lehetővé teszi. Az egyenáramú gép veszteségeit csak a söntmotoron követjük végig (2.5. ábra). A gerjesztő tekercsek egyéb kapcsolása esetén a teljesítményszalagot értelemszerűen módosítani (többnyire egyszerűsíteni) kell.
2.5. ábra
16
A motor a hálózatból a P=UI teljesítményt veszi fel. Ebből ágazik el először a Pg=UIg gerjesztési veszteség. A megmaradt teljesítmény az armatúra teljesítmény Pa=UIa, amelyik a Pf=Ia2R főáramköri veszteségre (R az armatúrakör összes ellenállása, beleértve a segédpólus, a kompenzáló tekercs, a soros gerjesztő tekercs, sőt az esetleges külső Ri ellenállást is,) és a Pb=UiIa belső teljesítményre bomlik. A Pb-ből számítottuk a gép M (elektromágneses) nyomatékát. A Pa, Pf és Pb aránya megegyezik a helyettesítő kapcsolásra felírt feszültségegyenlet tagjai közötti aránnyal, hiszen Pa=UIa=(Ui+Ia.R)Ia. A belső teljesítményből levonva a Pv vasveszteséget és a Ps súrlódási veszteséget, a Ph hasznos teljesítményt kapjuk. Ha ΣV-vel jelöljük az összes veszteséget, akkor a gép hatásfoka: η=
P − ∑V P
= (85 − 95)%
A vas- és súrlódási veszteségeket együttesen határozzuk meg az üresjárási méréssel, amikor a motor csak magában forog. Ekkor a Ph=0. Az üresjárási adatokat 0 indexszel jelölve (Ps+Pv)0=P0-(Pg+Pf0). Az egyenáramú szervomotorok zöme, a törpe motorok szinte kivétel nélkül állandó mágnesűek, ezért a fluxusuk állandó. Két állandó mágnesű törpemotor állórészének kialakítását látjuk a 2.6. ábrán. A forgórész a szokásos vasmagos kialakítású.
2.6. ábra A vasmentes armatúrájú motorok armatúra tekercselése serleges, vagy tárcsa alakú műanyagra nyomtatott áramköri eljárással készül. A 2.7. ábra mutatja ezeknek a motoroknak a vázlatát, valamint a tárcsa forgórész nyomtatott tekercselését.
17
2.7. ábra Ennek előnye, hogy a
forgórész kis tehetetlenségi nyomatékú,
az armatúra tekercselés induktivitása is kicsi, ezért ezek a motorok gyors működésűek. (Szervomotorok gyakori típusa.)
A vasveszteség hiánya miatt hatásfokuk jó.
Hátrányuk, hogy az állórész mágnes köre nagy légrésű, mert ebben kell elhelyezni a vasmentes forgórészt. Emiatt csak kisebb fluxust lehet megvalósítani. Tirisztoros (diódás) meghajtók állandó mágnesű egyenáramú motorokhoz. A tirisztorok gyújtásszöge α, ami 0 és 1800 között változhat. Egy egyfázisú, kétutas, féligvezérelt (nulladiódásított) egyenirányítóval felépített meghajtó kapcsolást látunk a 2.8.a. ábrán. Az Ia (és az M) csak >0 lehet a félvezetők szelephatása miatt. Folyamatos áramvezetéskor az U egyenirányított feszültség középértéke U = U max
1 + cos α > 0, 2
ezért ω is csak >0 lehet. Így a meghajtó miatt csak 1/4-es üzem jöhet létre. A 2.8.b. ábrán az Ia (és az M) szintén csak >0 lehet, de folyamatos áramvezetéskor az
U = U max ⋅ cosα , vagyis ± Umax között változhat, ezért ω is ± értékű lehet. Így a meghajtó 2/4-es üzemet tesz lehetővé.
18
a.
b.
c. 2.8. ábra
A 2.8.c. kapcsolás szerint 4/4-es üzemet kapunk, mivel az Ia (és az M), valamint az ω is kétirányú lehet. Szaggatós (chopperes) meghajtók egyenáramú motorokhoz. 1/4-es kapcsolások. A 2.9. ábrán látható feszültségcsökkentő kapcsolásnál az UE tápfeszültséget a T1 kapcsoló(üzemű) tranzisztorral az L induktivitásból és az armatúrából álló fogyasztóra kapcsoljuk. A (T-tbe) idő alatt a D1 dióda rövidre zárja a fogyasztót. Ekkor a tbe alatt kialakult és az induktivitás által fenntartott Ia áram ezen folyik tovább.
2.9. ábra Az U feszültség lineáris középértéke folyamatos áramvezetésnél U = U E ⋅
t be . A tbe T
változtatásával (impulzusszélesség modulációval) az U változtatható. Amennyit a bekapcsolás
19 alatt az ia áram nő, kikapcsolás alatt annyit csökken állandósult üzemben. A középértékekre érvényes hurokegyenletből kifejezhető az áram Ia =
U − Ui t 1 ⎛ ⎞ = ⋅ ⎜ U E ⋅ be − U i ⎟ > 0, ⎠ Ra Ra ⎝ T
amiből látszik, hogy üzem közben U E ⋅
t be > U i . Ezért „feszültségcsökkentő” a kapcsolás. Az T
energia a nagyobb feszültségű UE telep felől áramlik a motor armatúrája felé. Ia és Ui (emiatt
az ω) csak egyirányú lehet, vagyis 1/4-es üzemet kapunk. 2.10. ábra A 2.10. ábrán látható feszültségnövelő kapcsolásnál a T2 tranzisztor bekapcsolt állapotában az Ui feszültség az L induktivitáson növelni kezdi a (felvett referenciairánnyal ellentétes irányú) áramot. A T2 kikapcsolása után az Ui és az áramcsökkenés miatt az L-ben indukálódó feszültség kényszeríti az áramot a nagyobb feszültségű UE telepbe a D2-n keresztül. Folyamatos áramvezetésnél az U feszültség lineáris középértéke: U = U E ⋅ Ia =
U − Ui 1 = Ra Ra
amiből látszik, hogy üzem közben U E ⋅
t ki . Az áram középértéke T
t ⎛ ⎞ ⋅ ⎜ U E ⋅ ki − U i ⎟ < 0, ⎝ ⎠ T
t ki < U i . Ezért „feszültségnövelő” a kapcsolás. Az T
energia a kisebb Ui felől a nagyobb UE felé áramlik. A gép generátor üzemű, mert az Ui fennmaradásához a tengelyt hajtani kell. 2/4-es kapcsolások. Az előző két kapcsolás diódáit és tranzisztorait egyetlen kapcsolásban egyesíthetjük (2.11. ábra), de egyszerre csak az egyik tranzisztort kapcsolgathatjuk, (a másik állandóan zárt). Ekkor az ehhez a tranzisztorhoz tartozó üzem és működési terület jön létre.
20
2.11. ábra Egy másik 2/4-es kapcsolást látunk a 2.12. ábrán. Itt az Ia iránya csak a rajzolt lehet (valóságos irány is), és az Ui, (ezzel az ω) iránya lehet kétféle. Ha az Ui valóságos iránya a rajzon láthatóval egyezik meg, és pl. a T3 tranzisztor állandóan vezet, míg a T1-et kapcsolgatjuk, a feszültségcsökkentő üzem jön létre. Ha az Ui iránya fordított, (mert ellenkező irányban forgatjuk a tengelyt,) és pl. a T3 tranzisztor soha sem vezet, míg a T1-et kapcsolgatjuk, a feszültég növelő kapcsoláshoz jutunk. A megfelelő működési terület is a 2.12. ábrán látható.
2.12. ábra A 4/4-es kapcsolás. A kapcsolást és a működési területét látjuk a 2.13. ábrán. Az üzemállapotok az előzőek alapján követhetők. Természetesen minden kapcsoláshoz, (az előzőekhez is) hozzátartozik egy a tranzisztorokat vezérlő elektronika. Szabályozott hajtásoknál ez kiegészül érzékelőkkel, és szabályozó elektronikával.
21
2. 13. ábra
