SZÉCHENYI ISTVÁN EGYETEM AUTOMATIZÁLÁSI TANSZÉK SZINKRON GÉPEK

AUTOMATIZÁLÁSI TANSZÉK HTTP://AUTOMATIZALAS.SZE.HU

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

SZINKRON GÉPEK

Marcsa Dániel – Villamos gépek és energetika

2013/2014 - őszi szemeszter

Szinkron gép



Szinkron gép



Szinkron gép – motor



Szinkron gép – állandó mágneses motor



Szinkron generátor - energiatermelés

A szinkron gép elsősorban mint áramszolgáltató nagy generátor fontos. Míg az indukciós motor "hajtja a világ iparát", belátható időn belül a villamos energia döntő részét továbbra is szinkron generátorok szolgáltatják. A hajtógép gőz-, víz vagy gázturbina. A nagy gőzturbinás generátorok 2-4 pólusúak, a vízturbinások gyakran nagy pólusszámúak, lassú fordulatszámúak. Marcsa Dániel – Villamos gépek és energetika


Szinkron generátor - energiatermelés



Szinkron gép felépítése Az állórész tekercselés háromfázisú, elviekben ugyanolyan, mint az indukciós gépeké. Miután a vas igénybevétele a fogak telítődése miatt nem növelhető, a nagy gépek áramsűrűségét, a kerületi áramot kell növelni, amihez erőteljes hűtés: lég-, hidrogénill. vízhűtés szükséges. Az állórész lemezelt, légrés-tekercselés. A forgórész két alaptípusa a hengeres és a kiálló pólusú. Szimmetrikus állandósult állapotban a forgórész együtt fut az állórész mezővel így abban indukálás, átmágnesezés nincs. A hengeres változat lehet tömör.



Szinkron gép felépítése Hengeres (állandó légrésű)

Kiálló pólusú (változó légrésű)



Szinkron gép felépítése



Hengeres gépek - nyomaték • Szinkron gép

ωr = 0

ωm = ωs

α =0

I sm I rm LM {sin(2ω s t + δ ) + sin δ } M =− 2

M avg

I sm I rm LM =− sin δ 2

• Egyfázisú gép, 1 tekercs van az állórészen • Lüktető nyomaték: NEM JÓ nagy gépek esetében! • ->Többfázisú gépnél a lüktető nyomaték csökken. •

ω m = 0 → M avg = 0 -> Nem tud önmagában elindulni



Szinkron gép működése Ha ωr=0, akkor a forgórészt egyenárammal tápláljuk. Ezzel:

ωm = ωs A δ szög mindig a terhelőnyomaték nagyságának megfelelően áll be. A gép átlagos nyomatékot egyetlen fordulatszámon, az állórészmező fordulatszámán, az ún. szinkron fordulatszámon képes csak kifejteni. Innen a neve: szinkrongép szinkrongép. Az álló- és forgórész, mint láttuk korábban, helyet is cserélhet. Marcsa Dániel – Villamos gépek és energetika


Szinkron gép működése A váltakozó áramú gépeink működésének alapja két szinkron forgó forgómező (lásd aszinkron gép), képletesen két összetapadt, együttfutó pólusrendszer. Tengelyeik között - a terhelő nyomaték hatására - szögeltérés, szögelfordulás előáll, de állandósult állapotban fordulatszám fordulatszám--eltérés nem lehetséges. lehetséges A szinkron gép állórészének a hálózatra kötött háromfázisú tekercselése a légrésben szinkron fordulatszámú forgómezőt hoz létre. Marcsa Dániel – Villamos gépek és energetika


Szinkron gép működése egyetlen forgórész tekercset egyenárammal tápláljuk (lehet állandó mágneses). A forgórész mező így a forgórészhez képest áll, nyugalomban van = állandó mező, ahhoz rögzített, "hozzá van ragasztva": f = 0 → n = 0

Az

r

r

Ebből következik, hogy a forgórésznek az állórész mezővel együtt, azzal szinkron kell forognia

n = ns = n1



Szinkron gép működése A szinkron gép állandósult, szimmetrikus állapotban UNILATERÁLIS = indukálás csak egy irányban van: a forgórész indukál az állórészbe. NEM INDUKÁL

Állórész (Armatúra)

Forgórész (Póluskerék)

INDUKÁL



Szinkron gép működése A gép tehát csak egyetlen fordulatszámmal, az n0 szinkron fordulatszámmal képes forogni. Ha fordulatszáma ettől eltér, tehát "kiesik" a szinkronizmusból, akkor üzemképtelenné válik. Minden relatív fordulateltérés alatt a teljes, zérus középértékű nyomatékgörbét befutva csak lengő nyomaték keletkezik és a gép a hálózatra nézve gyakorlatilag rövidzárlatot jelent. A forgórész mező a forgó mező "legegyszerűbb" alakja, nevezhetnénk „forgatott forgó mezőnek”, mechanikailag forgatott mezőnek, miután egy állandó mező mechanikai forgatásával jött létre. Az elmondottakból következik, hogy a szinkron gép nem tud indulni! A generátort a hajtó gép - pl. a turbina - forgatja névleges fordulatra, a motort kalickával indukciós motorként vagy a tápláló inverter nulláról növekvő frekvenciájával kell a szinkron fordulat közelébe juttatni. A szinkron fordulat elérésekor mind a generátort, mind a motort - mint később látjuk - megfelelő módon kell a hálózatra kapcsolni, szinkronizálni kell.



Szinkron gép működése A szinkron gép lengőképes, lengésre hajlamos rendszer. Az indukció vonalak rugalmas gumiszalagokként viselkednek. Az aszinkron gép lengését a kalicka - a rövidrezárt szekunder - indukált áramai fékezik. Hasonló hatások szinkron gépben is fellépnek. Ugyanakkor mivel a forgórész áramok révén "saját" mágneses tere van - azt nem a hálózatból felvett áramkomponensnek kell létesíteni – a szinkron gép képes meddő - kapacitív meddő - teljesítményt szolgáltatni, azaz úgy viselkedni mint egy kondenzátor telep. Szokásos a rögzített pólusokkal ellátott forgórészt póluskeréknek, mezejét pólusmezőnek (Φp) nevezni. Az állórész (háromfázisú) tekercselésének neve armatúra tekercselés, mezeje az armatúra mező (Φa). Bár az armatura- és a pólusmező a szinkron gép légrésében egyetlen eredő mezővé tevődik össze és csak ez mérhető, azonban a két részmező - az azokat létesítő áramok - itt egymástól függetlenül változtathatnak ⇒ célszerű a szinkron gépnél a két részmezőben gondolkodni gondolkodni..



Szinkron gép helyettesítő kapcsolása A mágneses tér „modellje”: kétmezős elmélet elmélet, mert a két mező többé-kevésbé függetlenül változtatható. A pólusfeszültség az ismert módon:

2π Up= f1ξ1 N1Φp ,max 2 { 4 , 44

ez „aktív” (feszültségforrás). Az armatúra-feszültség:

2π Ua= f1ξ1 N1Φa 123 2 { Ψa 4 , 44

ez indukált feszültség, de feszültségesésként vesszük figyelembe. figyelembe. Marcsa Dániel – Villamos gépek és energetika


Szinkron gép helyettesítő kapcsolása A helyettesítő kapcsolást transzformátorhoz és indukciós géphez hasonlóan, itt is csak egy fázisra rajzoljuk meg.

Ψ a  Ia  Ψa U a =2π f1 ⋅ ⋅  =2π f1 ⋅ ⋅ I a = 2π f1 La I a( eff ) 123 2  Ia  2 ⋅ Ia 123 Xa La

U a = jX a I a , ahol X az armatúra–reaktancia. a

Ehhez járulnak a szórások: Fogfejszórás

Tekercsfejszórás

Horonyszórás Marcsa Dániel – Villamos gépek és energetika


Szinkron gép helyettesítő kapcsolása A feszültségegyenlet:

U k = U p + jX a I a + jX s I a +Ra I a

A vasveszteséget elhanyagolva: állandósult szimmetrikus állapotban csak az állórészben keletkezik vasveszteség Nagy gépeknél: η →100% így Pvas ≈ 0, Pmech ≈ 0 Xd = Xa+Xs SZINKRON REAKTANCIA, százalékos megadása: X X d = d ⋅100% Zn Marcsa Dániel – Villamos gépek és energetika


Szinkron gép helyettesítő kapcsolása

Hengeres forgórészű

Kiálló pólusú

Minden irányban azonos mágneses ellenállás

Az eltérő irányokban eltérő mágneses ellenállás



Szinkron gép helyettesítő kapcsolása A hengeres forgórészű szinkron gép egyszerűsített helyettesítő kapcsolása:

Thevenin kapcsolásból⇒ Norton kapcsolás kapható az ismert átalakítással: A helyettesítő kapcsolás szemléletesen mutatja, hogy (a transzformátorok és az aszinkron gépek esetétől eltérően) a szinkron gépek esetén nem a gerjesztések egyensúlya törvénye vezérli a működést, hanem a gerjesztő áram kényszere. Marcsa Dániel – Villamos gépek és energetika


Szinkron gép fazorábrája A feszültség-egyenlet alapján:

Re

U p = U k − jX s I a − jX a I a = U k − U s − U a

Ua

Up

Ui

US UR

Φa || Ia Φp ⊥ U p Φeredő ⊥ Ui Marcsa Dániel – Villamos gépek és energetika

Im

Uk

Φeredő Φa Ia

Φp


Szinkronozás A szinkron gépek általában párhuzamosan vannak kapcsolva a hálózattal. A párhuzamos kapcsolás, amelyet szinkronozásnak szokás nevezni, elvégzése előtt meg kell győződni az alábbi feltételek teljesüléséről. Feltételek: • Fázissorrend azonosság: optikai fázissorrend-mutatóval, vagy fázissorrendtől függő forgásirányú géppel ellenőrizzük • Frekvenciaazonosság: frekvenciamérővel vagy lámpakapcsolással ellenőrizzük • Feszültség amplitúdó azonosság: abszolút vagy különbözeti feszültségmérővel ellenőrizzük • Megfelelő fázisfeszültségek közötti fázisszög zérus: vegyes kapcsolású lámpával ellenőrizzük



Teljesítmény és nyomaték Feltétel:

Upsinδ

∑ P = 0 ⇒ R = 0, X = X + X veszt

azaz

a

d

a

s

Pmech ≈ Plégrés ≈ P1 = 3U k I a cos ϕ

IaXd Up

A vektorábra felhasználásával a következő összefüggést kapjuk: U sin δ = X I cos π − ϕ , p

d

a

(

)

Up sin δ , melyből:I a cos ϕ = − Xd ahonnan a teljesítmény:

Pmech

Up = P1 = 3U k I a cos ϕ = −3U k sin δ , Xd


π-φ

δ

φ Φa Ia

Uk

Φeredő Φp


Teljesítmény és nyomaték A teljesítmény:

Pmech

Up = P1 = 3U k I a cos ϕ = −3U k sin δ , Xd

δ a terhelési szög, ami ha δ < 0 a motoros üzemállapotnak felel meg, δ > 0 generátoros üzemállapotnak felel meg.

U kU p P P 3 p mech mech A nyomaték: M = = =− sin δ Ω 0 ω1 ω1 X d { p k ahol Ω0 a mechanikai szögsebesség

U kU p M =k sin δ Xd



Terhelésfelvétel IaXd IaXd

δ Up

Up

Uk

Φp

Ia


Up

Uk

∆Φp

Uk

Ia

∆Φp


Terhelésfelvétel Ha a Φp pólusfluxus (a gerjesztő áram) növelésével a pólusfeszültség (Up) nagyságát növeljük, akkor a középső ábra szerint a megjelenő feszültségkülönbséghez tiszta kapacitív meddő áram, azaz meddő teljesítmény leadás tartozik. Ha a turbina gőzbeömlésének növelésével a tengelyen kifejtett nyomatékkal a c. ábra szerint Up-t előre forgatjuk, akkor a megjelenő Ia árammal közel tiszta hatásos teljesítmény leadást létesítünk. A hatásos teljesítményt tehát a tengelyen, a meddőt a forgórész egyenáramának változtatásával lehet módosítani. Az elmondottakat energetikai megfontolások is alátámasztják. Miután az armatúra nem hat - indukálás révén - a pólusokra az energetikai folyamat, a mechanikai - villamos energiaátalakítás az armatúrában folyik le. A gerjesztő tekercselésbe betáplált villamos energia teljes egészében joule hővé alakul. Marcsa Dániel – Villamos gépek és energetika


Terhelésfelvétel



Nyomaték és stabilitás

∂M S= = M b cos δ ∂δ Marcsa Dániel – Villamos gépek és energetika


Szinkron gépek

Különféle szinkrongéptípusok



Reluktanciamotor

• Rossz teljesítménytényező és nagy hálózati áram → rossz hatásfok • Olcsó, robusztus, pontos fordulatszámilletve szöghelyzettartás Pontos szöghelyzetet vagy együttfutást igénylő hajtásokban alkalmazzák. Marcsa Dániel – Villamos gépek és energetika


Állandó mágneses szinkron motor

Teljesítménytényezője és hatásfoka igen jó, 0,5 – 10kW tartományban cosφ≈0,9…0,99, mivel nincsen szlip, ill. forgórészáram, nincsenek forgórészveszteségek.



Hiszterézismotor

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). Marcsa Dániel – Villamos gépek és energetika


Léptetőmotor

Előnyök: nincs benne szénkefe, így tartósabb lehet. A pontos pozícióba álláshoz nem szükséges bonyolult visszacsatolás. Hátrányok: alacsony fordulatszám (a maximális fordulatszám tipikusan 500-600 fordulat/perc). Azonos teljesítmény mellett nagyobb méret és tömeg, nem számítógépes környezetben bonyolultabb vezérlés. Marcsa Dániel – Villamos gépek és energetika


Léptetőmotor



Példák



SZÉCHENYI ISTVÁN EGYETEM AUTOMATIZÁLÁSI TANSZÉK SZINKRON GÉPEK

Recommend Documents