VILLAMOS HAJTÁSOK
Készítette: Dr. Mádai Ferenc Miskolci Egyetem Elektrotechnikai-Elektronikai Tanszék 2014
2 1. ÁLTALÁNOS KÉRDÉSEK
A villamos hajtások felépítése, stabilitása A villamos motorokat valamilyen technológiai (anyag-, energia-, biológiai-átalakítási, szállítási) folyamatot végző munkagép (terhelőgép) hajtására használják. A motorok ma már gyakran egy energetikai egységen (meghajtón, driveren) keresztül csatlakoznak az országos villamos energia hálózatra. A meghajtó, a motor és a terhelőgép együttesét villamos hajtásnak nevezzük. Természetesen a hajtásokhoz hozzátartoznak érzékelők, amelyek jeleit az irányító (szabályozó, vezérlő és védelmi) egység dolgozza fel (1.1 ábra). Irányító program
Irányító egység
Védelem
É
3 fáz. Energetikai egység
r
U, I f
z
é
Villamos gép
k
M, Mt
e
l
Mechanikai áttétel
ő
k
Hajtott mechanizmus, (terhelés) munkagép
50 Hz A korszerű, szabályozott villamos hajtás elvi felépítése 1.1 ábra Ahhoz, hogy egy motort és a táplálását kiválaszthassuk, előbb azt kell meghatározni, hogy az időben zajló munkafolyamat (a technológia) a motor tengelyén milyen szögsebességeket, (-kat) és nyomatékokat, (M-eket) kell létrehozni, beleértve a gyorsításokat (indításokat, fékezéseket, reverzálásokat) is. A motor által kifejtendő M(t) nyomaték meghatározása a mozgásegyenlettel történik, amely
d M( t ) - M ( t ) t M t dt
3 alakú. Itt M(t) a motor nyomaték-idő függvény, ΘM a motor tehetetlenségi nyomatéka, az Mt(t) a terhelőnyomaték-idő függvény, a, Θt a terhelés tehetetlenségi nyomatéka (mindkettő a motor tengelyére redukálva) és
d a szöggyorsulás. dt
A munkaciklus technológiai adataiból az (t) menetdiagram és az Mt(t) számítható. E kettőből a terhelőgép (Mt) statikus mechanikai jelleggörbéjét számíthatjuk, vagy szerkeszthetjük úgy, hogy
az
azonos
t-khez
-kat
tartozó
és
Mt-ket
összemásoljuk.
Az
(Mt)-k jellegét szinte minden hajtással foglalkozó szakirodalomban megtaláljuk. Az M(t) számítása bonyolultabb, ha Θt is változik a munkaciklus közben, mint pl. a robotoknál. A motor gyártók többnyire ajánlanak a motorjukhoz egy megfelelő feszültségű (U), áramú (I) és frekvenciájú (f) meghajtót, amelynek a működési területe pedig a motor működési területét kell, hogy biztonsággal lefedje.
Md
Md
(Mt)
(Md) (M)
M Mt
1.2 ábra
A hajtás állandósult állapotát a statikus jelleggörbékkel vizsgáljuk az ω(Mt,M) síkon (1.2 ábra). Az mozgásegyenletből az is látszik, hogy az állandósult szögsebesség az M=Mt -nél alakul ki, mert ilyenkor a d/dt=0. Az ω(Mt,M) síkon ez a két jelleggörbe metszéspontját jelenti. Ezt a metszéspontot munkapontnak hívjuk. Nem minden metszéspont ad azonban tartós, állandósult, ún. stabil munkapontot. Ha az -val eltér a metszéspont szögsebességétől és ekkor olyan Md=(M-Mt) gyorsítónyomaték keletkezik, ami a gépcsoportot visszaviszi a metszéspont szögsebességére, a munkapont stabil. Labilis munkapont esetén a keletkező gyorsítónyomaték az -t még inkább eltávolítja a metszésponti szögsebességtől, és a hajtás vagy leáll, vagy túlságosan felgyorsul. Stabilis munkapontot mutat az 1.2 ábra.
4 A villamos motorok csoportosítása A motorteljesítmények nagysága és az alkalmazás szerint beszélünk ipari, szervo- és törpemotorokról. Ezek (nem túl precíz) összehasonlító táblázata a következő: ipari -
szervo -
törpemotorok
teljesítmény
MW-ig
5W-50kW
600W alatt
építési alak
szabványos
csaknem egységes
egyedi, cél, beépített
hatásfok
(80-90)%
(80-90)%
rosszabb
jelleggörbe
általános
jól változtatható
a hajtási célhoz alkalmazott
Az ipari motorokat általános ipari célokra használják. A szervomotorokra jellemző, hogy szinte csak dinamikus üzemben működnek, az állandósult állapotra rendesen nem is kerül sor. Az aránylag kis teljesítményszinten érkező szabályozó jel hatására a szervomotor kifejti a beavatkozáshoz szükséges - gyakran- tekintélyes nagyságú nyomatékot, a beavatkozás megtörténte (pl. egy szelep elállítása) után azonban szerepe pillanatnyilag megszűnik, ezért a motor megáll. A szervomotorokkal szemben támasztott legfontosabb követelmények az alábbiak: - szögsebességüket széles határok között, egyszerű módon, kis szabályozó teljesítménnyel lehessen változtatni. -forgásirányukat könnyen meg lehessen változtatni. - a szabályozandó mennyiség változásait a motor tengelyének szögsebessége minél gyorsabban kövesse, tehát a motor elektromechanikai időállandója legyen minél kisebb. - az (M) mechanikai jelleggörbéjük feleljen meg a stabilitás feltételeinek. A szervomotorok mindig szabályozott üzemben működnek. A nyomatékukat, ( vagy ezzel arányos áramukat) egy nyomatékszabályozó biztosítja, a szögsebességet egy szögsebesség szabályozó
(fordulatszám
szabályozó)
állítja
be.
Szervo
hajtásoknál
általában
helyzetszabályozásra is szükség van. Ezt egy pozíciószabályozás végzi. A törpemotorok alkalmazása is igen széleskörű. A szervomotorok egy része is ide tartozik. Ilyen motorokat használnak a szórakoztató elektronikában, számítógépeknél, robotoknál, gépkocsi iparban, orvosi műszereknél. Sok szabályozatlan törpemotort használnak a háztartásokban pl. hűtőgép, centrifuga, fűnyíró mosógép, mikrohullámú sütő, asztali szellőző hajtására. A felsorolásból látszik, hogy a törpemotorok ma már tömegcikknek számítanak és forgalmuk egyre nő. Az egyenáramú szervomotorok zöme, a törpe motorok szinte kivétel nélkül állandó mágnesűek, ezért a fluxusuk állandó.
5 2. KOMMUTÁTOROS GÉPEK Egyenáramú gép Felépítését p=1 és p=2 póluspárú esetben a 2.1 ábra mutatja.
a) a pólus- és a a arma- b) a gép forgórész tekercselésének túra fluxus kétpólusú gépnél villamos modellje
c) négypólusú gép
d)
2.1 ábra
Az állórész elektromágnesét kiálló pólusok törzsén elhelyezett egyenárammal átjárt tekercsek gerjesztik. Az így keletkező mágneses teret a pólus fluxussal vesszük figyelembe. Kisebb teljesítményeknél az állórész állandó mágnes. A forgórész mágnesét a hengeres vastestének hornyaiban elhelyezett tekercselésben folyó áram hozza létre. A Laplace-törvény szerint legnagyobb nyomatékot akkor kapjuk, ha pl. az állórész mágnes É-i pólusa mellett mind befelé folyó áramot vivő vezetők vannak, a D-i pólus mellett pedig kifelé folyó áramot vivő vezetők helyezkednek el. Azaz a forgórész áramok által létrehozott szolenoidszerű mágnes tengelye az állórész mágnes tengelyére. Ennek az állapotnak a forgórész vastestének forgása közben is fenn kell maradni, hogy a nyomaték
6 egyirányú maradjon (2.1/a ábra). Ezt úgy lehet elérni, hogy a forgórész hengerszimmetrikus, önmagában zárt tekercselését sok helyen (5...200) meg kell csapolni, és a megcsapolásokat egymáshoz képest elszigetelt kommutátor szeletekhez kivezetni. A kommutátor néhány (1...5) szeletéhez szénkefe párok csatlakoznak (2.1.b. ábra). Így a pólusokhoz képest a kefék mindig azonos ponton vezetik be- és ki az egyenáramot a forgórész tekercselésébe. Az ábra érzékelteti, hogy egy kommutátor szeletnyi elfordulás után az árameloszlás ugyanilyen lesz. A valóságos tekercselés olyan, hogy a -tel jelölt (szaggatottan rajzolt) tekercsoldalak az állórész É-i pólusa mellé kerülnek, a -tal jelöltek pedig a D-i pólus mellé, mint ez a 2.1/a ábrán látszik. A keféket összekötő vonal fölötti vezetőkben mindig egyirányú áramok lesznek. A kefék elforgatásával az egész árameloszlás (a forgórész mágnes) elfordul, bár az ilyen állapot a nyomaték képzése szempontjából célszerűtlen, mert pl. az É-i pólus mellett olyan vezető is lesz, amire a többihez képest ellenkező irányú erő hat. A forgórész mágnes tengelyének irányát tehát a kefék elhelyezkedése szabja meg. Az a „jó” kefehelyzet, ami az említett árameloszlást biztosítja. Ennek beállítására a keféket elforgatható hídra szerelik. A nyomaték keletkezéséhez legalább két mágnest kell létrehozni. A villamos gépek tehát árammal gerjesztett elektromágnesekből állnak, mágnesesen csatolt vasmagos tekercsek. A mágnesek nemcsak p=1 póluspárúak, (2 pólusúak), hanem több póluspárúak (p=2,3...) is lehetnek. Ilyenkor a mágneses pólusok a légrés kerülete mentén p-szer ismétlődnek, vagyis a (villamos szög)=(geometriai szög).p. Az egyik mágnes teret állandó mágnes is adhatja, míg a másik mágnes teret 1, 2, de gyakran 3 tekercs árama gerjeszti. A vasmag használata fontos, mert:
a vas magába sűríti (vezeti) az indukcióvonalakat, un. fluxus csatornát képez. A vas mágneses ellenállása 1/r-szerese a levegőének (μr=600...10000).
a vasból kilépő az ún. szórási indukció, amelyik nem vesz részt a nyomaték képzésében, csak (3...10)%-a a vasban lévő indukciónak.
gerjesztett mágnesek esetén: -a vas relatív permeabilitását (r-t) is kihasználva kisebb áram kell a tér létrehozásához, -változtatni lehet a mágnes erősségét.
A mágneses térbe helyezett, árammal átjárt vezetőre erő hat. Az erő függ a mágneses indukció értékétől (B), a vezetőben folyó áramerősségtől (I), a vezető hatásos hosszától (ℓ) és az áramvezetőnek (Iℓ) az indukcióvonalakkal bezárt szögétől ():
7
F B I sin . A villamos gépekben a vezető merőleges az indukció irányára, vagyis =900, így
F B I . A mágneses térbe helyezett áramot vezető huzalra ható erő iránya oda mutat, ahol a vezető árama gyengíti a mágneses teret. (2.2 ábra). A villamos gépekben ilyen erőpárokból keletkezik a nyomaték, melynek általános kifejezése:
2.2 ábra
M=k Φ Ia,
ha a B helyett bevezetjük a Φ-t, I helyett Ia-t használunk, az átszámítási tényezőket pedig a k gépállandóba foglaljuk össze. Az az érdekes helyzet áll elő, hogy bár a forgórész vasteste a tekerccsel együtt fizikailag forog, a forgórész mágnes viszont áll az állandó forgórész áram eloszlás miatt. Ha a forgórész -val forog, a forgórész áram eloszlása a forgórész vastestéhez képest (-)-val visszafelé forog, ezért az állórészhez képest áll. A keféken bevezetett egyenáram a forgórész tekercselésében váltakozó áramként jelenik meg, hiszen a forgórész tekercsben folyó áram iránya attól függ, hogy a forgórész melyik megcsapolásánál, melyik kommutátor szeleten történik az áram be- és kivezetés. A forgórész forgása miatt ez a hely mindig változik a forgórész vastestéhez képest, csak a pólusokhoz képest állandó. A kefe és a forgó kommutátor együttese így váltóirányító feladatot lát el. Forgás közben a forgórész vezetői metszik a pólusok B indukció vonalait, így bennük a mozgási indukció törvény szerint feszültség indukálódik. Az indukált váltakozó feszültség, eloszlása az állórészhez képest állandó, mert az É-i pólus mellett elhaladó vezetőben mindig egyirányú, a D-i pólus mellett másik irányú feszültség indukálódik. Ez a feszültség a keféken, a kommutátorkefe egyenirányító hatása miatt egyenfeszültségként észlelhető, mivel a kommutátoron keresztül a kefék az eloszlás mindig azonos pontjához csatlakoznak, a tekercselés mindig azonos pontjáról veszik le a feszültséget. A legnagyobb egyenfeszültséget a „jó” kefehelyzetben kapjuk, amikor a kefék az ún. semleges vonalba vannak beállítva. Az egy vezetőben indukált Ui1 váltakozó feszültség, mivel a viszonyok merőlegesek: U i1 B l v.
8 Ha a B indukció helyett bevezetjük a pólusfluxust és felhasználjuk, hogy v=.D/2, valamint figyelembe vesszük a tekercselés többi jellemző állandóit, ezeket összevonva végeredményben az Ui k
összefüggésre jutunk, ahol k ugyanaz a gépállandó, mint a nyomaték képletnél. A villamos forgógépeknek azt a tekercsét, amelyben feszültség indukálódik armatúrának nevezzük, ezért itt a forgórész tekercselés neve armatúra, az árama az Ia armatúra áram. 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 2.3/a ábrán látjuk. Állandó armatúra áramnál az L a
di a 0. Ilyen üzemben az armatúrára érvényes dt
hurokegyenlet 2.3/b ábra motoros referencia irányaival: U Ui R a I a k R a I a .
2.3 ábra Névleges üzemben, ha Un-t 100%-nak vesszük az Ra.Ian ≈5%, így Uin≈95%. Az (M) mechanikai jelleggörbét a Pb belső teljesítményből számítjuk:
M M Pb M U i I a U R a I a I a U R a , amiből: k k
R U M 2 a 2 . k k
(2.1)
A hurokegyenlet arányai öröklődnek, ezért névleges nyomatéknál n kb. 95%-a az nek. Így a természetes (névleges paraméterű) (M) jelleggörbe a 2.5 ábrán látható.
Un k n
9 Az ilyen jelleggörbét, amikor a szögsebesség csak néhány százalékot csökken az üresjárási szögsebességhez,
Un -hez képest fordulatszám tartónak (szögsebesség tartónak) mondjuk. k n
Ilyen a jelleggörbéje a külsőgerjesztésű, a söntgerjesztésű és az állandó mágnesű egyenáramú motoroknak, amelyek kapcsolásait a 2.4/a,b,c ábra mutatja.
2.4 ábra
A
jelleggörbe
a
(2.1)
egyenlet
paramétereivel változtatható: U-val Un között, Ri-vel, amit az Ra-val sorba kapcsolunk, -vel, (a gerjesztő tekerccsel sorba kapcsolt ellenállással, ami a gerjesztő áramot csökkenti).
2.5 ábra.
A paraméter változtatás hatásait a természetes jelleggörbéhez képest a 2.4. ábra szemlélteti. 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. A terhelőgép adott Mt jelleggörbéje esetén a motor jelleggörbe változtatása az változását eredményezi, (változik a munkapont,) ezért – mint tudjuk – a paraméterváltoztatást fordulatszám- (szögsebesség-) változtatásnak is hívjuk. Állandó mágnesű gépeknél a nem változtatható.
10 Az egyenáramú gép veszteségeit csak a söntmotoron követjük végig (2.6 ábra). A gerjesztő tekercsek egyéb kapcsolása esetén a teljesítményszalagot értelemszerűen módosítani (többnyire egyszerűsíteni) kell.
2.6 ábra 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 V-vel jelöljük az összes veszteséget, akkor a gép hatásfoka:
P V P
(85 95)%
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. 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.
11 Hátrányuk, hogy az állórész mágnes köre nagy légrésű, mert ebben kell elhelyezni a vasmentes forgórészt. Emiatt csak kisebb fluxust lehet megvalósítani.
2.7 ábra Szaggatós (chopperes) meghajtók egyenáramú motorokhoz. 1/4-es kapcsolások A 2.8 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.
2.8 ábra Az
U
feszültség
lineáris
középértéke
folyamatos
áramvezetésnél
U UE
t be . T
A tbe változtatásával (impulzusszélesség modulációval) az U változtatható. Amennyit a bekapcsolás alatt az ia áram nő, kikapcsolás alatt annyit csökken állandósult üzemben. A középértékekre érvényes hurokegyenletből kifejezhető az áram középértéke
Ia
U Ui 1 Ra Ra
t U E be U i 0, T
12 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 ) csak egyirányú lehet, vagyis 1/4-es üzemet kapunk.
2.9 ábra A 2.9 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
t ki . Az áram középértéke T
t U E ki U i 0, T
amiből látszik, hogy üzem közben U E
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. A tranzisztorok kapcsolási frekvenciája f≈20 kHz, így a periódusidő T≈50 µs. A motor tömegével arányos mechanikai időállandó nagyságrendje Tm≈20 ms, ezért a motor észre sem veszi a tranzisztorok kapcsolgatását. Jogos tehát a feszültség középértékével számolni. 2/4-es kapcsolások Az előző két kapcsolás diódáit és tranzisztorait egyetlen kapcsolásban egyesíthetjük (2.10 ábra), de egyszerre csak az egyik tranzisztort kapcsolgathatjuk, (a másik állandóan zárt). Ekkor az ehhez a tranzisztorhoz tartozó üzem és működési terület jön létre.
13
2.10 ábra Egy másik 2/4-es kapcsolást látunk a 2.11 ábrán. Itt az Ia iránya csak a rajzolt lehet (valóságos irány is), és az Ui, (ezzel az ) 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.
2.11 ábra A 4/4-es kapcsolás A kapcsolást és a működési területét látjuk a 2.12 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.
2.12 ábra
14 Tirisztoros (diódás) meghajtók állandó mágnesű egyenáramú motorokhoz. A tirisztorok gyújtásszöge , ami 0 és 1800 között változhat. Egy egyfázisú, kétutas, féligvezérelt (nulladiódásított) egyenirányítóval felépített meghajtó kapcsolást látunk a 2.13/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 0, 2
ezért is csak >0 lehet. Így a meghajtó miatt csak 1/4-es üzem jöhet létre. A 2.13/b ábrán az Ia (és az M) szintén csak >0 lehet, de folyamatos áramvezetéskor az U U max cos , vagyis Umax között változhat, ezért is értékű lehet. Így a meghajtó
2/4-es üzemet tesz lehetővé.
a)
b)
c) 2.13 ábra
A 2.13/c kapcsolás szerint 4/4-es üzemet kapunk, mivel az Ia (és az M), valamint az is kétirányú lehet.
15 Az elektronikus kommutációjú egyenáramú motor. A motor forgórésze állandó mágnesű, az állórészén van a tekercselés, tehát valójában szinkron motor. A meghajtása miatt nevezzük elektronikus kommutációjú, vagy kefe nélküli (vagy kommutátor nélküli) egyenáramú motornak. Az állórész három, vagy négyfázisú tekercselését tranzisztorok kapcsolják (be, ki) az egyenáramú hálózatra, a forgórész helyzetétől függően, amit pl. Hall generátorok érzékelnek, vagy szöghelyzet adó (rezolver) érzékel, a kívánt forgásiránynak megfelelő sorrendben. Egy négyfázisú motort és a teljesítményelektronikai részének kapcsolását látjuk a 2.14/a ábrán. Amikor egy kommutáló tranzisztor vezet, (pl. a 3-as,) akkor a hozzá kapcsolódó állórész tekercsben folyó áram által létesített mágnestér irányába áll be a forgórész állandó mágnese. A tekercsben folyó áram nagyságát, (és ezzel a nyomatékot) a végfokozat szaggató tranzisztorának ki-be kapcsolása szabja meg. Ha ezután pl. csak a 4-es tekercs tranzisztorát kapcsoljuk be, a forgórész 900-kal elfordul, és így marad, amíg újabb tranzisztort kapcsolunk be. Így jön létre a „léptető üzem”.
Négyfázisú tranzisztoros, kommutátor nélküli gép kapcsolása. a. Motor és teljesítmény elektronikai rész
b. Hall genrátorokkal és szabályozóval kiegészítve
2.14. ábra
Négyfázisú tranzisztoros, kommutátor nélküli gép kapcsolása. a) Motor és teljesítmény elektronikai rész
b) Hall genrátorokkal és szabályozóval kiegészítve
2.14 ábra A kommutáló tranzisztorok egyféle sorrendű gyorsabb vezérlésével (pl. 3,4,3’,4’) a forgórész pólusai már forogva „járnak együtt” az állórész gyorsabb lépegetésével. Ez a „szinkron üzem”. A kommutáló tranzisztorok kapcsolási frekvenciáját azonban nem változtathatjuk meg
16 ugrásszerűen, (túl gyorsan), mert a forgórész (és a vele tengelykapcsolatban lévő tömeg) tehetetlenségi nyomatéka nem tudja követni a mező hirtelen megváltozott forgását. A forgórész „kiesik a szinkronizmusból”, és leáll. A Hall-generátorokkal és a szabályozóval kiegészített kapcsolást a 2.14/b ábrán látjuk. A (2) Hall-érzékelők a forgórész helyzetét érzékelik, és ettől függően kapcsolják be a forgórész forgásirányának megfelelő sorrendű kommutáló tranzisztort. Ekkor tehát a forgórész nem szakadhat el a mezőtől, mert „össze vannak szinkronozva”, (hasonlóan, mint a kommutátoros egyenáramú gépnél), vagyis minden fordulatszám „szinkron”. Ez az elektronikus kommutációjú motor egyenáramú üzeme. A további elemek a szabályozást valósítják meg. Az állórész tekercs árama a P potenciométeren is átfolyik. Az erről leosztott feszültség adja az áram ellenőrző jelet, amit az áramszabályozóba vezetünk vissza. A fordulatszámmal arányos visszacsatoló jelet a négy állórész tekercsben indukált (fordulatszámmal arányos) feszültség négyfázisú egyenirányításával kapjuk. Ennek és a fordulatszám alapjelnek a különbsége adja a fordulatszám szabályozó bemenő jelét.
2.15 ábra
A 2.15 ábra egy háromfázisú, tárcsa forgórészű lemezjátszó és diszk hajtómotor szerkezeti felépítését mutatja. Itt az állandó mágnesű forgórész helyzetének figyelésére 3 db Hall-érzékelő szükséges. Az állórész tekercsekben az áram a háromfázisú váltakozó áramú rendszernek megfelelően van kapcsolgatva.
17 Újabb megoldásokban a forgórész helyzetét rezolver érzékeli. Ez folyamatosan „másolja” a forgórész helyzetét. Így a tekercsekben folyó áramokat is úgy lehet változtatni, hogy állandó amplitúdójú (körforgó) mágnesmező keletkezzen, amelynek az iránya minden helyzetben villamosan 900-ot zár be a forgórész mágneses tengelyével. Ezzel elérhető, hogy mindig a legnagyobb nyomatékot fejtse ki a motor. Soros gerjesztésű egyenáramú motor. Kapcsolását a 2.4/d ábrán láttuk. Itt az állórész fluxust is az armatúraáram gerjeszti, ezért a a mágnesezési görbe szerint függ az I-től. A 0,8.In-nél kisebb I-knél még a mágnesezési görbe emelkedő szakasza érvényes. Ezt lineárisnak tekintve a =cI. Így M=k..I=k.c.I2, ill.
I
M . Ezzel az (M) mechanikai jelleggörbe: kc
M M Pb M U i I [ U ( R g R a ) I] I U ( R g R a ) . kc k c amiből Rg Ra U . kc k cM Névlegesnél nagyobb áramok esetén a áll. A jelleggörbe lineáris lesz, mint az állandó gerjesztésű gépeknél. Az (M) jelleggörbékből látszik, hogy a szögsebesség erősen függ a nyomatéktól. Kis nyomatékoknál az igen nagy értékű lenne, ezért a motort nem szabad terhelés nélkül hagyni, mert „megszalad”. Előny, hogy az indítónyomaték nagy, és a „lágy”, (nem szögsebesség tartó, hiperbolaszerű) jelleggörbe miatt a nyomaték változása csak kis mértékben befolyásolja a teljesítményt. 2.16 ábra
A csökkentett kapocsfeszültségekhez tartozó jelleggörbéket is mutatja a 2.16 ábra. Tipikus alkalmazási területe az ilyen motoroknak az autó önindító és a targonca hajtás.
18
2.17 ábra A 2.17 ábra kapocsfeszültség változtatásával történő fordulatszám változtatásra mutat egy kapcsolást, valamint a feszültség és az áram hullámalakját. Váltakozó áramú soros kommutátoros motor. A kommutátoros motor nyomatékának iránya (M=k..I) nem változik meg, ha a fluxus és az armatúra áram iránya egyidejűleg változik meg. Ezt használjuk ki a váltakozó áramú soros kommutátoros motoroknál.
A
soros
jellegnek
megfelelően nagy az indítónyomatékuk, a szögsebességük
pedig
nagymértékben
függ a terheléstől (2.18 ábra). 2.18 ábra Korábban ezeket univerzális motoroknak is nevezték, mert a soros egyenáramú motorokhoz hasonló felépítés miatt elvben egyenáramról is működnek. Ma azonban praktikus okok miatt szinte csak váltakozó feszültségről üzemelnek. A kommutációs szikrázás csökkentésére a keferendszert elforgatják, emiatt a forgásirány csak egyféle lehet. A kommutálásnál keletkező szikrák zavarokat okozhatnak a közeli rádió, televízió és távbeszélő készülékekben. Ezek csökkentésére a motorral zavarszűrő egységet kapcsolnak párhuzamosan. A motor szokásos kapcsolását a zavarszűrő egységgel együtt a 2.19. ábra mutatja. Egyben a triakkal történő fordulatszám szabályozás módját, és az ilyenkor érvényes um, im időfüggvényeket is a 2.19 ábrán látjuk. A gépek fordulatszáma nagy (20000 1/min), ezért teljesítményükhöz képest viszonylag kis geometriai méretűek. Porszívók, varrógépek, kézi szerszámok motorja 10-1000 W-ig.
19
2.19 ábra 3. FORGÓMEZŐS GÉPEK Általában forgó mező keletkezik, ha térben eltolt tengelyű tekercsekben azonos frekvenciájú, de fázisban eltolt áramok folynak. Az aszinkron és a szinkron gépek külső mágnesének vasmagja, -amelyik általában az állórész,hengergyűrű alakú. A D átmérőjű belső felületén tengelyirányban hornyokat mélyítenek, és abba helyezik a többfázisú elosztott tekercset. Aszinkron gépnél a furatba helyezik a légréssel kisebb átmérőjű forgórész hornyolt vasmagját, ezekben van a forgórész tekercselés (3.1 ábra). Az indukcióvonalakat vezető álló és forgórész vasteste kis mágneses ellenállást biztosít.
3.1 ábra
Az állórész hornyaiban (1), 2, 3 fázisú tekercs van, amelyekben eltolt fázisú szinuszos áramok folynak. Tekintsünk pl. két merőleges tengelyű tekercset, amelyekben 900-kal eltérő fázisú áram folyik. B tengely
iA
iB
A
B' A tengely
ωt = 0 B A'
3.2 ábra
ωt = 120 ωt = 60 0 ωt = 30 0 ωt = 90 0
0
ωt
20 Ha a tekercsben folyó áram pillanatértéke pozitív, a tekercs vesszőtlen oldalán befelé, másik oldalon kifelé,
,a
folyik az áram. Ekkor a mező a tengely pozitív irányába mutat. A
•
gépben az eredő mező jelenik meg. Ábrázoljuk néhány kiragadott pillanatban az eredő mezőt. ωt = 0 ×A
ωt = 60 0 ×A
ωt = 30 0 ×A 1
1
• B
•
1 2
3 2
1
× B
•
•
3 2 1 2
ωt = 90 0 A
ωt = 120 0 • A
1
× B
•
× B
•
•
1
3 2 1 2
× B
×
3.3 ábra Látható, hogy bármely időpillanatban a mező fluxusának nagysága állandó, végpontja körön mozog. Körforgó mezőt kaptunk. Ha az egyik tekercs végeit felcseréljük, abban az áram ellenkező fázisú lesz, a mező ellenkező irányban forog. Ha az áram amplitudók nem egyformák, vagy a fáziseltolás nem 900, vagy a tekercsek nem egyformák az eredő mező végpontja ellipszisen mozog. Elliptikus mezőt kapunk, amely viszont felbontható egy nagyobb amplitúdójú és egy kisebb amplitúdójú szemben forgó körforgó mezőre. Ha csak egy fázisban van (szinuszos) áram lüktető mezőt kapunk, amely viszont felbontható két azonos amplitúdójú szemben forgó körforgó mezőre. Forgó mezőt (mágnest) leggyakrabban háromfázisú tekercseléssel állítunk elő ahol a tekercsek tengelyei egymással 120o-120o szöget zárnak be. Ha ezekben a tekercsekben szimmetrikus háromfázisú áram folyik, ugyanúgy körben forgó, állandó amplitúdójú mágnesmezőt kapunk, mint a kétfázisú esetben. Erről értelemszerűen hasonló szerkesztéssel győződhetünk meg.
3.4 ábra
Nem szimmetrikus esetben pedig itt is elliptikus vagy lüktető mezőt kapunk (3.4 ábra).
21 A mező forgásiránya megváltozik, ha három tekercs esetén két kivezetést felcserélünk (ezt fáziscserének hívjuk). Érdekesség az, hogy a tekercsekben folyó szinuszos áramok forgó mágnest hoznak létre, miközben maga a tekercs és (a vasmag) áll. A forgó mező ω0 szögsebessége, ill. az n0 percenkénti fordulatszáma, amit szinkron szögsebességnek, ill. fordulatszámnak is nevezünk:
ahol f1 az állórész áram frekvenciája, p a póluspárok száma. A lehetséges szinkron fordulatszámok f1=50 Hz-nél: p 1 2 3 4 n0 (1/min) 3000 1500 1000 750 Aszinkron (indukciós) gép Állórészén forgómezős tekercselés van. Az aszinkron gép forgórész tekercselése kalickás, vagy csúszógyűrűs. A kalickás tekercselés általában a (hornyokban) szigeteletlen vezetőrudakból és a rudakat a forgórész vastest két homlokfelületén összekötő rövidrezáró gyűrűkből áll. A csúszógyűrűs vagy tekercselt forgórész ugyanolyan póluspárszámú tekercselést tartalmaz, mint az állórész. A forgórész tekercselés áramának kivezetésére szolgál a gép tengelyére szigetelten felerősített 3 csúszó kontaktus, 3 csúszógyűrű. Innen az elnevezés. Egy egykalickás forgórészt, ill. egy csúszógyűrűs motor szerkezeti részeit (kefe szerkezeteit, pajzsokat, a tekercselt állórészt) látjuk a 3.5 ábrán.
3.5 ábra
22 Működés közben a forgó mező - a külső mágnes- erővonalai metszik az állórész és a forgórész tekercseit, és bennük feszültséget indukálnak. Az állórész tekercseiben indukált feszültség és a tekercseken létrejövő feszültségesések összege a hálózat feszültségével tart egyensúlyt. Az ω≠ω0 szögsebességű forgórész tekercseiben indukált feszültség a forgórész tekercselés zárt áramköreiben áramot indít. Ez hozza létre a belső mágnest. A forgórész áram és a forgó mező egymásra hatásából erő ill. nyomaték keletkezik, amely a Lenz törvény értelmében a forgó mező és a forgórész szögsebesség különbségét, az (ω0-ω)-t csökkenteni igyekszik. Ha a forgórész szögsebessége kisebb a szinkron szögsebességnél - a nyomaték iránya megegyezik a forgásiránnyal, - amely a forgórészt és a vele tengelykapcsolatban lévő gépet hajtja. Ha a forgórész szögsebessége nagyobb a szinkron szögsebességnél - a nyomaték iránya ellentétes a forgásiránnyal -, amely a forgórészt és az azt hajtó gépet fékezi. A szögsebesség nem érheti el a szinkron szögsebességet, mert akkor teljesen megszűnne az indukált áram és a forgatónyomaték. Vagyis az ω=ω0 kivételével minden nem szinkron szögsebességnél van nyomaték. Innen az aszinkron elnevezés. Mivel a forgórész áramok indukció révén keletkeznek, e gépeket indukciósnak is nevezik. A külső és belső mágnes minden ω-nál együtt marad, relatív helyzetük változatlan marad, mert a forgórész ω szögsebességénél a forgórészben indukált f2 frekvenciájú áramok eloszlása egy olyan forgó mezőt (belső mágnest) hoz létre, ami pontosan (ω0-ω)-val forog a forgórész vastestéhez képest és (ω0-ω)+ ω= ω0-lal az állórészhez képest, azaz együtt forog az állórész mezővel. Az üzem fontos jellemzőjeként definiálták a forgó mező és a forgórész szögsebesség különbségének viszonyát a mező szögsebességéhez, ez a szlip (csuszamlás).
s=
n0 - n f2 = . n0 f1
Ebből a szögsebesség: A szlip névleges értéke
sn=(1...6)%.
Amíg a terhelőnyomaték 0-ról Mn-ig nő, a szögsebesség a szinkronhoz képest sn%-kal csökken. Az aszinkron motor tehát a jelleggörbe üzemi szakaszán szögsebesség tartó (fordulatszámtartó) gép. A következő megfontolások - a szokásos módon- kétpólusú (p=1) gépre vonatkoznak, ezért ω1=ω0
23 A teljes mechanikai jelleggörbe meghatározásához az állandó frekvenciájú táplálásra érvényes helyettesítő kapcsolást használjuk fel (3.6/c ábra). Ez egy olyan kapcsolás, amelyik egy szliptől függő Rt’ terhelő ellenállást táplál, amelynek teljesítménye a Pm mechanikai teljesítménnyel egyezik meg:
a.
b.
c.
3.6 ábra A helyettesítő kapcsolás további elemei: R1
az állórész tekercselés egy fázisának ellenállása,
Xs1=ω0.Ls1 az állórész tekercselés egy fázisának szórási reaktanciája, Ls1 az állórész tekercselés egy fázisának szórási induktivitása, Xm=ω0.Lm a mágnesező reaktancia, Lm a mágnesező induktivitás, Xs2’=ω0.Ls2’ a forgórész egy fázisának szórási reaktanciája az állórész tekercselés menetszámára átszámítva, Ls2’ forgórész egy fázisának szórási induktivitása az állórész tekercselés menetszámára redukálva, R2 '
a forgórész egy fázisának ellenállása az állórész tekercselés menetszámára átszámítva,
ω0
az állórész áram körfrekvenciája is, mert feltételezzük, hogy p=1,
Rv
a vasveszteségi ellenállás.
24 Az arányok névleges üzemben:
,
A 3.6/a ábrán egy csúszógyűrűs motor teljesítményszalagját, a 3.6/b-n szerkezetének fél metszetét is látjuk szaggatott vonallal jelezve, hogy az egyes teljesítmények ill. veszteségek a gép melyik részében keletkeznek és a helyettesítő kapcsolás melyik eleméhez kötődnek. A motorüzemre vonatkozó teljesítményszalag a 3.6/a ábrán mutatja, hogy a gép állórészébe bevezetett P1 villamos teljesítmény fedezi az állórész Pt1 tekercs- és Pv vasveszteségét. A megmaradt teljesítmény a légrésen keresztül a forgó mező közvetítésével jut a forgórészbe, ezért légrés teljesítménynek nevezzük. Ez valójában a forgórész összes teljesítménye. A P ℓ légrés teljesítményből vonódik le a Pt2 forgórész tekercsveszteség, a többi Pm mechanikai teljesítménnyé alakul át. A gép mechanikai vesztesége a Ps súrlódási vesztség, melynek levonása után a tengelyen leadott P2, vagy Ph hasznos (névleges) teljesítmény kapjuk. Az aszinkron gép forgórészében keletkező vasveszteséget a kicsiny névleges f2 miatt (0,5...3 Hz) elhanyagoljuk.
Az M(s) nyomaték-szlip jelleggörbe levezetéséhez egyfajta egyszerűsített helyettesítő
kapcsolást
használunk
(3.7 ábra). A Pℓ légrés teljesítményből indulunk ki. 3.7 ábra Háromfázisú gépnél:
P M 0 3 I '22
R '2 3 s
U 12 R '2 . s R '2 2 (R 1 ) X2 s
25
Ebből
(3.1)
A maximális (billenő) nyomatékhoz tartozó szlipet a
sb =
R′2 2 ±√R"2 1 +X
nyomaték:
dM ds
= 0 egyenletből kapjuk:
. A + előjel a motorra, a – a generárorra vonatkozik. Ezzel pl. a motoros billenő
M bM
3 U12 0
1 R 2 ( 2 R1 ) sb
A függőleges tengelyt az ω=ω0 (1-s) alapján az ω szerint is léptékezhetjük. Így az ω(M)
3.8 ábra mechanikai jelleggörbéhez jutunk. A 3.8 ábrán bejelöltük a jellegzetes üzemállapotokat, a billenő- (maximális-) nyomatékok értékeit, valamint felrajzoltuk az ω(I1) függvényt is. A nagy Ii indító áram és a kis Mi indító nyomaték kedvezőtlen tulajdonságai az indukciós motornak, amin kétkalickás, vagy mélyhornyú forgórész alkalmazásával lehet javítani.
26 A 3.1 képlet mutatja a szögsebesség változtatás lehetőségeit. Háromfázisú csúszógyűrűs motoroknál lehetőség van a csúszógyűrűkhöz csatlakozó keféken keresztül beavatkozni a forgórész áramkörébe. Ez legtöbbször ellenállás beiktatását jelenti. A beiktatott ellenállás rontja a hatásfokot. Az ω változtatás szokásos módszerei kalickás motoroknál: • az U1 fázisfeszültség csökkentése, • a p póluspár szám változtatása, • az f1 frekvencia változtatása.
3.9 ábra Az U1 fázisfeszültség csökkentésére a gyakorlatban csak a 3.9 ábrán látható kapcsolás terjedt el. A motor minden fázisa elé ellenpárhuzamosan kapcsolt tirisztor párok, (az ábrán triakok) gyújtásával a motor kapocsfeszültségét zérustól a hálózati feszültségig lehet változtatni. A szögsebesség csak növelt forgórészköri ellenállás esetén változik jelentősebben, de akkor a hatásfok romlik. Szellőzők hajtására, ill. „lágy”, csökkentett nyomatékú indításra használják. A póluspárszám változtatásával, mivel a p csak természetes egész szám lehet, csak néhány diszkrét fordulatszám állítható elő. A Dahlander-tekercselésű motoroknál ugyanannak az állórész tekercselésnek a pólusszámát átkapcsolással 1:2 arányban lehet változtatni. Nagyobb arányú pólusszám változtatást használnak lift motoroknál (gyors ill. lassú menetre), vagy az automata mosógépeknél (mosás ill. centrifugálásra), de ekkor két különböző póluspárszámú tekercselés van az állórészen. A forgórész mindig kalickás. 3.10 ábra Az f1 tápláló frekvencia folyamatos változtatása veszteségmentes fordulatszám változtatást tesz lehetővé, és 50 Hz-nél nagyobb frekvenciáknál 3000 1/min-nál nagyobb fordulatszámokat
27 is el lehet érni. Ma ez az egyik leggyakoribb fordulatszám változtatási módja a háromfázisú indukciós motoroknak. Működés közben a vasmag telítődését elkerülendő a fluxus nem haladhatja meg a névleges értéket, ezért valamelyik fluxust (ψ-t, ψr-t ), ill. a hozzá tartozó feszültséget (U≈a.ψ.f1) állandó értéken célszerű tartani. Ennek megfelelően többféle szabályozási stratégia alakult ki. A frekvencia változtatásakor használt egyszerűsített helyettesítő kapcsolás alapján (3.10 ábra) levezethető, hogy ha a motort változó f1-ű, (ω0-jú) feszültséggel tápláljuk, de az U1/f1=áll., akkor a jelleggörbék szinte párhuzamosan tolódnak el, de a motoros billenőnyomaték csökken, a generátoros billenőnyomaték nő. Frekvenciaváltók aszinkron motorok táplálására Közvetlen
Közbenső egyenáramú körös
500 kW fölötti teljesítményre, kis fordulatszámra
Áram inverter 10-1500 kW-ra
ua
ua
2 U 3 E1 3
UE
2π ωt
3.11 ábra
Feszültség inverter egyszerű ISzM (6 ütemű) (PWM) Egyszerű invereteres kapcsolásnál (3.11/a ábra) a motor kapcsait a háromfázisú rendszernek és egy perióduson belül a 6 ütemnek megfelelően kell a tranzisztorokkal az UE feszültség + - sínéhez kapcsolni. A U1/f1=áll. tartására az UE-nek változtathatónak kell lenni. Az a fázis feszültsége pl. a következő lesz. A feszültség nem szinuszos alakja miatt felharmónikusok lépnek fel.
28 Egy közbenső egyenáramkörös, feszültség inverteres, ISzM-es aszinkron motoros hajtás kapcsolását mutatja a 3.12 ábra.
Az ISzM-es vezérléssel biztosítani lehet az U1/f1=áll. tartását, és a nagyon jó közelítéssel a szinuszos feszültséget. Kondenzátoros segédfázisos indukciós motor. Két merőleges tengelyű állórész tekercs esetén az egyik tekercset főfázisnak nevezzük. Ez közvetlenül rákapcsolódik egy egyfázisú hálózatra. A másik tekercset segédfázisnak hívjuk. (3.13 ábra). Ez egy vagy két kondenzátor
közbeiktatásával
kapcsolódik
ugyanarra
az
egyfázisú hálózatra. (3.14 ábra). Az egyfázisú táplálás miatt ezeket a motorokat egyfázisú motoroknak is hívjuk. Az ilyen motoroknál gyakran elliptikus forgó mező keletkezik. A fázisban eltolt áramot a segédfázissal sorba kapcsolt kondenzátor hozza létre. Ez csak egy bizonyos fordulatszámnál
(impedanciánál)
létesít
éppen
900-os
fáziseltolású áramot, ill. körforgó mezőt. 3.13 ábra Az elliptikusan forgó mező felbontható egy nagyobb amplitúdójú és vele szembeforgó kisebb amplitúdójú körforgó mezőre. A két körforgó mezőhöz tartozó mechanikai jelleggörbék összege adja az eredő jelleggörbét. Indító és üzemi kondenzátoros motor kapcsolását és jelleggörbéit látjuk a 3.14 ábrán. Így két fordulatszámnál is (célszerűen indításkor és névleges fordulatszámnál) meg tudjuk valósítani a körforgó mezőt. A Ci kondenzátort felfutás után lekapcsoljuk.
29
Szinkron gép Állórészén forgómezős tekercselés van, melynek szögsebessége 0
2 f1 . p
A forgórész hengeres (állandó légrésű), vagy kiálló pólusú (3.15 ábra).
3.15 ábra A kb. 15 kVA-nél nagyobb teljesítményeknél két csúszógyűrűn be- ill. kivezetett, egyenárammal gerjesztett elektromágnes van. A két mágnes csak együtt „szinkronba” tud járni, a gép csak az ω0 szögsebességen tud nyomatékot kifejteni, ezért a nagyteljesítményű gépeket, (pl. az erőművi generátorokat) hálózatra kapcsoláshoz „szinkronizálni” kell. Ez azt jelenti, hogy nyitott állórész kapcsoknál (üresjárásban) a forgórész mágnes forgatásával egy forgó mágneses mezőt létesítünk, ami váltakozó feszültséget indukál az állórész (armatúra) tekercsekben. Ezt az indukált feszültséget Up pólusfeszültségnek hívjuk, (mert a forgórész pólusfluxus hatására keletkezik). Szinkronizáláskor az Up feszültség
frekvenciáját a szögsebesség (a fordulatszám) változtatásával,
30
nagyságát (amplitudóját) a forgórész gerjesztő áramának változtatásával,
fázishelyzetét a szögsebesség nagyon finom állításával és
háromfázisú motoroknál a fázissorrendjét
kell ugyanolyanra állítani, mint a váltakozó áramú hálózat feszültségének frekvenciája, amplitudója, fázishelyzete és fázissorrendje.
A szinkronizálást ellenőrző egy lehetséges kapcsolást mutat a 3.16 ábra. A kapcsolót akkor szabad bekapcsolni, amikor az mindegyik lámpa „sötét”.
3.16 ábra
Generátoroknál, amelyek a villamos energiatermelés kizárólagos gépei, a forgórész forgatására pl. egy turbina eleve rendelkezésre áll. Motoroknál az indítás
indító segédgéppel történhet, amellyel a frekvencia beállítására szinkron fordulatra hozzuk a forgórészt. A további egyeztetések után a hálózatra kapcsolás elvégezhető.
legtöbbször a pólusokba beépített indító kalicka segítségével történik. A kalickákkal aszinkron módra közel szinkron fordulatszámra gyorsul a forgórész. Ezután a forgórész tekercselés egyenáramú gerjesztésével megjelenik a szinkronozó nyomaték és a gép „beugrik” a szinkronba.
a tápláló frekvencia folyamatos növelésével is történhet. Ehhez frekvenciaváltó szükséges, amelynek frekvenciája (közel) 0 Hz-től a kívánt frekvenciáig folyamatosan változtatható, és terhelésekor is képes táplálni a motort. A frekvenciaváltóval a szinkron motor mechanikai jelleggörbéjét, így fordulatszámát is változtathatjuk.
„Ideális” szinkronizáláskor a hálózatra kapcsolása után sem folyik még áram az armatúra tekercselésben, mert a hálózat Uk feszültségének és az Up pólusfeszültségnek fazorjai tartósan
31 egyirányúak és azonos nagyságúak, a két mágnes tengelye között lévő terhelésre jellemző szög pedig =0 (3.17 ábra). Ettől eltérő állapotban az armatúra tekercsekben áram folyik, a pólusok tengelyei β terhelési szöggel eltérnek, de továbbra is együtt forognak. Érzékelhető, hogy a növekedésével egy bizonyos szögig a nyomaték nő, majd csökken. Könnyű belátni, hogy a legnagyobb nyomaték =90o-nál adódik, vagyis amikor a két mágneses tengely merőleges egymásra. Bizonyítható hogy az M
3 Uk Up 0 X d
sin .
A képletben Uk a gép fázisfeszültsége,
Up
a
pólusfeszültség fázisértéke, Xd pedig az ún. szinkron reaktancia.
3.17 ábra Stabil, állandó üzem csak növekvő nyomaték esetén alakulhat ki, vagyis amikor dM/d0. A nyomaték-terhelési szög függvényt a 3.18 ábra mutatja.
3.18 ábra
Az elmondottaknak megfelelően a szinkron gép ω(M) mechanikai jelleggörbéje a 3.19ábrán látszik. Az ábra azt is mutatja, hogy a szinkron gépnek nincs indítónyomatéka. A frekvencia változtatásakor a jelleggörbék párhuzamosan tolódnak el. Fáziscsere után a III. és IV. negyedben is lesznek jelleggörbék, vagyis ez a gép is 4/4-es üzemre alkalmas, ha ezt a táplálás is lehetővé teszi. A frekvenciaváltó invertere megegyezik az aszinkron motornál mondottal, de a vezérlése
-M b
3.19 ábra
M b = M max
eltér attól.
32