Forgó villamos gépek

Ebben a cikkben a villamos gépek vázlatos ismertetését próbálom meg. A cikk nem törekszik a teljességre, ehhez egy többkötetes könyvsorozat kellene. Kezdjük:

Csoportosítás

 

• Egyenáramú gépek
  • párhuzamos gerjesztésű gépek
  • külső gerjesztésű gépek
  • soros gerjesztésű gépek
  • állandó mágneses gépek
  • vegyes gerjesztésű gépek
• Váltakozó áramú gépek
  • Szinkron gépek
    • külső gerjesztésű szinkron gépek
    • állandó mágneses szinkron gépek
  • Aszinkron gépek
    • kalickás forgórészű aszinkron gépek
    • tekercselt forgórészű aszinkron gépek
    • dehlander tekercselésű aszinkron gépek
  • Univerzális villamos gép

A fogógépeknél minden esetben megkülönböztetünk állórészt és forgórészt. Az állórész az, ami a szerkezethez van rögzítve. A forgórész az, ami a szerkezethez képest elmozdulhat. Vannak más definíciók is.

A villamos gépben minden esetben van két egymással kölcsönható mágneses tér. A forgást ezen mágneses terek közötti kölcsönhatásból eredő erők hozzák létre és tartják fent. Üzemszerű állapotban a két mező egymáshoz képest nem tud lényegesen elmozdulni.

Rézveszteség: A tekercselésben hővé alakuló teljesítmény a tekercselés anyagától függetlenül.

Vas veszteség: A vastestben hővé alakuló teljesítmény, amely hiszterézis és örvényáramú veszteségre bontható.

Üzemmódok

A soros gerjesztésű egyenáramú gép és az univerzális gép kivételével minden forgógép használható motor, generátor, és ellenáramú fék üzemmódban, illetve egyes gépeknek lehetnek ezektől eltérő üzemmódjai is.

motor üzemmód: A gép elektromos energiát alakít mechanikai energiává. A gépben a vas és a rézveszteség alakul hővé.

generátor üzemmód: A gép mechanikai energiát alakít villamos energiává (erőmű, motorfék). A gépben a vas és a rézveszteség alakul hővé.

ellenáramú fék: A forgásban lévő forgórészt elektromos energia segítségével lassítja. Ilyenkor mind a betáplált mechanikai, mind a villamos teljesítmény a villamos gépben alakul hővé, ezért ezt az üzemmódot a gépek általában csak rövid ideig viselik el. (például irányváltáskor)

A mágneses terek

Álló mágneses tér: a létrehozó alkatrészhez képest állandó mágneses teret hoz létre

Forgó mágneses tér: A létrehozó alkatrészhez képest a mágneses tér forgó mozgást végez (csak tekercselt mágnesekkel oldható meg)

Egyenáramú gép

Az egyenáramú gép áll egy álló mágneses térből, amit tipikusan az állórészen állítanak elő, és egy erre merőleges forgó mágneses térből, amit a forgórészen kialakított tekercselés állít elő a kommutátor segítségével.

Látható, hogy az állórész felől nézve a forgórész mágneses tere is állónak látszik, mivel minimális elfordulás hatására a kommutátor a tekercselés másik szegmensét táplálja meg, így (fontos fizikai jelenségeket elhanyagolva) merőleges marad az állórész mágneses terére.

Az állórészen levő tekercset gerjesztő tekercsnek hívjuk. Az ezen átfolyó áramot gerjesztő áramnak.

A gerjesztő áram előállítására 4 megoldás létezik:

Külső gerjesztés:

Az állórész- és forgórész- tekercselést külön tápegységgel tápláljuk meg.
Motor üzemmódban: a forgási sebességet a forgórész és az állórész tápfeszültségének változtatásával is lehet szabályozni.
Generátor üzemmódban: A kapocsfeszültséget a gerjesztőáram (és gerjesztő feszültség, lásd: Ohm törvény) változtatásával, illetve a tengely fordulatszámával lehet szabályozni.
A gépkocsi dinamók esetén a tengely fordulatszám adott – a motor fordulatszámával merev kapcsolatban van – a kapocsfeszültséget a gerjesztőáram a feszültségszabályzó segítségével való szabályozásával történik a kapocsfeszültség szabályozása.

Párhuzamos gerjesztés:

Ebben az esetben a gerjesztő tekercs és a forgórész egymással párhuzamosan van kötve, tehát a forgórész és az állórész feszültsége megegyezik.
Motor üzemmódban: A fordulatszámot kizárólag a kapocsfeszültséggel szabályozható. A forgórész feszültségének emelésével az üresjárati fordulatszám lassabban emelkedik, mint állandó árammal gerjesztett külső gerjesztésű gép.
Generátor üzemmódban: A kapocsfeszültséget kizárólag a fordulatszám szabályozásával lehet befolyásolni. A gyakorlatban gyakran kötnek a gerjesztő körbe feszültségszabályzót, ilyenkor már átmenet képez külső gerjesztésű gép felé. Indulásnál a felgerjedést a dinamóhatás biztosítja. A dinamóhatás azt jelenti, hogy a forgórészben a kikapcsolás után is marad a hiszterézis miatt némi mágnesesség, ami forgás kezdetekor alkalmas a felgerjesztés elkezdésére.

Soros gerjesztés:

Akkor beszélünk soros gerjesztésről, ha a gerjesztő tekercs sorba van kötve a forgórésszel. A gerjesztő áram megegyezik forgórész áramával.
Motor üzemmód: Terhelés nélkül magas fordulatszámon forog kis áramfelvétellel. Ha a tengelyen a terhelés nő, akkor a felvett áram nő a fordulatszám csökken. Az ilyen gépeknél gyakran nem megengedett terhelés nélkül a teljes tápfeszültség használata.
Ilyen a belső égésű motorok indítómotorja. Ilyen motorok hajtották a villanymozdonyokat azokon a vonalakon, ahol a vontatás egyenáramú hálózattal van szerelve.
Generátor üzemmód: A soros gerjesztésű gépet nem használjuk generátorként.

Vegyes gerjesztés:

Akkor beszélünk vegyes gerjesztésű gépekről, amikor az állórészen mind soros, mind párhuzamos gerjesztés megtalálható, tehát két gerjesztő tekercs van az állórészen. A viselkedése a két gépfajta géptípus viselkedése között van.
Generátor üzemmód: A soros gerjesztéssel lehet például kompenzálni a terhelés hatására bekövetkező feszültségesést.

Állandó mágneses gerjesztés:

Az állórészen a gerjesztést állandó mágnesek adják. A korszerű ritkaföldfém mágnesekkel jobb hatásfokú kisebb méretű gépek készíthetőek, mint tekercselt állórészes társaik esetén. Az ilyen motorok szétszerelése meggondolandó, mert a mágnesek vagy az állórész sérüléséhez vezethet. Viselkedése szinte megegyezik az állandó árammal gerjesztett külső gerjesztésű géppel.
Motor üzemmód: A fordulatszám kizárólag a kapocsfeszültséggel befolyásolható
Generátor üzemmód: A kapocsfeszültség kizárólag a tengely fordulatszámával befolyásolható.

Elektronikus kommutációjú gép:

A mechanikus kommutátort ma már gyakran elektronikával helyettesítik. A gépek gerjesztése ilyenkor az forgórészre kerül, ami lehet gerjesztő tekercs vagy állandó mágnes. Ha a forgórész elektromosan gerjesztett, akkor a gerjesztő áram csúszógyűrűkön jut a tekercsbe.
Az álló részre kerül a forgó mágneses teret létrehozó tekercselés, amelynek az áramát mechanikus kommutátor helyett elektronikus kapcsolókkal kapcsoljuk.
A gyakorlatban az elektronikus kommutációjunak mondott gépek gyakran elektronikus vezérlésű szinkrongépek. (A valódi elektronikus kommutáció megvalósítása drágább)

Váltakozó áramú gépek

Ebben a fejezetben a három fázisú váltakozó gépeket tárgyalom, kivéve az univerzális gépet.

Az elektromos hálózatban a 120^o-al eltolt 3 fázisos szinuszos feszültség érkezik. Ezzel a feszültséggel és megfelelő tekercseléssel az állórészben forgó mágneses teret lehet létrehozni.
Az Európában szokásos 50 Hz hálózattal:
3000 1/min (=50 1/s) fordulatot lehet létrehozni, ha a tekercselés egy póluspáros.
1500 1/min (=25 1/s) fordulatszámot lehet létrehozni két póluspáros tekercseléssel
Régebben nagyon sok póluspáros motorokat használtak, az alacsony fordulatszám elérése érdekében. Manapság általában 1-2-3 póluspáros gépeket használunk, mivel ezek kisebbek, mint a több póluspáros társaik, a fordulatszámot szükség esetén áttétellel csökkentik a fordulatszámot.

A továbbiakban az egy póluspáros gépekről beszélünk, de természetesen a leírtak a megfelelő módosításokkal igazak a több póluspáros gépekre is (A leírtak nagyrészt nem függenek a póluspárok számától)

Szinkron gép

A szinkron gépek állórészén 3 fázisú forgó mágneses teret létrehozó tekercselést tesznek. Az forgórészen vagy tekercselt, vagy állandó mágneses megoldásokkal álló mágneses teret hoznak létre.

Motor üzem: Állandó frekvenciájú hálózatról táplálva a szinkron motornak nincsen indítónyomatéka, ezért az indítást segédberendezéssel kell megoldani. A forgórész fordulatszáma merev kapcsolatban van a tápláló frekvenciával.

Napjainkban a szinkron gépeket gyakran elektronikusan vezérlik. Ilyenkor az indításnál a táplálást alacsony frekvenciával kezdik és lassan emelik az előírt frekvenciára.

Generátor üzem: Az erőművekben a legelterjedtebb generátortípus. Turbógenerátoroknál (gőz- vagy gáz- turbinával hajtott generátorok) egy póluspáros gépeket használnak 3000 1/min fordulatszámon, vízerőművekben két póluspárosokat 1500 1/min fordulatszámon.

A hálózatra kapcsoláskor a generátort fel kell pörgetni névleges fordulatszámra és be kell állítani, hogy a hálózat és a generátor kimenő feszültsége és azonos fázisban legyen. Erre egy egyszerű három izzóból (manapság LED-es, vagy mikrovezérlős) szinkronizáló berendezést használnak.

A szinkronmotoros hajtások egyszerűek, praktikusak, indításuk azonban kihívásos lehet.

 

Aszinkron gépek

Az aszinkron, rövidre zárt forgórészű vagy indukciós gépek a 20. század ipari fejlődés motorjai voltak.
Nagyon sokrétű a felhasználásuk:

• motor
• generátor
• indukciós tengelykapcsoló
• transzformátor
• frekvenciaváltó

Az állórészen a szinkron motorokhoz hasonló forgó mágneses teret létrehozó tekercselés található. A forgórészen egy ehhez igazított rövidre zárt tekercselés.
A forgórészen található tekercseket metszik az állórész által előállított mágneses tér metszi, ami a Lenz törvény értelmében olyan áramokat indukál, ami a forgórészt elfordítja.

Tekercselt forgórészű aszinkron gépek

A forgórészen is tekercselés van, amelyek a végei csúszógyűrűn keresztül vannak kivezetve. Alap esetben a forgórészen is három fázisú tekercselés van kialakítva, azonban pólusváltós vagy speciális kialakítás esetén több tekercselést is elhelyezhetnek. Ennek megfelelően a csúszógyűrűk száma akár nagyon nagy is lehet. A Kandó mozdonyok hajtómotorjain is rengeteg csúszógyűrű volt, mert több független tekercselés volt az álló és a forgórészen is.

Motor üzem: Kis és közepes teljesítmény esetén közvetlen hálózatra kapcsolással indítható. Az indítóárama 10-50 X-ese a névleges értéknek. Névleges terheléssel való indítás esetén az indításhoz indító berendezésre van szükség. Ha a csúszógyűrűs gépet nagy terheléssel kell indítani, akkor a tekercsekkel sorba ellenállást kötnek, ami a hatásfokot rontja, de az indító nyomatékot növeli.

Generátor üzem: Az aszinkron gépek önálló üzemben nem használhatóak generátorként, azonban hálózatra kötve képes generátorként felgerjedni. Ha a generátor üzem nem tervezett üzemállapot az adott felhasználásban, akkor gondoskodni kell arról, hogy a generátorként való felgerjedés ne történjen meg.

Kalickás forgórészű aszinkron gép

Az állórésze megegyezik a tekercselt forgórészű és a szinkron gép állórészével. A forgórész azonban nem tekercseléssel, hanem a forgórészbe kialakított hornyokba alumínium vagy réz „kalickát” öntenek, ami egy kevés menetszámú rövidre zárt tekercselésként működik. A rövidrezáró gyűrűn légkavaró lapátokat alakítanak ki, a hűtés javításának érdekében.

A kalickás forgórészű motorokra ugyan az vonatkozik, mint a tekercselt forgórészű verzióra, azzal az eltéréssel, hogy a forgórész tekercsei nincsenek kivezetve, ezért a gép tulajdonságait a tervezéskor kell beállítani, a gép vezérlését a tápláló frekvencia és a tápláló feszültség változtatásával lehet elvégezni.

Dahlender motor

 

Az aszinkron motorok fordulatszám váltásának alapvető megoldása az, hogy az álló és a forgórészen két (vagy több) független tekercselések készítése. Ez gazdaságtalan, mert egyszerre egy tekercselésen folyik áram.

A dahlender motor egy pólusváltós motor, ami n és két 2n fordulatszámon üzemképes. Kialakítható tekercselt és kalickás forgórésszel egyaránt, de a kalickás kivitel a sokkal elterjedtebb.

A dahlender tekercselésű motor állórészén 6 résztekercselés van. Ezek összeköthetőek úgy, hogy p pólusú vagy 2p pólusszámú forgó mágneses teret hozzon létre. A 2p póluspárhoz fele annyi fordulatszám tartozik, mint p póluspár számhoz. Ez a megoldás jelentősen kevesebb redundanciát tartalmaz, mint a független tekercselések, mert a tekercseléseken minden üzemmódban folyik áram.

A dahlender tekercselés többféleképpen kivitelezhető:

• úgy, hogy az alacsonyabb fordulatszámon legyen alacsonyabb a nyomatéka (ventilátor hajtás)
• úgy, hogy az alacsonyabb fordulatszámon legyen nagyobb (jármű hajtások)

Univerzális Gép

Az univerzális gép egy soros gerjesztésű egyenáramú gép, amelynél az állórész is lemezelve van, illetve méretezéskor figyelembe veszik annak hatását, hogy váltakozó árammal tápláljuk, tehát az állórész tekercselés induktivitása is szerepet játszik a gép üzemében. (Egyenáramú üzem esetén – állandósult üzemben – az állórésznek csak az ohmos összetevője számít)

Viselkedése erősen frekvenciafüggő.

Az univerzális gép elvileg egyen és váltakozó áramú üzemre egyaránt alkalmas, azonban egyenáramú üzem esetén jelentősen alacsonyabb kapocsfeszültséggel üzemel. Ha egy univerzális gépet egyen és váltakozó áramú üzemre egyaránt méreteztek, akkor az adattábláján mindkét névleges kapocsfeszültséget feltüntetik. (Ez csak kivételes esetben fordul elő).

Ilyen motorok vannak az elektromos kéziszerszámokban, kávédarálókban, turmixgépekben és a
16 1/3 Hz frekvenciával táplált mozdonyokban. Használata szorul vissza az elektronikus kommutációjú (gyakran elektronikusan táplált szinkrongépek) kiszorítják a használatból.

Szólj hozzá!

Ne feledd,a hozzászólásodért te vagy a felelős!