Szinkrongép

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából
Ugrás a navigációhoz Ugrás a kereséshez

A szinkrongép a forgó villamos gépek egyik alaptípusa. Forgórészét egyenárammal táplált tekercseléssel, vagy állandómágnesekkel gerjesztik, állórészén többfázisú váltakozó áramú tekercselés található. A szinkrongépek motoros üzemben a felvett villamos energiát mechanikai energiává alakítják, generátoros üzemben pedig a felvett mechanikai energiát alakítják villamos energiává. Fő alkalmazási területük villamos energia termelése erőművi generátorként, de egyre gyakrabban találkozhatunk szinkronmotorokkal szervo- és járműhajtásokban is.

Szinkrongépek csoportosítása[szerkesztés]

Szinkrongép diagramjai. A vízszintes tengelyen a terhelési szög. A kék színű függőleges tengely a nyomaték normalizált értékét mutatja (felül motoros, alul generátoros). A piros színű függőleges tengelyen a reaktív teljesítményt látjuk. A hosszan szaggatott piros vonal az 1,5-szeresen túlgerjesztett szinkrongép reaktív teljesítményét szemlélteti, amely kapacitív is lehet, ezért fázisjavításra használható

Elsődleges üzemállapot szerint[szerkesztés]

Elsődleges üzemállapot szerint beszélhetünk szinkrongenerátorról és szinkronmotorról,[1] attól függően, hogy a szinkrongép elsődlegesen generátoros vagy motoros üzemállapotban működik. Generátoros üzemállapotban a villamos forgógépek a mechanikai energiát villamos energiává alakítják. A szinkrongenerátor a mechanikai energiát a tengelyén veszi fel. A villamos energiát a generátor kapcsain keresztül a hálózatba adja le. Az erőművek túlnyomó többségében a villamos energia előállítására szinkrongenerátorokat alkalmaznak. Motoros üzemállapotban az energiaáramlás iránya fordított. A szinkronmotor a hálózatból felvett villamos energiát alakítja mechanikai energiává és a tengelyén adja le a hozzá csatlakozó hajtott gépnek. Szinkronmotorokat elsősorban szervohajtásokban és villamos járművekben alkalmaznak. A szinkronmotorok is működhetnek generátoros üzemmódban, villamos fékezéskor.

Helyettesítő kapcsolási vázlatának legfontosabb elemei az armatúra-visszahatás, a szórási reaktancia és a rézveszteség.[2]

A forgórész gerjesztésének módja szerint[szerkesztés]

Szinkrongépek forgórészének mágneses mezőjét elektromágnesekkel vagy állandómágnesekkel hozhatjuk létre. Előbbi esetben egyenárammal gerjesztett, utóbbi esetben állandómágneses (permanens mágnesű) szinkrongépről beszélünk. Egyenárammal gerjesztett szinkrongépek forgórészén tekercsek találhatók, amelyekben egyenáram folyik. A gerjesztőáramot a gép forgórészébe csúszógyűrűs-kefés szerkezettel vezetik. A kefék kopó alkatrészek, emiatt ez a kialakítás rövidebb időközönkénti karbantartást igényel. Gyakori megoldás, hogy a gerjesztőáramot a szinkrongéppel tengelykapcsolatban lévő egyenáramú gerjesztőgép szolgáltatja. A szinkrongenerátorokat jellemzően egyenárammal gerjesztik. Az állandómágneses gépek forgórészébe a leggyakrabban AlNiCo, illetve NdFeB mágneseket építenek be. A permanens mágnesű gerjesztésnél nem kell a forgórészbe áramot vezetni, nincs szükség gerjesztőgépre sem, azonban a forgórész gerjesztése nem változtatható, nem szabályozható. Állandómágneses szinkrongenerátorokat jellemzően olyan helyeken alkalmaznak, ahol nehézen megoldható a karbantartás (például víz alatti búvárgenerátorok), vagy kicsi a rendelkezésre álló hely (például szélgenerátorok). A szinkron szervomotorok és járműmotorok többsége viszont elektromágneses gerjesztésű.

Továbbá megkülönböztetjük még az öngerjesztéses szinkrongépet is, melyben a forgórész tekercselését a légrésen keresztül az állórész tekercselés segítségével gerjesztjük.

A mágneses mező alakja szerint[szerkesztés]

A mágneses mező – pontosabban a mágneses indukció kerület menti eloszlásfüggvényének – alakja szerint a szinkrongép lehet szinuszmezős és négyszögmezős. Szinuszmezős gépek indukció-eloszlása a szinuszfüggvény szerint változik, a pozitív félperiódus egy északi, a negatív félperiódus egy déli mágneses pólusnak felel meg. A szinuszos indukció-eloszlás következtében a gép állórész tekercseiben indukált feszültség időfüggvénye szintén szinuszos lesz. Ennek értelmében szinuszmezős szinkrongenerátorral szinuszfüggvény szerint váltakozó feszültséget lehet előállítani, ezért az erőművi generátorok mindegyike szinuszmezős szinkrongép. Szinuszmezős szinkronmotort a lüktetésmentes nyomaték érdekében szinuszfüggvény szerint váltakozó áramokkal kell táplálni.[3]

Négyszögmezős gépek indukció-eloszlása a négyszögfüggvény szerint változik, pozitív félperiódusa a szinuszmezős gépekhez hasonlóan egy északi, negatív félperiódusa egy déli mágneses pólust jelöl. Az indukció-eloszlás és az indukált feszültség időfüggvénye közötti összefüggés ebben az esetben is fennáll, amiből következik, hogy villamos energia termelés céljából nem építenek négyszögmezős szinkrongépeket.[4]

A négyszögmezős szinkrongépeket elsősorban motorként alkalmazzák. A lüktetésmentes nyomaték kialakulásának feltétele itt is az illesztett táplálás, azaz a motort négyszögfüggvény szerint váltakozó árammal kell táplálni. A négyszögmezős szinkronmotorok vezérlése sokkal egyszerűbb, mint a szinuszmezős szinkronmotoroké, ezért sokkal több alkalmazásban (szervomotorok, villamos járművek hajtásai) találkozhatunk velük. A négyszögmezős, állandómágneses szinkronmotorokat nevezik kefe nélküli egyenáramú (BLDC) motornak és elektronikus kommutációjú egyenáramú (ECDC) motornak is. A BLDC és ECDC motorok működésüket és általában felépítésüket tekintve négyszögmezős szinkronmotorok, a hozzájuk tartozó vezérlő elektronikával kiegészülve - „felhasználói” szempontból – tekinthetők egyenáramú motornak.

Működési elv[szerkesztés]

Villamos forgógépek működésének alapfeltétele, hogy az állórész mező és a forgórész együtt forogjon. Szinkrongépek esetében az állórész többfázisú, szimmetrikus, kiegyenlített táplálásával forgó állórész mező jön létre, aminek fordulatszámát (a nyugvó állórészhez viszonyítva) szinkron fordulatszámnak nevezzük. A gép forgórészét egyenárammal táplálva a forgórészhez viszonyítva nyugvó forgórész mező alakul ki, aminek a fordulatszáma a nyugvó állórészhez viszonyítva megegyezik a szinkrongép forgórészének fordulatszámával. Az állórész mező és a forgórész mező együttforgása csak akkor teljesíthető, ha a gép forgórésze a szinkron fordulatszámmal forog. Ebből következik a szinkrongépek egyik legalapvetőbb tulajdonsága: A szinkrongép csak egy fordulatszámon, a szinkron fordulatszámon tud üzemelni.

Az állórész által keltett mágneses mezőhöz képest a forgórész fáziskéséssel forog. A gép nyomatéka arányos ezzel a fázisszöggel. Ha a forgórész fázisszöge nulla (a forgó mágneses mező és a forgórész között nincs különbség), a gép leadott nyomatéka nulla. Ha a fázisszög előjele megváltozik (a forgórész siet a mágneses mezőhöz képest), a gép generátoros üzemállapotba kerül: nyomatékot vesz fel a tengelyén, és villamos teljesítményt szolgáltat a hálózatra.

A szinkronfordulatszám a tápláló hálózat frekvenciájától (f) és a gép póluspár-számától (p) függ: [* 1]

, illetve
min-1 (a gyakorlatban használatosabb mértékegységgel)

Erőművi szinkrongenerátorok frekvenciáját a villamos energia hálózat frekvenciája határozza meg. Értéke Magyarországon és Európa nagy részén 50 Hz. Bizonyos országokban (például Ausztria, Németország) a villamos vontatás frekvenciája eltér az ipari frekvencia nagyságától, ezért a vasútvonalak energia ellátását egyfázisú, csökkentett frekvenciájú (16 2/3 Hz) szinkrongenerátorokkal biztosítják. Atomerőművekben és hőerőművekben általában gőzturbinával hajtott kétpólusú szinkrongenerátorok (turbógenerátorok) üzemelnek, 3000-es percenkénti fordulatszámon.[* 2] Az amerikai kontinensen a hálózati frekvencia 60 s-1, ezért ott a szinkronmotor fordulatszáma 3600 min-1 A vízturbinák jellemzően kisebb fordulatszámmal forognak, mint a gőzturbinák, ezért a vízerőművekben működő szinkrongenerátorok pólusszáma nagyobb.

A szinkronmotor önmagától nem indul el; nulla fordulatszámon a nyomatéka nulla. Másrészt, az (elméleti) szinkronmotor bármely forgásirányba elindulhat. A valóságos motor pólusait aszimmetrikusra kiképezve határozzák meg az indítás tényleges irányát.

Megjegyzések[szerkesztés]

  1. A legegyszerűbb forgórész egy permanens mágnes, amelynek két pólusa van: észak és dél. Ugyanez a helyzet az egyfázisú szinkrongépnél. A háromfázisú gép háromszor ennyi pólust tartalmaz, szükségképpen tehát hatot. Ezt nevezzük kétpólusú gépnek. A háromfázisú négypólusú gép ennek következtében tizenkét pólust tartalmaz, és feleakkora a fordulatszáma
  2. Az adat a kétpólusú gépre vonatkozik. A négypólusú gép fordulatszáma Európában 1500 percenként

Jegyzetek[szerkesztés]

  1. Synchronous motor. Electropedia. International Elecrotechnical Commission. (Hozzáférés: 2016. november 27.) A szinkronmotor hivatalos meghatározása
  2. Szinkronmotorok helyettesítő ábrája. Sulinet. (Hozzáférés: 2016. november 27.)
  3. Szinkronmotorok nyomatéka, terhelési szöge. Sulinet. (Hozzáférés: 2016. november 27.)
  4. Szénássy István: Villamos hajtások. Tankönyvtár. (Hozzáférés: 2016. november 27.) Az irodalmi forrás különféle pólukialakításokat ismertet.

Források[szerkesztés]

  • Liska József: Villamos gépek III. Szinkron gépek. (Tankönyvkiadó, 1966)
  • Retter Gyula: Villamosenergia-átalakítók I-II. (Műegyetemi Kiadó, 1994)
  • Schmidt István – Vincze Gyuláné – Veszprémi Károly: Villamos szervo- és robothajtások (Műegyetemi Kiadó, 2000)