Gépészet | Felsőoktatás » Dr. Retter Gyula - Kommutátoros törpe gépek

Dr. Retter Gyula: Villamos Energetika, II kötet, 12. fejezet: Kommutátoros Törpe Gépek Kommutátoros törpe gépek 12.1 A váltakozó áramú soros motor A megértés könnyítése érdekében valamivel bővebben tárgyaljuk e géptípus kisteljesítményű változatát az univerzális motort, mint a vizsgaanyag. Lehetőség szerint a bővítéseket háttéranyagként "kitérőkkel" jelezzük. A soros kommutátoros gép váltakozó áramú táplálással is működik. A soros kapcsolás révén az armaturaáram és a vele azonos gerjesztő árammal a fluxus egyidejűleg vált előjelet, így a nyomaték előjele marad. A szinuszos időbeli változás miatt lüktető nyomaték összetevő jelentkezik és a transzformátoros nyugalmi indukciós - feszültség a kommutációt (más hatásai mellett) rontja. Az egyenáramú üzemben nem mutatkozó induktivitások önindukciós feszültségei is módosítják, rontják az üzemet, a kölcsönös indukciós transzformátoros

feszültség mellett. Kitérő: Az elektrotechnikában két v.á soros géptípus került alkalmazásra: Nagyteljesítményre a nagyvasúti motorok, kicsire az un. univerzális motorok A félvezetős áramirányítók előtt Nyugat-Európában a n agyvasutakon a v .á soros motorokat alkalmazták. A kommutáció javítására és a gépkihasználás növelésére csökkentett 50/3= 16 2/3Hz frekvenciát alkalmaztak. Emiatt a n agyvasutak táplálására külön alállomások voltak szükségesek. Magyarországon a K andó rendszerű mozdonyokat 50Hz-es hálózatról lehetett táplálni. 12.2 Univerzális motorok 12.21 Áttekintés Nevüket onnan nyerték, hogy egyen- és váltakozó feszültségről egyaránt üzemeltethetők. Ma szinte kizárólag váltakozó feszültségről működnek Működésük könnyebb követése érdekében célszerűen a már megismert eá. soros motorral összehasonlítva vizsgáljuk őket. Szokásos teljesítményük (felvett) 0,5-800(2000)W és a

legfontosabb kismotorok közé tartoznak. A kommutátor frekvenciaváltó, így a m otorok fordulatszáma nem függ a tápláló (50Hz) frekvenciától. Így egyik fő előnyük, hogy az indukciós gép 3000/min legnagyobb (hálózati) f ordulatszámánál sokkal nagyobb fordulatszámokra (1500-9000/min ill. 15000/m in is) készülhetnek Így egyrészt jobban illeszthetők a hajtott géphez, másrészt méretük lehet kicsi. A gépek méretét ugyanis a nyomaték (~φxI~B A vas xS A réz ) szabja meg. Adott nyomatékhoz nagy fordulatszámnál nagy teljesítmény tartozik. Kommutátors Törpe Gépek/1 Dr. Retter Gyula: Villamos Energetika, II kötet, 12. fejezet: Kommutátoros Törpe Gépek Ez - a kis súly - nagyon alkalmassá teszi őket kéziszerszámok és hordozható háztartási - és más - készülékek részére. További előnyük az egyszerű fordulatszám-változtatás tekercs megcsapolásokkal vagy gyújtásszög szabályozással. Viselkedésük soros jellegű. A kis

teljesítményekhez képest viszonylag nagy súrlódási veszteségek (kefe, csap, lég) fékezése miatt általában az üresjárás is megengedhető, azaz a megszaladás veszélye rendszerint nem áll fenn. A soros jelleghez tartozó nagy indítónyomaték is fontos előny sok alkalmazásnál (fúrók, keverők, stb.) Az utánaengedő soros jelleg sok alkalmazáskor (pl. fúró) előny is, de a fordulatszám szabályozást nehezíti. Hátrányok (az aszinkron géphez viszonyítva) 1./ Az ár nagyobb (kommutátor, kalickás hely ett tekercselt f orgórész, kefék). 2./ Szikrázás Zavarszűrés igénye Zaj Lüktető nyomatékok (rezgés) 3./ Kefeeltolás: Egy a névleges fordulatra beállítva 4./ Kisebb élettartam (kommutátoros forgórész miatt) 5./ Transzformátoros feszültség káros hatásai 12.22 Felépítés Hasonló az eá. gépéhez, de m indig teljesen lemezelt A lemezcsomag lehet szimmetrikus vagy aszimmetrikus (12.1 ábra) Mindig kétpólusuak és egyszerű hurkos

armatúra tekercselésük van. 12. 1 ábra Az ár érdekében sem segédpólusuk sem kompenzáló tekercselésük nincs. A kommutáció javítására kefeeltolást alkalmaznak. A 1118f ábrából látható hogy ez megfelelően csak egy áramra egy terhelésre és egy forgásirányra (célszerűen a névlegesre) működik. Kis terhelés eltérésekkor még kielégítő lehet A kommutációt és a gép működését károsan befolyásolja a transzformátoros feszültség. Kitérő: A forgási és a transzformátoros indukált feszültség. Kommutátors Törpe Gépek/2 Dr. Retter Gyula: Villamos Energetika, II kötet, 12. fejezet: Kommutátoros Törpe Gépek A v.á táplálás következtében a gép árama és fluxusa is az időben változó Ha a kefék vízszintes - merőleges - helyzetben vannak (12.2a ábra) a kölcsönös induktivitás a két tekercsrendszer között zérus így a változó φ pólusfluxus az armatúrában (mint szekunderben) un. transzformátoros

feszültséget nem indukál Az egyes armatúra tekercsek forgási indukált feszültségei (vektorosan) összeadódnak és a keféken eredőjük mérhető. Ennek frekvenciája egyenlő a mező frekvenciájával az őt indukáló fluxus ütemét követi (12.2d ábra) Nagysága viszont a v kerületi sebességgel azaz az n fordulatszámmal arányos. Ha a k eféket 90°-kal - a pólustengelybe - eltoljuk akkor az armatúrában a fordulatszámtól független a frekvenciával arányos transzformátoros feszültség indukálódik. Az eredő forgási feszültség ekkor nulla, mert az északi és d éli félpólusok alatt indukált feszültségek (l. b ábra) kiegyenlítik egymást Kefeeltolás esetén - ha az kisebb 90°-nál - mindkét fajta feszültség megjelenik az armatúra tekercselésben. A transzformátoros feszültség rontja a kommutációt és más hatásai is vannak. A továbbiakban a transzformátoros feszültséget - az általában kis kefeeltolás és a tárgyalás

egyszerűsítése miatt - elhanyagoljuk. 12.2 ábra Kommutátors Törpe Gépek/3 Dr. Retter Gyula: Villamos Energetika, II kötet, 12. fejezet: Kommutátoros Törpe Gépek A kommutáláskor keletkező szikrák zavarokat okoznak a közeli rádió, televízió, telefon készülékekben. Ezért zavarszűrő egységeket kell alkalmazni A gerjesztő tekercset - gyakran - szimmetrikusan - elosztva - készítik (12.3 ábra) így azok induktivitásai a szűrő részét képezik. Az armatúra kapcsira kötött C1 kondenzátor gyakran elmarad mert a gép elé kapcsolt aluláteresztő szűrő előregyártott egységet az állórészre építik. Gyakran az R-L rész is hiányzik 12.3 ábra 12.23 Az n(M) mechanikai jelleggörbe Az eá. és a vá jelleggörbe eltérő lesz mert a vá tápláláskor az armatúra és a gerjesztő tekercsek öninduktivitásain is feszültségesések jönnek létre. Különösen kis fordulatszámokon és induláskor lesz nagy a különbség, mikor a f orgási

feszültség kicsi az induktív f eszültségesések viszont adott áramnál változatlanok, így a gép cosϕ-je kicsi. 12.41 Az n e egyenáramú fordulatszám A kefeeltolás miatt a hatásos armatúra vezetőszám (12.4 ábra) cosα arányban csökken. Így az indukált feszültség U i = k u n e φ cos α = U − IΣR ΣR = R a + R p + ( R K ) (12-1ab) kifejezéséből a fordulatszám ne = U − IΣR k u φ cos α (12-2) Ra ill. Rb az armatura ill a pólustekercs ellenállása, Rk a kefeátmeneti ellenállás Kommutátors Törpe Gépek/4 Dr. Retter Gyula: Villamos Energetika, II kötet, 12. fejezet: Kommutátoros Törpe Gépek 12. 4 ábra 12.232 Az n v váltakozó áramú fordulatszám A vá. üzemben a kefeeltolás miatt a pólusf luxus az arm atúrában - mint láttuk - forgási és transzformátoros (kölcsönös indukciós) f eszültségeket is indukál. Utóbbit az általában kis kefeeltolás miatt elhanyagoljuk Marad a forgási feszültség és az önindukciós

feszültségek, amelyeket szokás szerint feszültségesésként veszünk figyelembe, valamint az ohmos feszültség-esések. 12.5 ábra A gép 12.5a kapcsolása alapján a b ábrán rajzolt feszültségegyenlete U = U f + I ( R a + R p ) + Ij( X a + X p ) helyettesítő kapcsolás (12-3) Az X a és X p reaktanciák a fő és szórt fluxusokat is "tartalmazzák". U f mint a 12.2d ábrából is látható "együtt lüktet" φ -vel azaz fázisban van vele és nagysága arányos n-nel. Mellékjelenségek, így a rövidrezárt, kom mutáló menetek veszteségeinek elhanyagolásakor φ I − vel is fázisban van. A helyettesítő kapcsolás alapján, célszerűen I − ből kiindulva felrajzoltuk a fázorábrát (12.5c) A f ázorábrában effektív értékeket rajzoltunk így abból a forgási feszültség maximális értékére a 2 U f = 2 ( U cos ϕ − IΣR ) = k u φ m n v cos α Kommutátors Törpe Gépek/5 (12-4) Dr. Retter Gyula: Villamos Energetika, II

kötet, 12. fejezet: Kommutátoros Törpe Gépek kifejezés nyerhető. Innen a vá fordulatszám nv = 2 ( U cos ϕ − IΣR ) k u φ m cos α (12-5) A rövidrezárt menetek veszteségei I és φ között β szöget eredményeznek. 12.233 A nyomaték Egyenáramnál a kefeeltolás elfordítja az arm atúra gerjesztés tengely ét α szöggel, így a k mI cosα hatásos értékkel az eá. nyomaték (12-6) M e = k mφI cos α Váltakozó áramnál I és φ is szinuszosan változik az időben így a vá. teljesítményhez hasonlóan az időben lüktető nyomaték középértékét kell keresni. Ha az előző pontban megismert β veszteségi szöget f igyelembe vesszük, akkor az áram és a fluxus i = I m sin ωt ϕ = φ m sin(ωt − β) (12-7ab) kifejezéseivel a 1 1 cos(α − β) − cos(α + β) 2 2 trigonometriai összefüggés felhasználásával a nyomaték pillanatértékére az sin α sin β = k4 647 8 m = km (cosα )ϕi = kϕi (12-8) az egyenáramúéhoz hasonló

nyomatékképlettel közé pé. 678 m= kφ m I m 2 / T ∫ dt = 0 614 748 [cos β − cos(2ωt − B]. (12-9) A nyomaték hasznos középértéke innen 1 (12-10) M v = k mφ mI m cosβ 2 A pillanatértékeknek és a középértéknek a szerkesztését a 12.6 ábrán látjuk Kommutátors Törpe Gépek/6 Dr. Retter Gyula: Villamos Energetika, II kötet, 12. fejezet: Kommutátoros Törpe Gépek 12. 6 ábra β általában kicsi így M v középérték (maximumot közelítő) mindig van. Az 1/2 tényező a ( φ m / 2 ) ( I m / 2 ) módon származik. Azaz a nyomatékot az eá géppel szemben a φ fluxus effektív értéke szabja meg, így az 1 / 2 = 70, 7% − a az (azonos méretű) eá. gépének Az n és M képletek alapján a 12.7 ábrán felrajzoltuk az n e ( M e ) és n v ( M v ) mechanikai jelleggörbéket. A vá. üzemben nagy terheléskor a teljes induktív feszültségesés nagy ezáltal a ϕ fázisszög nagy - cosϕ kicsi - ezáltal U f csökken és vele n v is kisebb

(l. 125 fázorábrát). A kommutáló menetek transzformátoros feszültségei és az örvényáramok ellengerjesztése váltakozó áramú üzemben csökkentik a φ fluxust, ezáltal növelik n v -t. Kis fordulaton (nagy terhelésen) az első hatás erőteljesebb így n v < n e (l. 127 ábra) Kommutátors Törpe Gépek/7 Dr. Retter Gyula: Villamos Energetika, II kötet, 12. fejezet: Kommutátoros Törpe Gépek 12. 7 ábra Nagy fordulaton (kis terhelésen) a második hatás a döntő így itt n v > n e (l. 127 ábra) A forgásirányt vagy a pólustekercs vagy az arm atúra tekercs kapcsinak cseréjével lehet elérni. A kefeeltolás iránya megszabja a forgásirányt Kitérő: 12.24 Fordulatszám változtatási és szabályozási módszerek 12. 8 ábra Tekercs megcsapolás (12.8 ábra) A kisebb fluxus (1-nél) erősítve a kisebb feszültségeséssel megnőtt indukált feszültséggel nagyobb fordulatszámot eredményez nv = Ui + ∆Ui k u ( φ − ∆φ ) Kommutátors

Törpe Gépek/8 Dr. Retter Gyula: Villamos Energetika, II kötet, 12. fejezet: Kommutátoros Törpe Gépek 12. 9 ábra Előtét ellenállás (12.9 ábra) Ugyanakkora motor áramnál, azaz ugyanakkora φ fluxusnál a megnövelt feszültségeséssel csökkentett Ui indukált feszültség kisebb n v fordulatszáma vezet. 12. 10 ábra Takarék transzformátor. A kapocsfeszültség változtatásával (1210a ábra) veszteségmentes fordulatszám változtatás (12.10b ábra) érhető el Váltakozó áramú szaggató (Triac). Ellenpárhuzamosan kapcsolt tranzisztorok gyújtásszög szabályozásával a 12.11 ábra feszültségszabályozása érhető el 12. 11 ábra Fordulatszám szabályozás A klasszikus megoldás a centrifugális kapcsoló volt, amely együzemi pontban 1% hibával tudta tartani a fordulatszámot előtét ellenállás be- ill. kikapcsolásával A mai elektronikai megoldások többnyire szaggatót alkalmaznak az alábbi fordulatszám-mérő módszerekkel: Kommutátors

Törpe Gépek/9 Dr. Retter Gyula: Villamos Energetika, II kötet, 12. fejezet: Kommutátoros Törpe Gépek 1./ A félvezetők kapcsolási szünetében a remanens fluxus által indukált armatúra feszültség a fordulatszám érzékelő. 2./ A mérést az armatúra ellenállás feszültségesésének kompenzálásával végzik Ezzel a növekvő terhelés okozta fordulatszám esést "becsülik". 3./ Tachométer alkalmazása A legjobb de drága - és helyet igénylő - módszer 12.3 Kefenélküli gépek (Elektronikus kommutátorú eá motorok) Túlzás nélkül állítható, hogy a kefenélküli eá. gépek új korszakot nyitottak a szabályozástechnika, a szervo motorok fejlődésében. Fontosságuk ellenére csak áttekintő vizsgálatukra van itt módunk. Régóta keresnek oly an hajtómotort, amely az aszinkron és az egyenáramú motor előnyeit egyesíti és hátrányaikat mellőzi. Így rendelkezzék az aszinkron gép robusztusságával, nagy élettartamával,

valamint az egyenáramú gép egyszerű szélestartományú (a pólusszámmal nem kötött) f ordulatszám változtatásával ill. szabályozásával. Ugyanakkor legyen mentes az aszinkron, a szinkron és az egy enáramú gépek hibáitól, am elyek: Aszinkron: meddő igény, forgórész veszteség és melegedés. Szinkron: lengéshajlam, stabilitási határ, kiesés Egyenáramú: drága, érzékeny, helyet és kezelést igénylő kommutátor és kefe. A kefenélküli gépben a kommutátor szerepét forgórész-helyzetérzékelő szenzorok és azok által kapcsolgatott félvezetős teljesítmény áramirányító helyettesíti. Mi ugyanis a kommutátor feladata? Gépeink heteropolárisak, északi, déli pólusok váltják egymást. Amikor az arm atúra vezető ellenkező pólus alá forog - a változatlan nyomaték irányhoz - áramirányát meg kell fordítani. Ehhez mérnünk kell helyzetét, hogy tudjuk mikor kell az áramirányt megfordítani. Az elmondottaknak megfelelően a

kefenélküli gépeket felépítésük és gyártásuk még viszonylag drágává teszi. Alkalmazásukat és áruk fokozatos csökkenését ugyanakkor több tényező segíti, így: a teljesítmény tranzisztorok árának csökkenése, az im pulzus szélesség modulációs feszültséginverterek áramszabályozásának fejlődése, a detektorok fejlődése valamint napjainkban a szenzormentes megoldások rohamos kialakulása valamint a mágnesanyagok kutatási eredményei. Az elmondottak és a teljes rendszer egyre nagyobb mértékű integráltsága áraikat fokozatosan csökkenti. Láttuk, hogy a kommutátoros gép armatúra tekercselése nagy fázisszámú. Minden tekercs egy fázis. Ha ezt az elgondolást kívánnánk félvezetősre alakítani akkor minden armatúra tekercshez - a kétirányú áramhoz - négy tranzisztor (l. 12.12b ábra) kellene és mindegyikhez gyújtás, érzékelés, szabályozás, védelem Kommutátors Törpe Gépek/10 Dr. Retter Gyula: Villamos

Energetika, II kötet, 12. fejezet: Kommutátoros Törpe Gépek 12. 12 ábra A kefenélküli - félvezetős - gép ezért kis - 3, 4, 5 - fázisszámú. Ez szükséges és lehetséges: a./ Szükséges a nagy költség, és a sok meghibásodó és bonyolultságot okozó alkatrész elkerülésére. b./ Lehetséges A klasszikus kom mutátoros gép sok f ázisának - egyik elsődleges - oka a két szelet közötti kis szeletfeszültség. A félvezetők zárófeszültsége ma már 1000V és afeletti nagyságrendű, így kevés számú fázis szükséges. Az armatúra "nyugvó" táplálása miatt a szinkron gépet visszafordítjuk. A kefenélküli gép alapgondolatát a 11.2 ábra háromfázisú - leggyakoribb változatában már megismertük A kapcsolók hely ébe képzeljünk tranzisztorokat Ezeknek tudniuk kell, hogy az ellenkező forgórész pólus közeledtekor mikor kell ki ill. bekapcsolniuk Ehhez szükséges a f orgórész helyzetérzékelése pl Hall szondával

(rezolverrel, tachogenerátorral, optikai érzékelővel a nem működő fázistekercs indukált feszültségével, ma egyre inkább szenzormentes megoldással pl. "observerrel" a gép modelljét alkotó "megfigyelővel") Kommutátors Törpe Gépek/11 Dr. Retter Gyula: Villamos Energetika, II kötet, 12. fejezet: Kommutátoros Törpe Gépek 12. 13 ábra A táplálás lehet csillagpontos vagy hidas. A széleskörűen használatos háromfázisú változatokat a 12.13 ábrán látjuk Mindkét esetben a hálózati 50Hz frekvenciából egyenirányítóval =f 0 frekvenciát létesítünk, majd az egyenfeszültségből a feszültséginverterrel "kivagdossuk" a gépet tápláló változó f v frekvenciát. Közbenső egyenáramú körös, feszültséginverteres áramirányítónk tehát az f1 0 f r frekvenciaátalakítást hajtja végre. Törpe teljesítményeken használatos az egyszerűbb, kevesebb tranzisztoros három ütemes (a 12.2 ábrával

kapcsolatban megismertük) csillagpontos kapcsolás (12.13a ábra) A b. ábrán a hídkapcsolású megoldás inverter részét látjuk, am ely az egyenfeszültséget "invertálja" váltakozóvá. A 1214ábrán láthatóan mindig két fázistekercs vezet és az ábra átkapcsolásával az eredő fluxus is 60°-ot ugrott így 6 ütemű megoldást nyerünk. Kommutátors Törpe Gépek/12 Dr. Retter Gyula: Villamos Energetika, II kötet, 12. fejezet: Kommutátoros Törpe Gépek 12. 14 ábra A görbealakok szerint két alaptípust szokás megkülönböztetni a négyszögmotort és a szinuszmotort. 12. 15 ábra A négyszögmotor idealizált mezőgörbéje négyszög- így az indukált feszültségnek időgörbéje trapéz alakú a szinuszmotornál mindkettő szinuszalakú. Az un. illesztett esetben - amely állandó ny omatékra vezet - az elsőhöz négyszögalakú áram időgörbe (l. 1215 ábra) tartozik, a másodikhoz szinuszáram. A 1215 ábrából látható, hogy az i=

áll. szakaszon u i i tehát a teljesítmény és - állandó - fordulatszám esetén a ny omaték is állandó. A "lukas" szakaszt a m ásik fázis "tölti ki". A szinuszmotor nyomatéka a klasszikus gépeknél megismert módon állandó. S okan csak a négyzet motort nevezik kefenélküli egyenáramú gépnek (angolul brushless dc motor BDCM) a Kommutátors Törpe Gépek/13 Dr. Retter Gyula: Villamos Energetika, II kötet, 12. fejezet: Kommutátoros Törpe Gépek szinuszmotort állandó m ágneses (áramirányítós önvezérelt) szinkron gépnek (angolul, permanent-magnet synchronous motor PMSM) hívják. A négyszög és a szinusz feszültséget ill. áramgörbét az egyenfeszültségből "mesterségesen" impulzus szélesség modulációval kell előállítani. A szinuszgörbe kialakítása háromszög és szinuszgörbe m etszéspontjaiban végzett be- ill. kikapcsolásokkal a 12.16 ábrán látható 12. 16 ábra Kommutátors Törpe Gépek/14