A váltakozó áramú villamos gép felépítése és működése

7.26. ábra. Dolivo-Dobrovolszkij háromfázisú váltakozó áramú motorja

A háromfázisú váltakozó áramú motor elvét Nikola Tesla dolgozta ki. Tesla eredetileg hat vezetéket alkalmazott a három fázis átvitelére azonban később rájött, négy is elég, ha a három visszavezetést összefogja. Ezen kívül ő találta fel az úgynevezett csillag-csillag kapcsolást is a háromfázisú rendszerhez. Itt a generátort és a motort már

csak három vezeték kötötte össze. Ennek alapján építette meg az Dolivo-Dobrovolszkij az első gyakorlatban hajtógépként is használható váltakozó áramú villamos motort. A motort teljesítménye 0,1 lóerő és csaknem teljesen zajtalanul működött.

7.27. ábra. A Tesla által kidolgozott csillag kapcsolás

A váltóáramú motorokat, csoportosíthatjuk attól függően, hogy a fordulatszám és a tápláló váltóáram frekvenciája, hogy aránylik egymáshoz, beszélünk szinkron illetve aszinkronmotorról.

Váltóáramú szinkronmotorok

A váltóáramú szinkron motorok két fő részből állnak: az állórész és a forgórész. A motorok állórészében a tekercsek, a forgórészben pedig a mágnesek találhatók. Az állórész tekercseire kapcsolt 3 fázisú váltóáram forgó mágneses teret alakít ki. Ezt az állapotot úgy képzelhetjük el, mint két koncentrikusan elhelyezkedő, egymástól függetlenül csapágyazott mágnest. Ha a külső mágnes forogni kezd – ez az állapot a forgó mágneses térnek felel meg – akkor a mágnesek ellentétes pólusainak vonzó hatása miatt a belső mágnes is forogni kezd, mégpedig ugyanolyan sebességgel, mint a forgó mágneses tér. A szinkron elnevezés tehát arra utal, hogy a motor fordulatszáma megegyezik az állórész mágneses terének fordulatszámával. A kis és közepes teljesítményű szinkronmotorok forgórészében a mágneses mezőt permanens mágnes hozza létre. Ennek a mezőértéke állandó, mágneses tengelyének iránya pedig a forgórész helyzetétől függ. A nagyobb motorok gerjesztett forgórésszel készülnek.

7.28. ábra. A szinkronmotor működési elve, a motornyomaték és a terhelési szög viszonya a) az állórész és a forgórész mágneses tengelyei egybeesnek b) a motor normális üzemmódja; c) a motor fékezési üzemmódja; Mm

- motornyomaték; Mt - terhelési nyomaték; Fé - erő érintőirányú összetevője; δ - terhelési szög; ϕf – forgórész mágneses tengelye; ϕá - állórész mágneses tengelye

Ha az álló- és a forgórész mágneses tengelyei egybeesnek, akkor a pólusok közötti erőhatás tisztán sugárirányú.

Ebben az esetben nyomaték nem keletkezik, mert az erőnek nincs érintőirányú összetevője. A motor csak akkor forog, ha az álló- és forgórész mágneses tengelyei szöget zárnak be egymással. Ebben az esetben az F erő érintő irányú összetevője nyomatékot létesít. Ez a motornyomaték – amelynek nagysága az állórész mágneses tengelyének irányától függ – egyensúlyt tart a terhelőnyomatékkal

Bár a forgórész mágneses tere a terheléstől függő szöggel lemarad az állórész mágneses teréhez képest, de fordulatszáma a terhelő nyomaték értékétől függetlenül változatlan marad, vagyis megegyezik az állórész mágneses terének forgási sebességével. A motor terhelésének növekedése nagyobb terhelési szöget eredményez, ennek ellensúlyozására a pólusok közötti kölcsönhatás a motor állórészének nagyobb áramfelvétele következtében megnő. A motor nyomatéka akkor a legnagyobb és a motor üzeme akkor a legdinamikusabb, ha a terhelési szög fél pólusosztásnak megfelelő, tehát az álló- és a forgórész mágneses tengelyei 90 fokos szöget zárnak be egymással.

Azt az eljárást, amellyel az állórész tekercseinek áramfelvételét – és ezá1tal mágneses tengelyének irányát – úgy befolyásolják, hogy egy bizonyos mozgás során a terhelési szög 90 fokos legyen, mágneses tér szabályozásnak, vagy vektorszabályozásnak nevezik.

Túlterhelés hatására a terhelőnyomaték meghaladja a billenőnyomatékot, ekkor a motor hirtelen kiesik a szinkron fordulatszámból és megáll. Ebben az esetben az áramfelvétele olyan nagy lesz, hogy a motor tekercsei leéghetnek.

Ha forgórész helyzete a forgás irányában az ábra szerint megelőzi az mágneses terét, akkor a motor nyomatékának iránya megfordul, a terhelési szög negatív lesz és a motor fékező hatást fejt ki. Ebben az esetben a motor a fékezéskor felszabaduló energiát visszatáplálja a hálózatba.

Váltóáramú aszinkronmotorok

E motorok állórészében a szinkronmotorokhoz hasonlóan háromfázisú tekercs található, viszont a forgórészt a permanens mágnes helyett egy úgynevezett kalickával látják el. A kalicka tulajdonképpen szigeteletlen rézrudakból áll, amely két végét egy-egy rézgyűrűvel rövidre zárják

A kalicka rézrúdjait a forgórész vasmagjának hornyaiba helyezik. Az állórész tekercseire kapcsolt feszültség hatására létrejövő háromfázisú áram forgó mágneses teret létesít, amely a fázissorrend által meghatározott irányba forog. Ez a forgó mágneses tér a kalicka rövidrezárt rézrúdjaiban feszültséget indukál, amely áramot létesít. A forgórészben indukált áram az állórész mágneses terével nyomatékot hoz létre, amelynek hatására a motor forgórésze mozgásba jön. E motor fordulatszáma kisebb a szinkronfordulatszámnál, ezért is nevezik ezt a motort aszinkronmotornak (előfordul még az indukciós motor elnevezés is, amely a forgórész mágneses terének keletkezésére utal).

7.29. ábra. Kalickás forgórészű aszinkronmotor 1 állórész, 2 csapágypajzsok, 3 csapágyfedél, 4 forgórész, 5 szellőzőkerék, 6 szellőzősapka, 7 csapágy

Ha a forgórész fordulatszáma az aszinkron-fordulatszámot elérné, akkor megszűnne az indukáló hatás és ezáltal a nyomaték is, tehát: a forgórész lelassulna. Ekkor viszont ismét áram indukálódna és a motor újra felgyorsulna.

A szinkron fordulatszámtól való eltérést a szlippel jellemezzük.

7.30. ábra. Kalcika kialakítása. 1 – rézrudak; 2 – rövidre záró gyűrű

A szlip azt fejezi ki, hogy a motor tényleges fordulatszáma hány százalékkal tér el a szinkronfordulatszámtól. A szlip átlagértéke körülbelül 5-6%.

A szinkron motor csak a pólusszáma és a hálózati frekvencia által megszabott állandó fordulatszámmal járhat, más fordulatszámon nem jön benne létre állandó egyirányú forgatónyomaték. Ezért indításáról valamiképpen gondoskodni kell.

Indítás

• Külön indító motorral hozzák fordulatra a szinkron gépet. (Az indítómotor teljesítménye 5-15%-a a szinkron gép teljesítményének.) Ritkán alkalmazott.

• Aszinkron indítás - aszinkron motorként indul, és közel szinkron fordulatszámra gyorsul (a forgórész nem permanens mágnes). Miután a gép aszinkron üzemben elérte a legnagyobb fordulatszámot, megszakítjuk az előzetesen rövidre zárt forgó rész gerjesztő tekercs rövidzárását, és bekapcsoljuk a gerjesztő áramot, aminek következtében a gép néhány lengés után szinkronizálódik. A szinkron motor a δ terhelési szöggel jár és ha a nyomaték hirtelen változik, az új terhelési szög elérése lengések kíséretében játszódik le.