2019 december 9 - hétfő

2.4.11.1. A háromfázisú generátorokról

Mielőtt megismerkednénk Alberto Molina-Martinez Folyamatos Elektromos Generátorának szabadalmával, érdemes felidéznünk a háromfázisú váltakozó áramról és a háromfázisú generátorokról tanultakat.

A háromfázisú váltakozó áram

A váltakozó áram (AC) teljesítménye fluktuál. A háztartásban, pl. a villanykörtéknél ez nem jelent különösebb problémát, mivel az izzószál még meleg marad azokban a rövid időszakokban is, mikor a teljesítmény leesik. Ugyanakkor más fogyasztóknál, mint pl. motoroknál az az igény, hogy a teljesítmény állandó maradjon.

Ahhoz, hogy állandó teljesítményt kapjunk egy váltakozó áramú rendszerből, három elválasztott váltakozó áramú, párhuzamosan futó vezetéket kell használnunk úgy, hogy a bennük folyó áramok fázisai a periódusidő 1/3-ával el legyenek tolva egymáshoz képest.

ac3 2.4.11.1. A háromfázisú generátorokról

1. ábra. A feszültség változása a háromfázisú váltakozó áramoknál

Az 1. ábrán ez jól látszik, ahol a piros görbe a periódusidő 1/3-ával előzi meg a kék görbét és a periódusidő 1/3-ával késik a sárga görbéhez képest. Ha a periódus 50 Hz (azaz 20 ms), akkor mind a három fázis egymástól 20/3 = 6 2/3 ms-mal tér el.

A vízszintes időtengely bármelyik pontján a három fázis feszültségének összege nulla, a feszültségek különbsége pedig bármelyik két fázis között váltakozó áramú feszültséget eredményez.

Háromfázisú elektromos generátor

Minden háromfázisú generátor forgó mágneses mezőt használ.

compmotr 2.4.11.1. A háromfázisú generátorokról

2. ábra. A háromfázisú generátor a forgó mágnessel

A 2. ábrán három elektromágnest helyeztünk el egy kör kerülete mentén. Mind a három elektromágnes a saját fázisában van kapcsolva a háromfázisú elektromos fogyasztóhoz.

Mint látod, a három elektromágnes központ felé mutató pólusai váltakoznak. (S = Déli pólus, N = Északi pólus.) A betűk fekete színben jelennek meg, mikor a mágneses mező erős és világosszürke színben, mikor gyenge.

Minden egyes fázis feszültségének a fluktuálása pontosan megegyezik a mágneses mező fluktuálásával. Mikor az egyik fázis a csúcson van, akkor a másik kettőben az áram ellentétes irányba folyik fél feszültségen. Mivel a három elektromágnes időzítése olyan, hogy 1/3 ciklussal térnek el egymástól, ezért a mágneses mező egy teljes fordulatot tesz egy ciklus alatt.

A szinkron generátor működési elve

Ha elkezdjük körbeforgatni a 2. ábrán látható mágnest, akkor azt tapasztaljuk, hogy ez váltakozó áramot indukál a tekercsekben. Ha a mágnes mágneses mezeje erősebb, vagy ha nagyobb a forgató nyomaték, akkor több elektromos áramot kapunk, bár a generátor ugyanazzal a sebességgel forog.

Az állandómágneses szinkron generátort a gyakorlatban nem sok helyen használják, mivel az állandó mágnesek egy idő után elveszítik a mágnesességüket, másrészt pedig az igazán erős mágnesek, melyek ritka földfémekből készültek, elég drágák még manapság is, pedig az áruk már sokat csökkent.

Ebből kifolyólag az állandó mágnes helyett egyenárammal gerjesztett elektromágneseket használnak a szinkron generátorokban. Azonban az igazán elterjedt generátorok az aszinkron generátorok.

Az aszinkron generátor működési elve

Ezt a típusú generátort indukciós generátornak is hívják.

async 2.4.11.1. A háromfázisú generátorokról

3. ábra. Aszinkron generátor

Ennek a generátornak az az érdekessége, hogy eredetileg elektromos motornak tervezték. Gyakorlatilag a világ elektromos fogyasztóinak egyharmada indukciós motorokból áll. Indukciós motorok hajtják a gyárak gépeit, az elektromos autókat, pumpákat, ventillátorokat, kompresszorokat, mozgólépcsőket stb. Ennek oka a magasfokú megbízhatósága és az aránylagos olcsósága.

Az aszinkron generátor kulcsfontosságú eleme a rotor, azaz a forgó kalitka. (Ezt korábban mókuskeréknek hívták.)

cage 2.4.11.1. A háromfázisú generátorokról

4. ábra. A forgó kalitka (rotor)

A rotor az, ami megkülönbözteti az aszinkron generátort a szinkron generátortól. A rotor réz vagy alumínium rudakból áll, melyek elektromosan alumínium zárógyűrűkkel vannak összekötve.

A 3. ábrán látható, hogyan helyezkedik el a rotor egy "vas" kéregben, mely vékony, szigetelt acéllemezekből áll, benne lyukakkal a vezető alumínium rudak számára. A rotor az állórész (sztátor) közepében helyezkedik el, mely ebben az esetben egy négypólusú állórész s amely közvetlenül kapcsolódik a háromfázisú hálózathoz.

Mi történik, ha kurblival megpörgetjük a rotort pontosan a motor szinkron sebességével, pl. 1500/perccel? A válasz: Semmi, mivel a mágneses mező pontosan a rotor sebességével forog, így nem jön létre az indukció jelensége a rotorban, ami ezáltal nem lép kölcsönhatásba a sztátorral.

De mi történik akkor, ha a sebességet 1500/perc fölé emeljük? Ebben az esetben a rotor gyorsabban forog, mint a sztátor forgó mágneses mezeje, ami azt jelenti, hogy a sztátor erős áramot indukál a rotorban. Minél erősebben forgatjuk a rotort, annál nagyobb teljesítmény alakul át elektromágneses erővé a sztátor számára és ebből következően nagyobb elektromos teljesítmény indukálódik a rotorban.

Az aszinkron generátor sebessége a forgatónyomaték függvényében változik. A gyakorlatban a százalékban mért különbség a csúcsteljesítménykor használt sebesség és a terheletlen állapotban szükséges sebesség között nagyon kevés, kb. 1 %. A szinkronsebesség százalékos különbségét a generátor csúszásának nevezzük (angolul slip). Egy négypólusú generátor üresjárati sebessége 1500/perc, míg a maximális terhelésnél 1515/perc.

A kalitka rotorok nagy előnye, hogy automatikusan illeszti saját magát a sztátor pólusainak számához. Ugyanazt a rotort használhatjuk a pólusok számának széles skáláján.

Az állandómágneses szinkrongenerátorral ellentétben – mely külső tápforrás nélkül indítható – az aszinkron generátor sztátorának mágnesezése szükséges az indítás előtt. Ez megoldható kondenzátorokkal is, melyek elegendő mágnesező áramot tudnak biztosítani. Ezen kívül szükség van még arra is, hogy a rotor vasában egy kis visszamaradt mágnesesség is legyen, mikor indítjuk a generátort. Ellenkező esetben külső tápegységre van szükség a rendszer indításához.

A generátorok pólusainak száma

A háromfázisú fogyasztóra közvetlenül kapcsolódó generátor sebessége állandó. Ha megduplázzuk a sztátor elektromágneseinek a számát, akkor a mágneses mező forgásának a sebessége a felére csökken.

Az 5. ábrán láthatjuk, hogy a mágneses mező az óramutató járásával megegyező irányban fél fordulatot tesz meg, mielőtt újból elérné az eredeti mágneses pólust.

fourpole 2.4.11.1. A háromfázisú generátorokról

5. ábra. Négypólusú generátor a forgó mágnessel

Ez a fajta generátor négy pólussal rendelkezik, két déli és két északi pólussal. Mivel a négypólusú generátor periódusonként fél fordulatot tesz meg, ezért az 50 Hz-es periódus eléréséhez 25/sec = 1500/perces fordulattal kell forgatni a mágnest.

Mikor megduplázzuk a szinkron generátor pólusainak számát, akkor meg kell dupláznunk a rotor mágneseinek a számát is, mint ahogy az az 5. ábrán látszik, ellenkező esetben a pólusok nem egyeznének meg. (Itt két patkó mágnest is használhatunk.)

A pólus-párok számát úgy növelhetjük meg, hogy további három elektromágnest adunk a sztátorhoz. Kilenc elektromágnessel hatpólusú generátort kapunk, mely az 50 Hz eléréséhez 1000/perces fordulatszámon kell, hogy forogjon.

A következő táblázatban a különböző pólusszámú szinkron generátorok fordulatszámait láthatod.

Pólusszám
50 Hz
60 Hz
2
3000/perc
50,0/sec
3600/perc
60,0/sec
4
1500/perc
25,0/sec
1800/perc
30,0/sec
6
1000/perc
16,6/sec
1200/perc
20,0/sec
8
750/perc
12,5/sec
900/perc
15,0/sec
10
600/perc
10,0/sec
720/perc
12,0/sec
12
500/perc
8,3/sec
600/perc
10,0/sec

1. táblázat. A szinkron generátor sebessége a pólusok függvényében

A "szinkron generátor sebessége" kifejezés arra a sebességre utal, mikor az a hálózati frekvenciával szinkronban forog. Ez a kifejezés azonban a generátorok többi típusára is alkalmazható. Az aszinkron (indukciós) generátor esetében ez a generátor terheletlen állapotában mért sebesség.

Az angol nyelvű forrást itt nézheted meg.

A következő oldalon a Folyamatos Elektromos Generátor szabadalmával ismerkehetsz meg.

Hozzászólok!

A weblap további használatával Ön beleegyezik a sütik használatába. További információ

A süti beállítások ennél a honlapnál engedélyezett a legjobb felhasználói élmény érdekében. Amennyiben a beállítás változtatása nélkül kerül sor a honlap használatára, vagy az "Elfogadás" gombra történik kattintás, azzal a felhasználó elfogadja a sütik használatát.

Bezárás