Szinkron gépek működése

A szinkron gépek generátorként és motorként alkalmazhatóak. Szinkron generátorokkal történik az erőművekben a villamos energia előállítása. Teljesítményük néhány kVA- től több száz MVA- ig terjed. A szinkron gép elnevezése azt jelenti, hogy csak a frekvencia és póluspárszám által meghatározott

szinkron fordulatszámon működhet. Ettől a gép fordulatszáma csak rövid ideig tartó átmeneti állapotban térhet el. A fordulatszám tartós eltérése a szinkrontól üzemzavart jelent.
A szinkron generátor és a motor teljesen azonos szerkezetű. Lemezelt állórészük hornyaiban egy- vagy többfázisú, általában háromfázisú tekercselés van.
Forgórészük egyenárammal gerjesztett póluskerék. Tömör vagy lemezelt vasból készül. Lehet hengeres vagy kiálló pólusú. Hengeres forgórész esetén a gerjesztő tekercseket hornyokban helyezik el.

Az állórész és a forgórész

Az aszinkron gépek lemezelt állórészének hornyaiban többfázisú, leggyakrabban háromfázisú tekercselés van. Ha ezt a háromfázisú tekercselésű állórésztekercselést háromfázisú hálózatra kapcsoljuk, akkor a tekercsekben meginduló áramok forgó mágneses mezőt létesítenek. Ennek a fordulatszáma, azaz a szinkron fordulatszám:
n =
ahol az f a hálózat frekvenciája, p a tekercselés póluspár-száma. A csúszógyűrűs forgórész

A forgó mágneses mező indukcióvonalai metszik az állórész tekercselését és a lemezelt forgórész hornyaiban elhelyezett vezetékeket is. Az indukcióvonal- metszés következtében az álló- és forgórészben feszültség indukálódik. A forgórész lehet kalickás( rövidrezárt), vagy tekercselt(csúszógyűrűs).
A tekercselt forgórész általában háromfázisú és tekercsvégeit csúszógyűrűkhöz vezetik ki, melyekhez keféken keresztül változtatható ellenállásokat csatlakoztatunk.
Az állórészben indukált feszültség tart egyensúlyt a hálózati feszültséggel. A hálózati és az indukált feszültség különbsége létesíti az állórész tekercselés áramát minden pillanatban. A forgórészben indukált feszültség hatására a forgórész vezetékeiben áram indul meg. A tekercselt forgórészű gépek forgórészében csak akkor folyik áram, ha ott is kialakítjuk a zárt áramkört, egyébként mint egy nagy légrésű transzformátor viselkedik és gép nem indul meg.
Az állórész forgó mágneses mezejének és a forgórész vezetékeiben folyó áramoknak a hatására nyomaték létesül, amit a gép hajtó nyomatékának nevezünk . A gép motorként működik. A hajtó nyomaték- a motor tengelyére ható terhelő nyomaték ellenében- a forgórészt a mágneses mező irányába forgatja. Így érvényesül Lenc törvénye, mely szerint az indukált feszültség által létesített áram olyan irányú, hogy hatásával mindig akadályozza az őt létrehozó okot. Itt a forgórészben azért indukálódik feszültség, mert a forgó mágneses mező metszi a forgórész vezetékeit. Ez az indukáló ok. Ha a forgórész a mezővel azonos irányba forog, akkor csökken a mező és a forgórész közötti fordulatszám különbség, s ezért lassul az indukcióvonal metszés.
A forgórész fordulatszáma üzemszerűen nem érheti el a szinkron fordulatszámot, ha ugyanis elérné, akkor nem történne indukcióvonal metszés, nem indukálódna feszültség és nem folyna áram a forgórészben ami a nyomatékot létesíti. A motor forgórésze tehát a szinkronnál kisebb fordulatszámmal forog. Szokás ezt aszinkron fordulatszámnak is nevezni.

A fordulatszám és a szlip fogalma

Ha a motor tengelyére ható terhelő nyomatékot növeljük, akkor növekednie kell a hajtó nyomatéknak is. Nagyobb hajtó nyomatékot csak nagyobb forgórész áram hozhat létre, amihez a forgórészben nagyobb feszültség kell hogy indukálódjék. Nagyobb feszültség csak úgy indukálódhat, ha a forgórész lassabban forog. Tehát a terhelés hatására a forgórész fordulatszáma csökken.
A szinkron fordulatszám és a gép üzemi fordulatszáma közötti eltérésre jellemző a szlip.
A szlip az a szám, amely megmutatja, hogy a forgórész fordulatszáma mennyit késik a mezőhöz képest egy fordulat alatt. Tehát:

vagy százalékban kifejezve:

Ha a motor tengelyét nem terheljük, csak a súrlódási és a ventillációs veszteség terheli, akkor a forgórész majdnem a szinkron fordulatszámmal forog, tehát a szlip elenyészően kicsi. A motort a névleges nyomatékkal terhelve, szlipje 0,04…0,07-re növekszik.
A szlip ismeretében a fordulatszám:

A motor terhelésének növekedése tehát a fordulatszám csökkenésével és a hálózati áramfelvétel növekedésével jár. Az állórészben folyó áram frekvenciája:

A forgórész frekvenciája, indukált feszültsége

Hasonló képpen lehet kiszámítani a forgórészben indukált feszültség frekvenciáját is, csak helyébe a mágneses mezőnek a forgórészhez viszonyított fordulatszámát kell írni.

melyből következik, hogy:

A forgórész áramának frekvenciája az állórész frekvenciájának szlipszerese. Az állórész tekercselésében indukált feszültség:

Ahol a forgó mágneses mező fluxusának maximális értéke, a hálózat frekvenciája, az állórész fázistekercsének menetszáma, az állórész tekercselési tényezője. A forgórész tekercselésében:

feszültség indukálódik.

Az energia útja az aszinkron motorban

Az aszinkron motor a kapcsain bevezetett villamos teljesítményt mechanikai teljesítménnyé alakítja át miközben természetesen hővé alakuló veszteségek is keletkeznek. Energiaút az aszinkron motorban Az állórész tekercseiben hővé alakuló tekercsveszteség:

Ahol az az állórész egy fázisának ellenállása. A forgó mágneses mező – a lemezelés ellenére- vasveszteséget is létesít az állórészben, s ezt jelöljük . Az állórészben kialakuló járulékos veszteség
Az állórész összes vesztesége:

Az állórészből a légrésen keresztül átmenő teljesítményt légrésteljesítménynek nevezzük:

A forgórészben kialakuló tekercsveszteség:

A forgórészben a néhány százalékos üzemi szliphez tartozó kis frekvencia következtében elhanyagolható a vas- és járulékos veszteség jön létre. Tehát a forgórész összes villamos vesztesége:

A tengelyen leadott mechanikai teljesítmény:

A motor hasznos teljesítménye a mechanikai teljesítménytől néhány százalékkal kisebb, mert a súrlódási veszteség is csökkenti:

Az elektromos gépen található forgórész lehet kalickás vagy csúszógyűrűs.

A forgórész egy perc alatt megtett fordulatainak száma.

A szlip az a szám, amely megmutatja, hogy a forgórész fordulatszáma mennyit késik a mezőhöz képest egy fordulat alatt.

Háromfázisú motorok