22. fejezet – Szinkron gépek, generátorok és egyenáramú gépek

22.1 A szinkron gép felépítése és működési elve

Miért „szinkron”?

A 20. fejezetben a nyugvó villamos gépet, a transzformátort tanultuk, a 21. fejezetben pedig a
forgógépek legelterjedtebb képviselőjét, az aszinkron motort. Ott láttuk azt is, hogyan alakul ki a
háromfázisú állórésztekercselésben a forgó mágneses mező, és hogy ennek a fordulatszáma – a
szinkron fordulatszám – csak két dologtól függ:

A szinkron fordulatszám (a 21. fejezetből)

n_s = 60 · f / p          [1/min]

ahol   f = a hálózat frekvenciája            [Hz]
       p = a PÓLUSPÁROK száma (nem a pólusszám!)
       60 = a másodpercből percbe való átszámítás

Az aszinkron gép forgórésze ehhez a mezőhöz képest mindig lemarad (ez a szlip), különben nem
indukálódna benne feszültség, és nem keletkezne nyomaték. A szinkron gépnél viszont a forgórész
nem a mezőtől kapja a mágnesességét, hanem külön, egyenárammal gerjesztett elektromágnes (vagy
állandó mágnes). Ezért nincs szüksége szlipre: a forgórész mágneses pólusai „belekapaszkodnak” az
állórész forgó mezőjébe, és pontosan ugyanazzal a fordulatszámmal, vele szinkronban forognak.

Ebből a látszólag ártatlan mondatból következik a fejezet legfontosabb gyakorlati üzenete: a
hálózat frekvenciája és a rákapcsolt szinkron gépek fordulatszáma mereven összefügg. Egy 50 Hz-es
hálózatra kapcsolt, kétpólusú (p = 1) turbógenerátor percenként pontosan 3000 fordulatot tesz, se
többet, se kevesebbet. Ha a hálózat frekvenciája csökken, csökken a fordulatszáma is – és fordítva.

Az állórész és a forgórész

A szinkron gép állórésze (armatúrája) ugyanolyan felépítésű, mint az aszinkron gépé: lemezelt
vastest, hornyaiban a háromfázisú tekercseléssel. A generátorüzemben itt indukálódik a hálózatra
kiadott feszültség, motorüzemben ide vezetjük be a háromfázisú áramot.

A forgórész (pólusrész) hordozza a gerjesztőtekercset. Ez egyenáramot kap, jellemzően
csúszógyűrűkön és keféken keresztül, és állandó (időben nem változó) mágneses teret hoz létre –
a forgórész tehát lényegében egy forgó elektromágnes. Két alapvető kivitele van:

Nyomaték és terhelési szög

Ha a szinkron gép a hálózaton jár, az állórész forgó mezője és a forgórész mágneses tengelye
nem esik pontosan egybe: a kettő között szöghiba alakul ki. Ezt hívjuk terhelési szögnek
(jele a görög delta, δ). Üresen járó gépnél a szög közel nulla; ahogy a gépet terheljük –
generátorüzemben a hajtógép nyomatékával, motorüzemben a munkagép ellenállásával –, a szög nő.

A sin δ függvény δ = 90°-nál éri el a maximumát. Ez a kibillenési (statikus stabilitási)
határ: ennél nagyobb terhelésnél a gép nem tud több nyomatékot kifejteni, kiesik a
szinkronizmusból, azaz a forgórész „elszakad” a forgó mezőtől. Ez üzemzavart, erős lengéseket és
nagy áramlökéseket okoz, ezért a gépeket ettől jóval elmaradó terhelési szöggel üzemeltetik.

22.1 mintapélda – Fordulatszám és pólusszám 50 Hz-es hálózaton

a) Hány fordulatot tesz percenként egy 2 pólusú turbógenerátor 50 Hz-en?

   Pólusszám 2  ->  póluspárszám p = 2 / 2 = 1
   n = 60 · f / p = 60 · 50 / 1                       = 3000 1/min

b) Egy vízturbina fordulatszáma n = 150 1/min. Hány pólusú generátort kell
   rá szerelni, hogy 50 Hz-et adjon?

   n = 60 · f / p       ->      p = 60 · f / n
   p = 60 · 50 / 150                                  = 20 póluspár
   pólusszám = 2 · p = 2 · 20                         = 40 pólus

c) Egy dízelmotoros aggregátor 1500 1/min fordulaton jár.
   Hány pólusú a generátora?

   p = 60 · 50 / 1500                                 = 2 póluspár
   pólusszám = 2 · 2                                  = 4 pólus

Tanulság: minél lassabb a hajtógép, annál több pólus kell
ugyanahhoz az 50 Hz-hez.

22.2 A szinkron generátor üresjárása és terhelése; az armatúra-visszahatás

Üresjárás: a gerjesztés dönti el a feszültséget

Ha a generátort a hajtógép szinkron fordulatszámon forgatja, de a kapcsaira nem kapcsolunk
terhelést, akkor az állórészben indukálódó feszültséget kizárólag két dolog szabja meg: a
fordulatszám (ez rögzített, mert a frekvenciának 50 Hz-nek kell lennie) és a gerjesztőáram,
amely a forgórész mágneses fluxusát létrehozza. Vagyis: üresjárásban a gerjesztéssel állítjuk be
a generátor feszültségét.

Ha a gerjesztőáramot fokozatosan növeljük, és közben mérjük az üresjárási feszültséget, megkapjuk a
gép üresjárási jelleggörbéjét (U_p = f(I_g) állandó fordulatszámon). Ennek a görbének az
alakja nem meglepő annak, aki a 9. fejezetet elolvasta: lényegében a vasmag mágnesezési
görbéjét követi – eleinte közel egyenes, majd a vas telítődése miatt ellaposodik, azaz egyre több
gerjesztőáram kell ugyanakkora feszültségnövekedéshez.

Terhelés: mi történik, ha áramot vesz ki a fogyasztó?

Amint a generátort megterheljük, az állórésztekercsben áram indul meg, és ez az áram maga is
mágneses teret kelt. Ez a tér visszahat a forgórész által létrehozott térre – ezt nevezik
armatúra-visszahatásnak –, továbbá a tekercsek ellenállásán és szórási reaktanciáján
feszültségesés keletkezik. A kettő együttes hatását a gépmodellben a szinkron reaktancia
(X_s) foglalja össze; ez az a mennyiség, amely a 22.1 alfejezet nyomatéki képletében is szerepel.
A gyakorlati következmény kettős:

• a kapocsfeszültség terhelés hatására megváltozik (jellemzően csökken induktív terhelésnél),
  ezért a gerjesztést folyamatosan utána kell szabályozni – erről szól a 22.4 alfejezet;
• a terhelés jellege (cos φ) számít: ugyanakkora áram más-más feszültségváltozást okoz ohmos,
  induktív, illetve kapacitív terhelésnél. Ez a viselkedés ugyanaz a jelenség, amelyet a
  transzformátor terhelési jelleggörbéjénél a 20. fejezetben már láttunk.

A generátor névleges adatai

A szinkron generátor adattáblája – a transzformátoréhoz hasonlóan – látszólagos teljesítményt
(S, kVA vagy MVA) ad meg, nem hatásosat. Ennek oka egyszerű: a gépet a melegedése korlátozza,
a melegedést pedig az áram okozza, az áram nagysága viszont a látszólagos teljesítménnyel
arányos, függetlenül attól, mekkora a cos φ. A hatásos teljesítményt ebből a cos φ szorzóval
kapjuk meg (lásd a 11. fejezetet).

22.2 mintapélda – A generátor névleges árama és teljesítménye

Adatok (adattábla):   S_n     = 630 kVA
                      U_n     = 400 V  (háromfázisú, csillagkapcsolás)
                      cos φ_n = 0,8
                      f       = 50 Hz

a) Névleges (vonali) áram:

   I_n = S_n / (√3 · U_n)
   I_n = 630 000 / (1,7321 · 400)
   I_n = 630 000 / 692,82                              = 909,3 A

b) Leadható hatásos teljesítmény:

   P_n = S_n · cos φ_n = 630 · 0,8                     = 504 kW

c) Meddő teljesítmény (a fázisszög: cos φ = 0,8 -> sin φ = 0,6):

   Q_n = S_n · sin φ_n = 630 · 0,6                     = 378 kvar

d) Mekkora hatásos teljesítményt adhat le a gép,
   ha a fogyasztók cos φ-je 1,0-re javul?

   P = S_n · 1,0                                       = 630 kW
   de az áram ekkor is legfeljebb 909,3 A lehet!

Tanulság: a generátort NEM a kW, hanem a kVA korlátozza. Rossz
teljesítménytényezőnél ugyanaz a gép kevesebb hasznos (hatásos)
teljesítményt tud leadni – ezért éri meg a fázisjavítás (11. fejezet).

22.3 Hálózatra kapcsolás (szinkronozás) feltételei

Miért nem lehet csak úgy bekapcsolni?

Egy generátort nem szabad egyszerűen ráadni a feszültség alatt lévő hálózatra. A hálózat a
kisgenerátor szempontjából gyakorlatilag végtelen teljesítményű, „merev” feszültségforrás: ha a
generátor feszültsége a bekapcsolás pillanatában bármelyik jellemzőjében eltér a hálózatétól, a
különbségi feszültség kizárólag a gép kis belső impedanciáján hajt át áramot. Ez zárlatszerű
áramlökést, a tengelyen pedig ütésszerű nyomatékot okoz – tönkremehet a tekercselés, a
tengelykapcsoló és a csapágy is.

Ezért a hálózatra kapcsolást megelőzi a szinkronozás: a generátor feszültségét „össze kell
hangolni” a hálózatéval.

A négy feltétel

Érdemes végiggondolni, miért éppen ez a négy. A feszültség pillanatértéke három dologgal
jellemezhető: mekkora (nagyság), milyen gyorsan változik (frekvencia) és hol tart éppen a
periódusában (fázishelyzet). Háromfázisú rendszerben ehhez negyedikként hozzájön, hogy a három
fázis milyen sorrendben követi egymást. Ha mind a négy egyezik, a generátor és a hálózat
feszültsége a bekapcsolás pillanatában azonos – a különbség nulla, tehát kiegyenlítő áram sem
folyik.

Az ellenőrzés eszközei

A feltételek teljesülését a gyakorlatban lámpás módszerekkel (sötét kapcsolás, világos
kapcsolás, illetve a „körbefutó fény” elvén működő vegyes kapcsolás), szinkronoszkóppal, vagy
önműködő szinkronozó berendezéssel ellenőrzik.

A lámpás módszerek elve az, hogy a generátor és a hálózat azonos nevű fázisai közé izzólámpákat
kötnek. A lámpákra a két feszültség különbsége jut: ha a frekvenciák kissé eltérnek, a
különbség lassan lüktet, és a lámpák ütemesen világosodnak-sötétednek. A sötét kapcsolásnál a
bekapcsolás pillanata az, amikor a lámpák teljesen elsötétednek (a különbség nulla). A világos
kapcsolásnál fordítva kötik a lámpákat, így a bekapcsolás a lámpák legnagyobb fényénél
esedékes; ennek előnye, hogy a „nulla” állapotot nem téveszti meg a lámpa gyenge, alig látható
izzása. A körbefutó fény kapcsolása a fázissorrend hibáját is azonnal megmutatja: helyes
sorrendnél a fény szabályosan „körbejár” a három lámpán.

Nagyobb erőművi és tartalékáramforrás-rendszerekben ma már önműködő szinkronozó automatika
végzi a feladatot, amely a frekvenciát, a fázishelyzetet és a feszültséget együtt figyeli, és a
megszakítót a megfelelő pillanatban kapcsolja be. Ezt a megoldást a hálózattal párhuzamosan
üzemelő áramfejlesztőkre vonatkozó szabvány is előnyben részesítendőnek nevezi (lásd a 22.10
alfejezetet és a 30–31. fejezetet).

22.4 A gerjesztés szerepe: feszültségszabályozás és meddőteljesítmény

A munkamegosztás: hatásos a hajtógéptől, meddő a gerjesztéstől

A hálózatra kapcsolt (merev hálózaton járó) szinkron generátornál a két teljesítményfajtát két
külön beavatkozó szerv szabályozza:

Ez a munkamegosztás a szinkron gép egyik legfontosabb, gyakorlatban is használt tulajdonsága.
Merev hálózaton ugyanis a fordulatszámot nem tudjuk megváltoztatni (azt a hálózat frekvenciája
rögzíti): ha több gőzt engedünk a turbinára, a gép nem gyorsul fel, hanem nagyobb hatásos
teljesítményt ad le. Ugyanígy: ha a gerjesztést növeljük, a feszültség nem emelkedik meg
tetszőlegesen (azt is a hálózat rögzíti), hanem megváltozik a gép által felvett vagy leadott
meddő teljesítmény.

Túl- és alulgerjesztés

A gerjesztés mértéke szerint két alapállapotot különböztetünk meg:

• túlgerjesztett állapot: a gerjesztést a „semleges” értéknél nagyobbra állítjuk; ekkor a gép
  induktív meddő teljesítményt ad le a hálózatra – ami a hálózat felől nézve kapacitív
  jellegű meddőforrás, ugyanaz, mint egy kondenzátortelep –, azaz a hálózat feszültségét
  emeli;
• alulgerjesztett állapot: a gerjesztés kisebb; ekkor a gép meddőt vesz fel a hálózatból,
  azaz a feszültséget csökkenti.

Ezen alapul az, hogy az erőművi generátorok nemcsak energiát termelnek, hanem a hálózat
feszültségszabályozásában is részt vesznek: a gerjesztésszabályozó automatika a mért
kapocsfeszültséghez igazítja a gerjesztőáramot.

Amit a gerjesztésről a gyakorlatban tudni kell

• A gerjesztőáramot csúszógyűrűkön és keféken át vezetjük a forgórészbe; ez kopó, karbantartást
  igénylő alkatrész (rendszeres szemrevételezés, kefecsere, a csúszógyűrű felületének
  ellenőrzése).
• A gerjesztés kiesése („gerjesztésvesztés”) a gépet elveszíti a szinkronizmusból: a védelemnek ezt
  fel kell ismernie. A hálózati és gépvédelmi funkciók rendszerét a 18. fejezet tárgyalja.
• Állandó mágneses forgórésznél nincs gerjesztőáram – és így nincs is mit szabályozni rajta:
  ezeknél a gépeknél a feszültséget és a meddőt a hozzájuk tartozó teljesítményelektronika állítja
  (lásd a 22.9 alfejezetet és a 25. fejezetet).

22.5 A szinkron motor

Ugyanaz a gép, fordított energiairánnyal

A szinkron gép megfordítható: ha a hálózatról tápláljuk az állórészt, és a forgórészt
gerjesztjük, a gép motorként működik – és ilyenkor is pontosan szinkron fordulatszámmal forog.
Ez az egyetlen olyan váltakozó áramú motortípus, amelynek fordulatszáma a terheléstől
egyáltalán nem függ: a terhelés növekedésekor nem lassul le (mint az aszinkron motor), hanem
csak a terhelési szöge nő. Ha viszont a terhelés a kibillenési határt átlépi, a motor kiesik a
szinkronizmusból és megáll.

Az indítás problémája

A szinkron motor hálózatra kapcsolva magától nem indul el. Az ok könnyen belátható: álló
forgórész mellett a forgó mező másodpercenként ötvenszer „elszalad” a forgórész pólusai fölött,
így a nyomaték hol az egyik, hol a másik irányba mutat, az átlaga pedig nulla. A forgórész
tehetetlensége miatt ez csak rezgést okoz, forgást nem. Ezért a szinkron motort fel kell
gyorsítani a szinkron fordulatszám közelébe, és csak ott lehet „bekapaszkodni” a mezőbe. Ezt a
gyakorlatban segédhajtással, a forgórészbe épített indítókalickával (aszinkron indítás), illetve
ma már leggyakrabban frekvenciaváltós felfuttatással oldják meg.

Fázisjavító üzem – a szinkron kondenzátor

A szinkron motornak van egy különleges alkalmazása. Ha a hálózatra kapcsolt, terhelés nélkül
járó gépet túlgerjesztjük, akkor gyakorlatilag nem termel és nem fogyaszt hatásos
teljesítményt, viszont meddő teljesítményt ad le a hálózatra – tehát a hálózat felől nézve
kapacitív meddőforrás, ugyanúgy, mint a fázisjavító kondenzátortelep (11. fejezet), csak
nagy, folyamatosan szabályozható kivitelben. Ezt a felhasználást szinkron kondenzátornak
(fázisjavító gépnek) nevezik.

Előnye a kondenzátortelephez képest, hogy a leadott meddő teljesítmény a gerjesztéssel
folyamatosan és gyorsan szabályozható, és nemcsak leadni, hanem felvenni is tud meddőt
(alulgerjesztett üzemben). Hátránya a forgó gép ára, vesztesége és karbantartásigénye. A
fázisjavítás céljáról, a cos φ javításának gazdasági okairól és a kondenzátoros megoldásokról a
11. fejezet szól.

22.6 Az egyenáramú gép felépítése és a kommutáció

Miért érdemes ma is tanulni?

Az egyenáramú gép a villamos gépek „öregje”: a 20. század hajtástechnikájának ez volt az alapgépe,
mert a fordulatszáma egyszerű eszközökkel, tág határok között, folyamatosan szabályozható. Mára az
ipari hajtásokban visszaszorult (lásd a 22.8 alfejezet végét), de három okból változatlanul
kötelező tananyag: egyszerűen leképezi a villamos gépek alapösszefüggéseit, még mindig
találkozunk vele (járműipar, emelőgép, kéziszerszám, régi ipari hajtások felújítása), és a
szakmai vizsgán számonkérhető.

A felépítés

Az egyenáramú gép állórésze tömör vastestű gyűrű (állórészkoszorú), amelyen a pólusok
helyezkednek el. Egy pólus két részből áll: a pólustörzsből, amelyre a gerjesztőtekercs kerül,
és a pólussaruból, amely a mágneses teret a légrésben szétteríti. A főpólusok mellett a
nagyobb gépekben segédpólusokat is találunk: ezek a kommutációt javítják.

A forgórész (armatúra) – a transzformátor vasmagjához hasonlóan, a 9. fejezetben tanult
örvényáram-veszteség miatt – lemezelt kivitelű (dinamólemez), a hornyaiban helyezkedik el az
armatúratekercselés. A tekercselés végei a kommutátorra futnak ki.

A kommutátor egymástól szigetelt rézszeletekből (szegmensekből) áll, és a tengelyre van
szerelve, tehát együtt forog az armatúrával. Rajta csúsznak a rugóval leszorított szénkefék,
amelyek az áramot leveszik (generátorüzem), illetve rávezetik (motorüzem).

Miért kell egyáltalán kommutátor?

Ez a fejezet talán legfontosabb megértendő gondolata. Az armatúratekercsben – mivel az a mágneses
térben forog – valójában váltakozó feszültség indukálódik, ugyanúgy, mint bármely más
forgógépben. A kommutátor–kefe pár azonban mindig ugyanabból a pólus alatti helyzetből veszi le a
feszültséget: amikor a tekercsoldal átlép az egyik pólus alól a másik alá (és így az indukált
feszültsége előjelet váltana), ugyanabban a pillanatban a hozzá tartozó kommutátorszelet is
átcsúszik a másik keféhez. Így a kefék között mérhető feszültség mindig egyirányú marad.

Motorüzemben ugyanez fordítva működik: a kommutátor gondoskodik arról, hogy egy adott pólus alatt
haladó vezetőben az áram iránya mindig ugyanaz legyen, tehát az erő – és így a nyomaték – is
mindig azonos irányba mutasson. Enélkül a motor csak rezegne, nem forogna.

A kommutáció nem problémamentes. Amikor a kefe két szelet között „átvált”, az adott tekercsben
az áramnak nagyon rövid idő alatt kell megfordulnia; az önindukció ezt akadályozza, és a kefe
alatt szikrázás lép fel. Ezt hivatottak csökkenteni a segédpólusok, valamint a kefék
megfelelő anyaga és beállítása. A szikrázás a kommutátort és a kefét is rongálja, ezért a
kefeszikrázás a gép állapotának egyik legfontosabb szemrevételezéses jele.

Az alapösszefüggések

Az egész egyenáramú géptan négy összefüggésre épül. Érdemes ezeket megtanulni, mert a fejezet
minden későbbi állítása ezekből következik.

22.3 mintapélda – Külső gerjesztésű egyenáramú motor alapadatai

Adatok:  U_k = 220 V      kapocsfeszültség
         R_a = 0,5 ohm    az armatúrakör ellenállása
         I_a = 20 A       armatúraáram (névleges terhelésnél)
         n   = 1200 1/min mért fordulatszám

a) Indukált feszültség:
   U_i = U_k − I_a · R_a = 220 − 20 · 0,5 = 220 − 10        = 210 V

b) A gépállandó és a fluxus szorzata (a jelleggörbe-számításokhoz):
   c · Φ = U_i / n = 210 / 1200                             = 0,175 V/(1/min)

c) Az armatúrába jutó (villamosból mechanikaivá alakuló) teljesítmény:
   P_mech = U_i · I_a = 210 · 20                            = 4200 W

d) Az armatúratekercs vesztesége:
   P_réz = I_a² · R_a = 20² · 0,5 = 400 · 0,5               = 200 W

e) A belső (elektromágneses) nyomaték – a súrlódási és vasveszteség előtt:
   ω = 2 · π · n / 60 = 2 · 3,1416 · 1200 / 60              = 125,7 1/s
   M = P_mech / ω = 4200 / 125,7                            = 33,4 Nm

Ellenőrzés a nyomatékképlettel:
   M = c · Φ · I_a · 60 / (2 · π) = 0,175 · 20 · 9,549      = 33,4 Nm  ✔

22.4 mintapélda – A kefeátmeneti feszültségesés hatása

A kefe és a kommutátor érintkezésén is esik feszültség. Vegyük az előző
motort, és tételezzük fel, hogy a mérés szerint a két kefe együttes átmeneti
feszültségesése ΔU_kefe = 2 V. (⚠ Ez PÉLDAÉRTÉK: a jegyzet forrásbázisa a
kefeátmeneti feszültségesés tipikus nagyságát nem tartalmazza, a szám csak a
számítás menetét mutatja be.)

a) A valódi indukált feszültség:
   U_i = U_k − I_a · R_a − ΔU_kefe = 220 − 10 − 2           = 208 V

b) A fordulatszám változatlan gerjesztés (c·Φ = 0,175) mellett:
   n = U_i / (c · Φ) = 208 / 0,175                          = 1188,6 1/min
   Az eltérés az előző példához képest: 1200 − 1188,6
                                             = 11,4 1/min  (kb. 1 %)

c) A keféken keletkező veszteség:
   P_kefe = ΔU_kefe · I_a = 2 · 20                          = 40 W

d) Mit jelent ez kis feszültségű gépnél? Ugyanaz a 2 V egy 24 V-os motornál
   már a kapocsfeszültség 8,3 %-a:
   2 / 24 · 100                                             = 8,3 %
   míg a 220 V-os gépnél csak:
   2 / 220 · 100                                            = 0,9 %

Tanulság: a kefeátmeneti feszültségesés NAGYSÁGA nagyjából független a gép
feszültségétől, ezért KIS FESZÜLTSÉGŰ gépeknél arányaiban sokkal nagyobb
veszteséget és fordulatszám-eltérést okoz.

22.7 Az egyenáramú gép gerjesztési módjai és jelleggörbéi

A négy alapkapcsolás

Az egyenáramú gépnek két villamos köre van: az armatúrakör és a gerjesztőkör. A gép
viselkedését az dönti el, hogy ezt a két kört hogyan kapcsoljuk össze. Négy alapmegoldás
létezik:

Miért „kemény” a sönt és „lágy” a soros?

A magyarázat egyetlen mondatban benne van a fordulatszám képletében: n = (U_k − I_a·R_a)/(c·Φ).

• Külső és párhuzamos gerjesztésnél a fluxus (Φ) a terheléstől függetlenül állandó, mert a
  gerjesztőkör a saját kapocsfeszültségéről dolgozik. Ha a terhelés nő, csak az I_a·R_a tag nő
  kicsit, tehát a fordulatszám alig csökken. Ezért nevezzük ezt a jelleggörbét keménynek, a
  motort pedig fordulatszámtartónak.
• Soros gerjesztésnél a fluxust maga az armatúraáram hozza létre. Ha a terhelés nő, nő az áram,
  vele a fluxus is – a nevező tehát nő, a fordulatszám pedig erősen lecsökken. Fordítva: ha a
  terhelés csökken, csökken az áram és a fluxus, a fordulatszám pedig rohamosan felszalad.

Ugyanez a magyarázata a soros motor másik jellegzetességének, a nagy indítónyomatéknak:
mivel M = k·Φ·I_a, és soros gépnél a fluxus is az áramtól függ, a nyomaték az áram
négyzetével arányos (M = k'·I_a²). Ezért használják vontatásban, emelőgépeknél és
kéziszerszámokban, ahol nehéz terhet kell megmozdítani.

Generátorüzem

Generátorként a gerjesztési mód a terhelési jelleggörbét (a kapocsfeszültséget a terhelőáram
függvényében) határozza meg. A párhuzamos (sönt) gerjesztésű generátor jelleggörbéje erősen
visszahajló: a terhelés növelésekor a feszültsége leesik, mert a kisebb kapocsfeszültség a
saját gerjesztését is csökkenti (ez öngerjesztő kör). A vegyes gerjesztésű gép ezt a hibát
javítja ki: a terheléssel arányosan növekvő soros gerjesztés „pótolja” a kiesést, ezért a vegyes
gerjesztésű generátor jobb feszültségtartó tulajdonságú.

22.8 Indítás, fordulatszám-szabályozás, fékezés

Miért kell indítóellenállás?

Az egyenáramú motor álló állapotban nem indukál feszültséget (U_i = c·Φ·n, és n = 0).
Ilyenkor tehát az armatúraáramot egyedül az armatúrakör kis ellenállása korlátozza:

I_indítási = U_k / R_a

Ez az áram a névleges áram 10–30-szorosa is lehet. Egy ekkora áramlökés a kommutátort
körbeégeti, a tekercselést károsítja, a hálózatot terheli, és a nyomatéki lökés a hajtásláncot is
igénybe veszi. Ezért az armatúrakörbe induláskor soros indítóellenállást kapcsolunk, amelyet a
felfutás során fokozatosan kiiktatunk – ahogy nő a fordulatszám, nő az U_i, csökken az áram, és
egyre kisebb előtétellenállásra van szükség. Korszerű megoldás a szabályozott egyenáramú
tápegység, amely eleve korlátozott árammal indít.

22.5 mintapélda – Az indítóellenállás meghatározása

Adatok:  U_k = 220 V,  R_a = 0,5 ohm,  I_n = 20 A (névleges armatúraáram)
Követelmény: az indítási áram ne legyen nagyobb a névleges kétszeresénél.

a) Mekkora lenne az áram indítóellenállás nélkül?
   I_ind = U_k / R_a = 220 / 0,5                            = 440 A
   Az áram a névleges                       440 / 20        = 22-szerese  (!)
   Ez beleesik a forrás által megadott 10–30-szoros tartományba.

b) A megengedett indítási áram:
   I_meg = 2 · I_n = 2 · 20                                 = 40 A

c) A szükséges teljes armatúrakör-ellenállás:
   R_ossz = U_k / I_meg = 220 / 40                          = 5,5 ohm

d) A beiktatandó indítóellenállás:
   R_i = R_ossz − R_a = 5,5 − 0,5                           = 5,0 ohm

e) Mi történik felfutás közben? Amikor a motor eléri
   az 1200 1/min-t (c·Φ = 0,175):
   U_i = 0,175 · 1200                                       = 210 V
   I = (U_k − U_i) / R_ossz = (220 − 210) / 5,5             = 1,8 A
   Az áram tehát magától lecsökken -> az ellenállást fokozatosan ki KELL
   iktatni, különben a motor nem tudja leadni a névleges nyomatékát.

Figyelem: az indítóellenálláson jelentős hő fejlődik
(P = I²·R = 40² · 5 = 8000 W a kezdeti pillanatban), ezért az
indítóellenállás NEM tartós üzemre méretezett alkatrész.

A fordulatszám három szabályozási módja

A fordulatszám képletéből (n = (U_k − I_a·R_a) / (c·Φ)) három beavatkozási lehetőség olvasható
ki. Ez az egyenáramú gép nagy előnye volt a frekvenciaváltók elterjedése előtt:

22.6 mintapélda – A fordulatszám és a nyomaték a gerjesztés függvényében

Kiindulás a 22.3 mintapélda motorja:
   U_k = 220 V, R_a = 0,5 ohm, I_a = 20 A, c·Φ = 0,175,
   n = 1200 1/min, M = 33,4 Nm

A gerjesztést a névleges 80 %-ára csökkentjük (mezőgyengítés),
a terhelő nyomaték változatlan marad (M = 33,4 Nm).

a) Az új fluxusszorzó:
   c · Φ' = 0,8 · 0,175                                     = 0,14

b) Az azonos nyomatékhoz tartozó armatúraáram (M = c·Φ·I_a·9,549):
   I_a' = M / (c · Φ' · 9,549) = 33,4 / (0,14 · 9,549)
   I_a' = 33,4 / 1,3369                                     = 25,0 A
   Az áram tehát 20 A-ről 25 A-re NŐTT (+25 %).

c) Az új indukált feszültség:
   U_i' = U_k − I_a' · R_a = 220 − 25 · 0,5 = 220 − 12,5    = 207,5 V

d) Az új fordulatszám:
   n' = U_i' / (c · Φ') = 207,5 / 0,14                      = 1482 1/min
   A fordulatszám 1200 -> 1482 1/min, azaz kb.              +23,5 %

Tanulság: a mezőgyengítés a fordulatszámot MEGEMELI, de azonos nyomaték mellett
NÖVELI az armatúraáramot. Ha az áram a névleges fölé megy, a gép túlmelegszik –
ezért a mezőgyengített tartományban a terhelhető nyomatékot csökkenteni kell.

22.7 mintapélda – Az egyenáramú motor hatásfoka

Adatok:  U_k = 220 V,  I_a = 20 A,  R_a = 0,5 ohm
         gerjesztőkör: U_g = 220 V,  I_g = 1,0 A
         kefeátmeneti feszültségesés: 2 V
              (⚠ példaérték, lásd a 22.4 mintapéldát)
         vas- és súrlódási veszteség (méréssel): 180 W

a) Felvett villamos teljesítmény (armatúra + gerjesztés):
   P_1 = U_k · I_a + U_g · I_g = 220 · 20 + 220 · 1,0
   P_1 = 4400 + 220                                         = 4620 W

b) Veszteségek:
   armatúra rézvesztesége:  I_a² · R_a = 20² · 0,5          =  200 W
   kefeveszteség:           2 · 20                          =   40 W
   gerjesztési veszteség:   220 · 1,0                       =  220 W
   vas- és súrlódási veszteség (adott)                      =  180 W
   ------------------------------------------------------------------
   összes veszteség                                         =  640 W

c) A tengelyen leadott (hasznos) teljesítmény:
   P_2 = P_1 − veszteségek = 4620 − 640                     = 3980 W

d) Hatásfok:
   eta = P_2 / P_1 = 3980 / 4620 = 0,861                    = 86,1 %

e) A tengelynyomaték 1200 1/min-en:
   ω = 2 · 3,1416 · 1200 / 60                               = 125,7 1/s
   M_2 = P_2 / ω = 3980 / 125,7                             = 31,7 Nm

Figyeljük meg: a gerjesztési veszteség (220 W) itt a teljes veszteség több mint
harmada. Ezért adnak jobb hatásfokot az állandó mágneses gépek, amelyeknél a
gerjesztés nem igényel áramot (22.9 alfejezet).

Fékezés

Az egyenáramú gép generátorüzemre is képes: ha a tengelyét kívülről hajtjuk (például egy
lejtőn guruló jármű hajtja), az indukált feszültség a kapocsfeszültség fölé kerülhet, és a gép
energiát ad vissza – ez a generátoros (visszatápláló) fékezés. További lehetőség, hogy a
motort a hálózatról leválasztjuk, és az armatúrakört egy fékezőellenállásra kapcsoljuk: ekkor
a mozgási energia az ellenálláson hővé alakul.

Miért szorult vissza az egyenáramú hajtás?

Hosszú évtizedeken át az egyenáramú motor volt az egyetlen ipari gép, amelynek fordulatszáma
egyszerűen, folyamatosan és pontosan szabályozható volt. Ezt az előnyét elvesztette, mert a
teljesítményelektronika fejlődésével megjelent a frekvenciaváltó: ma egy egyszerű, olcsó,
kalickás aszinkron motor is fokozatmentesen szabályozható (lásd a 25. fejezetet). Ezzel
szemben az egyenáramú gép hátrányai megmaradtak:

Ezért ma az egyenáramú gép elsősorban ott marad használatban, ahol az egyenáramú táplálás
természetes (akkumulátoros járművek, kéziszerszámok), illetve régi berendezések felújításánál.
A karbantartásmentességet igénylő korszerű alkalmazásokban a kefe nélküli kivitelek vették át
a helyét – erről szól a következő alfejezet.

22.9 Kefe nélküli (BLDC) és állandó mágneses szinkron gépek – áttekintés

A kommutátor és a kefe minden problémája abból ered, hogy az áram irányát mechanikusan
fordítjuk meg. Kézenfekvő a gondolat: mi lenne, ha ezt elektronikusan csinálnánk?

Ez az elv áll a kefe nélküli egyenáramú motor (BLDC, brushless DC motor) és az állandó
mágneses szinkron motor (PMSM, permanent magnet synchronous motor) mögött. Ezekben a gépekben
a forgórész állandó mágnes (tehát nincs gerjesztőáram, nincs csúszógyűrű és nincs kefe), az
állórészben pedig a tekercseket teljesítményelektronika kapcsolgatja a forgórész pillanatnyi
helyzetének megfelelően. A helyzetet érzékelő (például Hall-elemes) jeladó vagy érzékelő nélküli
(szenzortalan) eljárás adja meg.

Szerkezetét tekintve tehát ez a gép szinkron gép: a forgórész az állórész mezőjével
szinkronban forog, csak a mező forgásának ütemét nem a hálózat frekvenciája, hanem az elektronika
szabja meg. Innen a kettős elnevezés is: „kefe nélküli egyenáramú motor” a felhasználó felől nézve
(egyenfeszültségről működik, és a fordulatszáma a feszültséggel arányosan szabályozható), de
felépítésében állandó mágneses szinkron gép.

Az állandó mágneses és a szinkron reluktanciagépek gyakorlati jelentőségét mutatja, hogy a
motorok hatásfokosztályai közül a legmagasabbakat (IE4, IE5) jellemzően ezek a géptípusok érik el;
a hatásfokosztályok rendszerét a 21. fejezet tárgyalja.

22.10 Generátorok az üzemi gyakorlatban: a hálózaton, aggregátor, tartalékáramforrás

A hálózat és a generátorok mereven összefüggnek

⭐ A villamos energia túlnyomó részét szinkron generátorok termelik: hő-, atom- és
vízerőművekben egyaránt ez a gép áll a turbina tengelyén. Ennek két, a szakma szempontjából
alapvető következménye van:

1. A hálózat frekvenciáját a forgó szinkron gépek fordulatszáma határozza meg. Ha a
   fogyasztás nagyobb, mint a termelés, a generátorok lelassulnak (a hiányzó energiát a forgó
   tömegek mozgási energiájából fedezi a rendszer), és a frekvencia csökken; fordított esetben
   nő. A frekvencia tehát a termelés és a fogyasztás egyensúlyának mérőszáma – erről és a
   frekvenciaszabályozásról a 14. fejezetben volt szó.
2. A hálózat feszültségét a gerjesztéssel is befolyásolják (lásd a 22.4 alfejezetet, a
   forráskorláttal együtt).

Ehhez járul harmadikként a forgó tömegek tehetetlensége (inerciája), amely a hirtelen
terhelésváltozásokat „kisimítja”: a nagy forgórészek lassan gyorsulnak és lassulnak, így a
frekvencia sem tud ugrásszerűen megváltozni.

Az áramfejlesztő (aggregátor) mint tartaléktápforrás

A gyakorlatban a villanyszerelő leggyakrabban nem erőművi géppel, hanem áramfejlesztő
készülékkel (aggregátorral) találkozik: ez egy belső égésű motorból (általában dízelmotorból)
és a hozzá kapcsolt szinkron generátorból álló egység.

Az áramfejlesztő négy alapvető üzemmódban működhet – és a szakmai vizsgán ezek
megkülönböztetése a lényeg:

Amit a szerelőnek a generátoros tápláláskor tudnia kell

Négy olyan pont van, amely a hálózatról megszokott gondolkodástól eltér:

• ⭐ A generátor zárlati árama kicsi és időben csökken. Egy áramfejlesztő hozzájárulása a
  zárlati áramhoz időfüggő, és sokkal kisebb lehet, mint egy közép-/kisfeszültségű
  transzformátoré. Ezért előfordulhat, hogy a hálózatra méretezett kismegszakító mágneses
  kioldója generátoros üzemben nem működik, és a lekapcsolás nem az előírt időn belül
  történik meg. Erre az MSZ HD 60364-5-56:2019 F melléklete ad külön számítási utat és
  „B tervet”: a fázis-föld zárlati impedanciát a generátortekercsek impedanciájából kell
  számítani, és ha a hibaáram így is túl kicsi az önműködő lekapcsoláshoz (F4. szakasz), az
  érintési feszültséget kell csökkenteni – alkalmazható a U_L ≤ 25 V csökkentett
  egyezményes érintési feszültség.
• ⭐ Saját földelés kell. Ha az áramfejlesztő a közcélú táplálás átkapcsolható alternatívájaként
  üzemel, a táplálás önműködő lekapcsolásán alapuló védelem nem támaszkodhat az elosztóhálózat
  földelt pontjához (csillagpontjához) való csatlakozásra – megfelelő földelési eszközről kell
  gondoskodni. Ennek oka, hogy átkapcsoláskor a transzformátor csillagpontja leválik, és nélküle a
  berendezés gyakorlatilag földeletlen rendszerré válna, amelyben az önműködő lekapcsolás nem
  működik.
• A túláramvédelmi eszközt a lehető legközelebb kell elhelyezni az áramfejlesztő kapcsaihoz.
• A teljesítményt a terhelések összegével ÉS a motorindító áramokkal együtt kell összhangba
  hozni; a védelmi eszközök zárlati megszakítóképességét egyik tervezett üzemmódban sem szabad
  túllépni.

22.8 mintapélda – Az aggregátor teljesítményigénye

Egy műhely tartalékellátását kell megoldani. A táplálandó terhelések:

  (1) világítás és dugaljak:        P = 8 kW,   cos φ = 1,0
  (2) már járó szellőztető motorok: P = 12 kW,  cos φ = 0,85,  hatásfok 0,90
  (3) a LEGNAGYOBB, utolsóként induló motor: P = 15 kW, cos φ = 0,86,
      hatásfok 0,90, közvetlen (direkt) indítás, indítási áram 6 · I_n

Hálózat: 400 V, 50 Hz.

a) A látszólagos teljesítmények tartós üzemben:
   (1)  S1 = P / cos φ = 8 / 1,0                            =  8,0 kVA
   (2)  felvett P = 12 / 0,90 = 13,3 kW
        S2 = 13,3 / 0,85                                    = 15,7 kVA
   (3)  felvett P = 15 / 0,90 = 16,7 kW
        S3 = 16,7 / 0,86                                    = 19,4 kVA

b) Tartós teljesítményigény (közelítő, biztonság felé kerekítő összegzés):
   S_tartós = 8,0 + 15,7 + 19,4                             = 43,1 kVA

c) A legnagyobb motor névleges és indítási árama:
   I_n = S3 / (√3 · U) = 19 400 / (1,732 · 400) = 19 400 / 692,8   = 28,0 A
   I_ind = 6 · 28,0                                                = 168 A
   S_ind = √3 · U · I_ind = 1,732 · 400 · 168                      = 116,4 kVA

d) A pillanatnyi csúcsigény, amikor a nagy motor a többi terhelés mellé indul:
   S_csúcs = 8,0 + 15,7 + 116,4                             = 140,1 kVA

Következtetés: a gépet NEM elég 43 kVA-re méretezni. Vagy nagyobb (indítási
lökést elviselő) aggregátort kell választani, vagy az indítási áramot kell
csökkenteni – csillag-delta indítással, lágyindítóval vagy frekvenciaváltóval
(24. és 25. fejezet), esetleg a nagy motort kell először, terhelés nélkül
indítani.

⚠ A számítás az egyidejűséget nem veszi figyelembe (minden terhelés
egyszerre jár), és a látszólagos teljesítményeket algebrailag adja össze –
ez a biztonság felé
kerekít. A gyártó méretezési útmutatója ennél pontosabb eljárást ad.

22.11 Közös géptani ismeretek: hőállóság, védettség, üzemi módok, telepítés

Ez az alfejezet a minden forgógépre – aszinkron, szinkron és egyenáramú gépre egyaránt –
érvényes üzemeltetési ismereteket foglalja össze. Ezek az adatok minden gép adattábláján
megtalálhatók, és a szerelő ezek alapján dönti el, hogy a gép az adott helyre és feladatra
alkalmas-e.

A három közös adattábla-adat – emlékeztető

Miért fontos ez? Mert az adattáblán feltüntetett teljesítmény az adott üzemi módra
érvényes: egy S3 üzemre méretezett gépet tartós üzemben nem szabad a névleges teljesítményén
járatni, mert túlmelegszik. A védettség pedig azt dönti el, hogy a gép az adott környezetbe
(poros, nedves tér) egyáltalán beépíthető-e.

Telepítés, csapágyazás, hűtés

A forgógép beépítésénél a villamos bekötésen túl mechanikai szempontokat is figyelembe kell venni:
az alapozást (a rezgések átvitelének megakadályozása), a tengelybeállítást (a hajtógép és a
munkagép tengelyének pontos egytengelyűsége), a csapágyazást (kenés, zsírzási időköz,
csapágyhőmérséklet) és a hűtést (a hűtőlevegő szabad útja, a ventilátorburkolat és a bordázat
tisztán tartása).

22.12 Melyik gépet mire? – a fejezet zárótáblázata

Ellenőrző kérdések

1. Miért nevezzük „szinkronnak” a szinkron gépet? Mi a lényegi különbség az aszinkron géphez képest
   a forgórész mágnesezése szempontjából?
2. Írja fel a szinkron fordulatszám képletét, nevezze meg minden tényezőjét mértékegységgel együtt,
   és mondja meg, mit jelent benne a p betű!
3. ⭐ Egy vízturbina 100 1/min fordulaton jár. Hány pólusú generátor kell rá 50 Hz-hez? Milyen
   forgórész-kivitelt választ, és miért?
4. Mi a terhelési szög? Mi történik a géppel, ha a szög eléri a 90 fokot?
5. ⭐ Sorolja fel a szinkronozás négy feltételét, és indokolja meg mindegyiket! Melyik közülük
   szerelési és melyik üzemviteli feladat? (Jelölje, hogy a felsorolás egy forrásból származik.)
6. Milyen eszközökkel ellenőrzik a szinkronozás feltételeinek teljesülését? Mi a sötét és a világos
   kapcsolás közötti különbség?
7. ⭐ Merev hálózaton járó generátornál mivel szabályozzuk a hatásos, és mivel a meddő
   teljesítményt? Mit okoz a túl-, illetve az alulgerjesztés? (Mondja meg azt is, miért nem közöl
   ez a jegyzet ehhez számadatot!)
8. Miért nem indul el a szinkron motor, ha közvetlenül hálózatra kapcsoljuk? Hogyan lehet mégis
   elindítani? Mi a szinkron kondenzátor?
9. ⭐ Mi a kommutátor feladata generátor-, illetve motorüzemben? Miért mondjuk rá, hogy
   „mechanikus egyenirányító”?
10. Írja fel az egyenáramú gép négy alapösszefüggését! Vezesse le belőlük a fordulatszám három
    szabályozási lehetőségét!
11. ⭐ Hasonlítsa össze a négy gerjesztési módot a fluxus terhelésfüggése és a jelleggörbe alapján!
    Melyik ad kemény és melyik lágy jelleggörbét? Miért?
12. ⚠ Miért szalad meg a soros gerjesztésű motor terhelés nélkül? Milyen következménye lehet
    ennek, és milyen szerelési szabály következik belőle?
13. Miért van szükség indítóellenállásra az egyenáramú motornál, és miért kell a felfutás során
    fokozatosan kiiktatni? Mi a mezőgyengítés, és hogyan hat a terhelhető nyomatékra?
14. Miért szorult vissza az egyenáramú hajtás az iparban, és mi váltotta ki?
15. ⭐ Mit jelent az IP 55 jelölés számjegyről számjegyre? Mi a különbség az S1, az S2 és az
    S3 üzemi mód között, és miért fontos ez a motor teljesítményének megítélésénél?
16. ⭐ Mi a különbség a tartalék (átkapcsolható) és a párhuzamos generátoros üzem szabványi
    kezelése között? Miért életveszélyes a kettő összekeverése, és mit kell tenni a generátor
    csillagpontjával átkapcsolható tápláláskor?

Tudáspróba

1. Egy 50 Hz-es hálózatra kapcsolt, 6 pólusú szinkron generátor fordulatszáma:
a) 3000 1/min b) 1500 1/min c) 1000 1/min d) 750 1/min

2. ⭐ Melyik NEM feltétele a hálózatra kapcsolásnak (szinkronozásnak)?
a) azonos fázissorrend b) azonos frekvencia
c) azonos feszültség d) azonos névleges teljesítmény

3. Merev hálózaton járó szinkron generátornál a hatásos teljesítményt a következővel
szabályozzuk:
a) a gerjesztéssel b) a fordulatszám átállításával
c) az armatúrakör ellenállásával d) a hajtógép nyomatékával

4. ⭐ Egy 400 kVA-es, 400 V-os generátor névleges vonali árama körülbelül:
a) 289 A b) 577 A c) 1000 A d) 1155 A

5. A kommutátor feladata az egyenáramú gépben:
a) a fordulatszám szabályozása
b) a mágneses tér létrehozása
c) az armatúratekercs váltakozó feszültségének egyirányúvá alakítása
d) a gép hűtése

6. ⭐ Melyik gerjesztésű egyenáramú motort TILOS terhelés nélkül indítani?
a) külső gerjesztésűt b) párhuzamos (sönt) gerjesztésűt
c) soros gerjesztésűt d) vegyes gerjesztésűt

7. Egy külső gerjesztésű motor adatai: U_k = 220 V, R_a = 0,5 Ω, I_a = 20 A. Mekkora az
indukált feszültség?
a) 200 V b) 210 V c) 220 V d) 230 V

8. A mezőgyengítés hatása állandó terhelő nyomaték mellett:
a) a fordulatszám csökken, az áram csökken
b) a fordulatszám nő, az áram nő
c) a fordulatszám nő, az áram csökken
d) sem a fordulatszám, sem az áram nem változik

9. ⭐ Az IP 55 jelölésben az első „5”-ös számjegy jelentése:
a) szilárd idegen testek (por) elleni védettség b) víz elleni védettség
c) a szigetelés hőállósági osztálya d) az üzemi mód

10. ⭐ Ha az áramfejlesztő a közcélú táplálás átkapcsolható alternatívájaként üzemel, akkor:
a) a párhuzamos kapcsolódást meg kell akadályozni (reteszelés, I–0–II átkapcsoló, ATS)
b) a generátort szinkronozni kell a hálózattal
c) elegendő a hálózat csillagpontjához való csatlakozás a védelemhez
d) nem kell túláramvédelem a generátor kapcsainál

Források

A fejezet forrásjegyzékéhez tartozó megjegyzések – bővítésre váró témák

Ez a fejezet tudatosan visszafogottabb a jegyzet többi fejezeténél. Az alábbi témák a jegyzet
írásakor nem voltak megbízhatóan forrásolhatók (a vonatkozó egyetemi jegyzetek 403-as hibával,
több szakmai adatbázis robots.txt-tiltással volt elérhetetlen), ezért ezekről a jegyzet vagy
csak elvi szinten, jelölve ír, vagy egyáltalán nem ír: