显示标签为“LG”的博文。显示所有博文
显示标签为“LG”的博文。显示所有博文

2012年9月10日星期一

FWI-SS3-series Soft Starter


FWI-SS3-series Soft Starter
    
FWI-SS3-series Soft Starter is a new type start-up equipment which integrates electric force and electronic techniques,computer technique and modern control theory. It is the new generation product to replace the conventional Star-delta Starter, Self-coupling voltage-drop Starter and Magnetic control voltage-drop Starter.
Description :
  • Advanced soft starter type: "voltage control type" and "current limiting type"
  • capacity to Motor effectively, so it could save the cost.
  • Intelligent, digital and single chip control.
  • Man-machine conversation function.
  • Delay starting function. Operation current displayed.
  • Failure self-diagnosis.
  • Natural wind cooling. Space saving.
  • Can reduce the starting stress of motor and other loading equipments, so that lengthen their service life.
  • The function of soft stopping can solve effectively the surging problem of inertia system when stopping.
  • The perfect and reliable protection features, can give the effective protection to the operator's safety as well as the motor and matched equipments. Such over voltage; over current, over load, over heat, short circuit, lower voltage, input or output phase failure; three phase imbalance, starting time over long protection etc.
  • The application of intelligent and network technique make the FWI-SS3 type Soft Starter meet the high -tech development of Electrical force automated technique effectively.
The reliable function and quality is the basic of the best service. even more, we can supply the special designing and functions of product matched to your need , and , the timely and perfect application consulting service.
Application:
Knitting Machine, compressor, extruding machine, injection machine, motor, braiding machine, pressure fan, forced draught blower, blower, blowing machine, blow molding machine, root's blower, film blowing machine, cutter bar, cut-off machine, slitter, Cutting machine, conveyor, pump, grinder, cluster, glazing machine, polisher, polishing machine, laundry-drier, drying machine, ball crusher, ball grinding mill, drawing machine
VTdrive EMI Filter & Reactor suit for Branding as follows:
ABB, SIEMENS, DANFOSS, VACON, SEW, LENZE, PETER ELECTRONIC, LEISTER, WATT DRIVE, KEB, BONFIGLIOLI, NORD, CAG ELECTRIC MACHINERY, INTECNO, SYCOTEC, KB ELECTRONICS,  TDE MACNO SPA, GEFRAN, CONTROL TECHNIQUES, PEPPERL FUCHS, GRUNDFOS, VEM MOTORS, BR INDUSTRI-ELEKTRONIK, RK ROSE+KRIEGER, CARLO GAVAZZI, LEROY SOMER, VERLINDE, TRANSTECNO, STAHL CRANE SYSTEMS GMBH, MIYACHI, DEMAG CRANES COMPONENTS, ABM, ROSSI, COGNITO QUAM, GE, AIRTECNICS, Delta, Teco, Toshiba, Mitsubishi, fuji, Yaskawa, Hitachi, Omron, Panasonic, HYUNDAI, LS/LG
Key Words / Main Products:
frequency inverter, AC Drives, frequency converters, frequency changers, adjustable speed drives (ASD), adjustable frequency drives (AFD), variable frequency drives (VFD), variable speed drives (VSD), Soft Starters, Soft Stop, Soft Starters for AC Motor, Motor Starters,  Motor Soft Starters, EMI filter, Input EMI Filters, Output EMI Filters, AC Choke, AC Reactor, Input AC Choke, Output AC Choke, Input AC Reactor, Output AC Reactor, DC Choke, DC Reactor, Input DC Choke, Output DC Reactor, Input DC Reactor, HMI, Human Machine Interface,PLC,Programmable Logic Controller, Servo Drive, Servo Motor, Servo Motor & Drive, Servo Motor & Drive System

2012年9月2日星期日

VTdrive ® Inversor de frequencia


Introdução:
Atualmente , a necessidade de aumento de produção e diminuição de custos ,
Inversor de Freqüência: se fez dentro deste cenário surgir a automação, ainda em fase inicial no Brasil , com isto uma grande infinidade de equipamentos foram desenvolvidos para as mais diversas variedades de aplicações e setores industriais , um dos equipamentos mais utilizados nestes processos conjuntamente com o CLP é o Inversor de Freqüência, um equipamento versátil e dinâmico ,vamos expor agora o princípio básico do inversor de freqüência.
Princípios Básicos:
O avanço da Eletrônica de Potência permitiu o desenvolvimento de conversores de freqüência com dispositivos de estado sólido, inicialmente com tiristores e atualmente estamos na fase dos transistores , mais especificamente IGBT, onde sua denominação é transistor bipolar de porta isolada .Os cicloconversores antecederam de certa forma os atuais inversores, eles eram utilizados para converter 60Hz da rede em uma freqüência mais baixa, era uma conversão CA-CA, já os inversores utilizam a conversão CA-C e por fim em CA novamente. Os inversores podem serem classificados pela sua topologia, esta por sua vez é dividida em três partes, sendo a primeira para o tipo de retificação de entrada, a segunda para o tipo de controle do circuito intermediário e a terceira para a saída. Em uma segunda parte iremos comentar sobre estas topologias e suas siglas como CSI, PAM, PWM/VVC e etc. Independente da topologia utilizada, temos agora uma tensão C em nosso circuito intermediário e deveremos transformar em tensão CA para acionar o motor AC. Na figura abaixo apresentamos um circuito em blocos de um inversor com a topologia tipo PWM, esta topologia é a mais utilizada nos inversores de freqüência atuais.
No gráfico abaixo mostramos de uma forma mais sucinta esta descrição.
Pela fig1 podemos ver de cor azul o módulo de entrada, de cor vermelha o módulo de saída e de cor verde o circuito intermediário, como a tensão é fixa em nosso diagrama ,deveremos então chavear os transistores de saída pela modulação de largura de pulso para obtermos uma forma de tensão CA sintetizada e de freqüência variável , com isto estamos agora apto a variar a velocidade do motor. A variabilidade da freqüência é muito grande, atualmente seu valor está entre 0 e 400 Hz, esta pode ser de forma escalar ou vetorial, como a escalar é mais comum, vamos comentar sobre ela. A escalar como o próprio nome sugere, é uma relação direta entre freqüência e tensão. Gráfico Escalar
Blocos componentes do inversor
1º bloco - CPU CPU- A CPU (unidade central de processamento) de um inversor de freqüência pode ser formada por um micro processador ou por um micro controlador (PLC). Isso depende apenas do fabricante. De qualquer forma, é nesse bloco que todas as informações (parâmetros e dados do sistema) estão armazenadas, visto que também uma memória está integrada a esse conjunto. A CPU não apenas armazena os dados e parâmetros relativos ao equipamentos, como também executa a função mais vital para o funcionamento do inversor: Geração dos pulsos de disparo, através de uma lógica de controle coerente, para os IGBT’s.
2º Bloco - IHM O segundo bloco é o IHM (interface Homem máquina). É através desse dispositivo que podemos visualizar o que está ocorrendo no inversor (display), e parametrizá-lo de acordo com a aplicação (teclas).
3ºBloco - Interfaces A maioria dos inversores pode ser comandada através de dois tipos de sinais:
Analógicos ou digitais. Normalmente, quando queremos controlar a velocidade de rotação de um motor AC no inversor, utilizamos uma tensão analógica de comando. Essa tensão se situa entre 0 á 10 Vcc. A velocidade de rotação (RPM) será proporcional ao seu valor, por exemplo: 1 Vcc = 1000 RPM, 2Vcc = 2000 RPM. Para inverter o sentido de rotação basta inverter a polaridade do sinal analógico (de 0 á 10 Vcc sentido horário, e –10 á 0 Vcc sentido anti-horário).
Esse é sistema mais utilizados em maquinas-ferramenta automáticas, sendo que a tensão analógica de controle é proveniente do controle numérico computadorizado (CNC).
Além da interface analógica, o inversor possui entradas digitais. Através de um parâmetro de programação, podemos selecionar qual entrada é válida (Analógica ou digital).
4º Bloco – Etapa de potência A etapa de potência é constituída por um circuito retificador, que alimenta ( através de um circuito intermediário chamado “barramento DC”), o circuito de saída inversor (módulo IGBT).
Dimensionamento:
Para a escolha do inversor devemos saber modelo tipo e potência do inversor de acordo com a necessidade de utilização do mesmo.
1º Potência do Inversor:
Para calcularmos a potência do inversor, temos que saber qual o motor (e qual carga) ele acionará. Normalmente a potência dos motores é dada em CV ou HP. Basta fazer a conversão em watts, por exemplo:
Rede elétrica = 380Vca Motor = 1 HP Aplicação = Exaustor industrial Cálculos: 1HP = 746W. Portanto, como a rede elétrica é de 380Vca e os inverssores
(normalmente) possuem fator de potência igual a 0,8 (cosφ = 0,80), teremos:
CI =Potência em Watts
Tensão na rede × cosφ
CI = Corrente do inversor
380 × 0,8
Tensão de entrada = 380 Vca
CI = 746 Watts = 2,45 A Tensão de entrada = 380 Vca (arredondando 2,45 para cima)
2º Tipos de inversor
A maioria dos inversores utilizados são do tipo escalar. Só utilizamos o tipo vetorial em duas ocasiões: Extrema precisão de rotação, torque elevado para rotação baixa ou zero ( guindastes, pontes rolantes, elevadores, etc).
3º Modelo e Fabricante Para escolher o modelo, basta consultarmos os catálogos dos fabricantes, ou procurar um que atenda as seguintes características mínimas como no caso do exemplo acima.
Tensão de entrada = 380 Vca Tensão de entrada = 380 Vca Tipo = escalar Quanto ao fabricante o preço deve determinar a escolha. Os mais encontrados nas indústrias são : Siemens, Weg, YasKawa e GE (Fanuc).
Tipos de Inversores:
• Inversor monofásico com terminal central • Inversor monofásico em ponte
• Inversor trifásico em ponte
• Inversor com fonte de corrente constante
• Inversor a transistor de potência
Inversor Monofásico com Terminal Central
fig 5.18 inversor monofásico com terminal central. (a) conexão. (b) circuito equivalente quando T1 é disparado. (c) Distribuição de corrente no transformador quando T1 está conduzindo. (d) Formas de onda.
capacitor C via fonte, quando ocorre o chaveamento dos tiristores
A tensão alternada em uma carga pode ser gerada a partir de uma fonte C pela utilização de um transformador com terminal central. Basicamente, pela capacidade de se alternar a condução de dois tiristores (chaveamento), a fonte C é conectado alternadamente nas duas metades do primário do transformador, induzindo, assim, no secundário uma tensão em onda quadrada sobre a carga. O capacitor mostrado na figura é necessário para comutação. Mas, como capacitor efetivamente está em paralelo com a carga via transformador, um indutor L em série com a fonte C é necessário para prevenir a descarga instantânea do
Quando um tiristor está conduzindo, a tensão E da fonte C está aplicada sobre a metade do primário do trafo, no qual a tensão total vale 2E. Portanto o capacitor se carrega com 2E. O disparo do outro tiristor agora desliga o primeiro tiristor pelo princípio do capacitor de comutação em paralelo.
Se o trafo for considerado ideal, o valor de ampere-espira sempre será balanceado. Na prática, a tensão é da fonte C sobre o enrolamento pode ser somente ser mantida pela variação do fluxo, a qual necessita de uma corrente de magnetização nas espiras, para uma análise simples de magnetização.
Um melhoramento na forma de onda pode ser conseguido com intuito de aproximar de uma senoide, se cada tiristor for disparado rapidamente quando a tensão na carga atingir o pico após chaveamento do tiristor anterior.
Para cargas que não são resistivas puras, a corrente de carga estará fora de fase com a tensão. Nessas condições, são adicionados dois diodos, como mostra a figura 5.19a., para recuperar energia armazenada na carga durante os períodos em que a corrente de carga é reversa em relação a tensão. Quando a carga é indutiva a corrente de carga sobe e decai, como ilustrado na figura 5.19b. Quando o tiristor t1 está ligado, o fluxo de corrente é de C para A, com C começando positivo em relação a A, e dessa maneira a potência é entregue a carga. Quando o tiristor t2 é disparado para uma tensão na carga reversa, o tiristor t1 é bloqueado, mais a corrente não pode mudar rapidamente, isto é , a direção do fluxo no enrolamento primário não pode mudar. Com o tiristor t1 bloqueado, o único caminho para esta corrente é através do enrolamento de D para C e via diodo D2 e pela fonte C. Enquanto o diodo D2 conduz o tiristor t2 permanece bloqueado até que a seqüência de comutação acabe. A tensão no ponto D inicia o negativo em relação a C, fazendo com que a potência seja removida da carga e retorne a fonte C. Referindo-se a figura 5.19b, no instante t2 a corrente de carga cai a zero, o diodo D2 cessa a condução e o tiristor t2 pode conduzir, revertendo a corrente e levando a carga com um novo fluxo de potência. Para manter o tiristor t2 em condições de conduzir a corrente a partir de t2, um trem de pulsos de disparo é requerido no gate. Uma seqüência similar de eventos ocorre no primeiro ciclo, quando o tiristor t1 é disparado, bloqueando o tiristor t2.
Os diodos de realimentação podem ser conectados no final do enrolamento, mas isso resulta em uma perda da energia de comutação no indutor L. Conectando os diodos a uma pequena distância do final do enrolamento, a energia armazenada em L pode ser recuperada após a comutação, dessa maneira reduzindo as perdas.
Quando a carga possui um fator de potência adiantado, a forma de onda simplificada da Figura 5.1 9c demonstra que a corrente se transfere para os diodos de T2 e T4, respectivamente, antes que os tiristores sejam disparados para uma tensão na carga reversa. Na prática, as formas de onda não são bem senoidais, mas a Figura 5. 19c apresenta um principio desse funcionamento básico.
fig. 5.19 Operação com cargas reativas. (a) inversor de terminal central com diodos de realimentação. (b) Fator de potência na carga em atraso. (c) Fator de potência na carga adiantado.
Inversor monofásico em ponte
Um circuito inversor monofásico em ponte sem os elementos de comutação é mostrado na Figura 5.20a., onde (em relação a Figura 4.19) o bloqueio do tiristor T1 é iniciado pelo tiristor T4 complementar. Se no caso existir uma carga indutiva, como a corrente não pode ser invertida imediatamente, existirá uma comutação, e o tiristor T4 cessará a condução, com a corrente de carga sendo agora transferida para o diodo D4. Tipicamente, o período de comutação é muito curto em relação ao período de freqüência de carga do inversor, e nesta seção a comutação é assumida como ideal e desprezada nas formas de onda das Figuras 5.20 e 5.20c.
Fig. 5.20 Inversor em ponte monofásico. (a) Circuito. (b) saída em onda quadrada (c) saída em onda quase quadrada.
Se a carga da Figura 5.20a for urna resistência pura, então os disparos alternados de T1, T2 e T3, T4 estabelecem sobre a carga uma tensão alternada em onda quadrada. Por outro lado, se a carga for indutiva, a forma de onda da corrente é atrasada, mas a voltagem possui uma forma de onda ainda quadrada.
A geração de urna forma de onda quadrada na tensão de carga e apresentada para uma carga indutiva na Figura 5.20b. Os tiristores são disparados por um trem de pulsos contínuo para 1800 da tensão de saída do inversor. Observando quase no final do semiciclo positivo, veremos que a corrente de carga e positiva e cresce exponencialmente; porém, quando os tiristores T3 e T4 são gatilhados para bloquear T1 e T2, a tensão de carga se torna inversa, mas não a corrente. 0 único caminho para a corrente de carga é via diodo D3 e D4, com conexão a ponte C e a carga, dando uma tensão reversa, com a energia magnética armazenada retornando a fonte ate que a corrente chegue a zero. Uma vez que a corrente de carga termine, os tiristores T3 e T4 podem começar a conduzir e a alimentar com potência a carga, e a partir dai a corrente de carga começará a crescer novamente em exponencial. Por isso, os tiristores requerem um novo disparo ate que a corrente de carga se tome zero.
Um controle de voltagem pode ser obtido introduzindo-se períodos de zero na forma de onda quadrada, também conhecida como forma de onda quase quadrada (como mostra a Figura S20c). Essa forma de onda pode ser gerada por um avanço de fase no disparo do par de tiristores complementares T1, T4 em comparação com T2, T3. Na Figura S.20c esse avanço é mostrado como um ângulo φ, tal que o trem de pulsos inicial dos tiristores T1,(e T4) está avançando φ graus antes do trem de pulsos dos tiristores T2,(e T3).
Tornando-se o instante em que na tensão de carga (Figura 5.20c) o tiristor ~2 é disparado para bloquear o tiristor T1, a corrente de carga é transferida para o diodo D4, mas como o tiristor T2 ainda está ligado, a corrente de carga flui por
D4 e T2 , provocando curto-circuito efetivamente e dando tensão zero na referida carga. Agora, quando o tiristor T3 for disparado para bloquear o tiristor T2, o único caminho para a corrente de carga será via diodo D3, conectando a fonte
C a carga em sentido negativo, com os tiristores T3 e T4 conduzindo, após a corrente de carga tornar-se zero.
Um caminho alternativo para produzir formas de onda quase quadradas controladas em largura d combinar (adicionar) duas formas de onda de inversores com onda quadrada com descolamento de fase. 0 descolamento de fase do inversor 2 é de ângulo φ comparado com o inversor 1, e combinados na saída produzem zeros com períodos de largura φ.
0 nível de tensão da forma de onda quase quadrada com largura fixa pode ser modificado também pela redução da tensão da fonte C.
Outra forma de controle de tensão é por recorte, como mostra a forma de onda da Figura 5.2, onde os tiristores do circuito inversor são ligados e bloqueados de tal maneira que produzem zeros de igual largura e com a parte de tensão de alimentação fixa de valor E.
Fig. 5.2 Inversor controlado para fornecer uma forma de onda recortada
Uma melhora na forma de onda recortada pode ser obtida variando-se a relação entre os períodos ligado e desligado, como mostra a Figura 5.23. Essa forma de controle é conhecida como modulação por largura de pulso (PWM), e pode-se observar que possui harmônicas de ordem muito menor que outras formas de onda.
Para determinar os pontos de disparo necessários para sintetizar corretamente a modulação por 1argu.ra de pulso, um método pode ser usado tomando-se uma senóide de referência e, através do circuito de controle, comparar essa senóide com forma do onda triangular, como mostra a Figura 5.24. 0 ponto do cruzamento determina o disparo dos tiristores. A Figura 5.24a mostra urna saída máxima, e a Figura 5.24b mostra urna saída com tensão reduzida, bastando reduzir também a tensão senoidal de referência. 0 circuito da Figura 5.24c mostra como urna redução na freqüência da senóide de referência aumenta o número do pulsos em cada meio ciclo.
A justificativa do uso do uma onda triangular pode ser acompanhada com a Figura 5.25.
0 cruzamento da forma do onda triangular com a senóide do referência produz um pulso do largura b. Reduzindo a senóide do referência pela metade do uma altura, teremos um pulso com largura c.
fig. 5.24 formação de uma onda PWM. (a) Em tensão de saída máxima.(b) Em tensão de saída reduzida. (c) Em metade da tensão e metade da frequência da frequência.
A largura será a metade do b o a altura do pulso será inalterada, portanto a área do pulso será dividida com a correspondente redução na altura da senóide do referência. Argumentos similares são apresentados a duas seções quando aumentamos a altura da senoide de referência, o correspondentemente a largura do pulso resultante para a .
A largura será a metade de b e a altura do pulso será inalterada, portanto a área do pulso será dividida com a correspondente redução na altura da senóide do referência. Argumentos similares são apresentados a duas seções quando aumentamos a altura da senóide do referência, o correspondentemente a largura do pulso resultante para a.
Um número elevado do pulsos em um ciclo pode aumentar o número do harmônicas do ordem superior, as quais são muito mais simples para filtrar que as harmônicas do ordem inferior; além disso uma carga indutiva atenua radicalmente essas harmônicas.
Como alternativa do controle PWM (modulação por largura do pulso), o inversor da Figura 5.20 pode faze-lo bastando sequenciar os disparos do T1 e T2 (como um par) e dos tiristores T3 e T4 (como outro par), evitando assim os períodos do zero. Dessa maneira a forma do onda PWM é gerada (Figura 5.26) aparecendo pequenos pulsos reversos durante meio ciclo do saída. Para determinar os instantes do disparo dos tiristores, uma onda triangular do alta freqüência C modulada por urna senóide do referência sem patamares do zero, como na Figura 5.24.
Um elevado número do comutações ocorrem em cada ciclo devido ao recorte e modulação por largura do pulso da forma do onda, resultando em uma elevada perda nos tiristores do inversor. Numa escolha entre os inversos como forma do onda quase quadrada o PWM, deveremos considerar perdas do chaveamento em cada um, harmônicas do baixa ordem e custo adicional do controle do um circuito em relação ao outro.
Fig 5.26 modulação PWM
Um método que reduz a excessiva perda de comutação existente na forma de onda do saída, reduzindo ainda harmônicas do baixa ordem, é mostrado na Figura 5.27. Pela inversão da tensão de saída por um curto intervalo de tempo em cada meio ciclo em determinados ângulos é possível eliminar duas componentes harmônicas, isto é, a terceira o a quarta. Com uma fonte fixa é possível controlar o nível da tensão de saída pela combinação de duas formas de onda, como as da Figura 5.27, polo principio da diferença do fase demonstrado na Figura 5.21.
Inverso trifásico em ponte:
0 circuito básico do um inversor trifásico em ponto é o da a Figura 5.28. 0 circuito do comutação é omitido na Figura 5.29 para facilitar a explanação da operação.
Similarmente a uma fonte retificadora trifásico, o inversor pode ser
controlado de tal maneira que os tiristores conduzem 120º do ciclo de saída. As formas do onda da Figura 5.29 são para uma carga resistiva pura em relação ao circuito da Figura 5.28. E assumido que no final do período do 120º um circuito de comutação inicia o bloqueio do tiristor apropriado.
As formas de onda da Figura 5.29b mostram que as correntes de carga são quase quadradas, e cada tiristor conduz um terço da corrente do carga em um ciclo. Com referência ao circuito da Figura 5.29a, considerando os tiristores como chaves, a fonte C é chaveada em seis etapas para sintetizar a saída trifásica. A relação pela qual os tiristores são chaveados determina a freqüência do carga. A forma de onda em patamares apresentada para a tensão de Linha pode ser modificada se uma indutância estiver presente na carga, a qual transfere aos diodos a corrente de carga que mantém as chaves fechadas (ver Figura 5.29a) por um período maior de que 120º.
E bastante usual na operação do inversor que cada tiristor possa conduzir da ordem do 180º. Dessa maneira, a fonte C C conectada a carga por um tiristor do um barramento o por dois tiristores do outro barramento.
Fig 5.30 Inversor trifásico em ponte com disparo de 180º e carga resistiva, (a) para ilustrrar a sequência com T1, T2 2 T3 conduzindo. (b) Forma de onda.
As formas de onda da Figura 5.30 mostram a condução em 180º e a tensão do linha iniciando com uma onda quase quadrada. A corrente do carga é constituída por degraus, e cada tiristor conduz da ordem de 180º. Uma vantagem nessa forma de controle é que os circuitos de comutação podem ser usados.
Se a carga que for alimentada pelo inversor contiver uma indutância, a corrente em cada ramo estará atrasada em relação a tensão, como mostra a fig.5.29 polarizando o tiristor T1 é disparado, o tiristor T4 é bloqueado, mas devido a corrente na carga, que não pode inverter, o único caminho é através do diodo D (ver Figura 5.28).então a fase da carga é conectada ao positivo da fonte C mas enquanto a corrente do carga não atingir t2,o tiristor T1 não apresentara condução. Argumentos similares são apresentados ao ciclo reverso em t2.
0 controle da tensão do inversor trifásico pode ser implementado pela soma de dois inversores monofásicos, com atraso de fase entre eles e com saídas combinadas do tal maneira que via transformador possa ser obtida em uma saída total trifásica. Dessa maneira podemos obter as saídas mostradas na Figura 5.32.
A técnica de modulação por largura do pulso (PWM) pode ser usada como ilustrado na Figura 5.3 (com referência ao circuito da Figura 5.28), em que as três senóides de referencia modulam a forma de onda triangular de alta freqüência para determinar os instantes do disparo do cada tiristor. A explicação sobre essas formas de onda é similar a dos inversores monofásicos.
Fig 5.3 Formas de ondas PWM para um inversor trifásixo
Com um controle como o da Figura 5.3, um ou outro dos dispositivos em cada ramo poderão conduzir todo o tempo, conectando a linha de carga ao barramento positivo ou negativo da fonte C. Tornando-se, por exemplo, o ramo da fase A, com os dispositivos numerados de 1 a 4 na Figura 5.28,se ia é positiva, o tiristor T1 está conduzindo; quando então o tiristor T4 é disparado, T1 é bloqueado, e a corrente de carga é transferida para o diodo D4. Se, por outro lado, ia for negativa, o diodo D, entrará em condução; quando o tiristor T4 for disparado fazendo a corrente de carga tomar lugar imediatamente; nessas condições, o tiristor T1 não necessita ser bloqueado.
Com referência a Figura 5.3, Os pulsos do disparo deverão ser contínuos no gate dos tiristores quando a carga for indutiva. Se a corrente instantânea for reversa, então os diodos em paralelo com os tiristoros entrarão em condução, apesar dos pulsos do disparo. Portanto, no período apresentado quando ig1 estiver no gate do tiristor T1 este ou o diodo D1 poderão conduzir.
Inversor de Freqüência PWM
Um inversor de freqüência PWM realiza o controle da freqüência e da tensão na seção de saída do inversor. A tensão de saída é uma amplitude constante e através de chaveamento ou modulação por largura de pulso, a tensão média é controlada.
Esse inversor está disponível em uma faixa que varia desde pequenas até grandes potências. Como são projetados para operar com motores de indução padrão, é fácil realizar a sua instalação em um sistema existente. Os inversores são vendidos separadamente porque o motor já pode estar instalado. Se necessário, um motor pode ser incluído com inversor ou fornecido separadamente.
O inversor básico consiste no próprio inversor que converte a alimentação de entrada de 60 Hz para freqüência e tensão variáveis. A freqüência variável é o requisito real que controlará a velocidade do motor.
O inversor de freqüência em geral permite operação ótima em sistemas com ventiladores e bombas, oferecendo vantagens específicas para estes tipos de aplicação.
A conversão de velocidade constante para velocidade variável em alguns sistemas resultou também em diminuição do consumo de energia em áreas que não são apenas elétricas. Os custos associados em um sistema de ar condicionado podem também ser reduzidos pelo controle adequado realizado através de inversores de freqüência PWM.
O controle do motor de indução é realizado através dos sinais que o inversor rapidamente aceita do sistema de controle disponível, sem realimentação de velocidade a partir do motor.
Caso o inversor seja instalado longe do motor, é necessário utilização de realimentação por tacômetro ou encoder.
Vantagem do Inversor PWM
Boa eficiência – O inversor pode alcançar uma eficiência superior a 90% à velocidade plena e plena carga.
Fator de Potência – Um retificador de ponte de diodo é utilizado para retificar a linha de entrada. Isto permite um bom fator de potência na faixa de velocidade de operação plena do inversor.
By-pass – Se o inversor falhar o motor pode ser operado diretamente na linha de entrada em operação contínua.
Cargas de alta inércia – O inversor pode adaptar a sua operação para evitar sobrecargas causadas pela aceleração de cargas de alta inércia em algumas aplicações.
Manutenção – O inversor pode ser testado e operado sem estar conectado ao motor.
Operação com vários motores – Mais de um motor pode ser operado a partir do mesmo inversor. Além disso, o inversor não é sensível à alteração da combinação dos motores operados, desde que a corrente de carga total não exceda a corrente nominal do inversor.
Desvantagens do Inversor PWM Custo inicial – O custo inicial do sistema do inversor é alto.
Conversão de potência – A potência total distribuída para o motor deve ser convertida pelo inversor. Isso requer componentes de alta potência dentro do inversor.
Manutenção – O inversor possui uma grande quantidade de circuito sofisticados que requerem técnicos especializados para a manutenção. Entretanto, a utilização em grande escala de circuitos integrados e circuitos microprocessadores permite um autodiagnóstico que auxilia na localização de falhas. A substituição a nível de placa pode ser feita por pessoal não especializada.
Exemplo de inversor utilizado no mercado
Inversores de Freqüência para motores CA: A linha de inversores SINOS IFD/IFDV/IFDE/VTC (vetorial), foi projetada utilizando o que há de mais avançando na tecnologia eletrônica. Módulo de potência inteligente com transistores IGBT, placa de comando com microcontrolador de elevada capacidade de cálculo e grande variedade de parâmetros programáveis, tornando os inversores SANTERNO extremamente versáteis para as mais variadas aplicações. Principais Características: potências até 200 KW, alimentação em 220/380/440 VCA-50/60 Hz, sobre carga de 200% durante 15" e 150% durante 1 min., parada controlada do motor (na falta de energia), módulo de frenagem, teclado remoto, PID interno, comunicação serial (RS 485).

Livro Eletrônica industrialAutor: Cyril W. Lander
Bibliografia: Apostila Cepel Revista Saber Eletrônica Internet

Szélerõmûvekben alkalmazott generátorok és frekvenciaváltók


1. Aszinkron generátorok

Az aszinkron gép állórésze háromfázisú, szimmetrikus tekercselésû. Egy póluspár esetén ez térben egymástól 120°-ra lévõ fázistekercseket jelent.
Csúszógyûrûs gépnél a forgórészen is ilyen tekercselés van, kalickás gépnél a forgórész rövidrezárt kalicka.
Ha ω1 a tápkörfrekvencia, és f1 a tápfrekvencia, akkor a gépben létrejövõ forgó mágneses mezõ az állórészhez képest n1=f1/p fordulatszámmal (W11/p szögsebességgel), az n fordulatszámú (W szögsebességû forgórészhez képest n1-n fordulatszámmal (W1-W szögsebességgel) forog. A relatív fordulatszámok, vagy szögsegességek aránya a szlip:
.
(4.1.)
A forgórészben indukálódó feszültségeknek, az ott folyó áramoknak a frekvenciája és körfrekvenciája
,.
(4.2.)
Rövidrezárt forgórészû aszinkron gép egyfázisú helyettesítõ vázlatát mutatja a 4.1. ábra.
Az aszinkron gép állórésze P1=3U1I1cosφ1 hatásos teljesítményt vesz fel a szinuszos táphálózatból, amelybõl a W1 szögsebességgel forgó mezõ légrésteljesítményt visz át az M nyomatékot kifejtõ W szögsebességû forgórészre:
(4.3.)
Ez fedezi a tengely Pm mechanikai teljesítményét és a Pr forgórészköri teljesítményt:

(4.4.)

Itt Wr=W1-W=sW1 a szögsebesség eltérés. Rövidrezárt forgórészû gépnél Pr=Ptr a forgórész tekercsveszteség. A légrésteljesítmény az állórész P1 felvett teljesítményével, Pts tekercsveszteségével és Pfe
vasveszteségével is kifejezhetõ:
(4.5.)
A légrésteljesítmény a helyettesítõ vázlatból is felírható:
(4.6.)
Rövidrezárt forgórészű aszinkron gép helyettesítő vázlata
4.1. ábra
Rövidrezárt forgórészû aszinkron gép helyettesítõ vázlata

Ez alapján f= const. és U= const. esetben számítható a nyomaték a helyettesítõ vázlatból. A 4.2. ábra mutatja az így kapott W(M) mechanikai jelleggörbét és az áramvektor diagramot. A W(M) jelleggörbe három szakaszát különböztetjük meg:

  1. W< W < ∞, s < 0, Pm < 0: generátoros üzem
  2. 0 < W < W1, 0 < s < 1, Pm > 0: motoros üzem
  3. -∞ < W < 0, 1 < s < ∞ Pm < 0: ellenáramú féküzem
A W=W1, s=0, M=0 határpontban üresjárásban szinkron forog, a W=0, s=1, M=Mi határpontban áll a gép. Az M(W) helyett az M(s) jelleggörbe – R=0 általában megengedhetõ közelítéssel – egyszerûen megadható a Kloss képlettel:
(4.7.)
Itt Mb a (maximális) billenõnyomaték, sb a billenõszlip, Wrb a billenõ szögsebesség eltérés.
Aszinkron gép mechanikai jelleggörbéje és áramvektor diagramja
4.2. ábra
Aszinkron gép mechanikai jelleggörbéje és áramvektor diagramja
f1 = const., U1 = const. mellett

A valóságban R ≠ 0 miatt a generátoros billenõnyomaték nagyobb a motorosnál a 4.1. ábranak megfelelõen: .

A forgórész fordulatszáma és szögsebessége (4.1.) alapján:
.
(4.8.)
A fordulatszám ezen összefüggések alapján az f1 frekvenciával, a p póluspárral és az s szlippel változtatható.

a) Pólusszám változtatása

A pólusszámmal a W1 = ω1/p szinkron szögsebesség változtatható. Leggyakrabban az ún. Dahlander kapcsolást alkalmazzák, amikor ugyanazt a tekercselést lehet megcsapolások segítségével két 1:2 arányú pólusszámra átkapcsolni. Csak kalickás gépeknél használják, mert ekkor nincs szükség átkapcsolásra a forgórészen, mivel ott magától kialakul a kétféle pólusszám. Megfelelõ csillag, delta, soros és párhuzamos kapcsolásokkal teljesítménytartó, nyomatéktartó és csökkenõ nyomatékú jelleggörbéket lehet megvalósítani. Két független tekercseléssel 1:2-tõl eltérõ pólusszám arány is beállítható. Általában az egyik pólusszámon a szokásosnál rosszabbak a gép jellemzõi (hatásfok, cosφ).

b) Szlip változtatása

  • Ellenállás változtatás

Csúszógyûrûs gépnél külsõ ellenállás beiktatásával növelhetõ az Rr forgórészköri ellenállás, és ezáltal pl. motoros üzemben csökkenthetõ az rz rövidrezárt W(M) jelleggörbéhez tartozó szögsebesség. Adott M > 0 nyomatéknál Rr arányában megnõ a Wr = W1-W szögsebességesés, illetve az  szlip. Ez veszteséges fordulatszám változtatási módszer (4.3. ábra). A tartósan megengedhetõ nyomaték Mh = Mn állandó (külsõ szellõzést feltételezve), mert a többlet veszteség a gépen kívûl, a beiktatott ellenálláson keletkezik.
  • Feszültségváltoztatás

Mind kalickás, mind csúszógyûrûs gépnél lehetséges az U1 tápfeszültség változtatása az U1 ≤ Un tartományban. Adott fordulatszámon a nyomaték U12-tel arányos (). Kalickás gépnél a tartós terhelhetõségi határ  szerint csökken motoros és generátoros üzemben a fordulatszám változásakor (Wrn =W1-Wn).

Szlipváltoztatás forgórészköri ellenállás növelésével
4.3. ábra
Szlipváltoztatás forgórészköri ellenállás növelésével


Szlipváltoztatás állórész feszültség csökkentésével
4.4. ábra
Szlipváltoztatás állórész feszültség csökkentésével 


  • Kétoldalú táplálás

Csúszógyûrûs gépnél a forgórész is táplálható kívûlrõl. A 4.5. ábraban a hátsó berendezéssel a forgórészbõl (4.3.) alapján
(4.9.)
teljesítményt veszünk ki, ill. adunk be. A szögsebességeket a 4.5. ábra mutatja a B pontban. Idealizált esetben ezt a teljesítményt vagy visszatápláljuk a hálózatba, vagy az A aszinkron gép tengelyére adjuk egy ún. hátsó gép segítségével. A 4.5. ábra b) részébõl leolvasható, hogy P2>0 teljesítmény kivétellel az rz rövidrezárt jelleggörbe alatti hajtás és az rz feletti generátoros üzem, P2<0 teljesítmény bevitellel az rz jelleggörbe alatti generátoros üzem és az rz feletti hajtás lehetséges. A c) ábra veszteségmentes (P1=Pl, P2=Pr) esetre mutatja a teljesítményáramlási viszonyokat. Napjainkban elsõsorban kaszkád kapcsolásokat használnak hátsó berendezésként.
Kétoldalról táplált aszinkron gép
4.5. ábraKétoldalról táplált aszinkron gép
a) kapcsolási elrendezés; b), c) teljesítményviszonyok

Kaszkád kapcsolás ma használatos megoldásait mutatja a 1.6. ábra a) és b) része. Ezekben mind az ÁH hálózati, mind az ÁM motoroldali áramirányító hídkapcsolású a c) ábrának megfelelõen. Az ÁH áramirányító tirisztoros kapcsolás szimmetrikus vezérléssel, az ÁM áramirányító diódás, vagy szimmetrikus vezérlésû tirisztoros kapcsolás.

Szinkron alatti kaszkád (SZAK) hajtásban 1.6. ábra a), az ÁM motoroldali áramirányató diódás híd, így a forgórészbõl csak P2>0 teljesítmény kivétel, azaz a 4.5. ábra b) részének megfelelõen szinkron alatti hajtás és szinkron feletti generátoros üzem lehetséges. Veszteségmentes ÁM és Le esetén
.
(4.10.)

Áramirányítós aszinkron gépes kaszkád hajtás
4.6. ábraÁramirányítós aszinkron gépes kaszkád hajtás
a) szinkron alatti kaszkád; b) szinkron feletti kaszkád; c) tirisztoros hídkapcsolás

Szinkron feletti kaszkád (SZFK) hajtásban (4.6. ábra b) része) a forgórészhez is tirisztoros ÁM áramirányító kapcsolódik, amelyik speciális hálózati kommutációval, ún. gépi kommutációval üzemel. A P2 = Pe>0 folytonos vonalú teljesítményáramláskor (szinkron alatti hajtásnál és szinkron feletti fékezésnél) ÁM egyenirányító (EI), ÁH inverter (INV) üzemben dolgozik. A P2 = Pe<0 szaggatott vonalú teljesítményáramláskor (szinkron feletti hajtásnál és szinkron alatti generátoros üzemnél) ÁM INV, ÁH EI üzemben van.

c) Frekvencia változtatása

A frekvenciaváltoztatást általában kalickás gépek veszteségmentes fordulatszám szabályozására használják.
A frekvenciával az n1 = f1/p szinkron fordulatszám változtatható folyamatosan. Ha a frekvenciával arányosan változtatjuk az Uil indukált feszültség (4.2. ábra)
(4.11.)
amplitúdóját, akkor a ψ1 állórész fluxus állandó marad. Az f1 frekvenciától függetlenül állandó az Mb billenõnyomaték és a Wrb billenõ szögsebesség eltérés és a W(M) jelleggörbék a frekvenciát változtatva önmagukkal párhuzamosan eltolódnak.
A frekvencia változtatására csaknem kizárólagosan közbülsõ egyenáramú körös frekvenciaváltókat alkalmaznak. Ezek feszültséginverteres és áraminverteres megoldásúak lehetnek. Az aszinkron gép viselkedését alapvetõen az alapharmonikusok szabják meg.

Feszültséginverteres megoldások
4.7. ábraFeszültséginverteres megoldások
a), b) egyszerû feszültséginverteres frekvenciaváltó
c) ISZM feszültséginverteres frekvenciaváltó

Feszültséginverteres alapmegoldásokat mutat a 4.7. ábra. A közbülsõ egyenáramú körökben a feszültséginverterek kapcsain Ce kondenzátor van, ami rövid idõre feszültségkényszert eredményez. Az a) és b) esetben az U1 feszültséget az Ue egyenfeszültséggel változtatják, az ún. egyszerû feszültséginverter csak az f1 frekvenciát változtatja. Az Ue egyenfeszültséget az a) megoldásban az ÁH hálózati áramirányító, a b)-ben a DC/DC soros egyenáramú szaggató szabályozza. A c) változatban Ue ≈ const., és az impulzusszélesség modulációs (ISZM) feszültséginverter változtatja mind az U1 feszültséget, mind az f1 frekvenciát. Az a) ill. c) változatot mutatja tranzisztoros feszültséginverter feltételezésével a . Veszteségmentes viszonyokat feltételezve

(4.12.)

Feszültséginverteres aszinkron gépes hajtás
4.8. ábra
Feszültséginverteres aszinkron gépes hajtás
a) kapcsolási vázlat; b) üzemi síknegyedek; c) üzemi síknegyedek (Ie>0 és Ie<0)

Mivel Ue>0, így Pm>0 hajtáshoz Ie>0 egyenáram középérték, Pm<0 generátoros üzemhez Ie<0 tartozik. Egy tirisztoros hídkapcsolású ÁH-val csak Ie>0 biztosítható. Két áramirányítóból álló ÁH-val, ill. feszültséggenerátoros ISZM vezérlésû hálózati áramirányítóval Ie>0 és Ie<0 is lehet. (Itt a diódák és a tranzisztorok ellentétes irányú áram vezetésére képesek). A feszültséginverteres hajtással átfogható W-M síknegyedek a 4.8. ábrán láthatók.

Áraminverteres megoldást mutat a 4.9. ábra. A közbülsõ egyenáramú kör az áraminverterhez minden esetben Le induktivitással kapcsolódik, amely rövid idõre áramkényszert jelent. Az egyenáram Ie középértékét az ÁH hálózati áramirányító állítja be. Veszteségmentes viszonyokat feltételezve itt is érvényes a (4.2.) összefüggés. Mivel Ie>0, így Pm>0 hajtáshoz Ue>0 egyenfeszültség középérték, Pm<0 fékezéshez Ue<0 tartozik. Ez szimmetrikusan vezérelt tirisztoros hídkapcsolású ÁH-val és áramgenerátoros ISZM hálózati áramirányítóval is biztosítható. Eszerint az áraminverter alapfelépítésében 4/4-es üzemet tesz lehetõvé (4.9. ábra b).
Áraminverteres aszinkron gépes hajtás
4.9. ábraÁraminverteres aszinkron gépes hajtás
a) tirisztoros áraminverteres hajtás kapcsolása; b) üzemi síknegyedek



d) Vestas gépek

Szélerõmûvekben ma a leggyakrabban használt elektromechanikai átalakítók az aszinkron generátorok. Ez olyannyira igaz, hogy a Vestas nevû dán cég csak aszinkron generátoros szélerõmûveket gyárt. Ismert elõnyeik ellenére (robusztus, olcsó, kevés karbantartást igényelnek, stb.) a kezdeti idõszakban a motornak tervezett gépek nem váltották be százszázalékosan a hozzájuk fûzött reményeket generátoros üzemben.
Az aszinkron gép kördiagramja alapján a generátoros üzem minden  munkapontjában nagyobb az indukált feszültség (és így a gép fõfluxusa is), mint a motoros üzem hasonló terhelésû  tartományában. A nagyobb indukció és erõsebb telítõdés jelentõsen megnövelheti az aszinkron gép üresjárási veszteségeit a nagyobb vasveszteségen és mágnesezõ áramon keresztül. Ez alacsony szélsebességeken egy tartomány elvesztését jelenti, mert a turbina hajtó nyomatéka és mechanikai teljesítménye – egy adott szélsebesség alatt – nem elegendõ az üresjárási veszteségek fedezésére sem. A feleslegesen nagy üresjárási veszteségek az egész generátoros tartományban rontják a gép hatásfokát és teljesítménytényezõjét, és a kapcsolási áramlökések is nagyobbak egy telített gép esetében. Az elmondott okok miatt a szélgenerátorként használt aszinkron gépet kevésbé telítõdõre kell tervezni, mintha motorként alkalmaznánk.
Hálózathoz közvetlenül csatlakozó aszinkron generátor szinkron szögsebességét a hálózati frekvencia meghatározza, és ezért a turbina fordulatszáma is csak kis mértékben változhat meg terhelés hatására a szliptõl függõen. Stabil mûködés generátor üzemben általában csak a szinkron pont és a billenõ pont között lehetséges, ahol fennáll:
(4.13.)
(Az egyes mennyiségek itt természetesen azonos tengelyre vannak átszámítva). A szûk határok között változó w értékbõl következik, hogy a turbina és a generátor közötti áttétel megválasztásával legfeljebb egy munkapontban biztosítható az optimális energia kihasználás (Cpmax; PTmax) egy adott szélsebesség esetén. Adott szélsebesség alatt nem létezik stabil üzem.
A jó hatásfok érdekében a motoroknál kis névleges szlipre és így merev M-w jelleggörbére szokás törekedni. A szélrohamok nyomaték és teljesítménylökései merev jelleggörbe esetén átadódnak az aszinkron generátornak és a hálózatnak. Ezek a lökésszerû betáplálások nemkívánatosak, mert rontják a megtermelt villamos energia minõségét, ugyanakkor a mechanikai alkatrészek idõ elõtti kifáradását is okozzák.
Lágyabb jelleggörbéjû aszinkron generátor esetén a széllökések energiájának jelentõsebb része a forgó tömegek (elsõsorban a turbina) mozgási energiájának megváltoztatására fordítódik ill. abban tárolódik. Ezáltal a generátor tengelyére már csak kisebb nyomatéklökések adódnak át.
A nagyobb névleges szlip valamennyi munkapontban arányosan nagyobb forgórész tekercsveszteséget jelent. Ez egyrészt rontja az energiaátalakítás hatásfokát, másrészt nagyobb méretû (drágább) generátort igényel. (Természetesen a kisebb telítõdésre méretezett gép ugyancsak a méretek növelését jelenti.) Ezért a névleges szlip növelése kb. sn=10% felett gazdaságilag nem indokolható. A veszteségek növekedésének részben ellene hat az, hogy a lágyabb jelleggörbe miatt az áramok kevésbé követik a szél ingadozását, és így az effektív értékük emiatt kisebb.
Vestas-rendszerű szélturbinák villamos felépítése
4.10. ábraVestas-rendszerû szélturbinák villamos felépítése

A szélenergia hasznosítás kezdeti korszakában a szabályozó-vezérlõ berendezés a mechanikus féken keresztül rögzített állapotban tartotta a forgórészt mindaddig, amíg a szél el nem ért egy elõre meghatározott értéket. A küszöbérték meghaladásakor a féket kioldották és a generátort megszakító segítségével a hálózatra kapcsolták. Az motorként felgyorsult a szinkron fordulatszámig, ahonnan a turbina nyomatéka gyorsította tovább. Amikor a szél sebessége a határérték alá csökkent, a megszakító egy elõre meghatározott ideig még a hálózatra kötötte a gépet, majd ezután lekapcsolta a hálózatról. Sajnos az aszinkron generátorok hálózatra kapcsolása, vagy visszakapcsolása jelentõs áram- és nyomatéklökésekkel jár. A túláram oka részben az elektromágneses tranziens (a fluxus jelentõs változása), részben pedig a kapcsolási pillanatban fennálló szögsebesség eltérés az állandósult állapot szögsebességéhaz képest. Az áramcsúcs a névleges áram 12-szeresét is elérheti, ha az aszinkron gép kis impedanciájú és a hálózat kellõen merev. A gyakori indítás és a szinkron fordulatszám alatti üzem felesleges energiaveszteséget jelent a forgórészköri ellenállásokon.

Teljesítményviszonyok szinkron alatti és feletti fordulatszámokon
4.11. ábraTeljesítményviszonyok szinkron alatti és feletti fordulatszámokon

A Vestas javított szabályozó-vezérlõ berendezése – csökkentendõ a felesleges bekapcsolások számát – elõre pontosan meghatározza a kapcsolás idõpontját az aktuális szögsebesség, a szöggyorsulás és a tehetetlen tömegek ismeretében. A Vestas által kifejlesztett OptiSpeedTM rendszer (1.10. ábra) a következõképpen mûködik: kaszkád kapcsolásról van szó, melynél mind a generátor-, mind a hálózatoldali áramirányító kis veszteségû, hídkapcsolású IGBT félvezetõ elemekbõl épül fel (ezt a korábban bemutatott 1.6. ábra is szemlélteti). Ezen két áramirányító a négynegyedes konverter, mely alkalmazása által a generátor a szinkron alatti és feletti szögsebességeken is veszteségmentesen üzemel. Az aszinkron generátorok fordulatszám változtatásának lehetõségeinél említett ellenállás-változtatásos módszer – mely a szlipet befolyásolja – hátránya, hogy a csúszógyûrûs gép forgórészkörébe iktatott ellenállásokon teljesítmény-disszipáció jön létre, mely teljesítmény hõvé alakulva veszteséget okoz. Ezt a veszteség-teljesítményt táplálja be a tercier transzformátor egyik tekercsén keresztül a hálózatba az impulzusszélesség-modulációval vezérelt inverter, szinkron feletti szögsebességeken.

Az álló- és forgórész teljesítményáramlásának viszonyait mutatja a 4.11. ábra szinkron alatti és szinkron feletti sebességeken.
Szabályozott üzemben tirisztoros váltakozóáramú szaggató kapcsolással jelentõsen csökkenthetõk a tranziens csúcsok. A klasszikus megoldás a tirisztorok gyújtáskésleltetési szögét elõre meghatározott sebességgel csökkenti nagyról kis értékûre, ami által a generátor feszültségét nulláról 100%-ra növeli fel a szinkron fordulatszám közelében. A teljes feszültség elérése után egy mágneskapcsolóval áthidalják az ellenpárhuzamos tirisztor párokat.
Vissza: Blokk tetejéhez - Tartalomjegyzékhez

2. Szinkrongenerátorok és frekvenciaváltóik

A szinkrongép háromfázisú állórésze gyakorlatilag ugyanolyan mint az aszinkron gépé, a forgórészen egyenárammal táplált gerjesztõ tekercselés, vagy állandómágnes van. A gerjesztõ tekercselés általában csúszógyûrûkhöz kapcsolódik. Régebben a gerjesztõ áramot a szinkrongép tengelyéhez kapcsolt egyenáramú gerjesztõgép szolgáltatta, újabban áramirányítós gerjesztést alkalmaznak. Egyre gyakoribb az ún. kefenélküli gerjesztés, amikor elmarad a csúszógyûrû. Lemezelt forgórésznél gyakran alkalmaznak csillapító (indító) kalickát, ami egy rövidrezárt tekercselés. Tömör vastestû forgórésznél, az örvényáramok átveszik ennek a szerepét. A forgórész kialakításától függõen megkülönböztetünk hengeres forgórészû és kiálló pólusú szinkrongépet.
Szinuszos, szimmetrikus háromfázisú feszültségrõl táplált szinkrongépben forgó mágneses mezõ jön létre, és állandósult állapotban a forgórész együtt forog a mezõvel:
(4.14.)
A táphálózatból felvett P1 teljesítmény fedezi az állórész Pts tekercs és Pfe vasveszteségét és a Pl légrésteljesítményt. A W=W1 miatt a légrésteljesítmény megegyezik a mechanikai teljesítmnnyel:
(4.15.)
 gerjesztõ teljesítmény a névleges teljesítmény néhány százaléka.

a) Hengeres forgórészû szinkrongép

Hengeres forgórészű szinkrongép helyettesítő vázlata
4.12. ábra
Hengeres forgórészû szinkrongép helyettesítõ vázlata

Ideális esetben a szinkron induktivitások d hossz és q keresztirányban megegyeznek: Ld=Lq. Hengeres forgórészû szinkrongép vasveszteséget elhanyagoló helyettesítõ vázlatát mutatja a 4.12. ábra.
Az áram I1 effektív értékével és φ1 szögével számítható a hálózatból felvett wattos és meddõ teljesítmény:
(4.16.)
Veszteségeket elhanyagolva a P1>0 motoros üzemet (hajtást), a P1<0 generátoros üzemet (fékezést) jelent. A Q1>0 túlgerjesztett állapotban meddõ teljesítményt termel, a Q1<0 alulgerjesztett állapotbanmeddõt fogyaszt a szinkrongép (az áram siet, ill. késik a feszültséghez képest).
A szinkrongép nyomatéka:
(4.17.)
ahol a β szög a gépben létrejövõ eredõ fluxus és a forgórészhez rögzített d tengely közötti szöget jelenti. (Ez megegyezik az  és  feszültségek közötti fázisszöggel.)  a forgórész által az állórészben indukált feszültséget jelenti.

Hengeres forgórészű szinkrongép nyomatékterhelési szög jelleggörbéje f1=const.; U1= const. mellett
4.13. ábraHengeres forgórészû szinkrongép nyomatékterhelési szög jelleggörbéje f1=const.; U1= const. mellett

Az M(β) jelleggörbét a 4.13. ábra mutatja. A  billenõ nyomaték motoros üzemben β=90°-nál, generátorosban -90°-nál van. A szinkrongép stabilitását az M-β síkon kell vizsgálni, mivel a nyomaték a β-tól függ. Motoros M=Mt>0 üzemben az S pont stabilis, az L labilis.

b) Kiálló pólusú szinkrongép

Kiálló pólusú gépnél  részben a mágneses aszimmetria, részben a gerjesztõtekercs d irányú elrendezése miatt.
A gerjesztett forgórészû szinkrongépek közül a hagyományos kiállópólusú, radiális légrésû konstrukciót alkalmazzák, mivel ez egyszerûen elkészíthetõ nagy pólusszámmal is. Az állandómágneses szinkrongépek egyre szélesebb alkalmazást nyernek és várható, hogy a jövõben egyeduralkodók lesznek ezen a területen.
Konstrukciós szempontból a szélgenerátorként alkalmazott állandómágneses szinkrongépek lehetnek:
  • radiális,
  • axiális és
  • transzverziális légrésûek.
Axiális légrésû szinkrongépnél a toroid tekercselésû állórészt két állandómágnessel ellátott forgórésztárcsa fogja közre (2p=8 a pólusszám). A mágneseket a forgórész tárcsákra ragasztják.
Transzverziális légrésû gép bonyolultsága miatt eltekintek az ismertetésétõl.
A frekvencia változtatására szinkrongépnél is alkalmazhatók az aszinkron gépnél bemutatott tranzisztoros és GTO-s megoldások: a közbülsõ egyenáramú körös feszültséginverterek (4.8. ábra) és áraminverterek (4.4. ábra). A fenti frekvenciaváltókról táplált szinkrongépet az elõbbiek szerint célszerû cosφ1=±1-re gerjeszteni, mert ekkor a legkisebb az alapharmonikus áram, azaz az állórész és a frekvenciaváltó áram igénybevétele. A munkapontot alapvetõen az alapharmonikusok szabják meg.
A szinkrongép túlgerjeszthetõsége lehetõvé teszi hálózati kommutációs áramirányítók (tirisztoros hídkapcsolás) frekvenciaváltóként való alkalmazását. A tirisztorok ugyanis csak a rajtuk átfolyó áram természetes nullátmeneténél hagyják abba a vezetést és „szigetelnek” a következõ gyújtó impulzusig. Túlgerjesztés esetén az áram „siet” a feszültséghez képest, ezért mire egy adott fázis feszültségét meg kell változtatni (nullátmenete van) az áram már kialudt, és az adott fázisra a másik tirisztorral ellenkezõ elõjelû feszültség kapcsolható. A banaz ÁH hálózati és az ÁM motoroldali áramirányítóból álló közbülsõ egyenáramú körös frekvenciaváltó táplálja a szinkrongépet. Ezt az elrendezést nevezik áramirányítós szinkron gépnek. Az ÁM motoroldali áramirányító a szinkrongép változó f1 frekvenciájával üzemel, gyújtását önvezérléssel (pl. a tengely szöghelyzetérõl vett jellel) oldják meg. Az önvezérlés következtében a szinkronizmusból kiesés nem lehetséges. A fordulatszám és az áramszabályozást az ÁH hálózati áramirányító, a gerjesztés szabályozást az ÁG gerjesztõköri áramirányító látja el.
Veszteségmentes esetben
.
(4.18.)
A negatív elõjel a felvett pozitív irányok következménye. Az ÁH és ÁM áramirányítók tirisztorainak vezetési iránya miatt az egyenáram csak Ie>0 lehet. A Pm>0 motoros hajtáshoz Ue<0 egyenfeszültség középérték tartozik, és ÁH egyenirányító (EI), ÁM inverter (INV) üzemben dolgozik. A Pm<0 generátoros üzemben Ue>0 és ÁM EI, ÁH INV üzemben van. A 4.4. ábrában folytonos vonal szemlélteti a motoros, szaggatott a generátoros teljesítményáramlást.
Áramirányítós szinkrongép (kapcsolási vázlat)
4.14. ábraÁramirányítós szinkrongép (kapcsolási vázlat)

Az M=0-hoz tartozó üresjárási szögsebesség:

.
(4.19.)
Itt ψp a gerjesztésbõl származó pólusfluxus és αp az -tõl mért gyújtásszög. Vagyis állandó ψés αp esetén a szögsebesség az Ue feszültséggel arányosan változik.
Generátoros üzemben az αp≈0 begyújtási határon is üzemeltethetünk.
Az ÁM áramirányító gyújtásvezérlésében fázissorrendet cserélve a mechanikai jelleggörbének az origóra vett tükörképeit kapjuk. Ezzel 4/4-es üzem is megvalósítható.
Ha az ÁM áramirányító diódás híd, akkor a diódás szinkrongenerátort kapjuk, ami a begyújtási határon üzemel és csak generátoros üzemre képes.

c) Enercon gépek

Hõerõmûvekben a szinkron generátorok alkalmazása csaknem kizárólagos. Szélerõmûvekben a közvetlenül hálózatra kapcsolódó szinkron generátorok száma viszonylag csekély és fõleg a MW-os nagyságrendû, szigetüzemben is mûködõ erõmûvekben fordul elõ. Ennek oka a rendkívûl komoly üzemeltetési problémákban keresendõ.
Hálózatra közvetlenül kapcsolódó szinkron generátorok esetében a legsúlyosabb problémák a rendszer merevségében, lengési hajlamában és stabilitási kérdéseiben keresendõk. A merev rendszer kellemetlensége különösen hirtelen szélrohamok esetén mutatkozik meg, amikor is a nyomatéklökések gyengítetlenül továbbterjednek a mechanikai rendszeren a generátorig, és annak terhelési szöglengésén keresztül teljesítmény- és áramlökések formájában átadódik a hálózatnak. A generátor és a hálózat frekvenciájának azonossága és állandósága rögzíti a szinkron fordulatszámot, ami változó szélsebesség esetén erõsen leronthatja az aktuális teljesítménytényezõt és a turinából kinyerhetõ energiát.
Az Enercon nevû német szélturbinagyártó nagy újítása az, hogy a gépcsoport szögsebessége a lapátszög szabályozással viszonylag állandó értéken tartható, de – fõleg – a frekvenciaváltó közbeiktatásával megszûnik a generátor frekvencia kényszere. Ugyanakkor a nyomatéklökések alkalmával a nagy tehetetlenségi nyomatékú szélturbina lendítõkerékként viselkedik, átmenetileg tárolva az energia lengõ részét, csökkentve a tengelyek igénybevételeit.
A változó sebességû turbinák a következõ elõnyökkel rendelkeznek a hálózathoz mereven kapcsolt társaikkal szemben:
  • több energia nyerhetõ ki a turbinából adott szélsebesség eloszlás esetén (jobb Cp,
  • kisebbek a mechanikai igénybevételek a teljes rendszerben,
  • könnyebb az indítás, és kisebb szélsebességenis el tud indulni a turbina,
  • alacsony sebességeken a rendszer eredõ hatásfoka a generátor veszteségeinek csökkentésével is javítható,
  • kisebb sebességeken csökken a zajszint,
  • nincs szükség a szinkronozás mûveletére,
  • jobb minõségû a termelt villamos energia.