Villamos gép

A villamos gép fogalma az elektrotechnikában a transzformátort és a forgó villamos gépeket foglalja magába. Az előbbi villamos gép a villamos energiát más paraméterekkel rendelkező villamos energiává alakítja, míg az utóbbiak a villamos energiát mechanikai energiává alakítják (motor) vagy a mechanikai energiát alakítják villamos energiává (generátor).

A villamos gépek osztályozása:

transzformátor
forgó villamos gépek
- villanymotor
- generátor

A villamos gépek törvényei

Az alábbi törvények minden villamos gépre igazak és fontos tájékoztatást adnak alapvető működésükről:

1. törvény: A villamos gépek működése két egymáshoz képest relatív nyugalomban lévő villamos vagy mágneses mező kölcsönhatásán alapul.

2. törvény: A villamos gépek működése reverzibilis, azaz az energiaáramlás iránya megfordítható.

3. törvény: A villamos gépek hatásfoka elméletben tetszőlegesen megközelítheti a 100%-ot.

Az első törvény transzformátor esetében természetesen automatikusan teljesül, hiszen a primer és szekunder mágneses mező változása azonos frekvenciával történik, fázistolás azonban természetesen lehet közöttük a transzformátor óraszámától és a terheléstől függően.

A forgó villamos gépek mindig egy állórészből és egy forgórészből állnak, a kettő között légrés helyezkedik el, a forgást pedig csapágyazás teszi lehetővé. Ebben az esetben a forgórész mező és az állórész mező mindig együtt forog, fázistolás természetesen itt is lehetséges és az állandósult nyomaték létrehozásához szükséges is.

Noha a törvények alapján lehetőség van villamos mezők kölcsönhatásán alapuló gépeket is készíteni, a gyakorlatban ezek alkalmazása csak nanoméretekben tűnik gazdaságosnak. Egy adott méretű mágneses mezőben tárolható energia ugyanis 10 000-szer nagyobb, mint az ugyanekkora villamos mezőben tárolható. Emiatt a gyakorlatban alkalmazott villamos gépek működése minden esetben két mágneses mezőn alapul.

Az első törvényt fejezi ki matematikailag villamos forgógépekre az úgynevezett frekvencia-feltétel. Ennek alakja:

$\Omega _{S}=\Omega _{R}+\Omega _{M}$

ahol:

ω_s az állórész mező szögsebessége az állórészhez képest.
ω_r a forgórész mező szögsebessége az forgórészhez képest.
ω_m a forgórész szögsebessége az állórészhez képest.

Egyenárammal gerjesztett állórész esetében például ω_s=0, így ω_r=-ω_m. A különböző forgógép alaptípusoknál a frekvenciafeltétel más-más módon teljesül.

A reverzibilitás törvénye (2. törvény) transzformátor esetében azt jelenti, hogy a primer és a szekunder oldal felcserélhető, azaz ugyanaz a transzformátor lefelé és felfelé is képes transzformálni a feszültséget attól függően, hogy a nagyobb vagy a kisebb menetszámú oldala felől érkezik az energia. Forgó villamos gépekre e törvény azt jelenti, hogy ugyanaz a gép motorként és generátorként is képes üzemelni. Az üzemállapotot az dönti el, hogy a gépet a villamos oldalról tápláljuk, vagy a tengely oldaláról hajtjuk.

Az elméleti 100%-os hatásfok nagy jelentőségű az alkalmazás szempontjából. A gyakorlatban elérhető hatásfokok is nagy gépek esetében 90% felett vannak, transzformátor esetében nem ritka a 99,5%-ot meghaladó hatásfok sem. Éppen a magas értékek miatt tekinthető egyenértékűnek a mechanikai és a villamos energia, hiszen egymásba alakításuk nagyon alacsony veszteség mellett megtehető. Ugyanakkor a villamos energia szállítása éppen a transzformátor jóvoltából gazdaságos akár hatalmas távolságokra is.

Villamos forgógép alaptípusok

A frekvencia-feltételt három alapvető módon lehet kielégíteni, és ezzel kapjuk a három alap forgógép típust. Ezek a következők:

Egyenáramú gépek

Az állórészen egyenáramú gerjesztőtekercs, vagy állandómágnes helyezkedik el, amely térben és időben állandó mágneses mezőt hoz létre (ω_s = 0). A frekvencia-feltétel értelmében ekkor ω_r = –ω_m, azaz a forgórész mezejét a forgórésszel megegyező sebességgel szembe kell forgatni ahhoz, hogy a forgórész mező és az állórész mező együtt álljon. Ezt biztosítja a forgórészen elhelyezett kommutátor.

Szinkron gépek

A forgórészen egyenáramú gerjesztőtekercsek találhatók, amelyek a forgórészhez rögzített, azzal együtt forgó mágneses mezőt hoznak létre. Ezzel ω_r = 0. A frekvencia-feltétel értelmében ekkor ω_s = ω_m, azaz a gép csak akkor képes működni, ha a forgórész együtt, azaz szinkron módon forog az állórész mezővel.

Aszinkron gépek

Az állórészen és a forgórészen is többfázisú, hornyokban elosztott tekercselés található. A forgórész rövidre zárt. Esetenként a forgórész kalickás forgórész, de ez fizikailag egyenértékű egy sokfázisú rövidre zárt tekercseléssel. A nagyobb teljesítményű 3 fázisú típusoknál a forgórész kapcsai ki vannak vezetve, hogy indítási üzemben a forgórészkörbe kötött ellenállásokkal – például vízindítóval – az indulási áramlökést csökkentse, az indítónyomatékot növelje.

Források

Magyari István: Villamos gépek 1. alapján készült jegyzet Archiválva 2010. július 5-i dátummal a Wayback Machine-ben PDF
Világ by Hmika: Villamos Gép
Villamos Gépek^{[halott link]}