ΟΝΟΜ/ΩΝΥΜΟ:ΣΤΕΦΑΝΟΣ ΓΚΟΥΝΤΟΥΣΟΥΔΗΣ Α.Μ:6750 ΕΡΓΑΣΙΑ ΕΞΑΜΗΝΟΥ:ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ (ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ)

Transcript

1 ΟΝΟΜ/ΩΝΥΜΟ:ΣΤΕΦΑΝΟΣ ΓΚΟΥΝΤΟΥΣΟΥΔΗΣ Α.Μ:6750 ΕΡΓΑΣΙΑ ΕΞΑΜΗΝΟΥ:ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ (ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ)

2 Περιγραφή Λειτουργίας Σύγχρονου Κινητήρα Σκοπός: Η παρούσα εργασία έχει σκοπό να περιγράψει τη λειτουργία ενός σύγχρονου κινητήρα, καθώς και τα μηχανικά εξαρτήματα που υπάρχουν επάνω σε αυτόν. Περίληψη: Η εργασία αναφέρετε στην περιγραφή λειτουργίας του σύγχρονου Κινητήρα. Αρχικά δόθηκε ο ορισμός του σύγχρονου κινητήρα. Στη συνέχεια έγινε ταξινόμηση στις κατηγορίες των σύγχρονων μηχανών, καθώς και αναφορά στις απώλειες που είναι και αυτές σημαντικές. Έπειτα παρατίθενται οι μέθοδοι εκκίνησης του σύγχρονου κινητήρα. Τέλος σε κάθε κατάσταση διέγερσης δόθηκε έμφαση στο πως ανταπεξέρχεται ο κινητήρας και ποια είναι τα κύρια χαρακτηριστικά αυτού για κάθε περίπτωση. Εικόνα 1: Σύγχρονος Κινητήρας

3 Σύγχρονος Κινητήρας Ως Σύγχρονος Κινητήρας ορίζεται η Σύγχρονη Μηχανή που μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε μηχανική. Ο Σύγχρονος Κινητήρας σε αντίθεση με τον ασύγχρονο ο οποίος είναι απλής τροφοδότησης, εφόσον το τύλιγμα του δρομέα τροφοδοτείται εξ αλληλεπαγωγής από το τύλιγμα του στάτη είναι διπλής τροφοδότησης. Οι κατηγορίες σύγχρονων μηχανών, ανάλογα με τον αριθμό των πόλων, διακρίνονται σε: Μηχανές κυλινδρικού δρομέα Πολύστροφες μηχανές, οι οποίες συνήθως είναι διπολικές ή τετραπολικές Μηχανές έκτυπων πόλων Αργόστροφες μηχανές, οι οποίες είναι άνω των τεσσάρων πόλων. Οι μηχανές κυλινδρικού δρομέα, εμφανίζουν καλύτερα δυναμικά χαρακτηριστικά σε σχέση με τις μηχανές έκτυπων πόλων. Οι δρομείς των μηχανών κυλινδρικού δρομέα είναι μεγαλύτερου ενεργού μήκους και μικρότερης διαμέτρου, από τους αντίστοιχους δρομείς των μηχανών με έκτυπους πόλους (για τον περιορισμό των φυγοκεντρικών δυνάμεων αλλά και τη μείωση της ροπής αδράνειας των στρεφόμενων μαζών). Εικόνα 2: Δρομέας Εικόνα 3:Στάτης Στρέφεται πάντα με σταθερό αριθμό στροφών (σύγχρονο αριθμό στροφών που εξαρτώνται από τον αριθμό των μαγνητικών πόλων των τυλιγμάτων και από τη συχνότητα των ρευμάτων του τυλίγματος τυμπάνου).

4 Σε αντίθεση λοιπόν με τις ασύγχρονες μηχανές, στις σύγχρονες η ολίσθηση του δρομέα είναι μηδενική. Δηλαδή, το στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο στο διάκενο της μηχανής και ο δρομέας, στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας, στρέφονται με την ίδια ταχύτητα. Χρησιμοποιούνται κυρίως ως γεννήτριες και λιγότερο ως κινητήρες. (π.χ. Αντλητικούς υδροηλεκτρικούς σταθμούς) Με κατάλληλη ρύθμιση της διέγερσης, για τις ίδιες συνθήκες φόρτισης μπορεί να εμφανίζουν χωρητική, επαγωγική ή ωμική συμπεριφορά. Όσον αφορά το στάτη της μηχανής, εφαρμόζεται ένα τριφασικό σύστημα ρευμάτων το οποίο, παράγει στο εσωτερικό της στρεφόμενο ομογενές μαγνητικό πεδίο. Με αυτό τον τρόπο λοιπόν στο εσωτερικό του κινητήρα υφίστανται δύο πεδία που τείνουν να ευθυγραμμιστούν. Επειδή όμως το πεδίο του στάτη περιστρέφεται συνεχώς, το πεδίο του δρομέα και ο ίδιος φυσικά προσπαθεί συνέχεια να το ακολουθήσει. Όσο μεγαλύτερη είναι η γωνία μεταξύ των δύο πεδίων τόσο μεγαλύτερη είναι η ροπή που ασκεί στο δρομέα το μαγνητικό του πεδίο. Επομένως η αρχή λειτουργίας του σύγχρονου κινητήρα είναι αυτή: Το μαγνητικό πεδίο του δρομέα κυνηγάει συνεχώς το μαγνητικό πεδίο του στάτη χωρίς ποτέ να το φτάσει. Ισχύς και Ροπή μηχανής κυλινδρικού δρομέα Συνήθως, η σύγχρονη μηχανή, συνδέεται σε άπειρο ζυγό σύστημα σταθερής τάσης και συχνότητας, το οποίο της εξασφαλίζει σταθερή ταχύτητα περιστροφής στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας της. Απώλειες Σύγχρονης μηχανής Οι απώλειες της σύγχρονης μηχανής κατατάσσονται σε δύο κατηγορίες: Μηχανικές αφορούν τις απώλειες τριβών και ανεμισμού, οι οποίες συνήθως θεωρούνται σταθερές και ανεξάρτητες της ταχύτητας περιστροφής. Στις μηχανικές απώλειες, ενσωματώνουμε συνήθως και τις απώλειες πυρήνα. Ηλεκτρικές αφορούν τις απώλειες χαλκού στα τυλίγματα διέγερσης και τυμπάνου. Εκκίνηση σύγχρονου κινητήρα Για την εκκίνηση του σύγχρονου κινητήρα επικρατούν τρεις μέθοδοι:

5 1. Εκκίνηση με την χρήση βοηθητικού κινητήρα. 2. Μεταβολή της συχνότητας τροφοδοσίας του δρομέα. 3. Χρήση τυλιγμάτων απόσβεσης Το τύλιγμα απόσβεσης είναι επιπλέον τύλιγμα το οποίο έχει την μορφή ενός κλωβού. Αποτελείται από μεταλλικούς αγωγούς οι οποίοι τοποθετούνται μέσα σε αυλάκια στα πέλματα των πόλων του δρομέα. Οι αγωγοί αυτοί βραχυκυκλώνονται στα δύο άκρα τους από μεταλλικούς δακτυλίους. Παράλληλα βραχυκυκλώνεται και το τύλιγμα της διέγερσης συνήθως κατά την εκκίνηση και λειτουργεί και αυτό συμπληρωματικά σαν ένα επιπλέον τύλιγμα κλωβού. Η λειτουργία του τυλίγματος αντιστάθμισης μπορεί να περιγραφεί περιληπτικά ως εξής: Το στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο επάγει τάση στους αγωγούς του τυλίγματος με αποτέλεσμα την εμφάνιση ρεύματος σε αυτούς (επειδή είναι βραχυκυκλωμένοι). Ταυτόχρονα με την εμφάνιση ρεύματος έχουμε και την ανάπτυξη ροπής η οποία στρέφει τον δρομέα. Η ροπή αναπτύσσεται πάντα προς την ίδια φορά καθώς το ρεύμα στον δρομέα δεν είναι σταθερό (όπως το ρεύμα διέγερσης) αλλά εναλλασσόμενο. Η αλλαγή της φοράς του ρεύματος ακολουθεί την αλλαγή της θέσης του στρεφόμενου μαγνητικού πεδίου με αποτέλεσμα η ροπή να έχει σταθερή κατεύθυνση. Όταν ο κινητήρας εκκινήσει και φτάσει σε μια ταχύτητα κοντά στη σύγχρονη τροφοδοτούμε το τύλιγμα της διέγερσης και ο δρομέας επιταχύνει περαιτέρω φτάνοντας στην σύγχρονη ταχύτητα. Όταν ο δρομέας περιστρέφεται με την σύγχρονη ταχύτητα δεν επάγονται τάσεις και ρεύματα στο τύλιγμα αντιστάθμισης διότι η σχετική ταχύτητα των μαγνητικών πεδίων στάτη και δρομέα είναι μηδέν.

6 Κύματα χώρου μαγνητεγερτικών δυνάμεων τυλιγμάτων στάτη και δρομέα Τύλιγμα τύμπανου βρίσκεται στο στάτη (τρία επιμέρους όμοια διανεμημένα τυλίγματα ένα για κάθε φάση, με τους μαγνητικούς τους άξονες μετατιθέμενους στο χώρο κατά 120 μοίρες). Τύλιγμα του πεδίου ή διέγερσης βρίσκεται στο δρομέα.tροφοδοτείται με Σ.Ρ. μέσω ψηκτρών οι οποίες ολισθαίνουν σε δακτυλίους κατάλληλα τοποθετημένους στο δρομέα. Η διάταξη αυτή επιβάλλεται για κατασκευαστικούς λόγους, κυρίως γιατί το ρεύμα του πεδίου είναι συνήθως πολύ μικρότερο από το ρεύμα του τύμπανου και ως εκ τούτου είναι πλεονεκτικότερη η τοποθέτηση του τυλίγματος χαμηλής ισχύος στο δρομέα.

7 Χαρακτηριστικά Ροπής Ταχύτητας & Καμπύλες V Ο κινητήρας απορροφά ενεργό ισχύ από το δίκτυο και την μετατρέπει σε μηχανική ισχύ στην έξοδο. Η άεργος ισχύς του κινητήρα ρυθμίζεται μέσω του ρεύματος διέγερσης. Διακρίνουμε δυο καταστάσεις λειτουργίας, ανάλογα με την τιμή του ρεύματος διέγερσης. Όταν το ρεύμα διέγερσης είναι μικρό (υποδιέγερση) ο κινητήρας απορροφά άεργο ισχύ από το δίκτυο και ο συντελεστής ισχύος είναι επαγωγικός (ο κινητήρας είναι φορτίο). Καθώς αυξάνουμε το ρεύμα διέγερσης η άεργος ισχύς που απορροφά ο κινητήρας από το δίκτυο μειώνεται με συνέπεια να μειώνεται το ρεύμα φορτίου του κινητήρα και ο συντελεστής ισχύος να αυξάνεται. Για κάποια συγκεκριμένη τιμή του ρεύματος διέγερσης ο συντελεστής ισχύος του κινητήρα γίνεται μονάδα. Ο κινητήρας τότε απορροφά από το δίκτυο μόνο ενεργό ισχύ ενώ η άεργος ισχύς είναι μηδέν. Το ρεύμα φορτίου γίνεται τότε ελάχιστο. Αυξάνοντας περεταίρω το ρεύμα διέγερσης (υπερδιέγερση), ο κινητήρας αρχίζει να προσφέρει άεργο ισχύ στο δίκτυο. Το ρεύμα φορτίου αρχίζει να αυξάνεται και ο συντελεστής ισχύος μειώνεται και πάλι και γίνεται χωρητικός. Εικόνα 4: Καμπύλες V Σύγχρονου Κινητήρα

8 Λειτουργία Σύγχρονου Κινητήρα Σε κατάσταση υπερδιέγερσης ο κινητήρας εμφανίζει χωρητική συμπεριφορά που σημαίνει ότι ο συντελεστής ισχύος είναι προπορείας. Σε κατάσταση υποδιέγερσης, ο κινητήρας εμφανίζει επαγωγική συμπεριφορά που σημαίνει ότι ο συντελεστής ισχύος είναι μεταπορείας. Όπως και στην περίπτωση της γεννήτριας, η ελάχιστη επιτρεπόμενη τιμή του ρεύματος διέγερσης για λόγους ευστάθειας, είναι εκείνη για την οποία η γωνία φορτίου γίνεται ίση με 90 ηλεκτρικές μοίρες. Στη συγκεκριμένη οριακή κατάσταση, από άποψη ευστάθειας, η τάση διέγερσης έχει τη μικρότερη τιμή της και βρίσκεται στον κατακόρυφο άξονα. Η ελάχιστη επιτρεπόμενη τιμή του ρεύματος διέγερσης για λόγους ευστάθειας, είναι εκείνη για την οποία η γωνία φορτίου γίνεται ίση με 90 ηλεκτρικές μοίρες. Στη συγκεκριμένη οριακή κατάσταση, από άποψη ευστάθειας, η τάση διέγερσης έχει τη μικρότερη τιμή της και βρίσκεται στον κατακόρυφο άξονα. Περιοχές ασφαλούς λειτουργίας Η περιοχή ασφαλούς λειτουργίας (συνεχή λειτουργία στη μόνιμη κατάσταση), καθορίζεται από: τα θερμικά όρια φόρτισης τα μηχανικά όρια φόρτισης τα όρια στατικής ευστάθειας Θερμικά όρια φόρτισης Ηλεκτρικές απώλειες των τυλιγμάτων διέγερσης και τυμπάνου (θέτουν ένα όριο στη μέγιστη επιτρεπόμενη τιμή του ρεύματος). Το μέγιστο επιτρεπόμενο ρεύμα στο τύλιγμα του τυμπάνου, καθορίζει κατά βάση και τη μέγιστη φαινόμενη ισχύ του σύγχρονου κινητήρα, η οποία εγγυάται την ασφαλή από άποψη υπερθέρμανσης, συνεχή λειτουργία της μηχανής.

9 Μέρη Σύγχρονου Κινητήρα Στάτης: Ο στάτης αποτελείται από πηνία που τροφοδοτούνται με ηλεκτρικό ρεύμα. Αυτό παράγει το μαγνητικό πεδίο, που ασκεί δύναμη στρέψης στα πηνία του ρότορα. Ρότορας: Ο ρότορας αποτελείται από πολλά πηνία. Καθώς περιστρέφεται, κάθε πηνίο διαρρέεται εναλλάξ με ρεύμα από τις ψήκτρες. Ψήκτρα: Οι ψήκτρες από γραφίτη εξασφαλίζουν την ηλεκτρική σύνδεση του εναλλάκτη Εναλλάκτης: Ο εναλλάκτης (ή μεταλλάκτης) διαθέτει μια σειρά μεταλλικών συνδέσεων πάνω σε έναν κύλινδρο. Οι ψήκτρες παρέχουν ρεύμα σε κάθε σύνδεση, εναλλάξ, καθώς ο εναλλάκτης περιστρέφεται.

10 Επίλογος Με την ολοκλήρωση αυτής της εργασίας έχει αναπτυχθεί η λειτουργία του σύγχρονου κινητήρα, ο οποίος βρίσκει εφαρμογές σε διάφορες περιπτώσεις. Ένας σύγχρονος κινητήρας καταναλώνει ηλεκτρική ενέργεια παράγοντας μηχανική ενέργεια στην έξοδο του. Ανάλογα με τον αριθμό των πόλων, οι Σύγχρονες Μηχανές κατατάσσονται σε Μηχανές κυλινδρικού δρομέα, και σε Μηχανές έκτυπων πόλων. Οι μηχανές κυλινδρικού δρομέα προτιμώνται από τις μηχανές έκτυπων Πόλων. Στην Μηχανή ενδεχομένως να υπάρχουνε απώλειες. Αυτές κατατάσσονται σε Μηχανικές, και Ηλεκτρικές. Για να είναι επιτυχής η εκκίνηση του Σύγχρονου Κινητήρα απαιτούνται τρεις ειδικές μέθοδοι. Σε κάθε κατάσταση που παρουσιάζει ο κινητήρας εμφανίζονται και διαφορετικές συμπεριφορές.

11 Βιβλιογραφία STEPHEN J.CHAPMAN 2013 Ηλεκτρικές Μηχανές (Επιμέλεια Μετάφρασης: Θεόδωρος Π. Θεοδουλίδης) Εκδοτικός Οίκος Θεσσαλονίκη Τεχνολογικές Ενότητες, Μηχανές Ηλεκτρικοί Κινητήρες