ΑΣΚΗΣΗ 5 ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΣ ΑΣΥΓΧΡΟΝΟΣ ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ (ΕΚΚΙΝΗΣΗ ΚΑΙ ΦΟΡΤΙΣΗ) 5.1 Εκκίνηση κινητήρων βραχυκυκλωμένου δρομέα

Transcript

1 ΑΣΚΗΣΗ 5 ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΣ ΑΣΥΓΧΡΟΝΟΣ ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ (ΕΚΚΙΝΗΣΗ ΚΑΙ ΦΟΡΤΙΣΗ) 5. Εκκίνηση κινητήρων βραχυκυκλωμένου δρομέα Κατά τη στιγμή της εκκινήσεως είναι n = 0 και s =. Ο παρακάτω τύπος δίνει το ρεύμα κατά τη στιγμή της εκκίνησης: I εκκ X X E όπου Ε η φασική τάση τροφοδοσίας του στάτη Η παραπάνω τιμή του ρεύματος είναι πολύ μεγαλύτερη από το ρεύμα κανονικής λειτουργίας του κινητήρα. Αποδεικνύεται ότι το ρεύμα εκκινήσεως είναι: Ιεκκ = (6-8) Ιον Παρακάτω περιγράφονται διάφοροι τρόποι εκκινήσεως των τριφασικών κινητήρων βραχυκυκλωμένου δρομέα και δακτυλιοφόρων. 5.. Άμεση εκκίνηση Η άμεση εκκίνηση των κινητήρων βραχυκυκλωμένου δρομέα γίνεται με την χρήση μόνο ενός απλού τριπολικού διακόπτη και είναι η απλούστερη και η φθηνότερη μέθοδος που χρησιμοποιείται στη βιομηχανία.

2 Ασφάλειες Διακόπτης Πλεονεκτήματα: α. Υψηλή ροπή εκκινήσεως β. Μικρό κόστος εγκαταστάσεως Μειονεκτήματα: α. Μεγάλο ρεύμα εκκινήσεως β. Μεγάλη στιγμιαία πτώση τάσεως (βύθιση τάσεως) στο δίκτυο της Δ.Ε.Η. Το μέγεθος της βυθίσεως τάσεως δεν εξαρτάται μόνο από το ρεύμα εκκινήσεως που είναι μεγάλο, αλλά και από την ικανότητα του δικτύου τροφοδοσίας. Για το λόγο αυτό, πριν από την εγκατάσταση των κινητήρων πρέπει να γίνεται συνεννόηση με τη Δ.Ε.Η. αν είναι δυνατή η εγκατάσταση κινητήρων με άμεση εκκίνηση. Σύμφωνα με τους κανονισμούς, επιτρέπεται χωρίς έγκριση η εγκατάσταση τριφασικών κινητήρων με άμεση εκκίνηση εάν η σχέση του ρεύματος εκκινήσεως προς το ονομαστικό ρεύμα του κινητήρα είναι μικρότερη του για κινητήρες μέχρι 0 ΗΡ και του.6 για μεγαλύτερους κινητήρες Εκκίνηση με διακόπτη αστέρα τριγώνου Σύμφωνα με αυτή τη μέθοδο, το τύλιγμα του κινητήρα το οποίο είναι κατασκευασμένο να λειτουργεί κανονικά σε συνδεσμολογία τριγώνου, στην εκκίνηση συνδεσμολογείται σε αστέρα. Αν η εκκίνηση του κινητήρα γίνει χωρίς διακόπτη αστέρα τριγώνου με έμμεση εκκίνηση σε συνδεσμολογία του τυλίγματος σε τρίγωνο, το ρεύμα που θα διέρρεε το τύλιγμα της κάθε φάσεως, θα ήταν: I φ Z όπου: η πολική τάση του δικτύου και Ζ η σύνθετη αντίσταση κάθε φάσεως του τυλίγματος. Κατά συνέπεια το ρεύμα γραμμής θα ήταν: I Δ 3 I Φ 3 Z Εκκίνηση όμως του κινητήρα με ζεύξη του τυλίγματος σε αστέρα, στην κάθε φάση επικρατεί τάση:

3 Φ 3 Κατά συνέπεια η ένταση του ρεύματος ανά φάση η οποία τώρα είναι κα ένταση της γραμμής τροφοδοσίας, θα είναι: Ι Υ Ζ Φ 3 Z Συνδυάζοντας τις παραπάνω σχέσεις προκύπτει ότι: Ι Υ IΔ 3 Από τα παραπάνω συμπεραίνουμε ότι κατά την εκκίνηση του κινητήρα σε αστέρα, το ρεύμα εκκινήσεως είναι τρεις φορές μικρότερο από το ρεύμα που θα απορροφούσε ο κινητήρας στην εκκίνηση σε ζεύξη του τυλίγματος σε τρίγωνο. Με τον ίδιο τρόπο μειώνεται και η ροπή εκκινήσεως του κινητήρα, επειδή αυτή είναι ανάλογη του τετραγώνου της τάσεως τροφοδοσίας. Εκκίκηση κατ' αστέρα 380 = 0 V,73 Χ 380 = 0 V,73 Ζ Υ W 380 = 0 V,73 V Δ Y O Ζ X V Y W Ζ [β] Κανονική λειτουργία κατά τρίγωνο W Υ V Χ [α] [γ] Συνοψίζοντας τα παραπάνω σε ότι αφορά τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της μεθόδου έχουμε:

4 Πλεονεκτήματα: α. Μείωση του ρεύματος εκκινήσεως κατά /3 β. Εκκίνηση μεγάλων κινητήρων Μειονεκτήματα: α. Μείωση της ροπής εκκινήσεως στο /3 β. Σωστή εκλογή του χρόνου μεταγωγής από τον αστέρα στο τρίγωνο Για να κάνουμε χρήση του διακόπτη αστέρα τριγώνου πρέπει ο κινητήρας να είναι κατασκευασμένος έτσι ώστε να μπορεί να εργάζεται κανονικά τροφοδοτούμενος με την τάση του δικτύου σε συνδεσμολογία τριγώνου. Για το τριφασικό δίκτυο της Δ.Ε.Η. του οποίου η πολική τάση είναι 380 V, για να κάνουμε χρήση του διακόπτη αστέρα τριγώνου πρέπει ο κινητήρας να μπορεί να λειτουργεί σε συνδεσμολογία τριγώνου. Εάν στην πινακίδα του κινητήρα αναγράφεται 0/380 V, αυτό σημαίνει ότι το τύλιγμα του κινητήρα μπορεί να συνδεθεί σε συνδεσμολογία αστέρα για πολική τάση 380 V και σε συνδεσμολογία τριγώνου για πολική τάση 0 V (το τρίγωνο συνδέεται πάντα στην μικρότερη τάση). Για το δίκτυο της Δ.Ε.Η. οι κινητήρες που μπορούν να ξεκινήσουν με διακόπτη αστέρα τριγώνου είναι αυτοί που στην πινακίδα τους αναγράφεται: /660 V Εκκίνηση με αντιστάσεις στο στάτη Σύμφωνα με τη μέθοδο αυτή, χρησιμοποιούμε εκκινητή ο οποίος αποτελείται από τριφασική ωμική αντίσταση η οποία παρεμβάλλεται μεταξύ του δικτύου τροφοδοσίας και του κινητήρα.

5 V W `Εκκινητής με αντιστάσεις Στο σχήμα α ο εκκινητής συνδέεται μπροστά από το στάτη του κινητήρα ενώ η συνδεσμολογία του τυλίγματος μπορεί να είναι σε αστέρα ή σε τρίγωνο. Στο σχήμα β ο εκκινητής συνδέεται μετά τον κινητήρα αλλά η συνδεσμολογία του τυλίγματος είναι μόνο σε αστέρα και ο ουδέτερος κόμβος σχηματίζεται με τη βοήθεια του εκκινητή. Z X Y Ζ Χ Υ `Εκκινητής με αντιστάσεις Πλεονεκτήματα : α. Μείωση του ρεύματος εκκινήσεως β. Βελτίωση του συντελεστή ισχύος κατά την εκκίνηση [α] [β] Μειονεκτήματα: α. Ελάττωση της ροπής εκκινήσεως β. Μεγάλες θερμικές απώλειες στον εκκινητή (απώλειες Joule) Εκκίνηση με αυτομετασχηματιστή Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιείται για μεγάλους κινητήρες βραχυκυκλωμένου δρομέα οι οποίοι δεν μπορούν και δεν επιτρέπεται να ξεκινήσουν με διακόπτη αστέρα τριγώνου επειδή είναι μεγάλης ισχύος. Διακόπτης V W I εκκ. Αυτομετασχηματιστής V W Δ I εκκ.

6 Κατά την εκκίνηση συνδέουμε τον κινητήρα με τη βοήθεια του διακόπτη διπλής ενέργειας Δ με τις λήψεις u, v, w του αυτομετασχηματιστή. Στη συνέχεια κλείνουμε το διακόπτη Δ και τροφοδοτείται ο αυτομετασχηματιστής. Έτσι ο κινητήρας ξεκινά με μειωμένη τάση η οποία εξαρτάται από την κατασκευή του αυτομετασχηματιστή. Μετά την εκκίνηση του κινητήρα μεταθέτουμε τις επαφές του διακόπτη Δ προς τα δεξιά και ο κινητήρας δέχεται όλη την τάση του δικτύου. Στην συνέχεια ανοίγουμε το διακόπτη Δ και ο αυτομετασχηματιστής αποσυνδέεται από το δίκτυο. Με τον τρόπο αυτό το ρεύμα εκκινήσεως του κινητήρα μειώνεται σύμφωνα με τη σχέση μεταφοράς του αυτομετασχηματιστή ενώ το ρεύμα που απορροφά ο αυτομετασχηματιστής από το δίκτυο μειώνεται στο ¼. Ανάλογα μειώνεται και η ροπή εκκινήσεως. Πλεονεκτήματα: α. Μείωση του ρεύματος εκκινήσεως β. Μικρές θερμικές απώλειες Μειονεκτήματα: α. Μεγάλο κόστος εγκαταστάσεως β. Μείωση της ροπής εκκινήσεως 5. Εκκίνηση δακτυλιοφόρων κινητήρων Η απλούστερη μέθοδος που χρησιμοποιήθηκε πάρα πολύ στην βιομηχανία για την εκκίνηση των δακτυλιοφόρων κινητήρων είναι η σύνδεση στα δακτυλίδια του δρομέα ενός τριφασικού ωμικού εκκινητή. Στρόφαλος Ηλεκτρομαγνήτης Δ Οπλισμός u V W Εκκινητής Ψήκτες Δακτύλιοι

7 Σύμφωνα με την παραπάνω συνδεσμολογία, αφού κλείσει ο διακόπτης τροφοδοσίας Δ, το τύλιγμα του στάτη συνδέεται με το τριφασικό δίκτυο τροφοδοσίας. Ο στρόφαλος του εκκινητή βρίσκεται στη θέση ηρεμίας και κατά συνέπεια ο δρομέας είναι ανοικτός. Η τάση που επάγεται στο τριφασικό τύλιγμα του δρομέα δεν εφαρμόζεται σε κανένα φορτίο και γι αυτό δεν είναι δυνατό να δημιουργηθεί ροπή στρέψεως (δεν κυκλοφορεί ρεύμα στα τυλίγματα). Μόλις γυρίσουμε το στρόφαλο στην αρχική θέση των αντιστάσεων, η τάση του δρομέα εφαρμόζεται στις αντιστάσεις του εκκινητή και αρχίζει η κυκλοφορία του ρεύματος στα τυλίγματα του δρομέα και αναπτύσσεται ροπή στρέψεως. Με τον τρόπο αυτό γίνεται έλεγχος του ρεύματος του δρομέα άρα και του ρεύματος του στάτη δηλαδή του ρεύματος εκκινήσεως. Στην τελευταία θέση οι αντιστάσεις βραχυκυκλώνονται και ο κινητήρας συμπεριφέρεται σαν κινητήρας βραχυκυκλωμένου δρομέα. Πολλοί κινητήρες διαθέτουν σύστημα ανυψώσεως των ψηκτρών και έτσι αυτές δεν φθείρονται. Σε μεγάλους κινητήρες ο εκκινητής βρίσκεται μέσα σε λάδι για να ψύχεται. Πλεονεκτήματα: α. Μείωση του ρεύματος εκκινήσεως κατά βούληση β. Μεγάλη ροπή εκκινήσεως γ. Βελτίωση του συντελεστή ισχύος κατά την εκκίνηση Μειονεκτήματα: α. Απαιτείται συντήρηση του συστήματος των ψηκτρών β. Η μέθοδος δεν συμφέρει σε κινητήρες μικρής ισχύος 5.3 Φόρτιση Κινητήρα 5.3. Ισοζύγιο Ισχύων Ρ e = ωs e = ωm Ρ = Ρ m Ρjs + fos jr

8 Ο κινητήρας απορροφά από το δίκτυο την ισχύ Ρ η οποία είναι: = 3 φ I cosφ Ένα μικρό τμήμα αυτής της ισχύος χάνεται στο στάτη υπό μορφή απωλειών σιδήρου (ΡFes) και απωλειών χαλκού (Ρjs) λόγω του φαινομένου του Joule. Για τις τελευταίες, αν παραστήσουμε με την ωμική αντίσταση μιας φάσεως του τυλίγματος του στάτη θα είναι: Για τον αστέρα : js 3 I Για το τρίγωνο : js I Η υπόλοιπη ισχύς μεταφέρεται εξ ολοκλήρου στο δρομέα από το στρεφόμενο πεδίο σαν ηλεκτρομαγνητική ενέργεια δηλαδή: e = (Fes + js) Ο δρομέας χρησιμοποιεί την ισχύ αυτή για δύο σκοπούς: Ένα τμήμα της Ρjr ξοδεύεται σαν ισχύς θερμικών απωλειών Joule στα τυλίγματα του δρομέα (ωμική αντίσταση του δρομέα, εξωτερικές αντιστάσεις εκκίνησης στην περίπτωση που ο κινητήρας είναι δακτυλιοφόρος. Το υπόλοιπο τμήμα είναι η ισχύς Ρm δηλαδή η μηχανική ισχύς που διατίθεται στον άξονα του κινητήρα. Μπορούμε να παραλείψουμε τις απώλειες σιδήρου του δρομέα διότι αυτές εξαρτώνται από την συχνότητα των ρευμάτων του δρομέα που σε κανονική λειτουργία είναι πολύ μικρές. Ακόμη μπορούμε να παραλείψουμε τις απώλειες τριβών και αερισμού. Έτσι είναι: e m jr Αν συμβολίσουμε με Τ τη χρήσιμη ροπή στον άξονα του κινητήρα τότε αυτή είναι αποτέλεσμα της ηλεκτρομαγνητικής ισχύος η οποία ανταλλάσσεται μεταξύ στάτη και δρομέα και είναι: Ρe = ωs και ω s π n 60 s rad sec όπου ωs η σύγχρονη γωνιακή ταχύτητα του στρεφόμενου πεδίου του στάτη.

9 (Προσοχή στις διαλέξεις του μαθήματος το ω (μικρό), συμβολίζεται με Ω (κεφαλαίο))!!!! Επειδή η ίδια ροπή ξαναβρίσκεται στον άξονα του κινητήρα ο οποίος περιστρέφεται π n rad με ταχύτητα ω m, είναι: 60 sec Αντικαθιστούμε το ωm και παίρνουμε: m = πn = π n s ( s) Ρm = ωm άρα : Ρm = ωs (-) ακόμη : Ρjr = e m Αντικαθιστούμε τα Ρe και m: Ρjr = ωs - Τ ωs (-) = Τ ωs [ - ( - )] ακόμη : Ρjr = e Ρjr = ωs Σύμφωνα με τις απλοποιημένες παραδοχές που κάναμε, μπορούμε να υπολογίσουμε το βαθμό απόδοσης του κινητήρα. n m e jr e e e ( ) Επειδή Ρe είναι πολύ κοντά στην Ρ μπορούμε να γράψουμε και η σχέση του βαθμού αποδόσεως γράφεται Ρe n = - Η απλοποιημένη αυτή έκφραση δείχνει τη σημασία της ολισθήσεως στην απόδοση του κινητήρα. Από τα παραπάνω καταλαβαίνουμε ότι οι απώλειες σ ένα κινητήρα μπορούν να χωριστούν όπως άλλωστε έχουμε ήδη αναφέρει σε απώλειες σταθερές, δηλαδή ανεξάρτητες από το φορτίο και σε απώλειες μεταβλητές, δηλαδή εξαρτώμενες από το φορτίο του κινητήρα.

10 Οι σταθερές απώλειες είναι οι μαγνητικές απώλειες (λόγω υστερήσεως και δινορευμάτων) και οι μηχανικές απώλειες (λόγω τριβών και αερισμού). Οι απώλειες αυτές είναι σταθερές, αν παραδεχτούμε ότι η τάση τροφοδοσίας είναι σταθερή και η ταχύτητα περιστροφής είναι επίσης περίπου σταθερή, πράγμα που συμβαίνει πραγματικά στην πράξη. Οι απώλειες που εξαρτώνται από το φορτίο του κινητήρα είναι οι ηλεκτρικές απώλειες του στάτη και του δρομέα. Εάν ο δρομέας είναι ανοικτός, ενώ ο στάτης τροφοδοτείται με την ονομαστική του τάση και μετρήσουμε την ισχύ εισόδου και το ρεύμα που απορροφά ο κινητήρας, μπορούμε να υπολογίσουμε τις μαγνητικές απώλειες αν από την ισχύ που μετρούμε, αφαιρέσουμε τις απώλειες χαλκού του στάτη.