Ηλεκτρικές Μηχανές ΙI. Ενότητα 8: Αρχή λειτουργίας Τσιαμήτρος Δημήτριος Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών Τ.Ε

Transcript

1 Ηλεκτρικές Μηχανές ΙI Ενότητα 8: Αρχή λειτουργίας Τσιαμήτρος Δημήτριος Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών Τ.Ε

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2

3 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο TEI Δυτικής Μακεδονίας και στην Ανώτατη Εκκλησιαστική Ακαδημία Θεσσαλονίκης» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3

4 Σκοποί ενότητας Εκμάθηση αρχής λειτουργίας ασύγχρονων κινητήρων. 4

5 Περιεχόμενα ενότητας Πεδίο στάτη. Πεδίο δρομέα. Επαγώμενα ρεύματα. 5

6 Επαγωγικοί ή ασύγχρονοι ηλεκτρικοί κινητήρες (1) Σχήμα 1. Αρχή λειτουργίας σύγχρονου κινητήρα, Πηγή : «Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας», Ντοκόπουλος Π., Εκδόσεις Ζήτη. Λειτουργία κινητήρων Η διαφορά μεταξύ των δύο ταχυτήτων θα εξηγηθεί παρακάτω 6

7 Επαγωγικοί ή ασύγχρονοι ηλεκτρικοί κινητήρες (2) Β υ= Δx/Δt α α Δx Β α β α β Δx Σχήμα 2. Στρεφόμενο πεδίο, Πηγή : «Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας», Ντοκόπουλος Π. Εκδόσεις Ζήτη. Για την εξήγηση της δημιουργίας του στρεφόμενου πεδίου. υ 7

8 Επαγωγικοί ή ασύγχρονοι ηλεκτρικοί κινητήρες (3) Σύγχρονη Ταχύτητα Περιστροφής:. Εξαρτάται μόνο από τη συχνότητα και τα ζεύγη των πόλων της μηχανής. n=n s /p. p: ΠΛΗΘΟΣ ΖΕΥΓΩΝ ΠΟΛΩΝ ΣΤΑΤΗ. n s : ΣΥΓΡΟΝΗ ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΠΕΡΙΣΤΡΟΦΗΣ = 2πf=100π (rad/s) ή 50 Hz x 60 min = 3000 rpm. για f=50 Hz 8

9 Επαγωγικοί ή ασύγχρονοι ηλεκτρικοί κινητήρες (4) - Παρατηρούμε ότι όσο αυξάνονται οι πόλοι, μειώνεται η ταχύτητα περιστροφής. - Όπως εξηγήθηκε κα στις σύγχρονες γεννήτριες, αυτό συμβαίνει γιατί με δύο πόλους, ο δρομέας πρέπει να κάνει μία ολόκληρη περιστροφή για να περάσει και από τους δύο πόλους σε 20 msec, όση είναι και η περίοδος του εναλλασσόμενου ρεύματος. - Αν οι πόλοι είναι τέσσερις, οι δύο από αυτούς καταλαμβάνουν τη μισή περιφέρεια του στάτη και οι άλλοι δύο την άλλη μισή. Δηλαδή σε μία περίοδο των 20 msec, ο δρομέας αρκεί να διαγράψει τη μισή περιφέρεια. Στα άλλα 20 msec θα διαγράψει την άλλη μισή. Άρα η περίοδος του δρομέα είναι 40 msec. Δηλαδή έχει συχνότητα περιστροφής πιο μικρή από τα 50 Hz, και πιο συγκεκριμένα τη μισή 25 Hz ή 1500 rpm. 9

10 Επαγωγικοί ή ασύγχρονοι ηλεκτρικοί κινητήρες (5) Σχήμα 3. Πεδίο Στάτη, Πηγή : «Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας», Ντοκόπουλος Π. Εκδόσεις Ζήτη. 10

11 Επαγωγικοί ή ασύγχρονοι ηλεκτρικοί κινητήρες (6) Σχήμα 4. Πεδίο Δρομέα, Πηγή : «Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας», Ντοκόπουλος Π. Εκδόσεις Ζήτη. 11

12 Επαγωγικοί ή ασύγχρονοι ηλεκτρικοί κινητήρες (7) Σχήμα 5. Επαγώμενα Ρεύματα, Πηγή : «Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας», Ντοκόπουλος Π. Εκδόσεις Ζήτη. 12

13 Επαγωγικοί ή ασύγχρονοι ηλεκτρικοί κινητήρες (8) Ολίσθηση s = n S n n S s = ολίσθηση 0,1-10% ω m = (1-s)ω s, n m = (1-s)n S Δω = ω S -ω m = sω ο p = 6 πόλοι, s=0,03, f S = 50/3 s -1, n S =1000 rpm n m = 970 rpm 13

14 Επαγωγικοί ή ασύγχρονοι ηλεκτρικοί κινητήρες (9) Ας αντιπαραβάλουμε τη λειτουργία αυτή με τη λειτουργία του κινητήρα συνεχούς ρεύματος: Παρατηρούμε ότι στον dc κινητήρα, ο στάτης φέρει σταθερό πεδίο και ο δρομέας τροφοδοτείται με ρεύμα από το δίκτυο. Ως αποτέλεσμα, ασκείται δύναμη στα τυλίγματα του δρομέα και κινείται. Εδώ, ο δρομέας δεν τροφοδοτείται από ρεύμα. Αυτό σημαίνει ότι δεν μπορεί να ασκηθεί πάνω του δύναμη για να τον κινήσει. Για να υπάρξει ρεύμα στο δρομέα πρέπει να επαχθεί τάση. Για συμβεί αυτό όπως ξέρουμε πρέπει να υπάρχει κίνηση αγωγού μέσα σε μαγνητικό πεδίο. Εμείς όμως θέλουμε να παράγουμε κίνηση από το ρεύμα. Επειδή λοιπόν ο δρομέας δεν μπορεί να κινηθεί, πρέπει αναγκαστικά να κινηθεί ο στάτης. Αυτό φυσικά δεν γίνεται. Οπότε πρέπει να κινηθεί το πεδίο του στάτη. 14

15 Επαγωγικοί ή ασύγχρονοι ηλεκτρικοί κινητήρες (10) Επειδή λοιπόν ο δρομέας δεν μπορεί να κινηθεί, πρέπει αναγκαστικά να κινηθεί ο στάτης. Αυτό φυσικά δεν γίνεται. Οπότε πρέπει να κινηθεί το πεδίο του στάτη. Αυτό γίνεται μόνο αν τροφοδοτηθεί από εναλλασσόμενο ρεύμα ώστε να περιστρέφεται το πεδίο και έτσι να φαίνεται ότι υπάρχει περιστρέφεται ο δρομέας. Συνεπώς, τώρα επάγεται τάση στο δρομέα, που επειδή είναι βραχυκυκλωμένος ή σε αστέρα (δακτυλιοφόρος δρομέας) διαρρέεται από ρεύμα και πλέον ασκείται δύναμη πάνω του και αρχίζει να περιστρέφεται. Ο δρομέας δηλαδή αρχικά ακίνητος, λειτουργεί σαν το δευτερεύον ενός ΜΣ. Έχει απέναντι ένα στρεφόμενο (μεταβαλλόμενο) πεδίο με n s, Οι τάσεις που επάγονται, δημιουργούν ισχυρά ρεύματα στο βραχυκυκλωμένο κλωβό. Ο δρομέας εκκινεί και επιταχύνει ραγδαία. 15

16 Επαγωγικοί ή ασύγχρονοι ηλεκτρικοί κινητήρες (11) Καθώς επιταχύνεται, η σχετική ταχύτητα του στρεφόμενου πεδίου ως προς το στρεφόμενο δρομέα σταδιακά ελαχιστοποιείται. Επειδή όπως ξέρουμε η επαγόμενη τάση που παράγει το ρεύμα του δρομέα είναι ανάλογη της ταχύτητας (Ε=υΒL),αυτό έχει ως αποτέλεσμα την ελάττωση και της τιμής αλλά και της συχνότητας της επαγόμενης τάσης στο δρομέα, άρα και του ρεύματος. Η ταχύτητα περιστροφής θα πλησιάσει τη σύγχρονη, αλλά ποτέ δεν θα εξισωθεί με αυτήν. Αν εξισωθεί, όπως προαναφέραμε, δεν θα επάγεται τάση που θα τροφοδοτεί με ρεύμα το δρομέα και απαιτείται εφαρμογή κάποιας εξωτερικής διέγερσης. 16

17 Επαγωγικοί ή ασύγχρονοι ηλεκτρικοί κινητήρες (12) Η προσθήκη μηχανικού φορτίου στον άξονα προκαλεί μια επιβράδυνση της κίνησης του δρομέα. Λόγω της μείωσης της ταχύτητας περιστροφής, η διαφορά ταχύτητας σε σχέση με το στρεφόμενο πεδίο αυξάνει, με αποτέλεσμα την αύξηση και της επαγόμενης τάσης άλλα και του επαγόμενου ρεύματος στον δρομέα. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα: α. Τη μεταφορά μεγαλύτερης ισχύος από το στάτη προς το δρομέα. β. Την ανάπτυξη μεγαλύτερης ροπής από το δρομέα. Η διαδικασία αυτή σταθεροποιείται σε ένα σημείο ισορροπίας, το οποίο ονομάζεται σημείο λειτουργίας και στο οποίο η ισχύς που δίνει ο στάτης ισούται με το μηχανικό έργο που παράγει ο δρομέας, που στρέφεται με ταχύτητα ω m + τις αναπόφευκτες απώλειες ισχύος. 17

18 Επαγωγικοί ή ασύγχρονοι ηλεκτρικοί κινητήρες (13) Η διαφορά ανάμεσα στη μηχανική ταχύτητα περιστροφής του δρομέα και στην σύγχρονη ταχύτητα μετριέται % και ονομάζεται ολίσθηση s. Ολίσθηση s = n S n m n S. Σε κανονικές συνθήκες λειτουργίας η ολίσθηση είναι πολύ μικρή, συνήθως κάτω από το 1% για μεγάλους κινητήρες και κάτω από το 5% για μικρούς. Άρα, ο επαγωγικός κινητήρας περιστρέφεται με σταθερή ταχύτητα λίγο μικρότερη από την αντίστοιχη σύγχρονη και για το λόγο αυτό ονομάζεται και ασύγχρονος κινητήρας. 18

19 Επαγωγικοί ή ασύγχρονοι ηλεκτρικοί κινητήρες (14) Έχοντας ορίσει την ολίσθηση s, ισχύουν τα παρακάτω σχετικά με τον ασύγχρονο κινητήρα:. Το πεδίο του στάτη περιστρέφεται στο διάκενο με τη σύγχρονη ταχύτητα ω s. Αυτή εξαρτάται κατά τα γνωστά μόνο από τη συχνότητα του δικτύου και το πλήθος των ζευγών των πόλων του κινητήρα. Ο δρομέας περιστρέφεται με μηχανική ταχύτητα ω m. Αυτή είναι λίγο μικρότερη από τη σύγχρονη και προσδιορίζεται από τη σχέσηω s ω m = sω s ω m = (1 s)ω s. Το πεδίο του στάτη φαίνεται από το δρομέα να περιστρέφεται με ταχύτηταf 2 = sf 1 = sf. Άρα τα επαγόμενα ρεύματα και τάσεις στο δρομέα θα έχουν συχνότητα sf. 19

20 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Ν. Σκραπαρλής, Β. Μολασιώτης, Δ. Τσιαμήτρος, «Εργαστηριακές Ασκήσεις Ηλεκτρικών Μηχανών Συνεχούς και Εναλλασσομένου Ρεύματος», Σύγχρονη Παιδεία. Chapman S., Electrical Machinery Fundamentals, Fourth Edition, McGraw-Hill Inc.. «Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας», Ντοκόπουλος Π. Εκδόσεις Ζήτη. 20

21 Τέλος Ενότητας.

22 Σημείωμα Αναφοράς Copyright ΤΕΙ Δυτικής Μακεδονίας, Πουλάκης. «Ηλεκτρομαγητισμός». Έκδοση: 1.0. Κοζάνη Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: URL. 22

23 Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά, Μη Εμπορική Χρήση Παρόμοια Διανομή 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». [1] Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο. που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο. που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο. Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί. 23

24 Διατήρηση Σημειωμάτων Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς. το Σημείωμα Αδειοδότησης. τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων. το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει). μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους. 24

25 Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων Το Έργο αυτό κάνει χρήση των ακόλουθων έργων: Εικόνες/Σχήματα/Διαγράμματα/Φωτογραφίες: 1. Ντοκόπουλος Π. (2006). «Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας». Εκδόσεις Ζήτη, Θεσσαλονίκη. 2. Σκραπαρλής Ν., Μολασιώτης Β., Τσιαμήτρος Δ. (2013). «Εργαστηριακές Ασκήσεις Ηλεκτρικών Μηχανών Συνεχούς και Εναλλασσομένου Ρεύματος», Σύγχρονη Παιδεία. 3. Chapman S. (2009). Electrical Machinery Fundamentals, Fourth Edition, McGraw-Hill Inc. 25