Κινητήρας παράλληλης διέγερσης

Transcript

1 Κινητήρας παράλληλης διέγερσης Ισοδύναμο κύκλωμα V = E + I T V = I I T = I F L R F I F R Η διέγερση τοποθετείται παράλληλα με το κύκλωμα οπλισμού Χαρακτηριστική φορτίου Έλεγχος ταχύτητας Μεταβολή τάσης εισόδου Μεταβολή αντίστασης διέγερσης Ίδια χαρακτηριστικά με ΚΑΔ Διακύμανση ταχύτητας λίγο καλύτερη από ΚΑΔ V = T kϕ R ω 2 ( kϕ) τ Προηγμένες Υπηρεσίες Τηλεκπαίδευσης στο Τ.Ε.Ι. Σερρών, Μέτρο 1.2., Κοινωνία της Πληροφορίας 66

2 Κινητήρας παράλληλης διέγερσης Έλεγχος ταχύτητας με μεταβολή της τάσης εισόδου Έλεγχος ταχύτητας με μεταβολή της αντίστασης διέγερσης Προηγμένες Υπηρεσίες Τηλεκπαίδευσης στο Τ.Ε.Ι. Σερρών, Μέτρο 1.2., Κοινωνία της Πληροφορίας 67

3 Κινητήρας διέγερσης σειράς Ισοδύναμο κύκλωμα V = E + I R + I T L I = I = I S R S Η διέγερση τοποθετείται σε σειρά με το κύκλωμα οπλισμού Χαρακτηριστική φορτίου Έλεγχος ταχύτητας Μεταβολή τάσης εισόδου V Ποτέ ένας ΚΔΣ δεν πρέπει να μένει ω = k τ χωρίς φορτίο γιατί ω Εφαρμογή: εκκίνηση οχημάτων (μίζα), μεγάλη ροπή για μικρό ρεύμα ( R R ) T + k S Προηγμένες Υπηρεσίες Τηλεκπαίδευσης στο Τ.Ε.Ι. Σερρών, Μέτρο 1.2., Κοινωνία της Πληροφορίας 68

4 Κινητήρας αθροιστικής σύνθετης διέγερσης Ισοδύναμο κύκλωμα V = E + I R + I T V = I I T = I F L R F I F Πρόσθεση δύο διεγέρσεων, μιας σε σειρά (λίγες σπείρες, χοντροί αγωγοί) και μιας παράλληλα (πολλές σπείρες, λεπτοί αγωγοί) με το κύκλωμα οπλισμού Χαρακτηριστική φορτίου Πλεονεκτήματα ΚΔΣ και ΚΠΔ Υψηλή ροπή εκκίνησης R S Είναι δυνατή η λειτουργία χωρίς φορτίο Προηγμένες Υπηρεσίες Τηλεκπαίδευσης στο Τ.Ε.Ι. Σερρών, Μέτρο 1.2., Κοινωνία της Πληροφορίας 69

5 Κινητήρας αθροιστικής σύνθετης διέγερσης Ισοδύναμο κύκλωμα V = E + I R + I V = I I T T = I F L R F I Πρόσθεση δύο διεγέρσεων, μιας σε σειρά (λίγες σπείρες, χοντροί αγωγοί) και μιας παράλληλα (πολλές σπείρες, λεπτοί αγωγοί) με το κύκλωμα οπλισμού Έλεγχος ταχύτητας F Μεταβολή τάσης εισόδου Μεταβολή αντίστασης παράλληλης διέγερσης R S Προηγμένες Υπηρεσίες Τηλεκπαίδευσης στο Τ.Ε.Ι. Σερρών, Μέτρο 1.2., Κοινωνία της Πληροφορίας 70

6 Κινητήρας με μόνιμους μαγνήτες Οι πόλοι είναι κατασκευασμένοι από μόνιμους μαγνήτες Πλεονεκτήματα Μικρό μέγεθος Δεν υπάρχουν απώλειες χαλκού στο κύκλωμα διέγερσης Μειονεκτήματα Μικρή μαγνητική επαγωγή στο εσωτερικό τους Μικρότερη ροπή ανά μονάδα Ι Α Κίνδυνος απομαγνήτισης λόγω κραδασμών. Προκαλεί Μεγάλο Ι Α Υπερβολική αύξηση της θερμοκρασίας Προηγμένες Υπηρεσίες Τηλεκπαίδευσης στο Τ.Ε.Ι. Σερρών, Μέτρο 1.2., Κοινωνία της Πληροφορίας 71

7 Εκκίνηση κινητήρων συνεχούς ρεύματος Πρόβλημα Υψηλή τιμή ρεύματος οπλισμού Προκαλείται επειδή κατά την εκκίνηση δεν έχει αναπτυχθεί ακόμη αντι- ΗΕΔ, Ε Α, στα άκρα του οπλισμού και η αντίσταση των τυλιγμάτων οπλισμού, R, είναι πολύ μικρή Αντιμετώπιση V I = Χρήση αντίστασης εκκίνησης και σταδιακή ελάττωσή της T R Χρήση ηλεκτρονικών διατάξεων εκκίνησης ελέγχου κινητήρων που περιλαμβάνουν ασφάλειες, ρελέ, θερμικούς διακόπτες υπερφόρτισης και επιτελούν ταυτόχρονα αυτόματο έλεγχο. Προηγμένες Υπηρεσίες Τηλεκπαίδευσης στο Τ.Ε.Ι. Σερρών, Μέτρο 1.2., Κοινωνία της Πληροφορίας 72

8 Διακοπή διέγερσης κινητήρων Πρόβλημα Η ταχύτητα περιστροφής του άξονα είναι αντιστρόφως ανάλογη της μαγνητικής ροής που δημιουργεί το κύκλωμα διέγερσης Μείωση της διέγερσης προκαλεί αύξηση της ταχύτητας ενώ διακοπή της προκαλεί απότομη αύξηση της ταχύτητας Μπορεί να καταστραφεί ο κινητήρας Συνεπακόλουθα V = T kϕ R ω 2 ( kϕ) τ Δε χρησιμοποιείται ο κινητήρας διαφορικής σύνθετης διέγερσης (μπορεί να μηδενιστεί το μαγνητικό πεδίο στο εσωτερικό) Το κύκλωμα εκκίνησης τοποθετείται ώστε να μην προκαλέσει απότομη διακοπή της τροφοδοσίας της διέγερσης Προηγμένες Υπηρεσίες Τηλεκπαίδευσης στο Τ.Ε.Ι. Σερρών, Μέτρο 1.2., Κοινωνία της Πληροφορίας 73

9 Μηχανές εναλλασσόμενου ρεύματος Διακρίνονται δύο κατηγορίες μηχανών εναλλασσόμενου ρεύματος Σύγχρονες ηλεκτρικές μηχανές Μηχανές μεγάλης ισχύος (της τάξης των MV) Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας Ως κινητήρας δεν πολυχρησιμοποιείται Ασύγχρονες ή επαγωγικές ηλεκτρικές μηχανές Γεννήτρια σε ανεμογεννήτριες Ευρύτατη χρήση του επαγωγικού κινητήρα Οικιακές συσκευές, βιομηχανία κλπ. Μονοφασικός, τριφασικός Προηγμένες Υπηρεσίες Τηλεκπαίδευσης στο Τ.Ε.Ι. Σερρών, Μέτρο 1.2., Κοινωνία της Πληροφορίας 74

10 Αρχές λειτουργίας μηχανών εναλλασσόμενου ρεύματος Μαγνητικό πεδίο Δεν είναι ομοιόμορφο στο χώρο εσωτερικά της μηχανής Παραγωγή τάσης σε αγώγιμο πλαίσιο Ακριβώς όπως και στις μηχανές συνεχούς ρεύματος Παράγεται τάση ημιτονοειδώς μεταβαλλόμενη H επαγόμενη τάση εξαρτάται: ( ) e ind = φ ωsinωt max Μαγνητική ροή στο εσωτερικό της μηχανής Ταχύτητα περιστροφής Σταθερά που εξαρτάται από τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά Προηγμένες Υπηρεσίες Τηλεκπαίδευσης στο Τ.Ε.Ι. Σερρών, Μέτρο 1.2., Κοινωνία της Πληροφορίας 75

11 Αρχές λειτουργίας μηχανών εναλλασσόμενου ρεύματος Παραγωγή ροπής σε αγώγιμο ρευματοφόρο πλαίσιο Υπάρχουν στο εσωτερικό της μηχανής 2 μαγνητικά πεδία Το πρώτο, Β loop, δημιουργείται από το ηλεκτρικό ρεύμα του πλαισίου Το δεύτερο, Β S, δημιουργείται από το ηλεκτρικό ρεύμα του στάτη Η επαγόμενη ροπή στο πλαίσιο αποδεικνύεται ότι προκύπτει από την τάση των δύο μαγνητικών πεδίων να συμπέσουν. τ ind = k B B loop S H επαγόμενη ροπή εξαρτάται: Μαγνητικό πεδίο του βρόχου και άρα ηλεκτρικό ρεύμα βρόχου Μαγνητικό πεδίο του στάτη Το ημίτονο της μεταξύ των 2 μαγνητικών πεδίων γωνίας Σταθερά που εξαρτάται από τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά Προηγμένες Υπηρεσίες Τηλεκπαίδευσης στο Τ.Ε.Ι. Σερρών, Μέτρο 1.2., Κοινωνία της Πληροφορίας 76

12 Ισχύς και απώλειες στις σύγχρονες μηχανές 1. Απώλειες χαλκού στο δρομέα και στο στάτη 2. Απώλειες πυρήνα 3. Μηχανικές απώλειες 4. Κατανεμημένες απώλειες Κινητήρας: P in (ηλεκτρική) ac P in = 3 V τ Ι L cosφ =3V φ Ι Α cosφ P out (μηχανική) = τ L ω m Γεννήτρια: P in (μηχανική) = τ ind ω m P out (ηλεκτρική) ac P out = 3 Vτ ΙLcosφ=3 V φ Ι Α cosφ Προηγμένες Υπηρεσίες Τηλεκπαίδευσης στο Τ.Ε.Ι. Σερρών, Μέτρο 1.2., Κοινωνία της Πληροφορίας 77

13 Σύγχρονη γεννήτρια (εναλλακτήρας) Βασικές μηχανές παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας σε μεγάλη κλίμακα Μεγάλη ισχύς παραγωγής ( MV) - Μεγάλος όγκος Σημαντικές απαιτήσεις σε συντήρηση και ψύξη Διακρίνονται 2 κύριες κατηγορίες Υψηλών ταχυτήτων με κυλινδρικό δρομέα Χαμηλών ταχυτήτων με δρομέα εκτύπων πόλων Λειτουργία Περιστρέφεται ο άξονας που φέρει το κύκλωμα διέγερσης (dc) Δημιουργείται μαγνητικό πεδίο λόγω του ρεύματος του δρομέα που περιστρέφεται με την ταχύτητα του δρομέα Επάγεται ηλεκτρική τάση στα τυλίγματα του στάτη που λόγω της σχετικής τους θέσης σχηματίζουν τριφασικό σύστημα τάσεων Προηγμένες Υπηρεσίες Τηλεκπαίδευσης στο Τ.Ε.Ι. Σερρών, Μέτρο 1.2., Κοινωνία της Πληροφορίας 78

14 Επαγόμενη τάση Οι συχνότητες των τάσεων που παράγονται από τις σύγχρονες γεννήτριες εξαρτώνται από την ταχύτητα περιστροφής του άξονα, n m (σε rpm) και τον αριθμό των πόλων της μηχανής, P Ηλεκτρική συχνότητα τάσης στο στάτη Για τη παραγωγή τάσης συχνότητας 50Hz από μια γεννήτρια 4 πόλων απαιτείται ταχύτητα περιστροφής 1500rpm. Πλάτος επαγόμενης τάσης, Ε Α = kφω. Εξάρτηση: Μαγνητική ροή στο εσωτερικό της μηχανής Ταχύτητα περιστροφής nmp 120 Κατασκευαστικά χαρακτηριστικά της μηχανής f e = Προηγμένες Υπηρεσίες Τηλεκπαίδευσης στο Τ.Ε.Ι. Σερρών, Μέτρο 1.2., Κοινωνία της Πληροφορίας 79

15 Ισοδύναμο κύκλωμα Κύκλωμα οπλισμού Ι Α : ρεύμα οπλισμού Ε Α : επαγόμενη τάση R : αντίσταση οπλισμού V φ : φασική τάση εξόδου Χ S : σύγχρονη αντίδραση V & ϕ = E& jx S I& R I& Κύκλωμα διέγερσης F Ι : ρεύμα διέγερσης R F : αντίσταση διέγερσης V F : τάση διέγερσης L F : αυτεπαγωγή τυλιγμάτων διέγερσης R adj : ρυθμιστική αντίσταση Προηγμένες Υπηρεσίες Τηλεκπαίδευσης στο Τ.Ε.Ι. Σερρών, Μέτρο 1.2., Κοινωνία της Πληροφορίας 80

16 Σύγχρονη αντίδραση H φασική τάση, V φ, διαφέρει από την επαγόμενη τάση E, εξαιτίας της αντίδρασης οπλισμού που προκαλείται από το ρεύμα των αγωγών του στάτη. Μπορεί να αντιστοιχισθεί με επαγωγική αντίδραση (jχ) της επαγωγικής αντίδρασης των αγωγών του στάτη (jx ) της ομικής αντίστασης των αγωγών του στάτη (R ) του σχήματος των εκτύπων πόλων Η αντίδραση οπλισμού και η επαγωγική αντίδραση των αγωγών εκφράζονται με έναν όρο: ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ, X S X = X + Προσεγγιστικός προσδιορισμός των τιμών X S, R με δύο πειράματα Πείραμα ανοιχτού κυκλώματος Πείραμα βραχυκυκλώματος S X Προηγμένες Υπηρεσίες Τηλεκπαίδευσης στο Τ.Ε.Ι. Σερρών, Μέτρο 1.2., Κοινωνία της Πληροφορίας 81

17 Αυτόνομη λειτουργία με φορτίο Θεωρείται μια σύγχρονη γεννήτρια που λειτουργεί αυτόνομα με φορτίο Σταθερή ταχύτητα περιστροφής Αμετάβλητα στοιχεία διέγερσης Άρα, αμετάβλητο πλάτος επαγόμενης τάσης Φορτίο ομικό Η V φ μειώνεται λίγο ως προς την Ε Α Φορτίο επαγωγικό Η V φ μειώνεται σημαντικά ως προς την Ε Α Φορτίο χωρητικό Η V φ μειώνεται ελάχιστα ως προς την Ε Α ή και αυξάνεται λίγο Δεδομένου ότι η γεννήτρια πρέπει να παράγει σταθερή τάση ανεξάρτητα από το φορτίο, οι όποιες διορθώσεις γίνονται από τη διέγερση Προηγμένες Υπηρεσίες Τηλεκπαίδευσης στο Τ.Ε.Ι. Σερρών, Μέτρο 1.2., Κοινωνία της Πληροφορίας 82

18 Παραλληλισμός σύγχρονων γεννητριών Στην πράξη, σύγχρονες γεννήτριες τοποθετούνται παράλληλα επάνω σε κάποιον άπειρο ζυγό με απαιτήσεις σταθερής συχνότητας και πλάτους τάσης Πλεονεκτήματα Μπορεί να τροφοδοτηθεί μεγαλύτερο φορτίο Μεγαλύτερη αξιοπιστία αντιμετώπιση βλαβών Πιο εύκολη η απομάκρυνση και διακοπή της λειτουργίας γεννήτριας για συντήρηση Λειτουργία των γεννητριών όχι σε πλήρη φόρτιση Προϋποθέσεις για παραλληλισμό 2 γεννητριών Ίσες ενεργές τιμές πολικών τάσεων Ίδια σειρά διαδοχής των φάσεων Ίσες οι αντίστοιχες φάσεις Ελαφρώς μικρότερη συχνότητα της γεννήτριας που θα εισαχθεί στο δίκτυο Προηγμένες Υπηρεσίες Τηλεκπαίδευσης στο Τ.Ε.Ι. Σερρών, Μέτρο 1.2., Κοινωνία της Πληροφορίας 83

19 Σύγχρονοι κινητήρες Προηγμένες Υπηρεσίες Τηλεκπαίδευσης στο Τ.Ε.Ι. Σερρών, Μέτρο 1.2., Κοινωνία της Πληροφορίας 84

20 Σύγχρονοι κινητήρες Παρόμοια λειτουργία με τη σύγχρονη γεννήτρια Λειτουργία Το μαγνητικό πεδίο, B loop, του δρομέα παράγεται από το ρεύμα διέγερσης Ι F. Στο στάτη εφαρμόζεται τριφασικό σύστημα ρευμάτων, που παράγει στο εσωτερικό της μηχανής στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο Β S. Τα πεδία τείνουν να ευθυγραμμιστούν. Επειδή το πεδίο του στάτη περιστρέφεται, το πεδίο του δρομέα το κυνηγάει συνεχώς χωρίς ποτέ να καταφέρνει να το φτάσει. Η επαγόμενη ροπή μιας γεννήτριας είναι αντίθετη της φοράς περιστροφής του δρομέα της ενώ σε έναν κινητήρα έχει την ίδια φορά με την φορά περιστροφής. Προηγμένες Υπηρεσίες Τηλεκπαίδευσης στο Τ.Ε.Ι. Σερρών, Μέτρο 1.2., Κοινωνία της Πληροφορίας 85