ΜΗΧΑΝΕΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ. Κινητήρες ΣΡ. Άγγελος Μπουχουράς - Μηχανές Ι

Transcript

1

2 Το ισοδύναμο κύκλωμα ενός κινητήρα ΣΡ:

3 Το κύκλωμα οπλισμού παριστάνεται με μια ιδανική πηγή τάσης ΕΑ και μία αντίσταση RA Στην ουσία πρόκειται για το ισοδύναμο κύκλωμα του δρομέα που περιλαμβάνει: τους αγωγούς του δρομέα τους βοηθητικούς πόλους το τύλιγμα αντιστάθμισης αν υπάρχει Η πτώση τάσης στις ψήκτρες παρουσιάζεται με μια μικρή πηγή συνεχούς τάσης που έχει πολικότητα αντίθετη προς το ρεύμα του δρομέα

4 Τα τυλίγματα διέγερσης που παράγουν την κύρια μαγνητική ροή του κινητήρα παρουσιάζονται με την αυτεπαγωγή LF και τη αντίσταση RF Η αντίσταση Radj παρουσιάζει την εξωτερική μεταβλητή αντίσταση που χρησιμοποιείται για την ρύθμιση του ρεύματος διέγερσης Επειδή η πτώση τάσης στις ψήκτρες είναι μικρή, μπορεί να αγνοηθεί Η τάση εξ επαγωγής που αναπτύσσεται στο εσωτερικό της μηχανής δίνεται από την εξίσωση EE AA = kkkkkk Η επαγόμενη ροπή στον άξονα δίνεται από ττ iiiiii = kkkkii AA

5 Ξένης και Παράλληλης Διέγερσης

6 Ισοδύναμα κυκλώματα:

7 Ισοδύναμα κυκλώματα:

8 Το κύκλωμα διέγερσης ενός κινητήρα ΣΡ ανεξάρτητης διέγερσης τροφοδοτείται από μια ανεξάρτητη πηγή συνεχούς τάσης Το αντίστοιχο κύκλωμα ενός κινητήρα παράλληλης διέγερσης τροφοδοτείται από το κύκλωμα οπλισμού του Αν θεωρηθεί πως η τάση τροφοδοσίας ενός κινητήρα παραμένει σταθερή, τότε τα 2 είδη κινητήρων δεν έχουν καμία πρακτική διαφορά Έτσι σε αυτή την περίπτωση η ανάλυση τους ενός (παράλληλης διέγερσης) περιλαμβάνει και αυτή της ξένης διέγερσης Στον κινητήρα ισχύει VV TT = EE AA + II AA RR AA

9 Χαρακτηριστική φορτίου κινητήρα παράλληλης διέγερσης Τα μεγέθη εξόδου ενός κινητήρα είναι η ροπή στον άξονα του και η ταχύτητα περιστροφής Έτσι, η χαρακτηριστική φορτίου είναι το διάγραμμα της ροπής εξόδου προς την ταχύτητα του Ας υποτεθεί ότι το φορτίο στον άξονα του κινητήρα αυξάνεται Η ροπή φορτίου (ττ llllllll ) θα ξεπεράσει τη ροπή που παράγει η μηχανή (ττ iiiiii ) και η ταχύτητα περιστροφής μειώνεται Όταν η ταχύτητα μειώνεται, μειώνεται και η τάση που παράγεται στο εσωτερικό του κινητήρα EE AA = kkkkkk Αυτό σημαίνει πως το ρεύμα οπλισμού αυξάνεται II AA = VV TT EE AA RR AA Τελικά η ροπή του κινητήρα γίνεται ίση με αυτή του φορτίου

10 Η χαρακτηριστική εξόδου ενός κινητήρα ΣΡ παράλληλης διέγερσης εξάγεται από τις εξισώσεις της επαγόμενης ροπής και τάσης σε αυτόν και από τον νόμο τάσεων του Kirchhoff Ο νόμος τάσεων στον κινητήρα είναι VV TT = EE AA + II AA RR AA Ακόμη ισχύει EE AA = kkkkkk οπότε VV TT = kkkkkk + II AA RR AA Λόγω της ττ iiiiii = kkkkkk, το ΙΑ εκφράζεται ως εξής: II AA = ττ iiiiii kkkk Τελικά μπορούμε να γράψουμε VV TT = kkkkkk + ττ iiiiii kkkk RR AA Τελικά η ταχύτητα του κινητήρα εκφράζεται ως εξής: ωω = VV TT kkkk RR AA kkkk 2 ττ iiiiii

11 Αυτή η εξίσωση είναι μια ευθεία με αρνητική κλίση

12 Βασική παραδοχή για τη μορφή της χαρακτηριστικής είναι η ύπαρξη σταθερής τάσης τροφοδοσίας του κινητήρα Σε αντίθετη περίπτωση οι μεταβολές της τάσης επηρεάζουν τη μορφή της καμπύλης ροπής-ταχύτητας Επιπλέον, το φαινόμενο της αντίδρασης οπλισμού (που μπορεί να εμφανίζεται στο εσωτερικό του κινητήρα) μπορεί να επηρεάζει την καμπύλη ροπής-ταχύτητας Αν εμφανιστεί το φαινόμενο της αντίδρασης οπλισμού τότε με αύξηση φορτίου το φαινόμενο έχουμε μείωση της μαγνητικής ροής στο εσωτερικό του Έτσι με βάση την ωω = VV TT RR AA ττ kkkk kkkk 2 iiiiii η μείωση της μαγνητικής ροής θα προκαλούσε αύξηση της ταχύτητας

13

14 Εφόσον ο κινητήρα διαθέτει τυλίγματα αντιστάθμισης, τότε δεν εμφανίζεται εξασθένιση της μαγνητικής ροής αλλά αυτή διατηρείται σταθερή Αν για κάθε τιμή του φορτίου είναι γνωστή η ταχύτητα και το ρεύμα οπλισμού, αν δηλαδή είναι δεδομένη η καμπύλη ροπής-ταχύτητας, τότε μπορεί να υπολογιστεί η ταχύτητα σε οποιαδήποτε άλλη φόρτιση Βασική προϋπόθεση για αυτό είναι να είναι γνωστό ή να μπορεί να προσδιορισθεί το ρεύμα οπλισμού σε αυτή τη φόρτιση

15 Έλεγχος ταχύτητας σε κινητήρες ΣΡ παράλληλης διέγερσης 1. Μεταβολή της αντίστασης διέγερσης (RF) (δηλαδή μεταβολή της μαγνητικής ροής στο εσωτερικό του κινητήρα) 2. Μεταβολή της τάσης που εφαρμόζεται στον οπλισμό του κινητήρα 3. Σύνδεση μιας αντίστασης σε σειρά με το κύκλωμα οπλισμού

16 1. Μεταβολή της αντίστασης διέγερσης (RF) Αν αυξηθεί η αντίσταση διέγερσης, το ρεύμα διέγερσης μειώνεται II FF = VV TT RR FF Έτσι μειώνεται και η μαγνητική ροή στο εσωτερικό του κινητήρα Αυτή η μείωση προκαλεί στιγμιαία ελάττωση στην τάση EE AA = kkkk ωω Λόγω της II AA = VV TT EE AA η μείωση της ΕΑ προκαλεί μια μεγάλη αύξηση RR AA στην τιμή του ρεύματος οπλισμού Τι συμβαίνει όμως με την επαγόμενη ροπή ττ iiiiii = kkkkii AA (ΦΦ, II AA )

17 Έστω ο κινητήρας ΣΡ παράλληλης διέγερσης

18 Το ρεύμα οπλισμού έχει τιμή II AA = = 20AA Τι θα συμβεί στη μηχανή αν η μαγνητική ροή στο εσωτερικό του μειωθεί κατά 1%; Επειδή EE AA = kkkkkk, η ΕΑ θα μειωθεί κατά 1% Επομένως θα έχουμε: EE AA2 = 0.99EE AA1 = = VV Τότε, το ρεύμα οπλισμού θα πρέπει να αυξηθεί σε μια τιμή: II AA = = 29.8AA 0.25 Η μείωση της μαγνητικής ροής κατά 1% προκάλεσε αύξηση του ρεύματος οπλισμού κατά 49%

19 Γίνεται φανερό ότι η αύξηση του ρεύματος υπερκαλύπτει τη μείωση της μαγνητικής ροής και τελικά η επαγόμενη ροπή αυξάνεται ττ iiiiii = kk ΦΦ II AA Επειδή ττ iiiiii > ττ llllllll η μηχανή αρχίζει να περιστρέφεται γρηγορότερα Καθώς όμως η ταχύτητα αυξάνεται, η ΕΑ αυξάνεται και τελικά μειώνεται το ΙΑ Έτσι μειώνεται η επαγόμενη ροπή μέχρι να εξισωθεί με τη ροπή του φορτίου σε μία νέα ταχύτητα ισορροπίας που είναι μεγαλύτερη από την αρχική

20 1. Η αύξηση της RF προκαλεί μείωση της έντασης II FF = VV TT RR FF 2. Με τη μείωση του IF μειώνεται και η Φ 3. Λόγω της μείωσης στη Φ, η EE AA = kkkk ωω μειώνεται 4. Τότε, το ρεύμα ΙΙ ΑΑ = VV TT EE AA RR AA αυξάνεται 5. Η αύξηση του ΙΑ αυξάνει την ττ iiiiii = kkkk II AA, όπου το ποσοστό αύξησης του ΙΑ υπερτερεί του ποσοστού μείωσης της Φ 6. Η αύξηση της τind την κάνει μεγαλύτερη από την τload και η ταχύτητα ω αυξάνεται 7. Η επιτάχυνση του κινητήρα αυξάνει πάλι την ΕΑ 8. Τότε το ΙΑ μειώνεται 9. Η μείωση του ΙΑ προκαλεί μείωση της τind ώσπου να ισχύσει ξανά η ισότητα των ροπών. Αυτό συμβαίνει για μία μεγαλύτερη ω

21

22 2. Η 2 η μέθοδος ελέγχου της ταχύτητας αφορά στη μεταβολή της τάσης οπλισμού, χωρίς όμως να μεταβάλλεται η τάση στα άκρα του κυκλώματος διέγερσης Συνεπώς είναι απαραίτητη η εξής συνδεσμολογία

23 Τα βήματα αυτής της μεθόδου ελέγχου είναι: 1. Η αύξηση της VΑ προκαλεί αύξηση του II AA = VV AA EE AA RR AA 2. Το γεγονός αυτό αυξάνει την ττ iiiiii = kkkkii AA 3. Τότε, ττ iiiiii > ττ llllllll και ο κινητήρας επιταχύνεται 4. Η αύξηση όμως της ω αυξάνει την EE AA = kkkkkk 5. Η αύξηση της ΕΑ προκαλεί τη μείωση του II AA = VV AA EE AA RR AA 6. Το γεγονός αυτό προκαλεί ελάττωση της τind μέχρι να ισχύσει ττ IIIIII = ττ llllllll σε μία νέα ω μεγαλύτερη από την προηγούμενη

24

25 3. Σύνδεση αντίστασης σε σειρά με το κύκλωμα οπλισμού Αν μία αντίσταση συνδεθεί σε σειρά με το κύκλωμα οπλισμού, η κλίση της χαρακτηριστικής ροπής-ταχύτητας αυξάνεται σημαντικά κάνοντάς τον να περιστρέφεται πιο αργά κατά τη φόρτιση του

26 Αυτός ο τρόπος ελέγχου της ταχύτητας είναι μία πολύ δαπανηρή μέθοδος, αφού οι απώλειες πάνω στην αντίσταση που εισάγεται είναι τεράστιες

27 Η μεταβολή του ρεύματος διέγερσης (μέσω της αντίστασης διέγερσης): αυξάνει την ω (μείωση του ρεύματος) και μειώνει την ω (αύξηση του ρεύματος) Αφού η αύξηση του ρεύματος μειώνει την ω, πάντα θα υπάρχει μία ελάχιστη δυνατή ταχύτητα περιστροφής που μπορεί να επιτευχθεί με τον τρόπο αυτό Αυτή η ελάχιστη ω εμφανίζεται όταν το ρεύμα διέγερσης αποκτά τη μέγιστη επιτρεπόμενη τιμή του Με τον έλεγχο της αντίστασης διέγερσης η ω του κινητήρα μπορεί με μεταβάλλεται μεταξύ τιμών μεγαλύτερων της βασική και όχι μικρότερης Για μικρότερες ταχύτητες, πρέπει το ρεύμα διέγερσης να αυξηθεί πολύ και αυτό ενδέχεται να προκαλέσει υπερθέρμανση και καταστροφή των τυλιγμάτων διέγερσης

28 Στον έλεγχο μέσω της τάσης οπλισμού, αύξηση της τάσης προκαλεί αύξηση της ω και αντίστροφα Αφού αύξηση της τάσης προκαλεί αύξηση της ω, θα υπάρχει μία μέγιστη ταχύτητα περιστροφής που μπορεί να επιτευχθεί μέσω αυτής της μεθόδου Η μέγιστη ταχύτητα εμφανίζεται για μέγιστη επιτρεπόμενη τάση Αυτό ο έλεγχος μπορεί να μεταβάλλει την ταχύτητα μεταξύ τιμών που είναι μικρότερες της βασικής Για να επιτευχθεί ταχύτητα μεγαλύτερη της βασικής απαιτείται πολύ μεγάλη αύξηση της τάσης που πιθανότητα θα καταστρέψει το κύκλωμα οπλισμού

29 Οι 2 τεχνικές ελέγχου της ταχύτητας συμπληρώνουν η μία την άλλη Η μέθοδος ελέγχου της τάσης οπλισμού επηρεάζει την ταχύτητα μόνο σε τιμές μικρότερες της βασικής Η μέθοδος ελέγχου της αντίστασης διέγερσης επηρεάζει την ταχύτητα μόνο σε τιμές μεγαλύτερες της βασικής Συνδυάζοντας της 2 μεθόδους στον ίδιο κινητήρα η ταχύτητα του είναι δυνατό να κυμαίνεται σε ένα μεγάλο εύρος τιμών

30

31

32 Κινητήρας με μόνιμους μαγνήτες

33 Κινητήρας με μόνιμους μαγνήτες

34 Κινητήρας με μόνιμους μαγνήτες