ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΜΕ ΔΙΕΓΕΡΣΗ ΣΕΙΡΑΣ ΣΕ ΔΙΚΤΥΟ ΕΝΑΛΛΑΣΟΜΕΝΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ

Transcript

1 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΜΕ ΔΙΕΓΕΡΣΗ ΣΕΙΡΑΣ ΣΕ ΔΙΚΤΥΟ ΕΝΑΛΛΑΣΟΜΕΝΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΕΡΓΑΣΙΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΛΑΜΠΡΟΥ ΑΡΓΥΡΙΟΣ, Α.Μ : 7021

2 ΣΚΟΠΟΣ Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη αρχικά του τρόπου λειτουργίας γενικά των κινητήρων συνεχούς ρεύματος, ενώ στην συνέχεια θα παρουσιαστεί το ισοδύναμο κύκλωμα και ο τρόπος συνδεσμολογίας ειδικότερα των κινητήρων Σ.Ρ. με διέγερση σειράς σε εναλλασσόμενο ρεύμα. ΠΕΡΙΛΗΨΗ Μέσα στις επόμενες σελίδες θα παρουσιαστεί ένα σύντομο ιστορικό γενικά των κινητήρων συνεχούς ρεύματος, των κατηγοριών στις οποίες κατατάσσονται και εν συνεχεία θα γίνει περαιτέρω επέκταση στους κινητήρες συνεχούς ρεύματος με διέγερση σειράς. Θα γίνει αναφορά στην συνδεσμολογία και στις παραμέτρους λειτουργίας των κινητήρων συνεχούς ρεύματος με διέγερση σειράς, στα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα που παρουσιάζουν σε σχέση με άλλους τύπους κινητήρων, καθώς και στο εύρος των εφαρμογών που χρησιμοποιούνται σήμερα. Επίσης θα παρουσιαστούν ενδεικτικά εικόνες, σχήματα γραφικών παραστάσεων και εξισώσεις υπολογισμού παραμέτρων (τάσεις, συσχετισμός ροπής-ταχύτητας).

3 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Αρχικά θα γίνει μία σύντομη αναδρομή στους πρώτους κινητήρες συνεχούς ρεύματος που αναπτύχθηκαν παγκοσμίως. Οι κινητήρες αυτοί χρονολογούνται από τα τέλη του 19ου αιώνα και πιο συγκεκριμένα ένας από τους πρώτους κινητήρες που σχεδιάστηκαν χρονολογείται στο 1886 από τον Άγγλο Αμερικανοτραφή μηχανικό και εφευρέτη Elihu Thomson. Εικ. 1 : Κινητήρας σχεδιασμένος από τον Elihu Thomson (1886, ισχύς 0,5hp) Παρόλο που αναπτύχθηκαν και κυριάρχησαν τα συστήματα εναλλασσόμενου ρεύματος, οι κινητήρες συνεχούς ρεύματος συνέχισαν να κατέχουν μεγάλο ποσοστό των ετήσιων πωλήσεων ηλεκτρικών μηχανών, ποσοστό το οποίο βέβαια μειώνεται τα τελευταία χρόνια. Ένας από τους λόγους που οι κινητήρες παρέμειναν τόσο δημοφιλείς μέχρι και στις μέρες μας, είναι πως τα συστήματα συνεχούς ρεύματος παραμένουν αναντικατάστατα σε αεροπλάνα, φορτηγά, επιβατικά αυτοκίνητα κτλ. Άλλος λόγος είναι οτι οι κινητήρες αυτοί εμφανίζονται

4 πολύ συχνά σε εφαρμογές που απαιτούνται μεγάλες μεταβολές στην ταχύτητα περιστροφής. Γενικά, οι κινητήρες συνεχούς ρεύματος τροφοδοτούνται από μία πηγή συνεχούς τάσης. Για ευκολότερη ανάλυση, αλλά και απλοποίηση της σύγκρισης μεταξύ των κινητήρων συνεχούς ρεύματος διαφορετικού τύπου, η τάση εισόδου ενός κινητήρα θεωρείται σταθερή. Οι βασικές κατηγορίες κινητήρων συνεχούς ρεύματος είναι οι παρακάτω: 1. Κινητήρας Σ.Ρ. ανεξάρτητης διέγερσης 2. Κινητήρας Σ.Ρ. παράλληλης διέγερσης 3. Κινητήρας Σ.Ρ. με μόνιμο μαγνήτη 4. Κινητήρας Σ.Ρ. διέγερσης σειράς και 5. Κινητήρας Σ.Ρ. σύνθετης διέγερσης. Στο επόμενο κεφάλαιο θα εξεταστεί με λεπτομέρεια η περίπτωση 4, των κινητήρων συνεχούς ρεύματος διέγερσης σειράς. ΚΥΡΙΟ ΜΕΡΟΣ Οι κινητήρες συνεχούς ρεύματος διέγερσης σειράς είναι κινητήρες των οποίων τα τυλίγματα διέγερσης διαθέτουν σχετικά λίγες σπείρες συνδεδεμένες στην σειρά με το κύκλωμα οπλισμού. Το ρεύμα οπλισμού, το ρεύμα διέγερσης και το ρεύμα εισόδου σε έναν τέτοιο κινητήρα έχουν την ίδια τιμή. Το ισοδύναμο κύκλωμα ενός τέτοιου κινητήρα φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Εικ. 2 : Ισοδύναμο κύκλωμα κινητήρα συνεχούς ρεύματος με διέγερση σειράς.

5 , όπου Ι Α =Ι S =I L και ο νόμος των τάσεων του Kirchhoff είναι : V T = E A + I A (R A + R S ) Το βασικό χαρακτηριστικό ενός κινητήρα συνεχούς ρεύματος με διέγερση σειράς είναι ότι η μαγνητική ροή στο εσωτερικό του είναι ανάλογη του ρεύματος οπλισμού. Αύξηση του ρεύματος εισόδου προκαλεί αύξηση της μαγνητικής ροής, η οποία με τη σειρά της οδηγεί σε μείωση της ταχύτητας περιστροφής. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα η καμπύλη ροπής - ταχύτητας ενός κινητήρα με διέγερση σειράς να παρουσιάζει πολύ απότομη κλίση. Εικ. 3 : Χαρακτηριστική καμπύλη ροπής-ταχύτητας κινητήρα με διέγερση σειράς. Η εξίσωση της ροπής προκύπτει από την σχέση τ=κ*φ*ι Α, όπου φ η μαγνητική ροή στο εσωτερικό της μηχανής με σχέση ισότητας την φ=c*i A. Από τις παραπάνω σχέσεις προκύπτει τελικά ότι η ροπή στον κινητήρα είναι : τ = Κ*φ*Ι Α = Κ*c*I A 2, δηλ. η ροπή είναι ανάλογη με το τετράγωνο του ρεύματος οπλισμού του κινητήρα (στην πράξη λόγω του κορεσμού των μαγνητικών πόλων, η ροπή είναι ανάλογη τιμής μικρότερης του τετραγώνου). Από το παραπάνω συμπέρασμα εξάγεται πως ο κινήτηρας με διέγερση σειράς δίνει την μεγαλύτερη ροπή ανά μονάδα ρεύματος από οποιονδήποτε άλλο κινητήρα συνεχούς ρεύματος, γι'αυτό και χρησιμοποιούνται σε πλήθος εφαρμογών, όπως οι κινητήρες εκκίνησης

6 στα αυτοκίνητα, οι κινητήρες των ανελκυστήρων, σε γερανούς, σε ηλεκτρικούς σιδηρόδρομους. Στην παρακάτω εικόνα παρουσιάζεται η χαρακτηριστική ροπής - στροφών του κινητήρα σε συνδυασμό με τις αυξομειώσεις της έντασης του ρεύματος οπλισμού του κινητήρα. Εικ. 4 : Χαρακτηριστική καμπύλη ροπής-στροφών κινητήρα με διέγερση σειράς. Για να αιτιολογηθεί η μορφή της χαρακτηριστικής ροπής-ταχύτητας, αρκεί να υπολογιστεί η σχέση ροπής ταχύτητας. Με την χρήση των παρακάτω σχέσεων: φ=c*i A, V T = E A + I A (R A + R S ), τ = Κ*c*I A 2, Ε Α =Κ*φ*ω, προκύπτει τελικά : ω=(v T/ K*c*τ) - (R A +R S )/K*c, όπου φαίνεται ότι η ταχύτητα είναι αντιστρόφως ανάλογη της τετραγωνικής ρίζας της ροπής.

7 Από την παραπάνω εξίσωση φαίνεται και ένα από τα βασικά μειονεκτήματα των κινητήρων με διέγερση σειράς. Όταν η ροπή του κινητήρα πλησιάζει την μηδενική τιμή η ταχύτητα πλησιάζει στην άπειρη τιμή. Ώστε ποτέ ένας κινητήρας συνεχούς ρεύματος με διέγερση σειράς δεν θα πρέπει να μένει χωρίς φορτίο, καθώς τότε η ταχύτητά του θα γίνει γρήγορα πολύ μεγάλη προκαλώντας σημαντικές βλάβες στην μηχανή. Αποδοτική μέθοδος μεταβολής της ταχύτητας των κινητήρων συνεχούς ρεύματος με διέγερση σειράς θεωρείται εκείνη κατά την οποία ρυθμίζεται η τάση εισόδου στον κινητήρα. Αυξάνοντας την τάση εισόδου από την σχέση ω=(v T/ K*c*τ) - (R A +R S )/K*c, αυξάνεται και ο πρώτος όρος της εξίσωσης και έτσι ο κινητήρας περιστρέφεται γρηγορότερα για οποιαδήποτε δεδομένη ροπή. Ένας άλλος τρόπος μεταβολής της ταχύτητας είναι με την εισαγωγή μίας αντίστασης σε σειρά με το κύκλωμα του κινητήρα, μέθοδος η οποία είναι αρκετά δαπανηρή και χρησιμοποιούνταν κυρίως παλαιότερα, όταν δεν υπήρχε καμιά βολική μέθοδος ρύθμισης της τάσης εισόδου στον κινητήρα. ΕΠΙΛΟΓΟΣ Εν κατακλείδι, ενώ οι γεννήτριες συνεχούς ρεύματος εκτοπίστηκαν από τις αντίστοιχες εναλλασσόμενου ρεύματος, οι κινητήρες συνεχούς ρεύματος,γενικώς, παραμένουν αρκετά διαδεδομένοι, κυρίως λόγω της ευκολίας ελέγχου της ταχύτητάς τους μέχρι το μηδέν και λόγω της εξαιρετικής δυναμικής συμπεριφοράς τους, εφόσον όπως αποδεικνύεται είναι αναντικατάστατοι ακόμη και σήμερα σε εφαρμογές πολύ υψηλών απαιτήσεων. Ειδικότερα δε οι κινητήρες συνεχούς ρεύματος με διέγερση σειράς, μέχρι και σήμερα χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές όπου απαιτείται υψηλή ροπή εκκίνησης και μεγάλες υπερφορτίσεις.

8 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Stephen J. Chapman, Ηλεκτρικές Μηχανές AC-DC, 3η έκδοση, Θεσσαλονίκη : Τζιόλα, Μιχαήλ Α. Χατζησταματίου, Ηλεκτρικαί Μηχαναί, Τόμος Πρώτος, Μηχαναί συνεχούς ρεύματος, 1η έκδοση, Αθήνα: Ίδρυμα Ευγενίδη, 1979.