1. ΜΗΧΑΝΕΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ

Transcript

1 ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΗΧΑΝΕΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ 1.1 Συγκρότηση κατασκευή Μια µηχανή συνεχούς ρεύµατος αποτελείται από ένα ακίνητο τµήµα που λέγεται στάτης και ένα κινητό που λέγεται δροµέας. Μια τέτοια συναρµολογηµένη µηχανή φαίνεται στο Σχήµα 1.1 Σχήµα 1.1 Εξωτερική όψη µηχανής Συνεχούς Ρεύµατος Ο στάτης αποτελείται από το ζύγωµα, τους µαγνητικούς πόλους, τους βοηθητικούς πόλους, τον ψηκτροφορέα µέ τις ψήκτρες και τα δύο καλύµµατα. Το ζύγωµα αποτελεί τον κορµό της µηχανής και ενώνει µηχανικά και µαγνητικά τους µαγνητικούς πόλους. Εχει κυλινδρικό σχήµα και αποτελεί την βάση στήριξης της µηχανής στο κάτω µέρος. Κατασκευάζεται από χυτοχάλυβα ή ελατό σίδηρο. Σχήµα 1.2 Το ζύγωµα και οι µαγνητικοί πόλοι του στάτη Οι µαγνητικοί πόλοι δίνουν την απαραίτητη µαγνητική ροή στο διάκενο ανάµεσα στα πέδιλά τους και το επαγωγικό τύµπανο. Κάθε πόλος αποτελείται από τον πυρήνα και το τύλιγµά του που είναι µονωµένα µεταξύ τους. Ο πυρήνας συγκροτείται από µονωµένα ειδικά ελάσµατα σιδήρου µε µορφή όπως εκείνη του Σχήµατος 1.3. Το πλατύτερο µέρος τοποθετείται προς το µέρος του επαγωγικού τυµπάνου και λέγεται πέδιλο. Ο βασικός σκοπός του είναι να οδηγεί την ροή σε ένα µεγαλύτερο µέρος της περιφέρειας του δροµέα και να υποβαστάζει το τύλιγµα του πόλου. Σχήµα 1.3 Πυρήνας µαγνητικού πόλου Το τύλιγµα κάθε πόλου αποτελείται από πολλές σπείρες χάλκινου µονωµένου σύρµατος που τυλίγονται γύρω από τον πυρήνα κάθε πόλου τυλιγµένες µε βαµβακερή ταινία και εµβαπτισµένες σε µονωτικό βερνίκι. Τα άκρα του τυλίγµατος µένουν ελεύθερα για την ηλεκτρική του σύνδεση. Το σύνολο των τυλιγµάτων των µαγνητικών πόλων λέγεται τύλιγµα διέγερσης της µηχανής. Σε πολλές µηχανές συνεχούς ρεύµατος υπάρχουν δύο τυλίγµατα σε κάθε πόλο, το καθένα ανεξάρτητο από το άλλο. Τότε το ένα τύλιγµα αποτελείται από πολλές σπείρες λεπτού σύρµατος

2 ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 12 και λέγεται παράλληλο τύλιγµα και το άλλο από λίγες σπείρες χονδρού σύρµατος και λέγεται τύλιγµα σειράς. Το σύνολο λέγεται σύνθετο τύλιγµα και πάντα µένουν ελεύθερα τα άκρα των δύο τυλιγµάτων αφού αυτά τυλιχθούν και µονωθούν. Σχήµα 1.4 Σύνθετο τύλιγµα πόλου Ο αριθµός των µαγνητικών πόλων κάθε ηλεκτρικής µηχανής είναι πάντα άρτιος και ανάλογα µε τον αριθµό των πόλων που έχει µια µηχανή ονοµάζεται διπολική, τετραπολική, εξαπολική κοκ. Οι βοηθητικοί πόλοι τοποθετούνται µεταξύ των κυρίων πόλων και χρησιµεύουν στην αποφυγή των σπινθηρισµών του συλλέκτη. Η κατασκευή τους είναι ίδια µε των κύριων πόλων αλλά είναι µικρότεροι. Τα τυλίγµατά τους αποτελούνται από λίγες σπείρες χονδρού σύρµατος και συνδέονται σε σειρά µε το τύλιγµα επαγωγικού τυµπάνου. Στο Σχήµα 1.5 φαίνεται το ζύγωµα τετραπολικής µηχανής µε βοηθητικούς πόλους. Σχήµα 1.5 Ζύγωµα τετραπολικής µηχανής µε τους κύριους και τους βοηθητικούς πόλους. Ο ψηκτροφορέας αποτελείται από σιδερένιο δακτύλιο, τους βραχίονες των ψηκτροθηκών και τις ψηκτροθήκες όπως φαίνεται στο Σχήµα 1.6. Οι ψήκτρες κατασκευάζονται από σκληρό άνθρακα, από γραφίτη ή από µίγµα άνθρακα και χαλκού. Στο ένα άκρο της ψήκτρας στερεώνεται ευλύγιστο χάλκινο σύρµα για να οδηγεί το ηλεκτρικό ρεύµα στην ψηκτροθήκη και από εκεί στον αγωγό που την συνδέει µε έναν από τους ακροδέκτες της µηχανής. Οι ψήκτρες πιέζονται στον συλλέκτη µε µικρά ελατήρια που βρίσκονται στις ψηκτροθήκες.

3 ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 13 (α) Σχήµα 1.6 Ο ψηκτροφορέας και η ψήκτρα (β) Τα καλύµµατα του στάτη στερεώνονται µε βίδες στο ζύγωµα και χρησιµεύουν στην υποστήριξη του άξονα του δροµέα και του ψηκτροφορέα και στην προφύλαξη του εσωτερικού της µηχανής. Ο δροµέας αποτελείται από τον άξονα, το επαγωγικό τύµπανο, τον συλλέκτη και τον ανεµιστήρα. Ο άξονας του δροµέα έχει στερεωµένα επάνω του το επαγωγικό τύµπανο (πυρήνα και τύλιγµα), τον συλλέκτη και τον ανεµιστήρα, στρέφεται δε πάντα µε αυτά. Ο πυρήνας του επαγωγικού τυµπάνου παρέχει έναν δρόµο µικρής µαγνητικής αντίστασης για να περνούν οι µαγνητικές γραµµές του πεδίου των πόλων και φέρει το τύλιγµα του τυµπάνου. Κατασκευάζεται από πολλά µαγνητικά ελάσµατα µε την µορφή του Σχήµατος 1.7. Η τελική µορφή του πυρήνα µιας µηχανής µικρής σχετικά ισχύος φαίνεται στο Σχήµα 1.8. Σχήµα 1.7 Μορφές ελασµάτων επαγωγικού τυµπάνου Σχήµα 1.8 Πυρήνας µηχανής συνεχούς ρεύµατος

4 ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 14 Το τύλιγµα του επαγωγικού τυµπάνου κατασκευάζεται από µονωµένο χάλκινο αγωγό κυκλικής ή ορθογωνικής διατοµής για µηχανές µικρής και µεγάλης ισχύος αντίστοιχα. Στις µικρές διπολικές µηχανές οι σπείρες τυλίγονται µε το χέρι στον πυρήνα αφού τοποθετηθεί στα διάκενα των οδοντώσεων µονωτικό χαρτί (χειροποίητα τυλίγµατα). Στις µεγαλύτερες µηχανές οι σπείρες διαµορφώνονται πρώτα σε οµάδες σε ειδικά καλούπια και µετά τοποθετούνται στα διάκενα των οδοντώσεων. Στο Σχήµα 1.9 φαίνεται η τοποθέτηση των στοιχείων των οµάδων στις οδοντώσεις Σχήµα 1.9 Τοποθέτηση στοιχείων στις οδοντώσεις Ο συλλέκτης κατασκευάζεται από πολλά χάλκινα ελάσµατα κατάλληλα διαµορφωµένα που φαίνονται στο Σχήµα 1.10 και λέγονται τοµείς συλλέκτη. Αυτά τα ελάσµατα συγκρατούνται µεταξύ δύο χαλύβδινων κοίλων κυλινδρικών τµηµάτων αφού µονωθούν τόσο µεταξύ τους όσο και προς τα χαλύβδινα τεµάχια συγκράτησης. Στο Σχήµα 1.10 φαίνεται µια µερική τοµή συλλέκτη. Σχήµα 1.10 Μερική τοµή συλλέκτη Ο ανεµιστήρας στερεώνεται στον άξονα και κατά την περιστροφή δηµιουργεί ρεύµα αέρα που µπαίνει στην µηχανή από το άνοιγµα του ενός καλύµµατος και βγαίνει από το άνοιγµα του άλλου ψύχοντας το εσωτερικό της µηχανής όπως φαίνεται στο Σχήµα 1.11.

5 ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 15 Σχήµα 1.11 Ηµιτοµή µηχανής συνεχούς ρεύµατος µε την κυκλοφορία αέρα ψύξης Για την παραγωγή σηµαντικών τάσεων και εντάσεων και για την µείωση της κυµάτωσης του ρεύµατος που παράγει η στοιχειώδης γεννήτρια συνεχούς ρεύµατος, χρησιµοποιούνται στην πράξη πολλές αντί µιάς σπείρες κατάλληλα συνδεδεµένες. Ανεξάρτητα όµως από τον τρόπο σύνδεσης των σπειρών οι πλευρικοί αγωγοί κάθε σπείρας απέχουν µεταξύ τους όσο και οι άξονες δύο γειτονικών πόλων για να προσθέτονται οι ηλεκτρεγερτικές δυνάµεις που αναπτύσσονται σ αυτές. Ανάλογα µε τον τρόπο σύνδεσης των σπειρών διακρίνονται δυό µεγάλες κατηγορίες τυλιγµάτων : τα βροχοτυλίγµατα και τα κυµατοτυλίγµατα. 1.2 Γεννήτριες Συνεχούς Ρεύµατος Η ηλεκτρεγερτική δύναµη της γεννήτριας συνεχούς ρεύµατος δίνεται από την σχέση Ε = kφn (1.1) όπου k σταθερά εξαρτώµενη από τα κατασκευαστικά στοιχεία τυλίγµατος Φ η µαγνητική ροή ανά πόλο σε Vsec n οι στροφές του δροµέα ανά min Η προηγούµενη σχέση δείχνει ότι η τάση της γεννήτριας εξαρτάται από τις στροφές της µηχανής που την περιστρέφει και την µαγνητική ροή ανά πόλο που βασικά εξαρτάται από το ρεύµα διέγερσης της γεννήτριας που διαρρέει το τύλιγµα των µαγνητικών πόλων. Η εξάρτηση της ροής από την διέγερση φαίνεται στο διάγραµµα του Σχήµατος Η χαρακτηριστική καµπύλη έχει τρείς περιοχές (παραµένοντος µαγνητισµού, γραµµική, κορεσµού) λόγω των µαγνητικών ιδιοτήτων του σιδήρου της µηχανής. Σχήµα 1.12 Μεταβολή µαγνητικής ροής και ΗΕ γεννήτριας συναρτήσει του ρεύµατος διέγερσης

6 ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 16 Το τύλιγµα διέγερσης (µαγνητικών πόλων) της γεννήτριας τροφοδοτείται από την ίδια την γεννήτρια συνήθως και ανάλογα µε τον τρόπο µε τον οποίο συνδέεται µε το τύλιγµα του επαγωγικού τυµπάνου οι γεννήτριες διακρίνονται σε τέσσερες κατηγορίες 1. Γεννήτριες ξένης διέγερσης 2. Γεννήτριες παράλληλης διέγερσης 3. Γεννήτριες µε διέγερση σειράς 4. Γεννήτριες σύνθετης διέγερσης Γεννήτρια ξένης διέγερσης Στις γεννήτριες ξένης διέγερσης το τύλιγµα διέγερσης τροφοδοτείται από µια ξένη πηγή. Η πολικότητα της µηχανής αλλάζει αν αλλάξει η διεύθυνση του ρεύµατος διέγερσης ή αν αλλάξει η φορά περιστροφής της κινητήριας µηχανής. Για να εξετασθούν καλύτερα οι σχέσεις ηλεκτρεγερτικής δύναµης, τάσης και έντασης χρησιµοποιείται το ισοδύναµο κύκλωµά της. Στο Σχήµα 1.13 φαίνεται το ισοδύναµο κύκλωµα της γεννήτριας ξένης διέγερσης. Σχήµα 1.13 Ισοδύναµο κύκλωµα γεννήτριας ξένης διέγερσης Οι δείκτες των γραµµάτων συµβολίζουν τα αρχικά του µέρους του κυκλώµατος στο οποίο αναφέρονται και η σηµασία τους είναι η εξής U δ Ι δ R δ Ε U Ι τ R τ U φ Ι φ R φ Η τάση τροφοδότησης του κυκλώµατος διέγερσης (αντί δ, f και e στην αγγλοσαξωνική και γερµανική βιβλιογραφία αντίστοιχα) Η ένταση του κυκλώµατος διέγερσης Η συνολική αντίσταση του κυκλώµατος διέγερσης Η ηλεκτρεγερτική δύναµη της γεννήτριας Η τάση στους πόλους (ακροδέκτες) της γεννήτριας Η ένταση του ρεύµατος τυµπάνου (a στην ξένη βιβλιογραφία) Η συνολική αντίσταση του τυλίγµατος τυµπάνου Η τάση στο φορτίο της γεννήτριας Η ένταση στο φορτίο της γεννήτριας Η αντίσταση του φορτίου της γεννήτριας Οι βασικές σχέσεις που συνδέουν τα παραπάνω µεγέθη για την γεννήτρια ξένης διέγερσης είναι οι εξής U = E I τ R τ (1.2)

7 ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 17 Ι τ = Ι φ (1.3) U = U φ (1.4) Η χαρακτηριστική υπό φορτίο της γεννήτριας ξένης διέγερσης δείχνει πως µεταβάλλεται η τάση φορτίου συναρτήσει του ρεύµατος φορτίου όταν διατηρούνται σταθερά οι στροφές και η ένταση διέγερσης. Η µορφή της φαίνεται στο Σχήµα Σχήµα 1.14 Η χαρακτηριστική φόρτισης γεννήτριας ξένης διέγερσης Η µεταβολή της τάσης µιάς γεννήτριας από το µηδενικό φορτίο (U 0 ) µέχρι το πλήρες φορτίο (U 1 ) λέγεται διακύµανση τάσης της γεννήτριας και δίνεται από την σχέση ε% = 100 (U 0 -U 1 )/U 1 (1.5) Η τάση στο πλήρες φορτίο µιάς γεννήτριας είναι η πολική τάση της γεννήτριας όταν αποδίδει στο φορτίο της την ισχύ για την οποία είναι κατασκευασµένη. Η διακύµανση τάσης στις γεννήτριες ξένης διέγερσης είναι 5 ως 10% όταν λειτουργούν µε τις κανονικές στροφές και µε την κανονική ένταση διέγερσης. Η τάση, η ένταση και η ισχύς της γεννήτριας στο πλήρες φορτίο, η κανονική ένταση διέγερσης και οι κανονικές στροφές της γράφονται στην πινακίδα της και αποτελούν τα ονοµαστικά µεγέθη της γεννήτριας Γεννήτρια παράλληλης διέγερσης Στις γεννήτριες αυτές το τύλιγµα διέγερσης συνδέεται παράλληλα µε το τύλιγµα του τυµπάνου και µε το φορτίο και εποµένως τροφοδοτείται από την ίδια την µηχανή. Στο Σχήµα 1.15 φαίνεται το ισοδύναµο κύκλωµα της γεννήτριας παράλληλης διέγερσης. Σχήµα 1.15 Ισοδύναµο κύκλωµα γεννήτριας παράλληλης διέγερσης

8 ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 18 Τα σύµβολα και οι βασικές σχέσεις διαφέρουν ελάχιστα από εκείνα της γεννήτριας ξένης διέγερσης και οι επιµέρους σχέσεις είναι οι εξής U = E I τ R τ (1.6) Ι τ = Ι φ + Ι δ (1.7) U = U φ = U δ (1.8) Στις αυτοδιεγειρόµενες γεννήτριες η ένταση διεγέρσεως εξαρτάται και από την αντίσταση διεγέρσεως αλλά και από την πολική τάση της γεννήτριας. Ετσι προκύπτουν οι οικογένειες των χαρακτηριστικών ευθειών της πολικής τάσης συναρτήσει της έντασης διέγερσης για διάφορες τιµές της αντίστασης διέγερσης που φαίνονται στο Σχήµα 1.16 και χρησιµεύουν πολύ στην κατανόηση του τρόπου λειτουργίας της µηχανής. Σχήµα 1.16 Χαρακτηριστικές ευθείες διέγερσης Η γεννήτρια παράλληλης διέγερσης είναι αυτοδιεγειρόµενη, δηλαδή εφόσον περιστρέφεται µε τις ονοµαστικές στροφές, η επαγόµενη τάση (αρχικά λόγω παραµένοντος µαγνητισµού) επιβαλλόµενη στην αντίσταση διέγερσης δηµιουργεί ρεύµα διέγερσης το οποίο δηµιουργεί ολοένα αυξανόµενη τάση και αυτή στην συνέχεια ολοένα αυξανόµενο ρεύµα µέχρις ότου οι χαρακτηριστικές ευθείες διέγερσης και λειτουργίας χωρίς φορτίο τµηθούν στο σηµείο λειτουργίας. Η όλη διαδικασία φαίνεται στο Σχήµα 1.17 και πρέπει απαραίτητα η αντίσταση διέγερσης να είναι µικρότερη µιας κρίσιµης τιµής. Σχήµα 1.17 Αυτοδιέγερση γεννήτριας παράλληλης διέγερσης Η χαρακτηριστική υπό φορτίο µιάς γεννήτριας παράλληλης διέγερσης µοιάζει µε εκείνη της ξένης διέγερσης αλλά η πτώση τάσης µε το φορτίο είναι µεγαλύτερη εκείνης της ξένης διέγερσης λόγω µείωσης του ρεύµατος διέγερσης κατά την µείωση

9 ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 19 της τάσης µε αποτέλεσµα η διακύµανση τάσης να είναι µεγαλύτερη. Η σχετική χαρακτηριστική φαίνεται στο Σχήµα 1.18 Σχήµα 1.18 Χαρακτηριστική υπό φορτίο γεννήτριας παράλληλης διέγερσης Ισχύς, απώλειες και βαθµός απόδοσης γεννητριών συνεχούς ρεύµατος Η γεννήτρια παίρνει µηχανική ενέργεια από την κινητήρια µηχανή της και δίνει ηλεκτρική ενέργεια στις καταναλώσεις της. Η µετατροπή της ενέργειας δεν γίνεται χωρίς απώλειες. Η ονοµαστική ισχύς N της γεννήτριας είναι η αποδιδόµενη ηλεκτρική ισχύς που είναι Ν = UI (1.9) όπου U η πολική τάση της γεννήτριας Ι η ένταση που δίνει η γεννήτρια στο φορτίο Οι απώλειες της γεννήτριας εµφανίζονται πάντα µε την µορφή θερµότητας που προκαλεί ανύψωση της θερµοκρασίας της γεννήτριας µέχρις ότου η θερµότητα που αναπτύσσεται λόγω των απωλειών της εξισωθεί µε την θερµότητα που αποβάλλεται στον περιβάλλοντα χώρο. Συνήθως χωρίς υπερφόρτιση η θερµοκρασία λειτουργίας είναι αρκετά µικρότερη εκείνης την οποία αντέχουν οι µονώσεις της. Οι απώλειες µιας γεννήτριας είναι ηλεκτρικές, µηχανικές και µαγνητικές. Οι ηλεκτρικές απώλειες οφείλονται στην θερµότητα που παράγεται στα διάφορα κυκλώµατα της µηχανής όταν διαρρέονται από ηλεκτρικό ρεύµα και είναι P ηλ = R τ Ι τ 2 + R σ Ι σ 2 +R δ Ι δ 2 (1.10) Οι µαγνητικές απώλειες είναι απώλειες υστερήσεως και απώλειες δινορρευµάτων. Οι απώλειες υστερήσεως είναι ανάλογες των στροφών και της ροής των µαγνητικών πόλων ενώ οι απώλειες δινορρευµάτων είναι ανάλογες του τετραγώνου των στροφών και της ροής. Οι µαγνητικές απώλειες είναι σταθερές για σταθερές στροφές και σταθερή διέγερση.

10 ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 20 Οι µηχανικές απώλειες είναι απώλειες τριβής τόσο των µηχανικών τµηµάτων όσο και της αντίστασης του αέρα και είναι ανάλογες της ταχύτητας περιστροφής µόνο. Ο βαθµός απόδοσης της γεννήτριας είναι ο λόγος της ηλεκτρικής ισχύος που αποδίδει η γεννήτρια προς την µηχανική ισχύ που αποδίδει στην γεννήτρια η κινητήρια µηχανή της και είναι πάντα µικρότερος της µονάδας λόγω των απωλειών της γεννήτριας. Ο βαθµός απόδοσης δεν είναι σταθερός αλλά εξαρτάται από το φορτίο της. Αποδεικνύεται ότι µεγιστοποιείται όταν οι σταθερές απώλειες (κυκλώµατος παράλληλης διέγερσης, µαγνητικές και µηχανικές) εξισωθούν µε τις µεταβλητές απώλειες (όλες οι ηλεκτρικές εκτός του κυκλώµατος παράλληλης διέγερσης). Ο βαθµός απόδοσης µεταβάλλεται συναρτήσει του φορτίου όπως δείχνει η καµπύλη του Σχήµατος Σχήµα 1.19 Μεταβολή βαθµού απόδοσης γεννήτριας µε το φορτίο 1.3 Κινητήρες Συνεχούς Ρεύµατος Βασικές σχέσεις Σχήµα 1.20 Στοιχειώδης κινητήρας συνεχούς ρεύµατος Στο Σχήµα 1.20 φαίνεται ένας στοιχειώδης κινητήρας συνεχούς ρεύµατος µε τύλιγµα µιάς σπείρας. Οταν το τύλιγµά του τροφοδοτηθεί µε ρεύµα θα ασκηθούν δυνάµεις στους αγωγούς της σπείρας γιατί βρίσκονται µέσα στο µαγνητικό πεδίο των πόλων του κινητήρα. Το µέγεθος των δυνάµεων αυτών καθορίζεται από τον γνωστό Νόµο του Laplace (F = BlIsinα) και η κατεύθυνσή τους από τον κανόνα του αριστερού χεριού. Το sinα = 1 σε όλους τους κινητήρες γιατί οι µαγνητικές γραµµές είναι κάθετες στους αγωγούς. Κάθε δύναµη τείνει να περιστρέψει τον δροµέα δεξιόστροφα

11 ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 21 µε ροπή ίση µε το γινόµενο της δύναµης επί την απόσταση του αγωγού από το κέντρο του άξονα που είναι η ακτίνα του τυµπάνου. Ετσι Τ = Fr (1.11) Όπου Τ η ροπή που ασκείται στον άξονα από την δύναµη F κάθε αγωγού F η δύναµη σε κάθε αγωγό r η ακτίνα του τυµπάνου Ο παραπάνω τύπος γενικεύεται µετά από σχετική ανάλυση στον επόµενο Τ = kφι τ (1.12) Όπου k σταθερά εξαρτώµενη από τον κινητήρα Φ η µαγνητική ροή ανά πόλο Ι τ το ρεύµα τυµπάνου του κινητήρα Η παραπάνω σχέση δίνει τόσο την κινητήρια ροπή των κινητήρων συνεχούς ρεύµατος όσο και την αντιστεκόµενη ροπή των γεννητριών συνεχούς ρεύµατος αφού τα δύο φαινόµενα συνυπάρχουν στις µηχανές συνεχούς ρεύµατος. Η αντιηλεκτρεγερτική δύναµη αναπτύσσεται στο τύλιγµα τυµπάνου λόγω του ότι αυτό κινείται και βρίσκεται µέσα στο µαγνητικό πεδίο των πόλων, έχει κατεύθυνση που τείνει να αντιστέκεται στο αίτιο της κίνησης δηλαδή την τάση τροφοδοσίας και έτσι η τάση πρέπει σε κάθε στιγµή να εξισορροπεί την ΑΗΕ και την πτώση τάσης στο τύλιγµα του τυµπάνου και το όποιο τύλιγµα είναι σε σειρά µε το τύµπανο. Ετσι προκύπτει η σχέση U = E + R τ Ι τ (1.13) Η τιµή της Ε δεν µπορεί ποτέ να εξισωθεί µε την τάση τροφοδοσίας και όταν ο κινητήρας εργάζεται µε το πλήρες φορτίο, κυµαίνεται συνήθως µεταξύ 80 και 95% της τάσης τροφοδοσίας. Η τιµή της ΑΗΕ είναι ανάλογη τόσο των στροφών του κινητήρα όσο και της µαγνητικής ροής ανά πόλο. Ανάλογα µε τον τρόπο σύνδεσης του τυλίγµατος διέγερσης µε το τύλιγµα τυµπάνου οι κινητήρες διακρίνονται σε Κινητήρες ξένης διέγερσης (ξεχωριστή τροφοδοσία διέγερσης) Κινητήρες παράλληλης διέγερσης Κινητήρες διέγερσης σειράς Κινητήρες σύνθετης διέγερσης Οι κινητήρες ξένης διέγερσης έχουν σχεδόν ίδιες ιδιότητες µε εκείνους της παράλληλης διέγερσης και δεν θα εξετασθούν χωριστά Εκκίνηση Οταν εκκινεί ο κινητήρας η τάση τροφοδοσίας συνδέεται κανονικά στο κύκλωµα του τυµπάνου αλλά λόγω των µηδενικών στροφών η Ε = 0 οπότε το ρεύµα τυµπάνου θα

12 ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 22 είναι ιδιαίτερα σηµαντικό αφού η αντίσταση του τυµπάνου είναι πολύ µικρή. Συνεπώς κατά την εκκίνηση το ρεύµα τυµπάνου είναι πολύ µεγαλύτερο του ονοµαστικού ρεύµατος πχ 20πλάσιο. Ενα τόσο µεγάλο ρεύµα θα κατέστρεφε τον συλλέκτη και το τύλιγµα αν δεν προστατευόταν ο κινητήρας ή µε το δεδοµένο ότι ο κινητήρας πάντα προστατεύεται θα προκαλούσε τήξη των ασφαλειών προστασίας. Το µέγεθος του ρεύµατος εκκίνησης προκύπτει από την σχέση (1.13) αν λυθεί ως προς το ρεύµα µε Ε = 0. Η λύση στο πρόβληµα είναι η πρόσθεση κατά την εκκίνηση µιας πρόσθετης αντίστασης σε σειρά µε το τύµπανο για να περιορίζει το ρεύµα µέχρις ότου ο κινητήρας να αποκτήσει αρκετές στροφές ώστε να αναπτυχθεί η ΑΕΗ. Η αντίσταση αυτή λέγεται εκκινητής, συνήθως είναι κλιµακωτή και αφαιρείται σταδιακά ώστε και το ρεύµα να διατηρείται σε ικανοποιητικά υψηλές αλλά ακίνδυνες τιµές που θα εξασφαλίσουν µια ασφαλή αλλά και γρήγορη εκκίνηση. Στα σύγχρονα κινητήρια συστήµατα µε ηλεκτρονικά ισχύος η εκκίνηση γίνεται µέσω ελεγχόµενης τάσης εξόδου ανορθωτών ή κατατµητών Η λειτουργία και οι στροφές του κινηήρα Η ηλεκτρική ισχύς που απορροφά ένας κινητήρας από το δίκτυο εξαρτάται από το µηχανικό φορτίο του κινητήρα και µεταβάλλεται αυτόµατα ανάλογα προς αυτό. Αυτό σηµαίνει ότι όταν το φορτίο του κινητήρα µεγαλώνει, µεγαλώνει και η ηλεκτρική ισχύς που απορροφά ο κινητήρας και ανάλογα όταν µειώνεται το φορτίο του κινητήρα. Στη συνέχεια για να γίνει αντιληπτός ο τρόπος λειτουργίας περιγράφεται µια τυπική διαδικασία κοπής σε τόρνο. Ο κινητήρας λειτουργεί µε σταθερή τάση τροφοδοσίας και σταθερή ένταση διέγερσης οπότε είναι σταθερή και η µαγνητική ροή. Για ένα συγκεκριµένο βάθος κοπής ο κινητήρας απορροφά ένα ορισµένο ρεύµα τυµπάνου. Αν αυξηθεί το βάθος κοπής θα αυξηθεί το µηχανικό φορτίο και προς στιγµήν η κινητήρια ροπή που οφείλεται στο ρεύµα τυµπάνου θα γίνει µικρότερη από εκείνη του φορτίου µε αποτέλεσµα να µειωθούν οι στροφές. Οταν µειωθούν οι στροφές θα µειωθεί η ΑΗΕ και εποµένως θα αυξηθεί το ρεύµα τυµπάνου µε αποτέλεσµα αύξηση της αναπτυσσόµενης ροπής και εξισορρόπηση των ροπών οπότε θα σταθεροποιηθούν οι στροφές στην απαραίτητη για την κοπή τιµή. ηλαδή ο κινητήρας διαθέτει έναν αυτόµατο µηχανισµό προσαρµογής στις απαιτήσεις του φορτίου εφόσον βέβαια αυτό βρίσκεται µέσα στα όρια των δυνατοτήτων του κινητήρα. Από την βασική εξίσωση του κινηήρα και την εξίσωση της ΗΕ προκύπτει η παρακάτω σχέση που δίνει τις στροφές του κινητήρα συναρτήσει βασικών µεγεθών του κινητήρα U Iτ Rτ n = (1.14) kφ Από την µελέτη της παραπάνω σχέσης προκύπτει ότι

13 ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 23 α) Αν η τάση τροφοδοσίας είναι σταθερή και µειωθεί η ένταση διεγέρσεως, θα µειωθεί η ροή Φ και θα αυξηθεί η ταχύτητα του κινητήρα. Επειδή οι στροφές δεν πρέπει να ξεπεράσουν ένα ανώτατο όριο, υπάρχει κίνδυνος καταστροφής του κινητήρα λόγω φυγόκεντρων δυνάµεων σε περίπτωση αποσύνδεσης του τυλίγµατος διέγερσης β) Αν η ένταση διέγερσης είναι σταθερή, η αύξηση της τάσης τροφοδοσίας θα προκαλέσει αύξηση των στροφών και η µείωσή της µείωση των στροφών. Η τάση τροφοδοσίας δεν µπορεί να αυξηθεί πέρα από ένα όριο λόγω κινδύνου καταστροφής της µόνωσης των αγωγών. γ) Αν η τάση τροφοδοσίας και η ένταση διέγερσης παραµείνουν σταθερές, τότε η αύξηση της έντασης τυµπάνου λόγω αύξησης του φορτίου θα προκαλέσει µικρή µείωση των στροφών και αντίστροφα. Από τα παραπάνω συνάγεται το πρακτικό συµπέρασµα ότι µείωση των στροφών επιτυγχάνεται µε µείωση της τάσης τροφοδοσίας και αύξηση των στροφών µε µείωση του ρεύµατος διέγερσης Κινητήρες παράλληλης διέγερσης Το τύλιγµα διέγερσης συνδέεται παράλληλα µε το τύλιγµα τυµπάνου. Για την αλλαγή φοράς περιστροφής αρκεί µόνο η εναλλαγή της φοράς του ρεύµατος στο τύλιγµα του τυµπάνου (και της πολικότητας των βοηθητικών πόλων αν υπάρχουν) ή µόνο η αλλαγή της πολικότητας των µαγνητικών πόλων µε προτιµότερη την πρώτη µέθοδο λόγω των κινδύνων διακοπής του κυκλώµατος διέγερσης. Σχήµα 1.21 Ισοδύναµο κύκλωµα κινητήρα παράλληλης διέγερσης Το ισοδύναµο κύκλωµα του κινητήρα παράλληλης διέγερσης φαίνεται στο Σχήµα 1.21 και οι σχέσεις που το διέπουν είναι U = E + R τ Ι τ (1.15) Ι = Ι τ + Ι δ (1.16) U = U δ (1.17) Οι χαρακτηριστικές καµπύλες των κινητήρων είναι δύο. Η µία δείχνει πως µεταβάλλεται η ροπή όταν µεταβάλλεται το ρεύµα τυµπάνου και λέγεται χαρακτηριστική ροπής και η δεύτερη λέγεται χαρακτηριστική στροφών και δείχνει πως µεταβάλλονται οι στροφές του όταν µεταβάλλεται το ρεύµα τυµπάνου. Και στις δύο περιπτώσεις η τάση τροφοδοσίας θεωρείται σταθερή. Ενδεικτικές µορφές των δύο χαρακτηριστικών φαίνονται στο Σχήµα 1.22.

14 ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 24 Σχήµα 1.22 Χαρακτηριστικές κινητήρα παράλληλης διέγερσης. Από τις χαρακτηριστικές φαίνεται, αλλά και µπορεί να αποδειχθεί µε τους σχετικούς τύπους, ότι η διακύµανση των στροφών είναι µικρή και γι αυτό τον λόγο ο κινητήρας παράλληλης διέγερσης θεωρείται κινητήρας σταθερών στροφών. Από την δεύτερη χαρακτηριστική φαίνεται ότι η αναπτυσσόµενη ροπή είναι ανάλογη του ρεύµατος τυµπάνου, πράγµα που αναµένεται από τον σχτικό τύπο της ροπής για σταθερή διέγερση. Το ότι ο κινητήρας παράλληλης διέγερσης παρουσιάζει µικρή διακύµανση των στροφών δεν σηµαίνει ότι δεν είναι δυνατό µε κατάλληλα µέσα να µεταβληθούν οι στροφές του σε αρκετά µεγάλα όρια. Από την σχέση των στροφών (1.14) φαίνεται ότι µεταβολή των στροφών µπορεί να επιτευχθεί είτε µε µεταβολή του ρεύµατος διέγερσης είτε µε µεταβολή της τάσης τροφοδοσίας του τυµπάνου. Ενα τυπικό κύκλωµα µε την χρήση ρυθµιστικής αντίστασης διέγερσης και η αντίστοιχη µεταβολή της χαρακτηριστικής στροφών φαίνονται στο Σχήµα Σχήµα 1.23 Ρύθµιση στροφών κινητήρα συνεχούς ρεύµατος µε µεταβολή του ρεύµατος διέγερσης Η µέθοδος ενδείκνυται για αύξηση των στροφών µέχρι περίπου το 150% της ονοµαστικής ταχύτητας και πρέπει να ληφθεί πρόνοια να µην διακοπεί το κύκλωµα διέγερσης λόγω του κινδύνου καταστροφής του κινητήρα από υπερβολή φυγόκεντρο δύναµη σε πολύ υψηλές στροφές.

15 ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 25 Ενα τυπικό κύκλωµα ρύθµισης στροφών µε µεταβολή της τάσης τροφοδοσίας φαίνεται στο Σχήµα 1.24 µαζί µε τις σχετικές χαρακτηριστικές στροφών. Σχήµα 1.24 Ρύθµιση στροφών κινητήρα συνεχούς ρεύµατος µε µεταβολή της τάσης τροφοδοσίας Η µέθοδος ενδείκνυται για µείωση των στροφών από τις ονοµαστικές και στις σύγχρονες διατάξεις αυτό γίνεται µε ηλεκτρονικό ρυθµιστή τάσης (ανορθωτή ή κατατµητή) που δεν έχει τα µειονεκτήµατα των υψηλών απωλειών στην πρόσθετη αντίσταση τυµπάνου Κινητήρες συνεχούς ρεύµατος µε διέγερση σειράς Στους κινητήρες αυτούς το τύλιγµα διέγερσης συνδέεται σε σειρά µε το τύλιγµα του τυµπάνου και εποµένως διαρρέται από το ίδιο ρεύµα. Για την αλλαγή φοράς περιστροφής αλλάζει η φορά του ρεύµατος στο τύλιγµα τυµπάνου (και βοηθητικών πόλων) χωρίς να αλλάξει η φορά στο τύλιγµα διέγερσης. Το ισοδύναµο κύκλωµα κινητήρα µε διέγερση σειράς φαίνεται στο Σχήµα 1.25 ενώ οι βασικές σχέσεις είναι U = E + I τ (R τ +R σ ) (1.18) Ι τ = Ι σ (1.19) Σχήµα 1.25 Το ισοδύναµο κύκλωµα κινητήρα µε διέγερση σειράς Επειδή το ρεύµα διέγερσης είναι ίδιο µε το ρεύµα τυµπάνου η αναπτυσσόµενη ροπή του κινητήρα θα είναι ανάλογη του τετραγώνου του ρεύµατος τυµπάνου αν και πρακτικά λόγω του κορεσµού σε µεγάλα ρεύµατα διέγερσης η αναπτυσσόµενη ροπή

16 ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 26 είναι µικρότερη εκείνης που αντιστοιχεί στο τετράγωνο του ρεύµατος. Ετσι στην εκκίνηση σε σύγκριση µε τον κινητήρα παράλληλης διέγερσης απορροφάται µικρότερο ρεύµα για την εκκίνηση φορτίου της ίδιας ροπής. Η χαρακτηριστική στροφών, λόγω της αναλογίας ροής Φ και ρεύµατος τυµπάνου, αφού το ρεύµα διέγερσης είναι ίσο µε το ρεύµα διέγερσης, παρουσιάζει τελείως διαφορετική µορφή που φαίνεται στις χαρακτηριστικές του Σχήµατος Ετσι χωρίς φορτίο οι στροφές αυξάνονται υπερβολικά µε κίνδυνο καταστροφής του κινητήρα. Για τον λόγο αυτό οι κινητήρες αυτοί επιβάλλεται να συνδέονται µόνιµα µε το φορτίο τους και ποτέ µέσω ιµάντων. Από την χαρακτηριστική των στροφών φαίνεται ότι η διακύµανση των στροφών είναι πολύ µεγάλη και οι κινητήρες είναι ιδιαίτερα κατάλληλοι για ανυψώσεις φορτίων και στην ηλεκτρική έλξη (τρένα και τρόλεϋ) όπου χρειάζεται υψηλή ροπή εκκίνησης σε χαµηλές στροφές. Σχήµα 1.26 Χαρακτηριστικές στροφών και ροπής κινητήρα διέγερσης σειράς Ισχύς, απώλειες και βαθµός απόδοσης κινητήρων συνεχούς ρεύµατος Ο κινητήρας απορροφά ηλεκτρική ενέργεια από το δίκτυο και αποδίδει µηχανική ενέργεια στο µηχάνηµα που κινεί. Η αποδιδόµενη ισχύς είναι πάντα µικρότερη από την απορροφούµενη λόγω των απωλειών που είναι αυτές που αναφέρθηκαν και στην γεννήτρια συνεχούς ρεύµατος. Σε αντίθεση µε την γεννήτρια η ονοµαστική ισχύς δεν είναι ίση µε το γινόµενο της ονοµαστικής τάσης επί το ονοµαστικό ρεύµα, αλλά είναι πάντα µικρότερη διότι το γινόµενο των δύο ηλεκτρικών µεγεθών δίνει την ηλεκτρική απορροφούµενη ισχύ που είναι ίση µε το άθροισµα της αποδιδόµενης µηχανικής ισχύος και των πάσης φύσεως απωλειών. Η ισχύς, η τάση, η ένταση και οι στροφές που αναφέρονται στην πινακίδα του κινητήρα αποτελούν τα ονοµαστικά µεγέθη του κινητήρα. Ονοµαστική τάση είναι η τάση του δικτύου στο οποίο µπορεί να συνδεθεί ο κινητήρας.

17 ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 27 Ονοµαστική ένταση είναι η ένταση που απορροφά ο κινητήρας όταν έχει συνδεθεί σε δίκτυο της ονοµαστικής τάσης και αποδίδει την ονοµαστική ισχύ στον άξονά του. Ονοµαστική ισχύς είναι η µεγαλύτερη ισχύς που µπορεί να δίνει συνεχώς ο κινητήρας όταν εργάζεται στην ονοµαστική του τάση χωρίς να υπάρχει κίνδυνος καταστροφής των µονώσεών του από υπερφόρτιση. Ονοµαστική ταχύτητα περιστροφής του κινητήρα είναι οι στροφές µε τις οποίες στρέφεται ο κινητήρας όταν εργάζεται µε την ονοµαστική του τάση και αποδίδει την ονοµαστική του ισχύ. Ο βαθµός απόδοσης του κινητήρα είναι πάντα µικρότερος της µονάδας, δεν είναι σταθερός, εξαρτάται από το φορτίο και µειώνεται απότοµα όταν µειωθεί σηµαντικά το φορτίο του κινητήρα. Στο Σχήµα 1.27 φαίνεται η µεταβολή του βαθµού απόδοσης σε κινητήρα παράλληλης διέγερσης συναρτήσει της αποδιδόµενης ισχύος. Σχήµα 1.27 Μεταβολή βαθµού απόδοσης κινητήρα παράλληλης διέγερσης