ΗΜΥ 340 Μηχανική Ηλεκτρικής Ισχύος Ασύγχρονοι κινητήρες

Transcript

1 ΗΜΥ 340 Μηχανική Ηλεκτρικής Ισχύος Ασύγχρονοι κινητήρες Δρ. Ηλίας Κυριακίδης Αναπληρωτής Καθηγητής ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ 2007 Ηλίας Κυριακίδης, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών, Πανεπιστήμιο Κύπρου

2 ΤΑ ΘΕΜΑΤΑ ΜΑΣ ΣΗΜΕΡΑ Εισαγωγή στους ασύγχρονους κινητήρες (induction motors) Κατασκευαστικά χαρακτηριστικά Λειτουργία

3 Μηχανές ac Μηχανές Γεννήτριες Κινητήρες Μηχανές ac Ac machines Σύγχρονες μηχανές Synchronous machines Επαγωγικές μηχανές Induction machines

4 ΑΣΥΓΧΡΟΝΕΣ (ΕΠΑΓΩΓΙΚΕΣ) ΜΗΧΑΝΕΣ INDUCTION MACHINES Παρόμοια κατασκευαστικά χαρακτηριστικά και λειτουργία με τις σύγχρονες μηχανές. Κύρια διαφορά: Δεν έχουν σταθερή ένταση πεδίου (dc field current) στο δρομέα. Η ένταση στο δρομέα δημιουργείται εξ επαγωγής από τον στάτη. Επαγωγική μηχανή Γεννήτρια - Η σύγχρονη γεννήτρια υπερτερεί της επαγωγικής γεννήτριας γι αυτό και δεν χρησιμοποιείται σε πολλές εφαρμογές. - Χρησιμοποιείται όμως στις ανεμογεννήτριες. Κινητήρας - Είναι το βασικότερο είδος κινητήρα - ~2/3 όλων των κινητήρων που χρησιμοποιούνται είναι επαγωγικοί κινητήρες

5 ΑΣΥΓΧΡΟΝΟΙ (ΕΠΑΓΩΓΙΚΟΙ) ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ INDUCTION MOTORS Κατασκευαστικά χαρακτηριστικά Ίδιος στάτης με τον σύγχρονο κινητήρα Διαφορετικός δρομέας Στάτης μονοφασικής ασύγχρονης μηχανής [2]

6 Είδη δρομέων Η κατασκευή του δρομέα είναι αυτή που κάνει τις επαγωγικές μηχανές να είναι διαφορετικές από τις σύγχρονες μηχανές. (α) Δρομέας κλωβού (squirrel cage rotor) (β) Δρομέας με δακτύλιους (wound rotor)

7 Δρομέας κλωβού (squirrel cage rotor) Αποτελείται από αγώγιμες ράβδους μέσα στις αυλακώσεις του δρομέα. Οι ράβδοι είναι βραχυκυκλωμένες μεταξύ τους σε κάθε άκρη με δύο δακτύλιους. Αγώγιμες ράβδοι (rotor bars (slightly skewed)) Σχ. 2. Δρομέας κλωβού (squirrel cage rotor) [2] Δακτύλιος (end ring)

8 Δρομέας κλωβού (squirrel cage rotor) (συν.) Δρομέας κλωβού (squirrel cage rotor) [2]

9 Δρομέας με δακτυλίους (wound rotor) Έχει τρεις περιελίξεις όμοιες με τις περιελίξεις στο στάτη (για τον τριφασικό κινητήρα). Οι τρεις φάσεις ενώνονται σε αστέρα. Τα τρία άκρα των φάσεων συνδέονται με δακτύλιους. Πάνω στους δακτύλιους εφάπτονται ψήκτρες (brushes) για να έχουμε πρόσβαση στις εντάσεις του δρομέα. Χρησιμοποιείται λιγότερο συχνά από τον δρομέα κλωβού, λόγω της κατασκευής του (πιο ακριβός και χρειάζεται περισσότερη συντήρηση λόγω των ψηκτρών). Η ανάλυση της λειτουργίας των δύο δρομέων είναι η ίδια.

10 Δρομέας με δακτυλίους (wound rotor) (συν.) Δακτύλιοι (slip rings) Ψήκτρες (brushes)

11 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ Αν δυο ή περισσότερα πηνία τοποθετηθούν σε κατάλληλες θέσεις στο χώρο και τροφοδοτηθούν με εναλλασσόμενη ένταση καθορισμένης διαφοράς φάσης, τότε θα δημιουργηθεί ένα στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο. Στο στάτη εφαρμόζουμε τριφασική συμμετρική εναλλασσόμενη τάση που δημιουργεί συμμετρικές εντάσεις στο στάτη. Αυτές οι εντάσεις δημιουργούν ένα στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο στο στάτη. Το στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο επάγει τάσεις στις περιελίξεις του δρομέα. Οι περιελίξεις του δρομέα είναι βραχυκυκλωμένες μεταξύ τους και επομένως ρέουν διαμέσου τους συμμετρικές εντάσεις (αρκετά μεγάλες λόγω της μικρής αντίστασης των περιελίξεων στο δρομέα).

12 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ Οι εντάσεις του δρομέα δημιουργούν ένα στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο στο δρομέα. Η αλληλεπίδραση αυτών των δυο στρεφόμενων μαγνητικών πεδίων δημιουργεί μια ηλεκτρομαγνητική ροπή. Ο δρομέας προσπαθεί να φτάσει την ταχύτητα περιστροφής του μαγνητικού πεδίου στο στάτη (αφού η τάση που επάγεται στο δρομέα είναι λόγω της έντασης στο στάτη). Σημείωση: Αν η ταχύτητα περιστροφής του δρομέα είναι η ίδια με την ταχύτητα περιστροφής του μαγνητικού πεδίου στο στάτη, τότε δεν θα έχουμε επαγωγή τάσης στο δρομέα (η περιστροφή του δρομέα οφείλεται στη μεταβολή της σύζευξης ροής (flux linkage) στο δρομέα).

13 Ταχύτητα Η ταχύτητα του δρομέα στη λειτουργία ως κινητήρας είναι μικρότερη της ταχύτητας περιστροφής του μαγνητικού πεδίου του στάτη (σύγχρονη ταχύτητα). 120 f n s p n s : ταχύτητα στάτη (stator speed) (synchronous speed) (rpm) f: ηλεκτρική συχνότητα (Hz) p: αριθμός πόλων n r : ταχύτητα δρομέα (rotor speed) (rpm)

14 Ταχύτητα και ολίσθηση Ορίζουμε την ταχύτητα ολίσθησης (slip speed) ως: n slip n s n r Η σχετική διαφορά στην ταχύτητα αντιπροσωπεύεται από την ολίσθηση (slip) s: s n s n n Ή σε σχέση με τη γωνιακή ταχύτητα (rad/s): s s s r ωs ω ω r (1) (2)

15 Ολίσθηση Αφού s ω ω ω s r, s Αν ω r = ω s => s = 0 Αν ω r = 0 => s = 1 (κλειδωμένος δρομέας, locked rotor) (αφού δεν μπορεί να κινηθεί) Η ολίσθηση s κυμαίνεται μεταξύ 0 και 1 (συνήθως μεταξύ 0.01 και 0.05).

16 Ταχύτητα και ολίσθηση Από τις (1) και (2), n ( 1 s) και ωr (1 s) ωs r n s Συχνότητα των εντάσεων στο δρομέα: f r = sf Ηλεκτρική συχνότητα

17 Παράδειγμα 1 Ένας τριφασικός επαγωγικός κινητήρας 10 hp, 208 V, 50 Hz, με 4 πόλους, ενωμένος σε αστέρα, παρέχει σε ένα φορτίο ονομαστική τιμή ισχύος με ολίσθηση 5%. Βρείτε τα ακόλουθα: (α) Σύγχρονη ταχύτητα (β) Ταχύτητα του δρομέα σε rpm στην ονομαστική τιμή του φορτίου και την ταχύτητα ολίσθησης (slip speed) (γ) Συχνότητα του δρομέα στην ονομαστική τιμή του φορτίου (δ) Ταχύτητα του στρεφόμενου μαγνητικού πεδίου του στάτη.

18 Παράδειγμα 2 Ένας τριφασικός επαγωγικός κινητήρας 25 hp, 440 V, 60 Hz, με 4 πόλους, έχει τις ακόλουθες εμπεδήσεις ανά φάση: R 1 = 0.5 Ω R 2 = 0.35 Ω Χ 1 = 1.2 Ω Χ 2 = 1.2 Ω Χ m = 25 Ω Οι απώλειες περιστροφής (rotational losses) (μηχανικές απώλειες και απώλειες πυρήνα) είναι 1250 W και παραμένουν σταθερές. Βρείτε τα ακόλουθα όταν ο κινητήρας έχει ολίσθηση 2.5% σε ονομαστική τιμή τάσης και συχνότητας: (α) Ταχύτητα κινητήρα (β) Ένταση στάτη (γ) Συντελεστή ισχύος (δ) Αποδοτικότητα κινητήρα

19 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗ ΡΟΠΗΣ/ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ n r slip = 1 s = 0 slip

20 Επίδραση αντίστασης δρομέα στη χαρακτηριστική ροπής ταχύτητας