5. ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΙ ΚΑΙ ΑΛΛΟΙ ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ

Transcript

1 73 5. ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΙ ΚΑΙ ΑΛΛΟΙ ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ Στην συνέχεια εξετάζονται οι µονοφασικοί επαγωγικοί κινητήρες αλλά και ορισµένοι άλλοι όπως οι τριφασικοί σύγχρονοι κινητήρες που υπάρχουν σε µικρό ποσοστό σε βιοµηχανικές χρήσεις. 5.1 Ασύγχρονοι µονοφασικοί κινητήρες Αν σε ασύγχρονο τριφασικό κινητήρα που λειτουργεί χωρίς φορτίο διακοπεί ένας από τους τρείς αγωγούς τροφοδοσίας ο κινητήρας εξακολουθεί να περιστρέφεται. Αν όµως σταµατήσει και προσπαθήσουµε να τον ξεκινήσουµε πάλι δεν ξεκινά µόνος του. Αν µε κάποιο µέσο του δοθεί µια αρχική περιστροφική ώθηση προς την µία ή την άλλη κατεύθυνση ξεκινά αλλά δεν µπορεί να αποδώσει την ίδια ροπή και ισχύ που έδινε πριν τη διακοπή. Σχήµα 5.1 ιακοπή φάσης σε τριφασικό ασύγχρονο κινητήρα Στο Σχήµα 5.1 φαίνεται ότι η διακοπή µιάς φάσης τροφοδοσίας σε έναν τριφασικό κινητήρα οδηγεί σε δηµιουργία ενός µονοφασικού τυλίγµατος. Η αδυναµία εκκίνησης οφείλεται στο ότι ένα µονοφασικό τύλιγµα που τροφοδοτείται από µονοφασικό ρεύµα δεν δηµιουργεί στρεφόµενο µαγνητικό πεδίο. Το πρόβληµα λύνεται µε την χρησιµοποίηση ενός δεύτερου τυλίγµατος που λέγεται βοηθητικό για να διακρίνεται από το κύριο, το οποίο είναι µετατοπισµένο κατά 90 µοίρες ως προς το κύριο και ταυτόχρονα τα ρεύµατα των δύο τυλιγµάτων πρέπει να έχουν φασική διαφορά που επιτυγχάνεται µε δύο βασικά τρόπους που δηµιουργούν και τα δύο βασικά είδη µονοφασικών ασύγχρονων κινητήρων που είναι οι κινητήρες αντίστασης και οι κινητήρες πυκνωτή. Μονοφασικοί κινητήρες αντίστασης Το βοηθητικό τύλιγµα έχει µεγάλη αντίσταση, δηλαδή έχει πολλές σπείρες λεπτού σύρµατος και συνδεσµολογείται όπως φαίνεται στο Σχήµα 5.2. Ο διακόπτης δ είναι φυγοκεντρικός στερεωµένος στον άξονα του δροµέα και ανοίγει αποσυνδέοντας το βοηθητικό τύλιγµα όταν ο κινητήρας αποκτήσει στροφές µεγαλύτερες από το 80% των ονοµαστικών. Για την αλλαγή φοράς περιστροφής πρέπει να αντιµετατεθούν οι συνδέσεις των δύο άκρων του βοηθητικού τυλίγµατος µε το κύριο τύλιγµα

2 74 Σχήµα 5.2 Τυλίγµατα στάτη µονοφασικού κινητήρα αντίστασης Μονοφασικοί κινητήρες πυκνωτή Το βοηθητικό τύλιγµα έχει σε σειρά συνδεδεµένο πυκνωτή που συντελεί ώστε το ρεύµα του βοηθητικού τυλίγµατος να προηγείται της τάσης ενώ στο κύριο τύλιγµα να ακολουθεί την τάση µε αποτέλεσµα την δηµιουργία της απαραίτητης διαφοράς φάσης για την δηµιουργία του στρεφόµενου πεδίου. Οι κινητήρες πυκνωτή χρησιµοποιούνται για µεγαλύτερη ισχύ από τους κινητήρες αντίστασης (µέχρι 1.5 KW). Στους κινητήρες πυκνωτή η ροπή εκκίνησης εξαρτάται από την χωρητικότητα του πυκνωτή για ορισµένη τάση τροφοδοσίας και η αύξηση της χωρητικότητας αυξάνει την ροπή εκκίνησης. Οταν χρειάζεται ροπή εκκίνησης 50 ως 70% της ονοµαστικής ροπής, ο πυκνωτής και το βοηθητικό τύλιγµα µπορούν να µείνουν συνδεδεµένα και στην κανονική λειτουργία, αλλά όταν χρειάζεται µεγάλη (2-2.5 φορές) ροπή εκκίνησης χρησιµοποιείται και δεύτερος πυκνωτής που λέγεται πυκνωτής εκκίνησης και αποσυνδέεται µετά την εκκίνηση. Στο Σχήµα 5.3 φαίνονται διάφορες διατάξεις µονοφασικών κινητήρων µε πυκνωτές. Οι χρησιµοποιούµενοι πυκνωτές πρέπει να είναι πυκνωτές χάρτου για την περίπτωση που ο φυγοκεντρικός διακόπτης αστοχήσει. Σχήµα 5.3 Μονοφασικοί κινητήρες µε πυκνωτές

3 75 Κινητήρες µε βραχυκυκλωµένες σπείρες στάτη Πρόκειται για πολύ µικρής ισχύος κινητήρες µε την µορφή του Σχήµατος 5.4 στους οποίους οι βραχυκυκλωµένες σπείρες παίζουν τον ρόλο βοηθητικού τυλίγµατος. Ο βαθµός απόδοσης είναι πολύ µικρός (10%) και χρησιµοποιούνται σε συσκευές όπου ο βαθµός απόδοσης δεν έχει σηµασία. Σχήµα 5.4 Κινητήρας µε βραχυκυκλωµένες σπείρες στάτη Τριφασικοί κινητήρες σε µονοφασική λειτουργία Μικροί τριφασικοί κινητήρες µπορούν να λειτουργήσουν σαν µονοφασικοί αλλά για να εκκινούν µόνοι τους πρέπει να αποκτήσουν πυκνωτή που συνδέεται όπως φαίνεται στο Σχήµα 5.5 Σχήµα 5.5 Τριφασικός κινητήρας αστέρα σε µονοφασική λειτουργία Με κατάλληλη εκλογή του πυκνωτή η ροπή εκκίνησης φθάνει στο 40-50% της ονοµαστικής ροπής του τριφασικού κινητήρα. Αυτό επιτυγχάνεται µε πυκνωτή χωρητικότητας περίπου 70µF ανά KW ισχύος κινητήρα και µε τάση δικτύου 220V. Για τάση δικτύου 380V η αντίστοιχη χωρητικότητα του πυκνωτή είναι περίπου 20µF ανά KW. Η ισχύς του κινητήρα σε µονοφασική ζεύξη είναι περίπου το 80% της ονοµαστικής ισχύος του τριφασικού κινητήρα. Η περίπτωση της χρησιµοποίησης τριφασικών κινητήρων ως µονοφασικών εµφανίζεται στην περίπτωση έλλειψης τριφασικού δικτύου.

4 Σύγχρονοι κινητήρες Οι σύγχρονοι κινητήρες είναι µηχανές όµοιες µε τους εναλλακτήρες. Αν ένας εναλλακτήρας τροφοδοτηθεί µε ηλεκτρική ενέργεια από το δίκτυο, δίνει µηχανική ενέργεια στον άξονά του, δηλαδή γίνεται σύγχρονος κινητήρας. Για την εκκίνηση όµως του σύγχρονου κινητήρα πρέπει να ληφθεί ιδιαίτερη µέριµνα διότι δεν µπορεί να ξεκινήσει µόνος του. Η περιγραφή της κατασκευής των εναλλακτήρων ισχύει και για τους σύγχρονους κινητήρες. Αρχή λειτουργίας Η αρχή λειτουργίας του σύγχρονου κινητήρα φαίνεται στο Σχήµα 5.6. Στο σχήµα δεν έχει σχεδιασθεί το τύλιγµα του στάτη, θεωρείται όµως ότι αυτό τροφοδοτείται µε τριφασικό ρεύµα και συνεπώς δηµιουργεί διπολικό µαγνητικό πεδίο που περιστρέφεται µε σταθερή ταχύτητα (σύγχρονη ταχύτητα). Στον δροµέα του σύγχρονου κινητήρα υπάρχει το τύλιγµα διέγερσης που τροφοδοτείται µε συνεχές ρεύµα και δηµιουργεί διπολικό µαγνητικό πεδίο το οποίο περιστρέφεται λόγω περιστροφής του δροµέα. Οι περιστρεφόµενοι πόλοι του µαγνητικού πεδίου του στάτη και οι ετερώνυµοι πόλοι του περιστρεφόµενου µαγνητικού πεδίου του δροµέα έλκονται και έτσι ο δροµέας παρασύρεται να κινείται µε την ταχύτητα του στρεφόµενου πεδίου του στάτη Σχήµα 5.6 Αρχή λειτουργίας σύγχρονου κινητήρα. Οταν το φορτίο του κινητήρα είναι µηδενικό τότε οι άξονες των δύο στρεφόµενων πεδίων συµπίπτουν δηλαδή η γωνία α στο Σχήµα 5.6 είναι µηδενική πράγµα που δεν συµβαίνει ακριβώς αφού πρέπει να τροφοδοτηθούν οι µηχανικές και µαγνητικές απώλειες του κινητήρα. Η παραπάνω γωνία αυξάνει όταν αυξάνει το φορτίο αλλά δεν µπορεί να ξεπεράσει το µισό της γωνιακής απόστασης µεταξύ δύο διαδοχικών µαγνητικών πόλων. Αν το φορτίο αυξηθεί υπερβολικά ο δροµέας απαγκιστρώνεται από το πεδίο του στάτη και σταµατά απότοµα. Από τα παραπάνω είναι φανερό ότι οι σύγχρονοι κινητήρες µπορούν να λειτουργήσουν µόνο µε µιά ορισµένη ταχύτητα, πράγµα που εξηγεί και το ότι ο σύγχρονος κινητήρας δεν ξεκινά µόνος του.

5 77 Εκκίνηση σύγχρονων κινητήρων Υπάρχουν διάφοροι τρόποι εκκίνησης ενός σύγχρονου κινητήρα που είναι α) η εκκίνηση µε βοηθητικό κινητήρα που φέρνει τον κινητήρα κοντά στις σύγχρονες στροφές και στην συνέχεια τροφοδοτείται η διέγερση µε συνεχές ρεύµα. Ο κινητήρας που τώρα συµπεριφέρεται σαν εναλλακτήρας πρέπει να συγχρονισθεί µε το δίκτυο και στην συνέχεια διακόπτεται η τροφοδότηση του βοηθητικού κινητήρα ή αποσυνέεται ο άξονάς του από τον σύγχρονο κινητήρα. β) η εκκίνηση µε ενσωµατωµένο στον δροµέα τύλιγµα κλωβού οπότε ο κινητήρας εκκινεί ως ασύγχρονος, φθάνει κοντά στις σύγχρονες στροφές και στην συνέχεια τροφοδοτείται η διέγερση µε ρεύµα και ο δροµέας συγχρονίζεται στο πεδίο του στάτη. Η εκκίνηση αυτή µπορεί να γίνει και υπό φορτίο. Λειτουργία στο κενό και υπό φορτίο Οταν ο κινητήρας λειτουργεί στο κενό, δηλαδή χωρίς φορτίο στον άξονά του, το ρεύµα Ι που απορροφά από το δίκτυο εξαρτάται από το ρεύµα Ι δ της διέγερσής του. Η καµπύλη 1 στο Σχήµα 5.7 δείχνει πώς µεταβάλλεται η ένταση φόρτισης συναρτήσει του ρεύµατος διέγερσης και έχει σχήµα V. Για µια ορισµένη τιµή του ρεύµατος διέγερσης το ρεύµα φορτίου ελαχιστοποιείται, το ρεύµα αυτό αντιστοιχεί στην κανονική διέγερση και ο σύγχρονος κινητήρας φορτίζει το δίκτυο ωµικά, δηλαδή ρεύµα και τάση στον στάτη είναι σε φάση ή ο συντελεστής ισχύος του κινητήρα γίνεται µονάδα. Για κάθε άλλη τιµή του ρεύµατος διέγερσης το ρεύµα φορτίου µεγαλώνει και το συνφ γίνεται µικρότερο της µονάδας και µάλιστα τόσο µικρότερο όσο το ρεύµα φορτίου αυξάνει. Οταν το ρεύµα διέγερσης είναι µικρότερο του κανονικού ο κινητήρας υποδιεγείρεται και όταν είναι µεγαλύτερο υπερδιεγείρεται. Σχήµα 5.7 Καµπύλες V σύγχρονου κινητήρα Υπάρχουν διάφορες καµπύλες V ανάλογα µε το φορτίο του κινητήρα, κάθε µιά παρουσιάζει ένα ελάχιστο και τα ελάχιστα αντιστοιχούν σε ωµική φόρτιση του κινητήρα. Αν τα ελάχιστα συνδεθούν µε µιά καµπύλη, η περιοχή δεξιά της καµπύλης αυτής αντιστοιχεί σε υπερδιέγερση και χωρητικό συντελεστή ισχύος και η περιοχή αριστερά της καµπύλης αντιστοιχεί σε υποδιέγερση και επαγωγικό συντελεστή ισχύος.

6 78 Χρήσεις σύγχρονων κινητήρων Οι σύγχρονοι κινητήρες είναι ακριβοί σε σχέση µε τους ασύγχρονους αλλά έχουν ορισµένα πλεονεκτήµατα σε µερικές περιπτώσεις. Κατασκευάζονται σε µεγάλες ισχύς, πχ πάνω από 100 KW και προτιµούνται όταν υπάρχει ανάγκη απόλυτα σταθερής ταχύτητας περιστροφής σε συνδυασµό µε µεγάλο βαθµό απόδοσης. Μια άλλη περιοχή εφαρµογών είναι η χρησιµοποίηση του σύγχρονου κινητήρα για βελτίωση του συντελεστή ισχύος µιας εγκατάστασης και στην περίπτωση αυτή ονοµάζεται σαν σύγχρονος πυκνωτής ή σύγχρονος αντισταθµιστής. Στην τελευταία αυτή περίπτωση ρυθµίζεται το ρεύµα διέγερσης και ο κινητήρας µπορεί άλλοτε να απορροφά και άλλοτε να παρέχει άεργο ισχύ ώστε να ελαχιστοποιηθεί ή και να µηδενισθεί η ποσότητα της αέργου ισχύος που µεταφέρεται από το δίκτυο στην εγκατάσταση και είναι απαραίτητη για την λειτουργία της (πχ. σε εγκαταστάσεις µε ανορθωτές, ρυθµιστές τάσης, ασύγχρονους κινητήρες).