ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΜΑΘΗΜΑ : Ηλεκτρικές Μηχανές ΚΕΦΑΛΑΙΟ : Ηλεκτρικές Μηχανές Σ.Ρ. ΕΝΟΤΗΤΑ : Αρχή Λειτουργίας Γεννητριών και Κινητήρων Σ.Ρ.

Transcript

1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΜΑΘΗΜΑ : Ηλεκτρικές Μηχανές ΚΕΦΑΛΑΙΟ : Ηλεκτρικές Μηχανές Σ.Ρ. ΕΝΟΤΗΤΑ : Αρχή Λειτουργίας Γεννητριών και Κινητήρων Σ.Ρ. Α. ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ Σ.Ρ. Η λειτουργία της γεννήτριας, βασίζεται στο φαινόμενο της δημιουργίας ηλεκτρομαγνητικής δύναμης από επαγωγή ΗΕΔ (Ε), στα άκρα ενός ευθύγραμμου αγωγού, που κινείται μέσα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο. Στις δύο παραπάνω περιπτώσεις το μήκος του αγωγού βρίσκεται κάθετα στις δυναμικές γραμμές (κατά συνέπεια και στην μαγνητική επαγωγή ),του μαγνητικού πεδίου. Ταυτόχρονα το διάνυσμα της ταχύτητας (u), που κινείται ο αγωγός βρίσκεται κάθετα με την μαγνητικής επαγωγής (Β) μαγνητικού πεδίου. Το μέτρο της παραγόμενης ηλεκτρεγερτικής δύναμης από επαγωγή ΗΕΔ (Ε) είναι: Ε=B l u ημα Όπου : Vs B Η ένταση του μαγνητικού πεδίου ή μαγνητική επαγωγή (σε Tesla ή 2 ) m m u Η ταχύτητα κίνησης του αγωγού (σε ) sec l Το ενεργό μήκος του ρευματοφόρου αγωγού (σε m) α Η γωνία που σχηματίζουν οι διευθύνσεις του μήκους του αγωγού και η ένταση του μαγνητικού πεδίου. Ε Η ηλεκτρεγερτικής δύναμης από επαγωγή ΗΕΔ (σε V). Η διεύθυνση, είναι η διεύθυνση του άξονα του αγωγού ή έχει διεύθυνση κάθετη στο επίπεδο που σχηματίζει το διάνυσμα της έντασης του μαγνητικού πεδίου και η ταχύτητα κίνησης του αγωγού. Η φορά, καθορίζεται με πρακτικό τρόπο με την βοήθεια του κανόνα του δεξιού χεριού. Ο αντίχειρας, «δείχνει», την ταχύτητα κίνησης του αγωγού Ο δείκτης, «δείχνει», την ένταση του μαγνητικού πεδίου Ο μέσος, «δείχνει», την ΗΕΔ από επαγωγή στα άκρα του αγωγού Μέγιστη και Ελάχιστη τιμή ΗΕΔ Αν υποθέσουμε ότι η γωνία ( α ) είναι : * α = 0 ο ημα = 0 (Β u l) ημα = 0 Ε = 0 V * α = 90 ο ημα = 1 (Β u l) ημα = Β u l Ε = Εmax V 1

2 * α = 180 ο ημα = 0 (Β u l) ημα = 0 Ε = 0 V * α = 270 ο ημα = -1 (Β u l) ημα = - Β u l Ε = - Εmax V ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ Τελικά, η δημιουργία επαγωγικής ΗΕΔ, στα άκρα ενός αγωγού, είναι φαινόμενο που στηρίζεται, είτε στην κίνηση του αγωγού σε ακίνητο μαγνητικό πεδίο, είτε στην κίνηση του μαγνητικού πεδίου, ενώ ο αγωγός είναι ακίνητος.δηλαδή αρκεί ένας ηλεκτρικός αγωγός ή βρόγχος να «κόβει» τις μαγνητικές γραμμές του πεδίου. Β. ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ Σ. Ρ Η λειτουργία του ηλεκτρικού κινητήρας στηρίζεται στο φαινόμενο της εμφάνισης δύναμης ασκούμενης σε ρευματοφόρο αγωγό, μέσα σε μαγνητικό πεδίο. Γνωρίζουμε ότι όταν ένας αγωγός που διαρρέεται από ρεύμα, τοποθετείται μέσα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο, τότε ασκείται σ αυτόν μια δύναμη F, που ονομάζεται δύναμη LAPLACE. Το Mέτρο της παραπάνω δύναμης δίνεται από την μαθηματική σχέση : F=B I l ημα Όπου : Vs B Η ένταση του μαγνητικού πεδίου ή μαγνητική επαγωγή (σε Tesla ή 2 ) m I Η ένταση του ρεύματος που διαρρέει τον αγωγό ( σε Α ) l Το ενεργό μήκος του ρευματοφόρου αγωγού ( σε m ) α Η γωνία που σχηματίζει η διεύθυνση του αγωγού (ένταση του ρεύματος) και η ένταση του μαγνητικού πεδίου. F Η δύναμη LAPLACE ( σε Newton - N) H Διεύθυνση της δύναμης LAPLACE, είναι κάθετη στο επίπεδο που σχηματίζει ο ρευματοφόρος αγωγός με τις μαγνητικές γραμμές του πεδίου Η Φορά, καθορίζεται με πρακτικό τρόπο με την βοήθεια του κανόνα του δεξιού χεριού Πιο συγκεκριμένα : Ο μέσος, «δείχνει», την ασκούμενη δύναμη LAPLACE Ο δείκτης, «δείχνει», την ένταση του μαγνητικού πεδίου Ο αντίχειρας, «δείχνει», την ένταση του ρεύματος που διαρρέει τον αγωγό Μέγιστη και Ελάχιστη τιμή Δύναμης LAPLACE Αν υποθέσουμε ότι η γωνία ( φ ) είναι : * α = 0 ο ημα = 0 (Β Ι l) ημα = 0 F = 0 N * α = 90 ο ημα = 1 (Β I l) ημα = Β Ι l F = Fmax * α = 180 ο ημα = 0 (Β I l) ημα = 0 F = 0 N * α = 270 ο ημα = -1 (Β I l) ημα = - Β Ι l F = - Fmax N Ενδιαφέροντα sites : 2

3 ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΜΗΧΑΝΩΝ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ Μια μηχανή συνεχούς ρεύματος, όπως και κάθε ηλεκτρική μηχανή, αποτελείται από το στρεφόμενο τμήμα, το οποίο ονομάζεται δρομέας και το ακίνητο τμήμα που ονομάζεται στάτης. Ο δρομέας περιλαμβάνει τα ακόλουθα μέρη : Τον άξονα επάνω στον οποίο τοποθετούνται το επαγωγικό τύμπανο, ο συλλέκτης και ο ανεμιστήρας. Ο πυρήνας του επαγωγικού τυμπάνου αποτελεί τον δρόμο για να κινηθούν οι μαγνητικές γραμμές των πόλων. Κατασκευάζεται από πολλά ελάσματα σιδήρου με σκοπό την μείωση των δινορευμάτων. Επάνω του τοποθετείται το τύλιγμα του επαγωγικού τυμπάνου το οποίο κατασκευάζεται απομονωμένο χάλκινο αγωγό. Οι αγωγοί συνδέονται στον συλλέκτη που αποτελείται από χάλκινα ελάσματα τους τομείς.μεταξύ τους οι τομείς του συλλέκτη είναι μονωμένοι για να αποφεύγονται τα βραχυκυκλώματα.ο συλλέκτης χρησιμοποιείται για να παίρνει το ρεύμα από την εξωτερική πηγή (περίπτωση κινητήρα ) ή για να δίνει το ρεύμα στο φορτίο (περίπτωση γεννήτριας). Η ψύξη της μηχανής γίνεται με τον ανεμιστήρα ο οποίος στερεώνεται στον άξονα και περιστρέφεται με αυτόν. Τέλος σε μηχανές μεγάλης ισχύος υπάρχει η πλήμνη που αποτελεί μέρος της ψύξης της μηχανής. Αποτελεί συστατικό της πτερωτής και είναι το μέρος της ανεμογεννήτριας πάνω στο οποίο προσαρμόζονται τα πτερύγια. Ο στάτης περιλαμβάνει τα ακόλουθα μέρη : Το ζύγωμα, με κυλινδρικό σχήμα, αποτελεί τον κορμό της μηχανής. Το ζύγωμα στηρίζεται στο κέλυφος και κατασκευάζεται συνήθως από χάλυβα. Πάνω στο ζύγωμα τοποθετούνται οι μαγνητικοί πόλοι. Οι κύριοι πόλοι είναι αυτοί που δημιουργούν το μαγνητικό πεδίο της μηχανής και αποτελούνται από τον πυρήνα και το πέδιλο. Πέδιλο ονομάζεται το ειδικά διαμορφωμένο άκρο των πόλων στην πλευρά του δρομέα, το οποίο έχει ως σκοπό τη δημιουργία ομοιόμορφου πεδίου στο διάκενο, μεταξύ των πόλων και της επιφάνειας του δρομέα. Οι κύριοι πόλοι κατασκευάζονται αποκλειστικά από ελάσματα για τη μείωση των απωλειών από τα δινορεύματα. Τα δινορεύματα προκαλούνται από τις διακυμάνσεις της ροής στους πόλους, καθώς η επιφάνεια του δρομέα εξαιτίας των αυλακώσεων της δεν είναι ομοιόμορφη. Στους κύριους πόλους τυλίγονται τα πηνία του τυλίγματος των πόλων που ονομάζονται και τύλιγμα διέγερσης. Τα επιμέρους πηνία κάθε κύριου πόλου συνδέονται μεταξύ τους, σχηματίζοντας έτσι το τύλιγμα διέγερσης με δύο άκρα. Το τύλιγμα διέγερσης διαρρέετε από συνεχές ρεύμα, προκαλώντας το κύριο μαγνητικό πεδίο της μηχανής. Οι ψήκτρες είναι κατασκευασμένες από άνθρακα, ή από μείγμα άνθρακα και γραφίτη. Διαθέτουν μεγάλη αγωγιμότητα και είναι πολύ πιο μαλακές από τους τομείς του συλλέκτη, έτσι ώστε ο συλλέκτης να φθείρεται ελάχιστα. Οι ψήκτρες είναι τοποθετημένες μέσα στις ψηκτροθήκες και πιέζονται στο συλλέκτη από ελατήρια που βρίσκονται στις ψηκτροθήκες. Η πίεση που ασκούν οι ψήκτρες στο συλλέκτη πρέπει να επιλέγεται με ακρίβεια. Αν η πίεση είναι πολύ μεγάλη η φθορά των ψηκτρών αλλά και του συλλέκτη είναι αυξημένη. Αν η πίεση είναι μικρή, οι ψήκτρες δεν διατηρούν συνεχώς την επαφή τους με το συλλέκτη, με αποτέλεσμα τη δημιουργία σπινθηρισμών, με καταστροφικά αποτελέσματα και για τα δύο μέρη.

4 Τυλίγματα Μηχανών Σ.Ρ. 1. Τύλιγμα Επαγωγικού Τυμπάνου Στις µηχανές Σ.Ρ. το τύλιγµα του δροµέα αποτελείται από ένα µεγάλο αριθµό ανεξάρτητων πλαισίων, τα οποία ονοµάζονται ομάδες. Κάθε ομάδα έχει ένα καθορισμένο αριθµό σπειρών. Οι ομάδες διαμορφώνονται στην επιθυμητή μορφή σε ειδικά καλούπια και στη συνέχεια τοποθετούνται στις αυλακώσεις του επαγωγικού τυµπάνου. Τα άκρα των ομάδων συνδέονται µεταξύ τους µε διάφορους τρόπους, µέσω των τομέων του συλλέκτη, σχηματίζοντας το τύλιγµα του οπλισμού (δροµέα). Ανάλογα µε τον τρόπο σύνδεσης των ομάδων στους τομείς του συλλέκτη, τα τυλίγµατα του δροµέα διακρίνονται σε, βροχοτυλίγµατα, κυµατοτυλίγµατα και το συνδυασµό τους που ονομάζεται μικτό τύλιγµα. α. Τα βροχοτυλίγµατα Το δυσκολότερο τµήµα στην κατασκευή μιας µηχανής συνεχούς ρεύµατος, είναι η υλοποίηση του τυλίγματος του δροµέα. Το τύλιγµα µε την απλούστερη διαδικασία κατασκευής είναι το απλό βροχοτύλιγμα. Σ αυτό, τα άκρα της κάθε ομάδας συνδέονται σε γειτονικούς τομείς του συλλέκτη. Το απλό βροχοτύλιγμα έχει τόσους παράλληλους κλάδους, για το ρεύµα εξόδου της µηχανής, όσοι είναι και οι πόλοι της. Ακόμη, ο αριθμός των ψηκτρών είναι ίσος µε τον αριθµό των πόλων. Οι ψήκτρες µε την ίδια πολικότητα συνδέονται αγώγιµα µεταξύ τους. Καθώς τα βροχοτυλίγµατα µπορούν να έχουν πολλούς παράλληλους κλάδους, χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές μηχανών που χρειάζονται χαµηλή τάση και υψηλή ένταση. β. Τα Κυµατοτυλίγµατα Στο απλό κυµατοτύλιγµα οι ομάδες συνδέονται στους τομείς του συλλέκτη µε τέτοιο τρόπο, ώστε να σχηματιστούν δύο παράλληλοι κλάδοι στο ρεύµα εξόδου της µηχανής. Έτσι, ανεξάρτητα από τον αριθµό των πόλων αρκούν δύο ψήκτρες. Τα κυµατοτυλίγµατα, επειδή οι περισσότερες ομάδες τους συνδέονται στη σειρά, είναι κατάλληλα στις µηχανές υψηλών τάσεων και χαμηλών εντάσεων. γ. Τα Μικτά Τυλίγµατα Τα μικτά τυλίγµατα προκύπτουν από το συνδυασµό ενός βροχοτυλίγµατος μηχανές μεσαίας τάσης και μεσαίας έντασης ρεύματος. µ ένα κυµατοτύλιγµα. Χρησιμοποιούνται σε 2. Τύλιγμα Διέγερσης Το μαγνητικό πεδίο του στάτη παράγεται τροφοδοτώντας το τύλιγµα διέγερσης της µηχανής µε το συνεχές ρεύµα της διέγερσης. Σε µηχανές πολύ µμικρής ισχύος, το μαγνητικό πεδίο παράγεται από µόνιµους μαγνήτες. Η μαγνητική ροή των µόνιµων µαγνητών είναι πολύ µικρότερη από εκείνη που παράγουµε µε τους ηλεκτρομαγνήτες. Ανάλογα µε την προέλευση του ρεύµατος της διέγερσης, οι γεννήτριες και γενικότερα οι µηχανές συνεχούς ρεύµατος, διακρίνονται σε δύο µμεγάλες κατηγορίες: Μηχανές µε ανεξάρτητη διέγερση όπου το ρεύµα της διέγερσης παρέχεται από µια ξεχωριστή πηγή συνεχούς τάσης. Μηχανές µε αυτοδιέγερση όπου το ρεύµα της διέγερσης παρέχεται από την ίδια την γεννήτρια. Έτσι, δεν απαιτείται πρόσθετη πηγή για την παροχή του ρεύµατος διέγερσης. Οι µηχανές µε αυτοδιέγερση διακρίνονται σε τέσσερις κατηγορίες, ανάλογα µε τον τρόπο σύνδεσης του τυλίγματος διέγερσης µε το τύλιγµα του δροµέα: Μηχανές παράλληλης διέγερσης. Σ αυτές, το τύλιγµα διέγερσης συνδέετε παράλληλα µε το δροµέα. Μηχανές µε διέγερση σειράς. Σ αυτές, το τύλιγµα διέγερσης συνδέετε σε σειρά µε το δροµέα. Μηχανές µε αθροιστική σύνθετη διέγερση. Σ αυτές, τα μαγνητικά πεδία που παράγονται από τα τυλίγµατα παράλληλης διέγερσης και διέγερσης σειράς προστίθενται. Μηχανές µε διαφορική σύνθετη διέγερση. Σ αυτές, τα µαγνητικά πεδία που παράγονται από τα τυλίγµατα παράλληλης διέγερσης και διέγερσης σειράς αφαιρούνται. 3. Αντίδραση του επαγωγικού τυμπάνου Όταν µια µηχανή συνεχούς ρεύµατος λειτουργεί ως γεννήτρια, στα άκρα του τυλίγµατος του δροµέα αναπτύσσεται µια τάση εξ επαγωγής. Το τύλιγµα του δροµέα δεν διαρρέετε από ρεύµα όταν η µηχανή λειτουργεί χωρίς φορτίο. Έτσι, στο εσωτερικό της µηχανής υφίσταται µόνο το µαγνητικό πεδίο που δηµιουργούν οι κύριοι πόλοι του στάτη. Όταν συνδεθεί φορτίο στα άκρα της γεννήτριας, το τύλιγµα του οπλισµού διαρρέετε από ένα ρεύµα, το οποίο είναι ανάλογο µε την ισχύ του φορτίου. Το ρεύµα αυτό προκαλεί το µαγνητικό πεδίο του δροµέα, το οποίο παραφορτώνει το αρχικό πεδίο των κύριων πόλων της µηχανής. Η παραμόρφωση της μαγνητικής ροής των κύριων πόλων, από το πεδίο του οπλισµού, ονομάζεται αντίδραση του επαγωγικού τυµπάνου ή αντίδραση του οπλισµού. Η αντίδραση του οπλισµού προκαλεί δύο πολύ σηµαντικά προβλήµατα στις µηχανές συνεχούς ρεύµατος. Το πρώτο είναι η µετατόπιση της ουδέτερης ζώνης και το δεύτερο η µείωση του ολικού µαγνητικού πεδίου της µηχανής. 3.1 Μετατόπιση της Ουδέτερης Ζώνης Ουδέτερη ζώνη στις µηχανές συνεχούς ρεύµατος ονοµάζεται το επίπεδο, όπου η επαγόµενη τάση στο τύλιγµα του δροµέα είναι µηδέν. Στην ουδέτερη ζώνη το ολικό µαγνητικό πεδίο της µηχανής είναι µηδέν. Η ροή του ρεύµατος στο τύλιγµα του επαγωγικού τυµπάνου, προκαλεί την ανάπτυξη του µαγνητικού πεδίου του δροµέα. Το πεδίο του δροµέα παραμορφώνει το κύριο µαγνητικό πεδίο των κύριων πόλων, µε αποτέλεσµα το ολικό µαγνητικό πεδίο να µηδενίζεται σε µια θέση διαφορετική από εκείνη της αφόρτιστης λειτουργίας. Εποµένως, η ουδέτερη ζώνη έχει µετατοπιστεί από την αρχική της θέση, στο µέσο των κύριων πόλων. Η µετατόπιση της ουδέτερης ζώνης είναι προς τη φορά περιστροφής στις γεννήτριες και αντίθετη της φοράς περιστροφής στους κινητήρες. Με δεδοµένη τη φορά περιστροφής της µηχανής, το ρεύµα του δροµέα στους κινητήρες έχει αντίθετη φορά από εκείνο στις γεννήτριες. Η µετατόπιση της ουδέτερης ζώνης είναι τόσο µεγαλύτερη, όσο µεγαλύτερο είναι το ρεύµα στον οπλισµό, δηλαδή µεγαλύτερο το φορτίο της µηχανής.

5 Αν οι ψήκτρες της µηχανής τοποθετηθούν στην αρχική ουδέτερη ζώνη και η µηχανή λειτουργεί χωρίς φορτίο, τότε οι ψήκτρες θα βραχυκυκλώνουν τους τοµείς του συλλέκτη, στις οµάδες των οποίων επάγεται µηδενική τάση. Αν η µηχανή φορτιστεί, η ουδέτερη ζώνη θα µετακινηθεί από την αρχική της θέση και οι ψήκτρες θα βραχυκυκλώνουν µέσω των τοµέων του συλλέκτη οµάδες, µε µη µηδενική τάση. Το αποτέλεσµα είναι η εµφάνιση σπινθηρισµών στο συλλέκτη, οι οποίοι προκαλούν τη δραστική µείωση της διάρκειας ζωής τόσο των ψηκτρών όσο και του συλλέκτη Βοηθητικοί Πόλοι Οι βοηθητικοί πόλοι είναι µικροί πόλοι, οι οποίοι τοποθετούνται µεταξύ των κύριων πόλων. Οι βοηθητικοί πόλοι δηµιουργούν ένα µαγνητικό πεδίο, το οποίο εξασφαλίζει ότι στις οµάδες που υφίστανται µεταγωγή, η επαγόµενη τάση είναι µηδενική. Αυτό σηµαίνει την πλήρη εξάλειψη των σπινθηρισµών. Το µαγνητικό πεδίο των βοηθητικών πόλων επιδρά µόνο τοπικά, στις οµάδες που υφίστανται τη µεταγωγή και δεν επηρεάζει αλλιώς τη λειτουργία της µηχανής. Έτσι, οι βοηθητικοί πόλοι δεν εξαλείφουν το πρόβληµα της µείωσης της ολικής ροής. Για την εξάλειψη των σπινθηρισµών, σε κάθε τιµή του φορτίου, το τύλιγµα των βοηθητικών πόλων συνδέετε σε σειρά µε το τύλιγµα του δροµέα. Στην περίπτωση του κινητήρα, µε την ίδια φορά περιστροφής, οι φορές των ρευµάτων στο τύλιγµα του δροµέα είναι αντίθετες. Εποµένως, αντίθετοι είναι και οι βοηθητικοί πόλοι, οι οποίοι διαρρέονται από το ρεύµα του δροµέα.

6 A. ΜΗΧΑΝΗ ΞΕΝΗΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ ΤΥΛΙΓΜΑΤΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΗΣ

7 B. ΜΗΧΑΝΗ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ ΣΕ ΣΕΙΡΑ

8 Γ. ΜΗΧΑΝΗ ΠΑΡΑΛΛΗΛΗΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ

9 Δ. ΜΗΧΑΝΗ ΣΥΝΘΕΤΗΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ

10 ΙΣΧΥΣ, ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΚΑΙ ΒΑΘΜΟΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ Σ.Ρ. Ισχύς Γεννήτριας Σ.Ρ. Η γεννήτρια παίρνει μηχανική ενέργεια από την κινητήρια μηχανή της και δίνει ηλεκτρική ενέργεια στις καταναλώσεις της. Κατά τη διαδικασία της μετατροπής της ισχύος, από μηχανική σε ηλεκτρική, εμφανίζονται απώλειες ισχύος. Έτσι, η ισχύς εξόδου P είναι πάντα μικρότερη της ισχύος εισόδου Pεισ, κατά την ισχύ απωλειών Pαπ δηλαδή: Ρεισ=Ρ+Ραπ Η ισχύς εισόδου (μηχανική) στις γεννήτριες Σ.Ρ. έχει ως μονάδα μέτρησης το W ή τον HP (ίππος), όπου 1HP=736W=0,736KW. Η ισχύς εξόδου (ηλεκτρική) στις γεννήτριες Σ.Ρ. ορίζεται από την σχέση P=IU. Έχει ως μονάδα μέτρησης το W. όπου : U : η τάση που μας παρέχει η γεννήτρια Ι : η ένταση ρεύματος που παράγει η γεννήτρια Σημείωση : Ονομαστική ισχύς γεννήτριας ονομάζεται η μεγαλύτερη τιμή ισχύος που μπορεί να προσφέρει συνεχώς η γεννήτρια όταν εργάζεται με την ονομαστική τάση και την ονομαστική ένταση χωρίς να υπάρχει κίνδυνος να πάθει βλάβη η μηχανή από υπερφόρτιση. Απώλειες Γεννήτριας Σ.Ρ. Σταθερές θεωρούνται οι απώλειες που είναι ανεξάρτητες από τη μεταβολή του φορτίου της γεννήτριας. Μεταβλητές θεωρούνται οι απώλειες που μεταβάλλονται με τη μεταβολή του φορτίου της γεννήτριας. Οι μηχανικές απώλειες εξαρτώνται από την ταχύτητα περιστροφής της γεννήτριας που συνήθως είναι σταθερή. Επειδή είναι ανεξάρτητες του φορτίου της μηχανής θεωρούνται σταθερές. Οι απώλειες υστέρησης εξαρτώνται από την ταχύτητα περιστροφής και από την μαγνητική ροή της γεννήτριας. Επειδή είναι ανεξάρτητες του φορτίου της μηχανής θεωρούνται σταθερές. Οι απώλειες δινορρευμάτων εξαρτώνται από την ταχύτητα περιστροφής και από την μαγνητική ροή της γεννήτριας. Επειδή είναι ανεξάρτητες του φορτίου της μηχανής θεωρούνται σταθερές. Οι ηλεκτρικές απώλειες εμφανίζονται στα επιμέρους ηλεκτρικά κυκλώματα των γεννητριών, δηλαδή στο τύλιγμα του επαγωγικού τυμπάνου (ορίζονται από την σχέση Ρ απ, Τ =I T 2 R T ) και στο τύλιγμα διέγερσης (ορίζονται από την σχέση Ρ απ, δ =I δ 2 R δ ). Επειδή μεταβάλλονται με την μεταβολή του φορτίου, θεωρούνται μεταβλητές. Βαθμός απόδοσης Γεννήτριας Σ.Ρ. 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 Λόγω των απωλειών της γεννήτριας, είναι πάντα μικρότερος της μονάδας. Ο βαθμός απόδοσης δεν είναι σταθερός αλλά εξαρτάται από το φορτίο της γεννήτριας. Ορίζεται από την σχέση : = P Pεισ 100% Παρατηρήσεις Οι απώλειες της γεννήτριας εμφανίζονται πάντα με την μορφή θερμότητας που προκαλεί ανύψωση της θερμοκρασίας της γεννήτριας. Ο βαθμός απόδοσης δεν έχει μονάδα μέτρησης. Είναι καθαρός αριθμός. Ο βαθμός απόδοσης των γεννητριών γίνεται μέγιστος όταν οι σταθερές απώλειες εξισωθούν με τις μεταβλητές.

11 ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ Οι κινητήρες συνεχούς ρεύματος διακρίνονται στις ακόλουθες κατηγορίες ανάλογα με τον τρόπο σύνδεσης του τυλίγματος διέγερσης : Κινητήρες ξένης διέγερσης Κινητήρες παράλληλης διέγερσης Κινητήρες διέγερσης σειράς Κινητήρες σύνθετης διέγερσης Κινητήρες παράλληλης διέγερσης Η φορά περιστροφής ενός κινητήρα συνεχούς ρεύματος αλλάζει με τους εξής τρόπους : α. με την αλλαγή της φοράς του ρεύματος διέγερσης. β. με την αλλαγή της φοράς του ρεύματος τυμπάνου. Γνωρίζουμε ότι στους κινητήρες ισχύουν οι σχέσεις : E n 1 E U I T R T 2 U IT RT 1, 2 n U IT RT n 3 Χαρακτηριστικές καμπύλες κινητήρα παράλληλης διέγερσης α. Μεταβολή των στροφών ( η ) του κινητήρα, όταν μεταβάλλεται η τάση εφαρμογής ( U ) με σταθερό το φορτίο του κινητήρα ( Ι Τ ). Από την σχέση (3) παρατηρώ ότι εάν διατηρήσω σταθερά τα ρεύματα τυμπάνου ( Ι Τ ) και διέγερσης ( Ιδ ), τότε η ταχύτητα περιστροφής του κινητήρα ( n ) είναι ανάλογη με την τάση εφαρμογής ( U ) του κινητήρα.

12 Σημείωση : Η μαγνητική ροή Φ δημιουργείται στους μαγνητικούς πόλους του κινητήρα από το ρεύμα διέγερσης ( Ιδ ), δηλαδή η μαγνητική ροή είναι ανάλογη του ρεύματος διέγερσης. β. Μεταβολή των στροφών ( η ) του κινητήρα, όταν μεταβάλλεται το ρεύμα διέγερσης ( Ιδ ) ενώ παραμένει σταθερή η τάση τροφοδοσίας ( U ) και το ρεύμα τυμπάνου ( Iτ ) Από την σχέση (3) παρατηρώ ότι εάν διατηρήσω σταθερή την τάση τροφοδοσίας ( U ) και το ρεύμα τυμπάνου ( I Τ ), τότε η ταχύτητα περιστροφής του κινητήρα ( n ) είναι αντιστρόφως ανάλογη με το ρεύμα διέγερσης ( Ιδ ). Παρατήρηση : Εάν ο κινητήρας παράλληλης διέγερσης ενώ λειτουργεί μείνει χωρίς διέγερση ( Ιδ=0 ) τότε η ταχύτητα περιστροφής θα γίνει άπειρη με αποτέλεσμα να καταστραφεί. γ. Μεταβολή των στροφών ( η ) του κινητήρα, όταν μεταβάλλεται το ρεύμα τυμπάνου ( Ι Τ ) ενώ παραμένει σταθερή η τάση τροφοδοσίας ( U ) και το ρεύμα διέγερσης ( Iδ ) Από την σχέση (3) παρατηρώ ότι εάν διατηρήσω σταθερή την τάση τροφοδοσίας ( U ) και το ρεύμα διέγερσης ( Ιδ ), τότε η ταχύτητα περιστροφής του κινητήρα ( n ) μεταβάλλεται αντιστρόφως με. το ρεύμα τυμπάνου ( I Τ ). Παρατήρηση : Στην περιοχή κανονικής λειτουργίας του κινητήρα παράλληλης διέγερσης, η ταχύτητα περιστροφής μεταβάλλεται ελάχιστα σε σχέση με το ρεύμα φορτίου. Άρα οι κινητήρες παράλληλης διέγερσης βρίσκουν εφαρμογή σε περιπτώσεις που απαιτείται ελάχιστη μεταβολή της ταχύτητας περιστροφής σε σχέση με το ρεύμα τυμπάνου.

13 δ. Μεταβολή των στροφών ( η ) του κινητήρα, όταν μεταβάλλεται η ροπή ενώ παραμένει σταθερή η τάση τροφοδοσίας ( U ) και το ρεύμα διέγερσης ( Iδ ) Μεταβάλλοντας την ροπή του κινητήρα, μεταβάλλεται ανάλογα και το ρεύμα τυμπάνου του κινητήρα. Από την σχέση (3) παρατηρώ ότι εάν διατηρήσω σταθερή την τάση τροφοδοσίας ( U ) και το ρεύμα διέγερσης ( Ιδ ), τότε η ταχύτητα περιστροφής του κινητήρα ( n ) μεταβάλλεται αντιστρόφως με. το ρεύμα τυμπάνου ( I Τ ) άρα και με την ροπή στρέψης του κινητήρα. Παρατήρηση : Η μεταβολή της ροπής του κινητήρα δεν είναι αισθητή σε σχέση με την ταχύτητα περιστροφής του κινητήρα. Γι αυτό και η αντίστοιχη χαρακτηριστική ευθεία τείνει να γίνει παράλληλη με τον άξονα της ροπής του κινητήρα. ε. Μεταβολή της ροπής στρέψης ( Τ ) του κινητήρα, όταν μεταβάλλεται το ρεύμα φόρτισης ( Ι Τ ) ενώ παραμένει σταθερή η τάση τροφοδοσίας ( U ) και η ταχύτητα περιστροφής ( n ) Γνωρίζουμε ότι στους κινητήρες Σ.Ρ., ισχύει η σχέση : T δηλαδή η ροπή στρέψης του κινητήρα μεταβάλλεται ανάλογα με το ρεύμα τυμπάνου, όταν διατηρούμε σταθερή την τάση τροφοδοσίας ( U ) και η ταχύτητα περιστροφής ( n ) του κινητήρα. Παρατήρηση : Όταν το ρεύμα τυμπάνου αυξηθεί αρκετά τότε η ροπή στρέψης μεταβάλλεται με μικρότερο ρυθμό.

14 στ. Μεταβολή του βαθμού απόδοσης ( n ), όταν μεταβάλλεται η ροπή στρέψης ( Τ ) ενώ παραμένει σταθερή η τάση τροφοδοσίας ( U ) και η ταχύτητα περιστροφής ( n ) Όταν αυξάνεται η ροπή στρέψης του κινητήρα, αυξάνεται και ο βαθμός απόδοσης του. Φυσικά ο βαθμός απόδοσης δεν μπορεί να αποκτήσει τιμή ίση ή μεγαλύτερη του 100 % διότι ο κινητήρας παρουσιάζει απώλειες

15 ΜΑΘΗΜΑ : Ηλεκτρικές Μηχανές ΚΕΦΑΛΑΙΟ: Κινητήρες Συνεχούς Ρεύματος ( Σ.Ρ.) 1. Εισαγωγή Κινητήρας συνεχούς ρεύματος ονομάζεται η ηλεκτρική μηχανή που κατά την λειτουργία της μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια συνεχούς ρεύματος σε μηχανική ενέργεια. Η λειτουργία των κινητήρων στηρίζεται στην ροπή που αναπτύσσεται στον άξονα της μηχανής. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι τα τυλίγματα του επαγωγικού τυμπάνου που διαρρέονται από ρεύμα βρίσκονται μέσα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο, με αποτέλεσμα να αναπτύσσεται σε αυτά δύναμη Laplace η οποία τείνει να τα στρέψει. Η ροπή στρέψης που αναπτύσσεται στον κάθε αγωγό δίνεται από την σχέση: T = F r ( 1 ) Όπου : r : Η απόσταση του ρευματοφόρου αγωγού από το κέντρο του τυμπάνου. Ουσιαστικά δηλαδή πρόκειται για την ακτίνα του επαγωγικού τυμπάνου. F : Η δύναμη Laplace που αναπτύσσεται σε κάθε ρευματοφόρο αγωγό του πλαισίου που βρίσκεται απέναντι από κάθε πόλο. Προσοχή : Το μέτρο της δύναμης Laplace δίνεται από την μαθηματική σχέση : F = B I l ημφ ( 2 ) Όπου : B Η ένταση του μαγνητικού πεδίου ή μαγνητική επαγωγή (σε Tesla ή Vs / m 2 ) I Η ένταση του ρεύματος που διαρρέει τον αγωγό ( σε Α ) l Το ενεργό μήκος του ρευματοφόρου αγωγού ( σε m ) φ Η γωνία που σχηματίζει η διεύθυνση του μήκους του αγωγού (ένταση του ρεύματος) και η ένταση του μαγνητικού πεδίου. Η συνολική ροπή που αναπτύσσεται στον κινητήρα είναι ίση με το άθροισμα των επιμέρους ροπών στρέψης που αναπτύσσονται σε κάθε πλαίσιο του επαγωγικού τυλίγματος. Αυτή δίνεται από την σχέση : Τ = ΦΙ ( 3 ) Όπου : p : Είναι ο αριθμός των ζευγών των μαγνητικών πόλων της μηχανής. s : Ο αριθμός των στοιχείων του τυλίγματος. w : Ο αριθμός των αγωγών κάθε στοιχείου. α : Ο αριθμός των ζευγών των παράλληλων κλάδων. Φ : Η μαγνητική ροή κάθε μαγνητικού πόλου. Ι Τ : Η ένταση του ρεύματος του επαγωγικού τυμπάνου. Επειδή η ποσότητα εξαρτάται από τα στοιχεία της μηχανής, έπεται ότι είναι σταθερή για κάθε μηχανή και μπορεί να αντικατασταθεί από την σταθερά Κ 1. Δηλαδή η παραπάνω σχέση γίνεται: T = Κ1 Φ Ι Τ ( 4 ) 2. Αντιηλεκτρεγερτική δύναμη (ΑΗΕΔ) Όπως αναφέραμε και προηγουμένως, όταν τα τυλίγματα του επαγωγικού τυμπάνου διαρρέονται από ρεύμα και βρίσκονται μέσα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο τότε αυτά περιστρέφονται διότι επάνω τους αναπτύσσεται δύναμη Laplace ( φαινόμενο κινητήρα ). Όμως αφού θα περιστραφούν τα τυλίγματα μέσα στο ομογενές μαγνητικό πεδίο τότε ηλεκτρεγερτική δύναμη ΗΕΔ θα αναπτυχθεί στα άκρα τους ( φαινόμενο γεννήτριας ) η πολικότητα της οποίας θα είναι αντίθετη από αυτή της τάσης που εφαρμόζουμε στην μηχανή. Αυτό σημαίνει ότι η τάση που εφαρμόζουμε στην μηχανή θα πρέπει να υπερνικήσει αυτή την αντίθετη ηλεκτρεγερτική δύναμη ώστε να μπορέσει να κυκλοφορήσει ρεύμα στο εσωτερικό της. Για αυτό τον λόγο την ονομάζουμε αντιηλεκτρεγερτική δύναμη του κινητήρα ΑΗΕΔ. Η αντιηλεκτρεγερτική δύναμη του κινητήρα ΑΗΕΔ δίνεται από την σχέση : Εα = Κ Φ η ( 5 ) Όπου : Κ : σταθερό μέγεθος για κάθε μηχανή. Φ : Η μαγνητική ροή κάθε πόλου και την μετράμε σε Vs. η : Η ταχύτητα περιστροφής και την μετράμε σε στροφές / sec. Τέλος η τάση που εφαρμόζουμε στα άκρα του κινητήρα συνδέεται με την αντιηλεκτρεγερτική δύναμη του κινητήρα μέσω της ακόλουθης σχέσης : U = Εα + I T R T ( 6 ) Όπου : RT : Η ωμική αντίσταση του τυλίγματος του επαγωγικού τυμπάνου. IT : Η ένταση του επαγωγικού τυμπάνου. 3. Ταχύτητα του κινητήρα Από τις σχέσεις ( 5 ) και ( 6 ) υπολογίζουμε την ταχύτητα η του κινητήρα : Παρατηρήσεις Εα = Κ Φ η η = η = Τ Τ Φ ( 7 )

16 Εάν διατηρήσουμε σταθερή την τάση U και μειώσουμε το ρεύμα διέγερσης Ιδ, τότε θα μειωθεί και η μαγνητική ροή Φ με αποτέλεσμα να αυξηθεί η ταχύτητα η του κινητήρα. Εάν διατηρήσουμε σταθερό το ρεύμα διέγερσης Ιδ (άρα και την μαγνητική ροή Φ ) και μειώσουμε την τάση U τότε θα μειωθεί η ταχύτητα n του κινητήρα. Από τα παραπάνω συμπεραίνουμε ότι οι δύο παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα περιστροφής ενός κινητήρα είναι η τάση U που εφαρμόζουμε στα άκρα του τυλίγματος του επαγωγικού τύμπανου και η μαγνητική ροή Φ των πόλων η οποία εξαρτάται από το ρεύμα διέγερσης Ιδ. Οι τρόποι λοιπόν που χρησιμοποιούμε για να μεταβάλουμε την ταχύτητα περιστροφής ενός κινητήρα είναι οι ακόλουθοι : Ρυθμιστική αντίσταση στο τύλιγμα διεγέρσεως. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται στους κινητήρες σύνθετης και παράλληλης διέγερσης στις οποίες η αντίσταση τοποθετείται στο παράλληλο τύλιγμα διέγερσης. Αυτή η μέθοδος αποτελεί την πιο συνηθισμένη μέθοδο ρύθμισης της ταχύτητας ενός κινητήρα. Μεταβολή της τάσεως τροφοδοτήσεως του επαγωγικού τυμπάνου. Σε αυτή την περίπτωση τροφοδοτούμε τον κινητήρα με τάση που προέρχεται από γεννήτρια την οποία και μπορούμε να μεταβάλουμε. Κατά την εκκίνηση του κινητήρα το επαγωγικό τύμπανο δεν έχει περιστραφεί με αποτέλεσμα η αντιηλεκτρεγερτική δύναμη να μην έχει προλάβει να αναπτυχθεί στα τυλίγματα του κινητήρα. Άρα σε αυτή την περίπτωση Ε = 0, με αποτέλεσμα η παραπάνω σχέση να γίνεται : U = IεRT Iε = ( 8 ) Αυτή η σχέση μας δίνει την τιμή του ρεύματος εκκίνησης, δηλαδή του αρχικού ρεύματος που διαρρέει τα τυλίγματα του επαγωγικού τυμπάνου όταν αυτό δεν έχει αρχίσει ακόμα να περιστρέφεται. 4. Είδη κινητήρων συνεχούς ρεύματος Ανάλογα με τον τρόπο διέγερσης των κινητήρων συνεχούς ρεύματος, διακρίνονται σε : Κινητήρες με ξένη διέγερση. Κινητήρες με παράλληλη διέγερση. Κινητήρες με διέγερση σειράς. Κινητήρες με σύνθετη διέγερση. 5. Ισχύς, απώλειες και βαθμός απόδοσης Προκειμένου να λειτουργήσει καλά μια ηλεκτρική μηχανή Σ.Ρ., όπως και κάθε άλλη μηχανή, είναι αναγκαίο να τροφοδοτηθεί με κάποια μορφή ενέργειας προκειμένου να μας αποδώσει μια άλλη μορφή ενέργειας, δηλαδή να παράγει έργο. Ως γνωστό οι κινητήρες συνεχούς ρεύματος μετατρέπουν την ηλεκτρική ενέργεια σε μηχανική ενέργεια και αναφέρουμε, πιο συγκεκριμένα, ότι η ηλεκτρική ισχύς είναι η ισχύς εισόδου (P 1 ) της γεννήτριας ενώ η μηχανική είναι η ισχύς εξόδου της (P 2 ) 6. Ισχύς Κινητήρων Σ. Ρ. Όταν αναφερόμαστε στην ισχύ μίας μηχανής εννοούμε ΠΑΝΤΑ την ισχύ εξόδου, δηλαδή την ισχύ που μας αποδίδει. Στην περίπτωση του κινητήρα,η παραπάνω ισχύς είναι μηχανική. Η μηχανική ισχύς που παράγει ένας κινητήρας Σ.Ρ. δίνεται από την σχέση : Tα : Η ροπή που αναπτύσσει ο κινητήρας στην έξοδο του (Νm) n : Η ταχύτητα περιστροφής του κινητήρα (στροφές / λεπτό) P 2 =, (9) Η παραπάνω τιμή ισχύος αναγράφεται πάντα στην πινακίδα του κάθε κινητήρα από τον κατασκευαστή του, ονομάζεται ονομαστική ισχύς, και προκύπτει μόνο όταν κινητήρας είναι σε ΣΥΝΕΧΗ λειτουργία,με ονομαστική τάση και ταχύτητα περιστροφής. Επίσης η ισχύς εισόδου ενός κινητήρα Σ.Ρ. είναι ηλεκτρική και δίνεται από την σχέση : P 1 =UI (10) Όπου : U Η τάση του κινητήρα I Η ένταση του ρεύματος φορτίσεως του κινητήρα 7. Απώλειες Εξετάζοντας τις λειτουργίες όλων των ηλεκτρικών μηχανών παρατηρούμε ότι είναι αδύνατο να επιτευχθεί η εξολοκλήρου μετατροπή της ενέργειας εισόδου, σε χρήσιμη ενέργεια εξόδου. Αυτό συμβαίνει, γιατί ένα ποσό της ισχύος δαπανάται κατά την μετατροπή αυτή, και ονομάζεται Ισχύς Απωλειών. Από την αρχή διατήρησης της ενέργειας σε όλα τα συστήματα, ισχύει : P 1 =P 2 +P απ 8. Βαθμός απόδοσης Ο βαθμός απόδοσης του κινητήρα είναι ο λόγος της ισχύος P 2 που αποδίδει αυτός προς την ισχύ P 1 που παίρνει για να λειτουργήσει. Συμβολίζεται με το γράμμα n και είναι αριθμός αδιάστατος, μικρότερος της μονάδας. Δηλαδή : n= < 1 (11)