Ηλεκτρικές Μηχανές Ι. Ενότητα 7: Εισαγωγή στις Μηχανές Συνεχούς Ρεύματος Τσιαμήτρος Δημήτριος Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών Τ.Ε

Transcript

1 Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Ενότητα 7: Εισαγωγή στις Μηχανές Συνεχούς Ρεύματος Τσιαμήτρος Δημήτριος Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών Τ.Ε

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2

3 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο TEI Δυτικής Μακεδονίας και στην Ανώτατη Εκκλησιαστική Ακαδημία Θεσσαλονίκης» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3

4 Σκοποί ενότητας Εκμάθηση βασικών εννοιών και αρχών λειτουργίας των Μηχανών Συνεχούς Ρεύματος (ΜΣΡ). 4

5 Περιεχόμενα ενότητας Αρχή λειτουργίας. Νόμοι Μηχανών Συνεχούς Ρεύματος. Ιστορικά στοιχεία. Λειτουργία Γεννήτριας. Λειτουργία κινητήρα. 5

6 ΜΗΧΑΝΕΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ (1) Αρχή λειτουργίας - λειτουργίες γεννήτριας και κινητήρα. Κατασκευή: Στάτη δρομέα περιελίξεις. Μαγνητικά πεδία Προβλήματα και αντιμετώπιση (φαινόμενο μετάβασης). Λειτουργία γεννήτριας ξένης διέγερσης, παράλληλης διέγερσης, αυτοδιέγερσης, διέγερσης σειράς, σύνθετης διέγερσης. Λειτουργία κινητήρα ξένης ή παράλληλης διέγερσης, διέγερσης σειράς, σύνθετης διέγερσης. 6

7 ΜΗΧΑΝΕΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ (1/6) Εκκίνηση κινητήρων. Έλεγχος περιστροφικής ταχύτητας. 7

8 ΜΗΧΑΝΕΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ (2/6) - ΜΗΧΑΝΕΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ. - Πέδηση σε ηλεκτρικές κινήσεις. - Απώλειες και βαθμός απόδοσης. 8

9 ΜΗΧΑΝΕΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ - ΣΥΓΧΡΟΝΕΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ. (3/6) - Γενικά περί γεννητριών ισχύος. - Πεδίο στάτη. - Πεδίο δρομέα και διακένου. - Τάση και ισχύς στροβιλογεννητριών στη στάσιμη κατάσταση λειτουργίας. - Σχέσεις και ισοζύγιο μηχανικής ηλεκτρικής ισχύος. 9

10 ΜΗΧΑΝΕΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ (4/6) - ΣΥΓΧΡΟΝΕΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ. - Ευστάθεια συγχρονισμός. - Διάγραμμα λειτουργίας και όρια των γεννητριών. - Γεννήτριες εκτύπων πόλων. - Διέγερση σύγχρονων γεννητριών. 10

11 ΜΗΧΑΝΕΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ (5/6) - ΣΥΓΧΡΟΝΕΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ (Συνέχεια). - Παραλληλισμός γεννητριών με το δίκτυο. - Ισοζύγιο ισχύος στις γεννήτριες Απώλειες. - ΑΣΚΗΣΕΙΣ!!!! 11

12 ΜΗΧΑΝΕΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ (6/6) Η πρώτη μηχανή συνεχούς ρεύματος κατασκευάστηκε ως γεννήτρια το 1832 από τον Hippolyte Pixii. Βασίζεται στον νόμο της επαγωγής του Faraday. Ακολούθησαν οι Siemens, Panicotti, Gramme, αλλά επικράτησε η κατασκευή του Hefner-Alteneck με περιέλιξη τυμπάνου και συλλέκτη με πολλούς τομείς (θα δούμε παρακάτω τι σημαίνει αυτό). Οι ΜΣΡ ως κινητήρες κατέχουν ένα σημαντικό μέρος στην ηλεκτροκίνηση μέχρι 8 MW. Ελέγχεται εύκολα η περιστροφική τους ταχύτητα και η ροπή στρέψης. Ως γεννήτριες χρησιμοποιούνται ελάχιστα. 12

13 ΒΑΣΙΚΟΙ ΝΟΜΟΙ ΜΣΡ (1) - Α) Ο νόμος του Faraday επαγωγή τάσης (λειτουργία γεννήτριας): - Σε έναν ευθύγραμμο αγωγό που κινείται με σταθερή ταχύτητα υ κάθετα σε ένα σταθερό μαγνητικό πεδίο Β επάγεται ηλεκτρική τάση Ε ίση με Ε=mυΒ, όπου m είναι το μήκος του αγωγού. 13

14 ΒΑΣΙΚΟΙ ΝΟΜΟΙ ΜΣΡ (2) - Β) Ο νόμος του Laplace (λειτουργία κινητήρα): - Σε έναν ευθύγραμμο αγωγό που βρίσκεται εγκάρσια μέσα σε ένα σταθερό μαγνητικό πεδίο Β και διαρρέεται από ρεύμα Ι ασκείται δύναμη F ίση με F=mBI, όπου m είναι το μήκος του αγωγού. - Προφανώς, επειδή δεν είναι πρακτικό να κινείται ένας αγωγός σε ένα μαγνητικό πεδίο σε ευθεία γραμμή, για να εφαρμοστούν οι δύο παραπάνω νόμοι έγινε εκμετάλλευση της κυκλικής κίνησης. Δηλαδή η κίνηση των αγωγών είναι κυκλική και η βασική ταχύτητα είναι η γωνιακή ταχύτητα ω. 14

15 Ισοδύναμα κυκλώματα - ΜΣΡ Α) Στην πρώτη περίπτωση, αν ο αγωγός στον οποίο επάγεται τάση κλείσει-φορτισθεί με μια αντίσταση R, θα κυκλοφορήσει ρεύμα στο κύκλωμα και θα υπάρξει πτώση τάσης στην αντίσταση ίση με U=E-R a Ι, όπου R a είναι η εσωτερική αντίσταση του αγωγού της γεννήτριας. Β) Στη δεύτερη περίπτωση, η δύναμη Laplace που αναπτύσσεται στον αγωγό τον κινεί μέσα σε μαγνητικό πεδίο, πράγμα που σημαίνει ότι στα άκρα του αναπτύσσεται ηλεκτρική τάση Ε. Η τάση αυτή είναι αντίθετη της τάσης U που προκαλεί το ρεύμα Ι. Συνεπώς η εξωτερική τάση της πηγής U είναι τώρα U=E+R a Ι, όπου R a είναι η εσωτερική αντίσταση του αγωγού. 15

16 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΜΣΡ (1) Σχήμα 1. Στοιχειώδης ΜΣΡ, πηγή : «Εργαστηριακές Ασκήσεις Ηλεκτρικών Μηχανών Συνεχούς και Εναλλασσομένου Ρεύματος», Ν. Σκραπαρλής, Β. Μολασιώτης, Δ. Τσιαμήτρος. Η μηχανή είναι διπολική (μόνιμος μαγνήτης) με δύο μόνο αυλάκια στο δρομέα, όπου είναι τοποθετημένο ένα έλιγμα. Τα άκρα του ελίγματος καταλήγουν σε δύο τομείς του συλλέκτη. Οι τομείς ολισθαίνουν πάνω στις ακίνητες ψήκτρες. 16

17 Κυματομορφή εξόδου Σχήμα 2. Κυματομορφή εξόδου ΜΣΡ, πηγή : «Εργαστηριακές Ασκήσεις Ηλεκτρικών Μηχανών Συνεχούς και Εναλλασσομένου Ρεύματος», Ν. Σκραπαρλής, Β. Μολασιώτης, Δ. Τσιαμήτρος. Η περιστροφική ταχύτητα n προκαλείται από μια εξωτερική μηχανική ροπή. Όταν οι δύο απέναντι εγκάρσιοι αγωγοί του ελίγματος κινούνται στο μαγνητικό πεδίο του των πόλων, επάγεται τάση Εα και στις ψήκτρες εμφανίζεται τάση 2Εα. Όταν οι δύο αγωγοί βρίσκονται στα κενά μεταξύ των πόλων, δεν υπάρχει μαγνητικό πεδίο και ούτε τάση. 17

18 ΤΟΜΗ ΜΗΧΑΝΗΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ Σχήμα 3. Τομή ΜΣΡ, πηγή : «Εργαστηριακές Ασκήσεις Ηλεκτρικών Μηχανών Συνεχούς και Εναλλασσομένου Ρεύματος», Ν. Σκραπαρλής, Β. Μολασιώτης, Δ. Τσιαμήτρος. - Η ψήκτρα Α1 είναι πάντοτε ο θετικός πόλος και η Α2 ο αρνητικός. - Ουσιαστικά ο συλλέκτης ανορθώνει την εναλλασσόμενη τάση της περιέλιξης του δρομέα. 18

19 ΜΕΣΗ ΤΙΜΗ ΤΑΣΗΣ ΕΞΟΔΟΥ Σχήμα 4. Μέση τιμή τάσης εξόδου, πηγή : «Εργαστηριακές Ασκήσεις Ηλεκτρικών Μηχανών Συνεχούς και Εναλλασσομένου Ρεύματος», Ν. Σκραπαρλής, Β. Μολασιώτης, Δ. Τσιαμήτρος. - Η τάση όμως δεν είναι εντελώς συνεχής. Έχει μία κυμάτωση με μέση τιμή Ε. - Οι πραγματικές μηχανές έχουν πολλά αυλάκια με πολλούς αγωγούς και πολλούς τομείς στο συλλέκτη, οι τάσεις των οποίων αθροιζόμενες δίνουν στις ψήκτρες μία τάση με πολύ μικρή κυμάτωση. 19

20 ΜΗΧΑΝΕΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ (5) Εάν το κύκλωμα του δρομέα με τα άκρα Α1, Α2 είναι ανοιχτό (λειτουργία κενού) όχι ρεύμα στο δρομέα και συνεπώς όχι δυνάμεις Laplace. Η εσωτερική ροπή T m τότε είναι μηδέν. Τότε η εξωτερική ροπή που κινεί τον άξονα της γεννήτριας είναι ίση με τη ροπή τριβών (συλλέκτη, εδράνων, αέρα), το άθροισμα των ροπών μηδέν και η περιστροφική ταχύτητα σταθερή. 20

21 ΜΗΧΑΝΕΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ (6) Εάν το κύκλωμα του δρομέα κλείσει με την αντίσταση φόρτισης (λειτουργία φόρτισης), κυκλοφορεί ρεύμα. Άρα αναπτύσσεται δύναμη Laplace και συνεπώς εσωτερική ροπή-αντιρροπή που είναι αντίθετη με την εξωτερική ροπή κίνησης. Τότε ισχύει: Τ εξ =Τ m +T τρ. - Τότε η εξωτερική μηχανική ισχύς κίνησης είναι: Ρ=ω m T εξ. - Η γεννήτρια δίνει ηλεκτρική ισχύ Ρ 1 =UI. - Η διαφορά ΣΡ=Ρ-Ρ 1 είναι οι απώλειες της γεννήτριας. 21

22 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΙΝΗΤΗΡΑ (1) Η παραπάνω μηχανή Συνεχούς Ρεύματος (ΣΡ) με την ίδια πολικότητα ψηκτρών και την ίδια φορά του μαγνητικού πεδίου, ως κινητήρας, παίρνει από την πηγή ηλεκτρική ισχύ Ρ 1 =UI. - Η μηχανική ισχύς εξόδου είναι Ρ=ω m T m. - Αρχικά ο δρομέας βρίσκεται σε ηρεμία. Όταν τροφοδοτηθεί με συνεχή τάση U θα κυκλοφορήσει ρεύμα Ι=U/R a. 22

23 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΙΝΗΤΗΡΑ (2) - Αναπτύσσονται λοιπόν δυνάμεις Laplace που κινούν το δρομέα. - Όταν όμως αρχίζει να περιστρέφεται ο δρομέας, επάγεται τάση στα τυλίγματά του που αντιστρατεύεται την τάση της πηγής. Τότε το ρεύμα μειώνεται σε Ι=(U-E)/R a. - Εάν δεν υπάρχει μηχανικό φορτίο, έχουμε τη λειτουργία σε κενό, όπου η εσωτερική ροπή κίνησης είναι ίση με τη ροπή των τριβών. - Σε περίπτωση φόρτισης με ροπή φόρτισης Τ εξ, έχουμε Τ m =T εξ +Τ τρ. - Τότε η περιστροφική ταχύτητα είναι σταθερή. 23

24 ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΣΤΑΤΗΣ (1) Σχήμα 5. Τομή Πραγματικής Μηχανής ΣΡ, Πηγή : «Μηχανές συνεχούς ρεύματος και ασύγχρονες μηχανές», Ξυπτεράς Γ., Εκδόσεις Ζήτη,

25 ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΣΤΑΤΗΣ (2) Σχήμα 6. Στάτης, Πηγή : «Μηχανές συνεχούς ρεύματος και ασύγχρονες μηχανές», Ξυπτεράς Γ., Εκδόσεις Ζήτη,

26 ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΣΤΑΤΗΣ (3) - Στάτης: Κύριοι πόλοι, ζύγωμα, βοηθητικοί πόλοι, περιέλιξη κυρίων πόλων (διέγερσης), περιέλιξη βοηθητικών πόλων, περιέλιξη αντιστάθμισης. - Μικρές μηχανές όχι περιέλιξη διέγερσης μόνιμοι μαγνήτες. - Μεγάλα πέλματα πόλων ομοιόμορφη κατανομή ροής. - Βοηθητικοί πόλοι: όσοι οι κύριοι. - Μεγαλύτερο διάκενο από τους κύριους, σε σειρά με περιέλιξη δρομέα Βελτίωση μετάβασης. - Αντιστάθμιση: Σε σειρά με περιέλιξη δρομέα Αυξάνει το πεδίο σε μεγάλα φορτία. 26

27 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1) Ν. Σκραπαρλής, Β. Μολασιώτης, Δ. Τσιαμήτρος, «Εργαστηριακές Ασκήσεις Ηλεκτρικών Μηχανών Συνεχούς και Εναλλασομένου Ρεύματος», Σύγχρονη Παιδεία. 2) Chapman S., Electrical Machinery Fundamentals, Fourth Edition, McGraw-Hill Inc.. 27

28 Τέλος Ενότητας.