Ηλεκτρικές Μηχανές ΙΙ

Transcript

1 ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Ηλεκτρικές Μηχανές ΙΙ Ενότητα 2: Ασύγχρονος Τριφασικός Κινητήρας Αρχή Λειτουργίας Ηρακλής Βυλλιώτης Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών ΤΕ

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 Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα» 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 Ο στόχος της 2 ης Ενότητας είναι η πληροφόρηση του φοιτητή σχετικά με την αρχή λειτουργίας, το ισοδύναμο μονοφασικό κύκλωμα και τη ροή της ισχύος και του βαθμού απόδοσης του ασύγχρονου τριφασικού κινητήρα. 4

5 Περιεχόμενα Ενότητας Βασικά Μέρη Ηλεκτρικών Μηχανών Στάτης Επαγωγικοί ή Ασύγχρονοι Κινητήρες Εξωτερικό Κέλυφος και Στάτης Επαγωγικών Κινητήρων Ασύγχρονος Τριφασικός Κινητήρας Κατηγορίες Ασύγχρονων Τριφασικών Κινητήρων Αρχή λειτουργίας Ασύγχρονου Τριφασικού Κινητήρα Χαρακτηριστική Ροπής - Ολίσθησης Ισοδύναμο Κύκλωμα 3Φ Ασύγχρονου Κινητήρα Ροή της Ισχύος Βαθμός Απόδοσης 5

6 Βασικά Μέρη Ηλεκτρικών Μηχανών Σταθερό μέρος (πυρήνας στάτη και τύλιγμα) Στρεφόμενο μέρος (πυρήνας δρομέα και τύλιγμα) Διάκενο αέρα, απαραίτητο για τη σχετική κίνηση στάτη και δρομέα 6

7 Στάτης Τριφασική Περιέλιξη Στάτη 7

8 Επαγωγικοί ή Ασύγχρονοι Κινητήρες - 8

9 Εξωτερικό Κέλυφος και Στάτης Επαγωγικών Κινητήρων 9

10 Επαγωγικοί ή Ασύγχρονοι Κινητήρες - 2 0

11 Ασύγχρονος Τριφασικός Κινητήρας -

12 Ασύγχρονος Τριφασικός Κινητήρας - 2 2

13 Ασύγχρονος Τριφασικός Κινητήρας - 3 Το τύλιγμα του στάτη, είναι γνωστό και ως τύλιγμα τυμπάνου. Κατασκευαστικά το τύλιγμα του στάτη, στην περίπτωση του τριφασικού κινητήρα αποτελείται από τρία όμοια διανεμημένα μονοφασικά τυλίγματα, μετατιθέμενα στο χώρο κατά 20 ηλεκτρικές μοίρες. U V W W 2 U 2 V2 Ο αριθμός των πόλων των τυλιγμάτων αυτών, για δεδομένη συχνότητα τροφοδοσίας, καθορίζει τις ονομαστικές στροφές του κινητήρα. f n s =20 P 3

14 Ασύγχρονος Τριφασικός Κινητήρας - 4 Το τύλιγμα του δρομέα είναι βραχυκυκλωμένο και τροφοδοτείται με Ε.Ρ. έμμεσα από το στάτη λόγω επαγωγής, όπως ακριβώς και το δευτερεύον τύλιγμα στην περίπτωση των μετασχηματιστών. Για το λόγο αυτό, ο ασύγχρονος κινητήρας ονομάζεται και κινητήρας επαγωγής. Μιας και για τη λειτουργία του ασύγχρονου κινητήρα, απαιτείται η τροφοδότηση με εναλλασσόμενη τάση μόνο του ενός από τα δύο τυλίγματα (και συγκεκριμένα του τυλίγματος του στάτη), ο ασύγχρονος κινητήρας χαρακτηρίζεται και σαν κινητήρας απλής τροφοδότησης. Σε αντίθεση με το μετασχηματιστή, το ρεύμα διέγερσης που απαιτείται για τη δημιουργία της συνισταμένη μαγνητικής ροής στο διάκενο της μηχανής, είναι αρκετά μεγαλύτερο (της τάξης του 40% περίπου του ονομαστικού ρεύματος), λόγω της σημαντικά αυξημένης μαγνητικής αντίστασης που εισάγεται στο σιδηρομαγνητικό κύκλωμα από την ύπαρξη του διακένου. 4

15 Ασύγχρονος Τριφασικός Κινητήρας - 5 Ανάλογα δε με τις τάσεις τροφοδοσίας και τον τύπο του κινητήρα, τα τυλίγματα του στάτη συνδέονται είτε σε αστέρα είτε σε τρίγωνο. U L L L2 L3 230 V 400 V 400 V U V W W 2 U 2 N V 2 W 2 U 2 V2 W V 400 V L 2 L 3 L L2 L3 W 2 U L U V W 400 V 400 V W 2 U 2 V2 W V 2 V U V L 2 L 3 5

16 Ασύγχρονος Τριφασικός Κινητήρας - 6 6

17 Κατηγορίες Ασύγχρονων Τριφασικών Κινητήρων - Κινητήρες τυλιγμένου δρομέα ή δακτυλιοφόροι Ψήκτρες Τριφασικό τύλιγμα δρομέα σε συνδεσμολογία αστέρα Δακτύλιοι επαφής Άξονας δρομέα Εξωτερική ρυθμιστική τριφασική αντίσταση 7

18 Κατηγορίες Ασύγχρονων Τριφασικών Κινητήρων - 2 Στους κινητήρες τυλιγμένου δρομέα, υπάρχει η δυνατότητα μέσω των ψηκτρών, παρεμβολής πρόσθετης εξωτερικής ωμικής αντίστασης σε σειρά σε κάθε φάση του τυλίγματος του δρομέα. Χρήση: κυρίως σε μεγάλες ισχείς και σε περιπτώσεις υψηλών απαιτήσεων σε ροπή εκκίνησης. 8

19 Κατηγορίες Ασύγχρονων Τριφασικών Κινητήρων - 3 Κινητήρες βραχυκυκλωμένου δρομέα ή τύπου κλωβού 9

20 Κατηγορίες Ασύγχρονων Τριφασικών Κινητήρων - 4 Δακτυλίδια βραχυκύκλωσης άκρων Ράβδοι τυλίγματος κλωβού Αν και οι κινητήρες τυλιγμένου δρομέα, παρέχουν μεγαλύτερη ευελιξία για τον έλεγχο της ροπής και των στροφών, οι κινητήρες βραχυκυκλωμένου δρομέα, λόγω χαμηλότερου κόστους, μικρότερου όγκου και στιβαρότερης κατασκευής, προτιμούνται περισσότερο στις συνηθισμένες βιομηχανικές εφαρμογές. Σε περιπτώσεις που απαιτούνται υψηλές ροπές κατά την εκκίνηση, μπορεί να γίνει χρήση δρομέα διπλού κλωβού. 20

21 Αρχή λειτουργίας Ασύγχρονου Τριφασικού Κινητήρα - Όταν τροφοδοτήσουμε το τύλιγμα του στάτη με ένα τριφασικό συμμετρικό σύστημα τάσεων, δημιουργείται στο διάκενο της μηχανής ένα στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο. Η ταχύτητα περιστροφής του μαγνητικού πεδίου του στάτη: f 2πn 2 2 n s = 20 ω s s = = 2π f = ω P 60 P P Ο ασύγχρονος κινητήρα, συμπεριφέρεται όμοια με ένα μετασχηματιστή, στο μαγνητικό κύκλωμα του οποίου παρεμβάλλεται και κάποιο διάκενο αέρος. Οι επαγόμενες τάσεις στα τυλίγματα του ακινητοποιημένου δρομέα, οι οποίες σε αντίθεση με το μετασχηματιστή δεν οφείλονται στη χρονική μεταβολή της μαγνητικής ροής, αλλά στο στρεφόμενο κύμα σταθερού μεγέθους της μαγνητικής ροής στο διάκενο, έχουν την ίδια συχνότητα με εκείνη των τάσεων τροφοδοσίας των τυλιγμάτων του στάτη. 2

22 Αρχή λειτουργίας Ασύγχρονου Τριφασικού Κινητήρα - 2 E s, m r, m E s = = 4.44 f K ws N ph, sφ sr, m E r = = 4.44 f K wr N ph, rφ sr, m 2 E 2 Η Φ sr, m για σταθερή τάση και συχνότητας, η μέγιστη μαγνητική ροή ανά πόλο, παραμένει σταθερή ανεξάρτητα από τις συνθήκες φόρτισης του κινητήρα. Φ sr, m = E s 4.44 f K w N ph, 4.44 f K w N ph, Η σχέση μετασχηματισμού των τυλιγμάτων στάτη και δρομέα = V a Es K N ws = = E K N ph, s r wr ph, r 22

23 Αρχή λειτουργίας Ασύγχρονου Τριφασικού Κινητήρα - 3 Δρομέας Ανοιχτοκυκλωμένος: Τα ρεύματα των τυλιγμάτων του στάτη αποτελούν ταυτόχρονα και τα ρεύματα διέγερσης του κινητήρα και είναι υπεύθυνα για την εγκατάσταση της απαιτούμενης μαγνητικής ροής στο διάκενο της μηχανής. Δρομέας Βραχυκυκλωμένος: Λόγω των επαγόμενων Η.Ε.Δ. θα κυκλοφορήσουν ρεύματα στο δρομέα, της ίδια συχνότητας με τη συχνότητα των τάσεων τροφοδοσίας των τυλιγμάτων του στάτη. Τα ρεύματα αυτά στο δρομέα, θα δημιουργήσουν και αυτά με τη σειρά τους ένα στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο στο δρομέα, στρεφόμενο επίσης με τη σύγχρονη ταχύτητα και με την ίδια φορά περιστροφής με το αντίστοιχο στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο του τυλίγματος του στάτη. Η αλληλεπίδραση των δύο μαγνητικών πεδίων στάτη και δρομέα ή του συνιστάμενου μαγνητικού πεδίου με το μαγνητικό πεδίο του δρομέα, δημιουργούν κινούσα ροπή στην κατεύθυνση της φοράς περιστροφής του μαγνητικού πεδίου του στάτη. 23

24 Αρχή λειτουργίας Ασύγχρονου Τριφασικού Κινητήρα - 4 Στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας, ο δρομέας στρέφεται με ταχύτητα n r μικρότερη της σύγχρονης ταχύτητας n s. Ολίσθηση: Ο λόγο της σχετικής ταχύτητας του πεδίου ως προς το δρομέα προς τη σύγχρονη ταχύτητα. s n n s r s r = s(%) = 00 ns ns Συχνότητα Ολίσθησης : Η συχνότητα f 2 των επαγόμενων τάσεων στα τυλίγματα του δρομέα, συνδέεται με τη συχνότητα f του δικτύου n n f 2 P = 2 ( n Η επαγόμενη Η.Ε.Δ. στα τυλίγματα του δρομέα κατά την κανονική λειτουργία ( n r < n s ) E 4.44K f N = se rs s 60 n r ) P ns = s = 2 60 = wr 2 ph, rφ sr, m sf r 24

25 Αρχή λειτουργίας Ασύγχρονου Τριφασικού Κινητήρα - 5 Μηχανική Ροπή : Απαραίτητη προϋπόθεση για την παραγωγή μη μηδενικής μέσης ροπής σε έναν κινητήρα, είναι να μην υπάρχει σχετική κίνηση μεταξύ των δύο αλληλεπιδρώντων μαγνητικών πεδίων στάτη και δρομέα. Δηλαδή, τα δύο μαγνητικά πεδία είτε θα είναι ακίνητα στο χώρο (μηχανές Σ.Ρ.), είτε θα κινούνται με την ίδια ταχύτητα (μηχανές Ε.Ρ.). Το μέγεθος της παραγόμενης ροπής, είναι ανάλογο του γινομένου των μεγεθών των δύο πεδίων καθώς και της μεταξύ τους γωνίας. P τ = 2 µ oπdl 2g s, m r, m sinθ Το πρόσημο ( - ) δηλώνει ότι, η ροπή ενεργεί προς την κατεύθυνση μείωσης της γωνίας των δύο πεδίων και την ευθυγράμμιση τους. 25 F F

26 Αρχή λειτουργίας Ασύγχρονου Τριφασικού Κινητήρα - 6 Εναλλακτική έκφραση της ροπή του κινητήρα, είναι με τη χρήση της συνισταμένης μαγνητικής ροής διακένου. π τ = 2 P 2 2 Για σταθερή τάση και συχνότητα τροφοδοσίας, η μαγνητική ροή στο διάκενο παραμένει σταθερό, οπότε: Φ sr, m F r, m sinα r τ = KF r, m sinα r = K I r sinα r Για λειτουργία κοντά στο σύγχρονο αριθμό στροφών (μικρές τιμές της ολίσθησης), η r 2»x 2 και το τύλιγμα του δρομέα εμφανίζει ωμική συμπεριφορά. Δηλαδή, το ρεύμα στο δρομέα με την επαγόμενη Η.Ε.Δ, είναι σχεδόν συμφασικά και επίσης φ 2 = 0 ο και a r = 90 ο τ = K I r E = K r r, s 2 K E = r 2 r s 26

27 Χαρακτηριστική Ροπής - Ολίσθησης T (Nm) T max T st Για μικρές ολισθήσεις, η παραγόμενη ροπή μεταβάλλεται γραμμικά με την ολίσθηση. Η αύξηση της ολίσθησης προκαλεί αύξηση της παραγόμενης ροπής όχι πλέον σε γραμμική σχέση, μέχρι μιας μέγιστης τιμής η οποία καθορίζει και τα μέγιστα όρια βραχείας υπερφόρτισης του κινητήρα. Κάθε αύξηση της ολίσθησης επάνω από την τιμή που αντιστοιχεί στη μέγιστη ροπή, προκαλεί μείωση της παραγόμενης ροπής και σταδιακή μείωση των στροφών, καθότι στο συγκεκριμένο κλάδο της χαρακτηριστικής ο κινητήρας αδυνατεί να ανταπεξέλθει στις απαιτήσεις του φορτίου s

28 Ισοδύναμο Κύκλωμα 3Φ Ασύγχρονου Κινητήρα - Η ανάλυση λειτουργίας του 3Φ ασύγχρονου κινητήρα στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας γίνεται μέσω του ισοδύναμου κυκλώματος της μιας φάσης όπως ακριβώς και με το μετασχηματιστή: I R jx I L Im + I ϕ + I c V V I c Rc I m jx m E I m I φ φ I 2 I E I R ji X m Re V ( + E I ) = R + jx Σε πλήρη αναλογία με το Μ/Σ, το ρεύμα του τυλίγματος του στάτη αποτελείται από δύο συνιστώσες, τη συνιστώσα φορτίου και τη συνιστώσα διέγερσης: I =I ϕ +I2 28

29 Ισοδύναμο Κύκλωμα 3Φ Ασύγχρονου Κινητήρα - 2 Η συνιστώσα της διέγερσης, παρέχει το ρεύμα που απαιτείται για την εγκατάσταση της συνιστάμενης μαγνητικής ροής στο διάκενο της μηχανής και το οποίο είναι πρακτικά σταθερό και ανεξάρτητο από τις συνθήκες φόρτισης του κινητήρα. Ιφ= (40-50%) Ιον: I = I + φ m I c Η συνιστώσα φορτίου του ρεύματος του στάτη, αντισταθμίζει πλήρως τη Μ.Ε.Δ. που δημιουργεί το αντίστοιχο ρεύμα στο τύλιγμα του δρομέα και ευθύνεται για την ηλεκτρομηχανική μετατροπή της ενέργειας. 29

30 Ισοδύναμο Κύκλωμα μιας Φάσης Ανοιγμένο στο Τύλιγμα του Στάτη - I R jx I jx I ϕ + V I c Rc I m jx m E R 2 s I + φ = I m I c E 2s = se I 2s = I 2 E I 2s 2s = se I 2 = R 2 + jsx 2 E I 2 = z 2 = R 2 + s jx 2 30

31 Ισοδύναμο Κύκλωμα μιας Φάσης Ανοιγμένο στο Τύλιγμα του Στάτη - 2 Απλουστευμένη μορφή ισοδύναμου κυκλώματος μιας φάσης 3Φ ασύγχρονου κινητήρα. Το σφάλμα είναι πρακτικά αμελητέο, αν αμελήσουμε τη συνιστώσα των απωλειών πυρήνα (μαγνητικής υστέρησης και δινορρευμάτων) του ρεύματος του στάτη και μαζί της την R c, υπό την προϋπόθεση ότι οι συγκεκριμένες απώλειες θα ενσωματωθούν μαζί με τις μηχανικές απώλειες τριβών και ανεμισμού, οι οποίες συνήθως θεωρούνται σταθερές (ανεξάρτητες από το φορτίο και την ταχύτητα περιστροφής). I R jx I jx I ϕ =I m + jx m V E R 2 s 3

32 Ροή της Ισχύος P Cu, s P w, c P Cu, r P int = P em Pm P in P g P in = Ηλεκτρική ισχύς την είσοδο του κινητήρα, (W) PC u,s = Απώλειες χαλκού στα τυλίγματα του στάτη, (W) P g = Ισχύς διακένου, (W) PC u,r = Απώλειες χαλκού στα τυλίγματα του δρομέα, (W) P int = Εσωτερική ή ηλεκτρομαγνητική ισχύς, (W) P w,c = Μηχανικές απώλειες και απώλειες πυρήνα, (W) P = P = P + P int em w, c m P g = Pint + P Cu, r P = P + P in g Cu, s 32

33 Βαθμός Απόδοσης η(%) = P P m in 00 = P in ( P Cu, s + P in P Cu, r + P w, c ) 00 33

34 Τέλος Ενότητας