ΗΜΥ 340 Μηχανική Ηλεκτρικής Ισχύος Μηχανές συνεχούς έντασης

Transcript

1 ΗΜΥ 340 Μηχανική Ηλεκτρικής Ισχύος Μηχανές συνεχούς έντασης Δρ. Ηλίας Κυριακίδης Αναπληρωτής Καθηγητής ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ 2006 Ηλίας Κυριακίδης, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών, Πανεπιστήμιο Κύπρου

2 ΤΑ ΘΕΜΑΤΑ ΜΑΣ ΣΗΜΕΡΑ Εισαγωγή στις μηχανές συνεχούς έντασης Γεννήτριες συνεχούς έντασης Κινητήρες συνεχούς έντασης Αποδοτικότητα και απώλειες Είδη κινητήρων dc

3 ΜΗΧΑΝΕΣ DC (DC MACHINES) Μηχανές dc Γεννήτριες Κινητήρες Πιο διαδεδομένη η χρήση των κινητήρων dc παρά των γεννητριών dc. Εφαρμογές κινητήρων dc: - Σε εφαρμογές όπου το ηλεκτρικό σύστημα είναι dc (αυτοκίνητα, τρένα, αεροπλάνα) - Σε εφαρμογές όπου χρειάζονται μεγάλες εναλλαγές στην ταχύτητα. - Σε διάφορα μηχανήματα (αντλίες, γερανούς, ανεμιστήρες).

4 ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ - Οι περισσότερες μηχανές dc είναι όπως τις μηχανές ac, δηλαδή έχουν ac τάσεις και εντάσεις εσωτερικά. - Η είσοδος ή η έξοδος τους όμως (ανάλογα αν είναι κινητήρας ή γεννήτρια) είναι dc. Έχουμε μετατροπή ac/dc μέσω ενός μηχανισμού που ονομάζεται μεταγωγός ή συλλέκτης (commutator). Αποτελείται από δυο μέρη: το δρομέα (rotor) και το στάτη (stator) Το εσωτερικό μέρος της μηχανής το οποίο κινείται ελεύθερα Το εξωτερικό μέρος (ακίνητο)

5 ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Τόσο στο στάτη όσο και στο δρομέα υπάρχουν αυλακώσεις (slots) για την τοποθέτηση αγωγών. Στάτης κινητήρα dc [2]

6 ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Δρομέας κινητήρα dc [2]

7 ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Βασική διαφορά με τις μηχανές ac: Στις μηχανές dc η περιέλιξη πεδίου είναι τοποθετημένη στο στάτη ενώ οι περιελίξεις στις οποίες επάγεται η τάση (armature) είναι τοποθετημένες στο δρομέα.

8 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΩΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ - Δημιουργούμε μαγνητικό πεδίο στο στάτη (dc ένταση στην περιέλιξη πεδίου) - Περιστρέφουμε το δρομέα μέσω ενός κινητήρα. - Η τομή του αγώγιμου βρόγχου με την μαγνητική ροή δημιουργεί επαγωγή τάσης στα άκρα της περιέλιξης.

9 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΩΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ Επαγώμενη τάση σε αγωγό που κινείται σε μαγνητικό πεδίο: e ( v B) l v: ταχύτητα αγωγού B: μαγνητική ροή l: μήκος αγωγού στο μαγνητικό πεδίο Αφού v B v B sin μέγιστο γινόμενο όταν τα δυο διανύσματα είναι κάθετα και ελάχιστο όταν είναι παράλληλα.,

10 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΩΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ Η τάση που επάγεται είναι εναλλασσόμενη. Για να έχει μόνο θετικές τιμές χρησιμοποιούμε τον συλλέκτη (commutator) και τις ψήκτρες (brushes). Ο συλλέκτης αποτελείται από δυο ημικύλινδρους μονωμένους που διαχωρίζονται από μονωτικό υλικό. Όταν περιστρέφεται άγει ένταση εναλλάξ στον κάθε ημικύλινδρο μέσω των ψήκτρων και έτσι έχουμε πάντα τάση της ίδιας πολικότητας στο φορτίο. Πηγή: P. C. Sen, Principles of electric machines and power electronics, John Wiley & Sons, Inc., 1997.

11 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΩΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ Για να βελτιώσουμε περαιτέρω την τάση, χρησιμοποιούμε περισσότερες περιελίξεις (μικρότερη μεταβολή στην κυματομορφή).

12 ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Πηγή: [2]

13 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΩΣ ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ Οι πόλοι στο στάτη διεγείρονται με ένταση dc => μαγνητικό πεδίο στο στάτη Μαγνητική ροή Β: κατεύθυνση από το βόρειο (N) στο νότιο (S) πόλο μέσω του δρομέα. Ο δρομέας τροφοδοτείται επίσης με ένταση dc. brushes Ηλεκτροφόρος αγωγός σε μαγνητικό πεδίο. Δύναμη Lorentz στο δρομέα. Περιστροφή του δρομέα μέχρι S το ουδέτερο σημείο μεταξύ των πόλων. Στο σημείο αυτό η δύναμη που εξασκείται είναι μηδέν. Όμως, λόγω της αδράνειας, ο δρομέας συνεχίζει την περιστροφή του πέρα από το ουδέτερο σημείο. b 1 2 v v a B 30 N commutator I r_dc V dc Πηγή σχημάτων: [2]

14 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΩΣ ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ Κανονικά, το μαγνητικό πεδίο σε αυτό το σημείο θα έσπρωχνε το δρομέα προς την αντίθετη φορά με την οποία κινείται. Γι αυτό, η κατεύθυνση του ρεύματος στην περιέλιξη του δρομέα αντιστρέφεται μέσω του συλλέκτη (commutator). Η συνεχής εναλλαγή της κατεύθυνσης του ρεύματος όποτε ο δρομέας φτάνει στο ουδέτερο σημείο, συντηρεί την κίνηση του κινητήρα. S B v a 30 N 1 2 b v V dc I r_dc Για να αποφύγουμε την μεταβολή της ταχύτητας του κινητήρα με την εναλλαγή της κατεύθυνσης του ρεύματος, χρησιμοποιούμε αρκετές περιελίξεις στο δρομέα.

15 ΑΠΟΔΟΤΙΚΟΤΗΤΑ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ DC P out P in 100% P out 100% P out P losses P in P losses 100% P in

16 ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΣΕ ΜΗΧΑΝΕΣ DC (α) Απώλειες χαλκού (copper losses, I 2 R losses) Λόγω της αντίστασης των περιελίξεων στο στάτη και στο δρομέα. P cu I 2 A R A I 2 F R F copper armature field (β) Απώλειες πυρήνα (core losses) Απώλειες λόγω υστέρησης και των δινορευμάτων eddy στον μεταλλικό πυρήνα της μηχανής. (γ) Απώλειες στις ψήκτρες (brush losses) Λόγω της διαφοράς δυναμικού που αναπτύσσεται στις ψήκτρες. brush P V b b I A V b 2V (θεωρείται σταθερή σε ένα μεγάλο εύρος εντάσεων)

17 ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΣΕ ΜΗΧΑΝΕΣ DC (δ) Μηχανικές απώλειες Λόγω τριβής των διαφόρων μερών μεταξύ τους (friction) και με τον αέρα (windage). Εξαρτώνται από την ταχύτητα του κινητήρα. (ε) Λοιπές απώλειες (stray losses, miscellaneous losses) Είναι όλες οι μικρές απώλειες που δεν μπορούν να καταταχθούν σε κάποια άλλη κατηγορία (συνήθως 1% του πλήρους φορτίου).

18 ΕΙΔΗ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ DC 1. Ανεξάρτητης διέγερσης (separately excited) 2. Παράλληλης διέγερσης (shunt) 3. Διέγερσης σειράς (series) 4. Σύνθετης διέγερσης (compounded) 5. Dc κινητήρας με μόνιμο μαγνήτη (permanent-magnet dc motor)

19 ΚΑΜΠΥΛΗ ΜΑΓΝΗΤΙΣΗΣ Ή ΚΑΜΠΥΛΗ ΚΟΡΕΣΜΟΥ (MAGNETIZATION OR SATURATION CURVE) E A : Τάση εξ επαγωγής I F : Ένταση πεδίου