Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή Αντικείμενο της εργασίας είναι η σχεδίαση και κατασκευή του ηλεκτρονικού τμήματος της διάταξης μέτρησης των θερμοκρασιών σε διάφορα σημεία ενός κινητήρα Ο στόχος είναι η ανάκτηση του θερμοκρασιακού πεδίου στο στάτη και το ρότορα του κινητήρα με όσο το δυνατό περισσότερους αισθητήρες θερμοκρασίας, προκειμένου να ανακτηθεί με όσο το δυνατό μεγαλύτερη ακρίβεια η κατανομή του θερμοκρασιακού πεδίου που αναπτύσσεται μέσα σε αυτόν Ειδικά, σε τοπικά σημεία όπου η αύξηση της θερμοκρασίας ενδέχεται να οδηγήσει σε αλλοιώσεις των μηχανικών ή μαγνητικών ιδιοτήτων (σημείο Courie) έχει βαρύνουσα σημασία για τη μελέτη και τη σχεδίαση των κινητήρων Με τις πειραματικές μετρήσεις είναι δυνατή η επαλήθευση των αποτελεσμάτων των θεωρητικών μελετών που γίνονται βάση μοντελοποίησης και υπολογισμού που στηρίζεται στη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων Υπάρχουν διαθέσιμα και γνωστά αποτελέσματα προσομοίωσης του θερμοκρασιακού πεδίου, βάση των μεθόδων αυτών, τα οποία παράγουν τρισδιάστατους θερμοκρασιακούς χάρτες Οι εν λόγω χάρτες διαφέρουν ανάλογα με τη διακριτική ικανότητα μοντελοποίησης των πεπερασμένων στοιχείων Η ακρίβεια τους ή το επιτρεπτό επίπεδο ακρίβειας που συνεπάγει και την ανάλογη υπολογιστική πολυπλοκότητα (χρόνος υπολογισμού-απαιτούμενη μνήμη) θα 3
πρέπει να καθορισθεί μέσω πειραματικών επαληθεύσεων Συνεπώς, η ζητούμενη διάταξη θα αποτελέσει ένα πειραματικό μέσο για την επεξεργασία όλων εκείνων των δεδομένων που θα οδηγήσουν στη τελική αξιολόγηση των θεωρητικών-υπολογιστικών μεθόδων Για τον σκοπό αυτό κατασκευάστηκε ένας ειδικός πειραματικός κινητήρας Η μηχανή του εν λόγω πειράματος είναι ένας ασύγχρονος τριφασικός ηλεκτροκινητήρας βραχυκυκλωμένου κλωβού 20 HP που σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε εξ αρχής για τη συγκεκριμένη μέτρηση Αρχικά, έγινε η μελέτη-σχεδίαση του εξεταζόμενου ηλεκτροκινητήρα Έτσι κατά την κατασκευή του με βάση τον σχεδιασμό που προηγήθηκε, τοποθετήθηκαν σε 17 διαφορετικά σημεία, τόσο στον στάτη όσο και στον δρομέα, κατάλληλα αισθητήρια θερμοκρασίας (θερμοζεύγη και θερμικές αντιστάσεις) Ενδεικτικό για τις θέσεις των αισθητηρίων είναι το σχήμα 11 Σχήμα 11 : Θέσεις αισθητηρίων θερμοκρασίας Οι απολήξεις (άκρα καλωδίων) των αισθητηρίων εξέρχονται από τον κινητήρα, για τον μεν στάτη μαζί με τους αγωγούς της περιέλιξης, από ένα βοηθητικό κιβώτιο ακροδεκτών δίπλα στο κύριο, ενώ για τον δρομέα από ένα άνοιγμα 15 mm που έγινε σε όλο το μήκος του ελεύθερου άξονα από την πλευρά τροχαλίας ύστερα από ειδική κατεργασία Η κατασκευή του κινητήρα έγινε στο εργοστάσιο κατασκευής ηλεκτροκινητήρων EΛΛΑΣ ΕΛΕΚΤΡΙΚ ΑΕΒΕ που βρίσκεται στην περιοχή της Νέα Σάντα στο Κιλκίς Το έμπειρο τεχνικό προσωπικό του εργοστασίου και κυρίως ο υπεύθυνος κατασκευής, μηχανικός κ Σ Θεοδώρου, έλαβε σοβαρά υπόψη του όλες τις ιδιαιτερότητες του κινητήρα δίνοντας μεγάλη προσοχή σε κάθε λεπτομέρεια Στην συνέχεια, έγινε η μελέτη - σχεδίαση και κατασκευή της ηλεκτρονικής διάταξης που επιτρέπει την μέτρηση της θερμοκρασίας μέσω των αισθητηρίων που τοποθετήθηκαν στον κινητήρα Συγκεκριμένα, η διάταξη περιλαμβάνει δύο ηλεκτρονικά κυκλώματα για την ανάκτηση και επεξεργασία των δεδομένων όλων των 4
αισθητηρίων (θερμοζευγών και θερμικών αντιστάσεων) Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στη σχεδίαση του ηλεκτρονικού μέρους, ώστε το σφάλμα των μετρήσεων που θα ακολουθήσουν να είναι αμελητέο Οι μετρήσεις παρέχονται από κατάλληλα όργανα με ακρίβεια της τάξης του 2%, που θεωρείται επαρκής για τις ανάγκες του εν λόγω πειράματος Η διάταξη με την οποία γίνονται τα πειράματα στο εργαστήριο, δίνεται στο σχήμα 12 Επίσης σε πρώτη φάση σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε κάρτα μετατροπής των μετρολογικών τάσεων σε ψηφιακές Η μετατροπή αυτή είναι απαραίτητη για την μελλοντική σύνδεση της διάταξης με προσωπικό υπολογιστή όπως αναλύεται στην επόμενη παράγραφο Σχήμα 12 : Διάταξη μέτρησης θερμοκρασίας ηλεκτροκινητήρα 15 KW ΑΜΒΚ Ρότορας Καταγραφικά Όργανα PC Προσωπικός Υπολογιστής Στάτης Σχήμα 13 Λόγω της ιδιομορφίας που έχει ο κινητήρας με ένα κινητό (ρότορας) και ένα ακίνητο μέρος (στάτης) τα κυκλώματα διαχωρίστηκαν σε δυο μέρη: 5
-κύκλωμα μέτρησης θερμοκρασιών στο ρότορα -κύκλωμα μέτρησης θερμοκρασιών στο στάτη Ο διαχωρισμός αυτός φαίνεται στο παραστατικό σχήμα 13 Η διάταξη μέτρησης που υλοποιεί το μπλοκ διάγραμμα 13 φαίνεται στο σχήμα 14 Περιλαμβάνει ηλεκτρονικά κυκλώματα ενίσχυσης των τάσεων των θερμοζευγών, υπέρυθρη ζεύξη για την μετάδοση της πληροφορίας του ρότορα και προσωπικό υπολογιστή για την επεξεργασία των δεδομένων Σχήμα 14 11 Η κατασκευαστική δυσκολία της διάταξης μέτρησης θερμοκρασίας σε περιστρεφόμενο ρότορα Η σύνδεση του στρεφόμενου τμήματος της μηχανής με την μετρολογική διάταξη (αναλογικά όργανα μέτρησης ή υπολογιστή) παρουσιάζει δυσκολίες Η κλασική προσέγγιση στο θέμα είναι η χρήση δακτυλίων μέσω των οποίων οι τάσεις των θερμοζευγών του ρότορα εξάγονται στη σταθερή διάταξη μέτρησης Η διάταξη αυτή φαίνεται στο σχήμα 15 6
1-6 Θερμοζεύγοι 1 7 2 8 3 9 4 10 5 11 6 12 7-12 : ενισχυτές AD595CD Περιστρεφόμενο μέρος άξονας Δακτύλιοι ψήκτρες +24 Σταθερό μέρος 24 + - Σχήμα 15Μεταφορά ηλεκτρικής πληροφορίας μέσω δακτυλίου και βρόχου διασύνδεσης 7
1-6 Θερμοζεύγοι 1 7 2 3 8 9 Μετατροπέας A/D Διάταξη Επικοινωνίας IrDA Πομπός Διάταξη Επικοινωνίας IrDA Διάταξη Αποπολυπλέκτη και D/A 4 10 5 11 Δέκτης 6 12 Πυρήνας ρότορα 7-12 : ενισχυτές AD595CD Ελεγκτής Συστήματος Αναλογικές Έξοδοι Συσκευή Καταγραφής Αναλογικών Σημάτων Περιστρεφόμενος Ρότορας Μετρολογική Διάταξη εκτός Κινητήρα Σχήμα 16 Μετρολογική Διάταξη για την ανάκτηση θερμοκρασιακού πεδίου περιστρεφόμενου ρότορα μέσω ζεύξης IrDA Προσωπικός Υπολογιστής PC 8
Η λύση αυτή παρουσιάζει στη πράξη δυσκολίες λόγω των τάσεων θορύβου που αναπτύσσονται στους δακτυλίους κατά την περιστροφή και οι οποίες επηρεάζουν τις μετρήσεις σε σημαντικό βαθμό Για το λόγω αυτό ο χειριστής της διάταξης είναι υποχρεωμένος να σταματάει τη μηχανή προκειμένου να μετρήσει σωστά τις θερμοκρασίες στο ρότορα Με τον τρόπο αυτό όμως δεν είναι δυνατή η μέτρηση του θερμοκρασιακού πεδίου της μηχανής υπό συνθήκες μεταβαλλόμενου φορτίου, η μελέτη της δυναμικής συμπεριφοράς, της αδράνειας κλπ Επίσης η μέθοδος αυτή οδηγεί σε δύσκολη μηχανολογική κατασκευή και υψηλό κόστος Αυτό οφείλεται στο μεγάλο αριθμό από δακτυλίους που απαιτούνται για τη κατασκευή Έτσι η μέθοδος αυτή δεν εφαρμόζεται σε μικρούς κινητήρες με πολλά θερμοζεύγη Εναλλακτική λύση στο πρόβλημα αυτό είναι η μετάδοση της πληροφορίας από το ρότορα με χρήση υπέρυθρης ζεύξης ( IrDA Link ) Για να γίνει η μετάδοση είναι απαραίτητη πρώτα η μετατροπή των τάσεων των θερμοζευγών σε ψηφιακό σήμα το οποίο στη συνέχεια θα σταλεί στη διάταξη μέτρησης με ένα πομποδέκτη υπερύθρων Η διάταξη σχεδιάζεται στο σχήμα 16 Στο σταθερό τμήμα εκτός κινητήρα υπάρχει ένας μετατροπέας D/A, τα όργανα καταγραφής και ο υπολογιστής που επεξεργάζεται τα δεδομένα Το κύκλωμα πρέπει να έχει μικρές διαστάσεις και να είναι καλά στερεωμένο στον άξονα, διότι αναπτύσσεται φυγόκεντρος δύναμη κατά την περιστροφή Επίσης η κατανάλωση του κυκλώματος πρέπει να είναι μικρή διότι είναι αναγκαστική η τροφοδότηση του μέσω μπαταρίας Με τη χρήση υπέρυθρης ζεύξης (IrDA link) εξασφαλίζεται η μέτρηση των δεδομένων του δρομέα σε πραγματικό χρόνο χωρίς να είναι απαραίτητο να σταματήσουμε τη μηχανή πριν την μέτρηση Η επεξεργασία των δεδομένων αυτών θα γίνεται από ηλεκτρονικό υπολογιστή μέσω κατάλληλου λογισμικού Σε μελλοντική φάση θα είμαστε σε θέση να παρακολουθούμε ταυτόχρονα πολλά αισθητήρια ακόμα και κατά την διάρκεια μεταβατικών φαινομένων όπως κατά την εκκίνηση του κινητήρα Ο αριθμός των θερμοστοιχείων δεν αποτελεί κατασκευαστικό περιορισμό στη περίπτωση χρήσης υπέρυθρης ζεύξης Επίσης σε μεγάλους κινητήρες των εκατοντάδων KW μπορώ να πληροφορούμαι για τυχόν υπέρβαση θερμοκρασίας και με ειδικά κυκλώματα να τους ασφαλίζω από υπερβολικές φορτίσεις 9