5279: Ηλεκτρομηχανολογικός Εξοπλισμός Διεργασιών 7 ο εξάμηνο Ηλεκτρικοί Κινητήρες Γεννήτριες (εισαγωγικές σημειώσεις) Θ. Παπαθανασίου, Επικ. Καθηγητής ΕΜΠ https://courses.chemeng.ntua.gr/sme/
Ηλεκτρικοί Κινητήρες - Γεννήτριες Εισαγωγή DC γεννήτριες ή δυναμό AC γεννήτριες ή εναλλακτήρες DC κινητήρες AC κινητήρες Κινητήρες Universal Σύνοψη
Εισαγωγή Περιστρεφόμενες ηλεκτρικές μηχανές Ταξινομούνται ως εξής: γεννήτριες μετατρέπουν μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια κινητήρες μετατρέπουν ηλεκτρική ενέργεια σε μηχανικό έργο. Βασίζονται στην αλληλεπίδραση μαγνητικού πεδίου και ενός συνόλου τυλιγμάτων συρμάτων (βρόχοι αγωγών πηνία)
Μια απλή γεννήτρια AC Σύμφωνα με το νόμο του Faraday, αν σε ένα πηνίο με Ν-ελίγματα μεταβληθεί η μαγνητική ροή, Φ, τότε η επαγόμενη τάση, V, στους ακροδέκτες του πηνίου είναι Αν ένα πηνίο με διατομή, Α, περιστρέφεται ως προς μαγνητικό πεδίο, Β, και σε κάποια χρονική στιγμή η γωνία μεταξύ τους είναι θ, τότε η μαγνητική ροή είναι BAsinθ, και ο ρυθμός μεταβολής της είναι : dφ dt = BA d V = N ( sinθ) dt = dφ dt BA dθ dt cosθ = BAω cosθ
Μια απλή γεννήτρια AC με Ν-τυλίγματα Για την παρακάτω διάταξη θα ισχύει: ( sinθ ) dφ d V = N = NBA = dt dt NBAω cosθ
Η παραγόμενη τάση Η διάταξη παράγει τάση, V, με ημιτονοειδή κυματομορφή:
Οι ακροδέκτες του πηνίου θα συστρέφονταν κατά την περιστροφή. Για αυτό χρησιμοποιούμε δακτυλίους ολίσθησης (slip rings) με oλισθένουσες επαφές που ονομάζονται ψύκτρες ή καρβουνάκια ή βουρτσάκια ( brushes ) Στην πράξη
Μια απλή γεννήτρια DC Το εναλλασσόμενο ρεύμα, AC, μπορεί μετατραπεί σε συνεχές, DC, χρησιμοποιώντας ανορθωτές Συνήθως η ανόρθωση επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας ένα διακοπτόμενο δακτύλιο ολίσθησης που ονομάζεται (commutator) Είναι διατεταγμένο έτσι ώστε οι ακροδέκτες του πηνίου να αντιστρέφονται όταν στο πηνίο παράγεται τάση με αντίστροφη πολικότητα Επομένως η τάση στο δακτύλιο δεν αλλάζει πολικότητα Προσθέτοντας περισσότερα πηνία παράγεται πιο σταθερή τάση στο δακτύλιο, δηλαδή στην έξοδο της γεννήτριας
Η χρήση του commutator
Απλή γεννήτρια με δύο πηνία
Στην πράξη Η διακύμανση μπορεί να ελαττωθεί περεταίρω με τη χρήση κυλινδρικού πυρήνα και διαμορφώνοντας το διάκενο των μαγνητικών πόλων Επιδιώκεται η ομαλοποίηση του μαγνητικού πεδίου στο διάκενο Η διάταξη των πηνίων και του πυρήνα ονομάζεται και οπλισμός (armature)
Γεννήτριες DC ή δυναμό Στην πράξη οι γεννήτριες DC έχουν διάφορες μορφές που εξαρτώνται από το πώς δημιουργείται το μαγνητικό πεδίο: με μόνιμους μαγνήτες συχνά δημιουργείται ηλεκτρικά με χρήση πηνίων (field coils) το ρεύμα στα πηνία μπορεί να προέρχεται από εξωτερική τροφοδοσία (εξωτερικά διεγειρόμενη γεννήτρια) συνήθως τα πηνία τροφοδοτούνται (οδηγούνται) από την έξοδο της γεννήτριας (αυτό-διεγειρόμενη γεννήτρια) Χρησιμοποιούνται πολλαπλοί μαγνητικοί πόλοι (ζεύγη πηνίων) τοποθετημένοι σε μεταλλικό σωλήνα που ονομάζεται στάτορας
4-πολική γεννήτρια
Διέγερση του πηνίου για το μαγνητικό πεδίο (field coil) Μερικές φορές τα πηνία συνδέονται σε σειρά με τον οπλισμό, μερικές φορές εν παραλλήλω (shunt) και άλλες φορές σε σύνθετη συνδεσμολογία (compound) Παράγουν ελαφρώς διαφορετικά χαρακτηριστικά Δίπλα δείχνεται συνδεσμολογία (shunt)
Χαρακτηριστικά γεννήτριας DC δε διαφέρουν σχηματικά για διάφορες μορφές τους Δείχνονται χαρακτηριστικά για γεννήτρια με συνδεσμολογία shunt (παράλληλη σύνδεση πηνίου οπλισμού)
Γεννήτριες AC και ενναλακτήρες (alternators) Οι γεννήτριες AC δεν απαιτούν επαφές στον οπλισμό (commutation) Απλούστερη κατασκευή Τα πεδιακά πηνία (field coils) κατασκευάζονται ώστε περιστρέφονται ενώ τα τυλίγματα του οπλισμού είναι σταθερά (ακίνητα) Τα τυλίγματα αυτά παράγουν την έξοδο Τα τυλίγματα του οπλισμού βρίσκονται στο στάτορα και είναι βαρύτερα Τα πηνία του πεδίου, που είναι ελαφρύτερα τοποθετούνται στο ρότορα. Αυτά μπορεί να τροφοδοτούνται από συνεχές ρεύμα, από δακτυλίους ολίσθησης.
4-πολική γεννήτρια AC
Όπως στις γεννήτριες DC, και εδώ χρησιμοποιούνται πολλοί πόλοι και διατάξεις τυλιγμάτων για βελτίωση της απόδοσης λειτουργίας: συχνά χρησιμοποιούνται τρία σύνολα από τυλίγματα οπλισμού διατεταγμένα ανά 120 ο στο στάτορα και έτσι δημιουργείται η τρι-φασική γεννήτρια Η ηλεκτρεγερτική δύναμη (Τάση) που παράγεται είναι της ίδιας συχνότητας με τη συχνότητα περιστροφής του ρότορα σύγχρονη γεννήτρια
Παράδειγμα: μια 4-πολική γεννήτρια πρέπει να λειτουργήσει στα 60 Hz. Ποια είναι η απαιτουμένη ταχύτητα περιστροφής? Η γεννήτρια έχει δύο ζεύγη πόλων. Επομένως η συχνότητα εξόδου είναι διπλάσια της συχνότητας περιστροφής του άξονα. Άρα ο άξονας πρέπει να περιστρέφεται με 30 Hz άρα με 30 x 60 = 1800 rpm.
Κινητήρες DC Όταν αγωγός διαρρέεται από ρεύμα τότε δημιουργείται μαγνητικό πεδίο. Όταν ένα ρευματοφόρος αγωγός είναι μέσα σε εξωτερικά παραγόμενο μαγνητικό πεδίο τα πεδία αλληλεπιδρούν και ασκείται δύναμη στον αγωγό (δύναμη Laplace) F = i (LxB)
Επομένως για ένα αγωγό σε μαγνητικό πεδίο: Η κίνηση του αγωγού παράγει ηλεκτρικό ρεύμα Το ρεύμα στον αγωγό θα δημιουργήσει δύναμη και επομένως κίνηση Αφού δεν υπάρχει συγκεκριμένη σειρά στα παραπάνω, μια γεννήτρια DC μπορεί να λειτουργήσει και ως κινητήρας DC Άρα η 4-πολική DC γεννήτρια μπορεί να λειτουργήσει και ως 4-πολικός DC κινητήρας.
Χαρακτηριστικά κινητήρα DC Πολλές μορφές μικρές διαφορές Το μαγνητικό πεδίο μπορεί να παραχθεί από μόνιμους μαγνήτες, διέγερση σε σειρά με οπλισμό ή εν παραλλήλω ή σε συνδυασμό Δείχνονται χαρακτηριστικά για γεννήτρια με συνδεσμολογία shunt (παράλληλη σύνδεση πηνίου οπλισμού)
Κινητήρες AC Χωρίζονται σε δυο κύριες κατηγορίες: Σύγχρονοι κινητήρες Κινητήρες επαγωγής Για μεγάλη ισχύ χρησιμοποιούνται 3-φασικοί κινητήρες. Για οικιακή χρήση ή για χαμηλή ισχύ χρησιμοποιούνται μονο-φασικοί κινητήρες
Σύγχρονοι κινητήρες όπως μια γεννήτρια DC μπορεί να χρησιμοποιηθεί και ως κινητήρας DC, έτσι και μια γεννήτρια AC μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως κινητήρας AC. 3-φασικοί κινητήρες: χρησιμοποιούν 3 σύνολα από πηνία για το στάτορα (ακίνητο μέρος) το περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο κινεί το ρότορα Οι μονο-φασικοί κινητήρες χρειάζονται μηχανισμό εκκίνησης Δημιουργείται ροπή όταν ο ρότορας είναι συγχρονισμένος με το περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο Δεν ξεκινά αυτόνομα
Κινητήρες επαγωγής Είναι ίσως οι πιο σημαντικοί (ως προς το εύρος χρήσης τους) κινητήρες AC Δεν χρησιμοποιούν δακτυλίους ολίσθησης για να τροφοδοτήσουν τα πηνία του ρότορα. Το ρεύμα επάγεται στο ρότορα όπως στους μετασχηματιστές (μεταβλητή μαγν. Ροή) Ο στάτορας είναι παρόμοιος με αυτόν ενός σύγχρονου κινητήρα Ο ρότορας αποτελείται από παράλληλους αγωγούς βραχυκυκλωμένους στα άκρα από δύο αγώγιμους δακτυλίους
Παράδειγμα κινητήρα επαγωγής
Σε ένα 3-φασικό κινητήρα επαγωγής οι 3 φάσεις παράγουν ένα περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο (όπως και σε ένα σύγχρονο κινητήρα) Ακίνητος αγωγός σε μεταβλητό πεδίο επάγει ρεύμα Το ρεύμα επάγεται στα πηνία του ρότορα με τον ίδιο μηχανισμό που παράγεται σε ένα μετασχηματιστή Το ρεύμα αλληλεπιδρά με το περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο του στάτορα και έτσι περιστρέφεται ο ρότορας (πάντα τείνει να ευθυγραμμιστεί το ένα πεδίο (ρότορα) με το άλλο (του στάτορα)) Ο ρότορας περιστρέφεται ελαφρώς πιο αργά από το περιστρεφόμενο πεδίο (υπάρχει δηλ η λεγόμενη ολίσθηση (slip) του κινητήρα
Σε μονο-φασικούς κινητήρες πρέπει να χρησιμοποιηθούν διαφορετικές τεχνικές για το περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο Χρήση πυκνωτών (επάγουν διαφορά φάσης) Χρήση πηνίων (σκιώδεις πόλοι) Τέτοιοι κινητήρες είναι σχετικά φθηνοί και χρησιμοποιούνται σε οικιακές συσκευές.
Κινητήρες Universal Ενώ οι περισσότεροι κινητήρες μπορούν να λειτουργήσουν ή με AC ή με DC ηλ. ρεύμα, υπάρχουν κινητήρες που λειτουργούν και με AC αλλά και με DC Ονομάζονται κινητήρες universal και έχουν τα τυλίγματα του ρότορα και του στάτορα συνδεμένα σε σειρά Λειτουργούν με υψηλή ταχύτητα περιστροφής Καλή σχέση βάρους ισχύος Ιδανικοί για φορητές εξοπλισμό: δράπανα, ηλεκτρικές σκούπες κ.α.
Κινητήρες Universal
Ηλεκτρικές Μηχανές (σύνοψη) Η παραγωγή ισχύος (ηλεκτρικής) γίνεται κυρίως από AC μηχανές Από τους εναλλακτήρες (alternators) αυτοκινήτων μέχρι τις γεννήτριες ηλεκτροπαραγωγής Η απόδοση μπορεί να φτάσει και στο 98% Χρησιμοποιούνται και AC και DC κινητήρες Μεγάλη ισχύς κυρίως AC κινητήρες Οικιακή χρήση: μονοφασικοί κινητήρες επαγωγής Κινητήρες DC : χρήσιμοι σε συστήματα ελέγχου (ρομποτικοί βραχίονες)
Βασικά σημεία Οι ηλεκτρικές μηχανές: γεννήτριες και κινητήρες Κινητήρες χρησιμοποιούνται και ως γεννήτριες και αντίστροφα Ταξινομούνται σε AC και DC ηλ. μηχανές Η περιστροφή ενός πηνίου σε ομοιόμορφο μαγνητικό πεδίο παράγει ημιτονοειδή ηλεκτρεγερτική δύναμη. Αυτή είναι η αρχή λειτουργίας μιας γεννήτριας Για την υλοποίηση γεννήτριας DC μπορεί να διακοπτόμενο δακτύλιο ολίσθησης για ανόρθωση (commutator) Το μαγνητικό πεδίο σε ηλεκτρικές μηχανές παράγεται συνήθως από πηνία Ο πιο ευρέως χρησιμοποιούμενος κινητήρας είναι ο κινητήρας επαγωγής.