Προηγμένες Υπηρεσίες Τηλεκπαίδευσης στο Τ.Ε.Ι. Σερρών Το εκπαιδευτικό υλικό που ακολουθεί αναπτύχθηκε στα πλαίσια του έργου «Προηγμένες Υπηρεσίες Τηλεκπαίδευσης στο Τ.Ε.Ι. Σερρών», του Μέτρου «Εισαγωγή και Αξιοποίηση των νέων Τεχνολογιών στην Εκπαίδευση» του Επιχειρησιακού Προγράμματος Κοινωνία της Πληροφορίας
Ηλεκτρικές Μηχανές Το εκπαιδευτικό υλικό βασίζεται στο εγκεκριμένο από το Τμήμα Πληροφορικής και Επικοινωνιών περίγραμμα του μαθήματος Ηλεκτρικές Μηχανές Συντάκτης: Θεόδωρος Κοσμάνης Προηγμένες Υπηρεσίες Τηλεκπαίδευσης στο Τ.Ε.Ι. Σερρών, Μέτρο 1.2., Κοινωνία της Πληροφορίας 2
Περίγραμμα εκπαιδευτικού υλικού Εισαγωγικές έννοιες Στοιχεία μαγνητικού πεδίου Μετασχηματιστές Μηχανές συνεχούς ρεύματος Γεννήτριες συνεχούς ρεύματος Κινητήρες συνεχούς ρεύματος Μηχανές εναλλασσόμενου ρεύματος Σύγχρονες γεννήτριες Σύγχρονοι κινητήρες Ασύγχρονοι ή επαγωγικοί κινητήρες Προηγμένες Υπηρεσίες Τηλεκπαίδευσης στο Τ.Ε.Ι. Σερρών, Μέτρο 1.2., Κοινωνία της Πληροφορίας 3
Εισαγωγή Ορισμός Ηλεκτρικής Μηχανής: Είναι η διάταξη που μετατρέπει τη μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική και αντίστροφα. Γεννήτρια: μετατρέπει μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική (generator) Κινητήρας: μετατρέπει ηλεκτρική ενέργεια σε μηχανική (motor) Οι ηλεκτρικές μηχανές μετατρέπουν ενέργεια από τη μια μορφή στην άλλη με τη βοήθεια ενός μαγνητικού πεδίου Εφαρμογές Ηλεκτρικοί κινητήρες: ψυγεία, καταψύκτες, πλυντήρια, μίξερ, κλιματιστικά, ανεμιστήρες κ.λ.π. Γεννήτριες: σε σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Καθαρή μορφή ενέργειας χωρίς καυσαέρια. Παραγωγή μακριά από τον τόπο κατανάλωσης. Προηγμένες Υπηρεσίες Τηλεκπαίδευσης στο Τ.Ε.Ι. Σερρών, Μέτρο 1.2., Κοινωνία της Πληροφορίας 4
Αρχές περιστροφικής κίνησης Ταχύτητα Στην ευθύγραμμη κίνηση Στην περιστροφική κίνηση Εκφράσεις ταχύτητας dr κίνηση: v =, r : διάνυσμα θέσης. dt dθ κίνηση: ω =, θ : γωνία θέσης σε rad. dt ω m (rad/s) : γωνιακή ταχύτητα f m (Hz ή rps) : συχνότητα περιστροφής n m (rpm) : ταχύτητα περιστροφής Προηγμένες Υπηρεσίες Τηλεκπαίδευσης στο Τ.Ε.Ι. Σερρών, Μέτρο 1.2., Κοινωνία της Πληροφορίας 5
Αρχές περιστροφικής κίνησης Ροπή, τ (Nm) το αντίστοιχο της δύναμης στην περιστροφική κίνηση. τ = ( εφαρμοζόμενη δύναμη) X (κάθετη απόσταση από τον άξονα) Ισχύς Υπάρχει πλήρης αντιστοιχία ανάμεσα στην ευθύγραμμη και την περιστροφική κίνηση P = dr F = Fv, ευθυγραµµη κινηση dω dt = dt dθ τ = τω, περιστροφικη κινηση dt Προηγμένες Υπηρεσίες Τηλεκπαίδευσης στο Τ.Ε.Ι. Σερρών, Μέτρο 1.2., Κοινωνία της Πληροφορίας 6
Νόμος του Ampère Παραγωγή μαγνητικού πεδίου γύρω από ηλεκτροφόρο αγωγό. Νόμος του Ampère για ρευματοφόρο αγωγό H dl = I Η : ένταση μαγνητικού πεδίου (Α/m) I : ένταση ρεύματος που διαρρέει τον αγωγό Η ένταση του μαγνητικού πεδίου εκφράζει το μέτρο της προσπάθειας του ρεύματος για τη δημιουργία μαγνητικού πεδίου ρευματοφόρος αγωγός Ι Η Προηγμένες Υπηρεσίες Τηλεκπαίδευσης στο Τ.Ε.Ι. Σερρών, Μέτρο 1.2., Κοινωνία της Πληροφορίας 7
Μαγνητικό πεδίο Μαγνητική επαγωγή: B = µh (Wb/m 2 ή Τ) μ : μαγνητική διαπερατότητα του υλικού (Η/m) εκφράζει τη σχετική ευκολία του υλικού στην ανάπτυξη μαγνητικού πεδίου μ = μ r μ 0 μ 0 =4π 10-7 Η/m μαγνητική διαπερατότητα του κενού. μ r : σχετική μαγνητική διαπερατότητα. Μέτρο σύγκρισης της δυνατότητας μαγνήτισης διαφορετικών υλικών. μ r (χάλυβα) = 2000~6000 Μαγνητική Ροή Φ φ = B da A Ροή μαγνητικού πεδίου που διέρχεται μέσω επιφάνειας S Ποσότητα μαγνητικού πεδίου που διέρχεται μέσω επιφάνειας S S Προηγμένες Υπηρεσίες Τηλεκπαίδευσης στο Τ.Ε.Ι. Σερρών, Μέτρο 1.2., Κοινωνία της Πληροφορίας 8
Δύναμη Laplace Η δύναμη Laplace αναπτύσσεται σε Γενικά σε φορτίο q που κινείται σε μαγνητικό πεδίο Ρευματοφόρο αγωγό που βρίσκεται εντός μαγνητικού πεδίου ρευματοφόρος αγωγός i F = i( l B ) Δύναμη Laplace B = q u B Μαγνητική επαγωγή Προηγμένες Υπηρεσίες Τηλεκπαίδευσης στο Τ.Ε.Ι. Σερρών, Μέτρο 1.2., Κοινωνία της Πληροφορίας 9
Δύναμη εξ επαγωγής Ρευματοφόρος αγωγός (έντασης i ) βρίσκεται μέσα σε μαγνητικό πεδίο Β. Ύπαρξη κινούμενων φορτίων μέσα σε μαγνητικό πεδίο Ανάπτυξη επάνω τους (και άρα στον αγωγό) δύναμης Laplace Ακολουθεί τον κανόνα του δεξιού χεριού και έχει μέτρο : F L = ilb sinθ όπου θ η γωνία μεταξύ της ράβδου και του διανύσματος Β. Η επαγωγή δύναμης σε ρευματοφόρο αγωγό εντός μαγνητικού πεδίου είναι βασική αρχή λειτουργίας ηλεκτρικού κινητήρα. Προηγμένες Υπηρεσίες Τηλεκπαίδευσης στο Τ.Ε.Ι. Σερρών, Μέτρο 1.2., Κοινωνία της Πληροφορίας 10
Τάση εξ επαγωγής + i B - v Αναπτύσσεται έτσι τάση εξ επαγωγής ίση με: Λόγω της κίνησης της αγώγιμής ράβδου μέσα στο μαγνητικό πεδίο, φαίνεται να υφίσταται κίνηση ηλεκτρονίων. Άρα αναπτύσσεται επάνω τους δύναμη Laplace. F = eu B που το μετακινεί προς το κάτω μέρος της ράβδου. E = ubl ή E = (ν B ) l Η πολικότητα καθορίζεται από το εξωτερικό γινόμενο ν Η εμφάνιση επαγόμενης τάσης σε αγωγό που κινείται μέσα σε μαγνητικό πεδίο αποτελεί την αρχή λειτουργίας όλων των γεννητριών. Προηγμένες Υπηρεσίες Τηλεκπαίδευσης στο Τ.Ε.Ι. Σερρών, Μέτρο 1.2., Κοινωνία της Πληροφορίας 11 Β
Σιδηρομαγνητικά υλικά Όταν βρεθούν μέσα σε κάποιο εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, τότε προκαλούν μεγάλη ενίσχυση του στο εσωτερικό τους Παρουσιάζουν μαγνητική διαπερατότητα κατά πολύ μεγαλύτερη από αυτή του κενού (μ r >>1). Παραμένουν μαγνητισμένα και μετά την αφαίρεση του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. Συνήθεις εφαρμογές: Πυρήνες στο εσωτερικό τυλιγμάτων πηνίων Ηλεκτρικές μηχανές Μετασχηματιστές Απλά πηνία Προηγμένες Υπηρεσίες Τηλεκπαίδευσης στο Τ.Ε.Ι. Σερρών, Μέτρο 1.2., Κοινωνία της Πληροφορίας 12
Καμπύλη μαγνήτισης Η μαγνητική διαπερατότητα των σιδηρομαγνητικών υλικών δεν είναι σταθερή. Εξαρτάται από την εφαρμοζόμενη ένταση του μαγνητικού πεδίου. Γόνατο Κορεσμός Γραμμική περιοχή Οι ηλεκτρικές μηχανές λειτουργούν κοντά στο γόνατο για να έχουν μεγάλη μαγνητική ροή, Φ Προηγμένες Υπηρεσίες Τηλεκπαίδευσης στο Τ.Ε.Ι. Σερρών, Μέτρο 1.2., Κοινωνία της Πληροφορίας 13
Υστέρηση - Δινορρεύματα Βρόχος Υστέρησης Τροφοδοσία με εναλλασσόμενο ρεύμα. Αύξηση του ρεύματος προκαλεί την καμπύλη μαγνήτισης. Μείωση και μηδενισμός του ρεύματος: νέα διαδρομή (μη μηδενισμός της μαγνητικής ροής) Η μαγνητική ροή στον πυρήνα εξαρτάται από τις προγενέστερες τιμές τις. Προηγμένες Υπηρεσίες Τηλεκπαίδευσης στο Τ.Ε.Ι. Σερρών, Μέτρο 1.2., Κοινωνία της Πληροφορίας 14
Υστέρηση - Δινορρεύματα Απώλειες υστέρησης εμβαδό Βρόχου Υστέρησης οφείλονται στο γεγονός ότι η μεταβολή του προσανατολισμού των τομέων ενός μετάλλου (μικρόκοσμος) απαιτεί ενέργεια αποπροσανατολισμός των τομέων σε κάθε περίοδο του ρεύματος Δινορρεύματα Ρεύματα Foucault απώλειες λόγω ρευμάτων που αναπτύσσονται εξ επαγωγής στον πυρήνα Αντιμετώπιση προβλήματος Οι πυρήνες κατασκευάζονται από πολύ λεπτά ελάσματα: Δυναμοελάσματα Προηγμένες Υπηρεσίες Τηλεκπαίδευσης στο Τ.Ε.Ι. Σερρών, Μέτρο 1.2., Κοινωνία της Πληροφορίας 15
Απόδοση Ηλεκτρικής Μηχανής P in Ηλεκτρική Μηχανή P out Pin = Pout + P απωλ. P απ Εκφράζει την ικανότητα ενός συστήματος να μεταφέρει ισχύ από την είσοδο στην έξοδο η = P P out in 100% Η ισχύς απωλειών δεν είναι ωφέλιμη. Γι αυτό πρέπει η απόδοση να πλησιάζει το 1. Προηγμένες Υπηρεσίες Τηλεκπαίδευσης στο Τ.Ε.Ι. Σερρών, Μέτρο 1.2., Κοινωνία της Πληροφορίας 16
Μετασχηματιστές Προηγμένες Υπηρεσίες Τηλεκπαίδευσης στο Τ.Ε.Ι. Σερρών, Μέτρο 1.2., Κοινωνία της Πληροφορίας 17
Μετασχηματιστές Ηλεκτρική διάταξη που μετατρέπει ac ηλεκτρική ενέργεια ενός επιπέδου τάσης σε ac ηλεκτρική ενέργεια άλλου επιπέδου τάσης. 2 Αποτελείται από 2 ή περισσότερα πηνία που τυλίγονται γύρω από σιδηρομαγνητικό πυρήνα. Τα πηνία δεν είναι ηλεκτρικά συνδεδεμένα μεταξύ τους Η σύζευξη επιτυγχάνεται μέσω του κοινού μαγνητικού πεδίου που διέρχεται από τον πυρήνα Συνδέσεις Πρώτο πηνίο σε πηγή ac τάσης (πρωτεύον τύλιγμα) Δεύτερο (ή τρίτο) πηνίο στο φορτίο (δευτερεύον τύλιγμα) Προηγμένες Υπηρεσίες Τηλεκπαίδευσης στο Τ.Ε.Ι. Σερρών, Μέτρο 1.2., Κοινωνία της Πληροφορίας 18
Μετασχηματιστές 2 Πρωτεύον πηνίο Πυρήνας Πρωτεύον πηνίο Προηγμένες Υπηρεσίες Τηλεκπαίδευσης στο Τ.Ε.Ι. Σερρών, Μέτρο 1.2., Κοινωνία της Πληροφορίας 19
Σημασία μετασχηματιστών Η σημασία των μετασχηματιστών έγκειται στη δυνατότητα μείωσης των απωλειών κατά τη μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας από τον τόπο παραγωγής στον τόπο κατανάλωσης Διαδικασία μεταφοράς Ανύψωση τάσης Μείωση ρεύματος για σταθερή ισχύ Μείωση απωλειών στις γραμμές μεταφοράς Παραγωγή ορισμένες δεκάδες kv Μεταφορά 400kV Κατανάλωση 220kV Προηγμένες Υπηρεσίες Τηλεκπαίδευσης στο Τ.Ε.Ι. Σερρών, Μέτρο 1.2., Κοινωνία της Πληροφορίας 20