ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ:ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΜΗΧΝΙΚΗΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Κατσιγιάννη Αναστάσιου του Κωνσταντίνου Αριθμός Μητρώου: 6535 «Μελέτη και κατασκευή συστήματος ελέγχου μηχανής RELUCTANCE» Επιβλέπων: Δρ.-Μηχ. Επαμεινώνδας Μητρονίκας, Επίκουρος Καθηγητής (Η εργασία αυτή εκπονήθηκε υπό την επίβλεψη του Ομότιμου Καθηγητή Δρ.-Μηχ.Αθανάσιου Ν. Σαφάκα, ο οποίος συνταξιοδοτήθηκε την 31 Αυγούστου 2010) Ν 0 : 362 Πάτρα, Ιούνιος 2013
ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η με θέμα «Μελέτη και κατασκευή συστήματος ελέγχου μηχανής RELUCTANCE» Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Κατσιγιάννη Αναστάσιου του Κωνσταντίνου Αριθμός Μητρώου: 6535 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 3/7/2013 Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Επαμεινώνδας Μητρονίκας, Επίκουρος Καθηγητής Αντώνιος Αλεξανδρίδης, Καθηγητής
Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: 226535/2013 Θέμα: «Μελέτη και κατασκευή συστήματος ελέγχου μηχανής RELUCTANCE» Φοιτητής: Επιβλέπων: Δρ.-Μηχ. Επαμεινώνδας Μητρονίκας, Επίκουρος Καθηγητής (Η εργασία αυτή εκπονήθηκε υπό την επίβλεψη του Ομότιμου Καθηγητή Δρ.-Μηχ.Αθανάσιου Ν. Σαφάκα, ο οποίος συνταξιοδοτήθηκε την 31 Αυγούστου 2010) Περίληψη Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την μελέτη και κατασκευή ενός συστήματος ελέγχου για έναν κινητήρα μαγνητικής αντίδρασης (Reluctance). Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών της πολυτεχνικής σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός της εργασίας αυτής, είναι η μελέτη και η κατασκευή ενός τριφασικού αντιστροφέα πηγής τάσης, ο οποίος θα επιτρέπει την υλοποίηση βαθμωτού και διανυσματικού ελέγχου για έναν σύγχρονο κινητήρα μαγνητικής αντίδρασης χωρίς έκτυπους πόλους στο στάτη. Ο σύγχρονος κινητήρας μαγνητικής αντίδρασης χωρίς έκτυπους πόλους στο στάτη, όπως και οποιοσδήποτε άλλος κινητήρας μαγνητικής αντίδρασης, βασίζει τη λειτουργία του στη ροπή αντίδρασης, γεγονός από το οποίο προέρχεται και η ονομασία των κινητήρων αυτού του είδους (ReluctanceMotors). Το κύριο χαρακτηριστικό των κινητήρων μαγνητικής αντίδρασης είναι η έλλειψη οποιασδήποτε πηγής διέγερσης στο δρομέα. Τα τελευταία χρόνια έχει αναπτυχθεί έντονο επιστημονικό ενδιαφέρον σχετικά με τη βελτιστοποίηση της κατασκευής των σύγχρονων κινητήρων μαγνητικής αντίδρασης χωρίς έκτυπους πόλους στο στάτη, καθώς και των μεθόδων ελέγχου, που μπορούν να εφαρμοστούν για βελτιστοποίηση της λειτουργίας τους. Αρχικά μελετήθηκαν οι βασικές αρχές λειτουργίας των μηχανών εναλλασσόμενου ρεύματος και η ανάλυση επικεντρώθηκε στο σύγχρονο κινητήρα μαγνητικής αντίδρασης. Μελετήθηκαν τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά του
σύγχρονου κινητήρα μαγνητικής αντίδρασης χωρίς έκτυπους πόλους στο στάτη, το μαθηματικό μοντέλο που περιγράφει τη λειτουργία του, συγκρίθηκε με άλλους τύπους κινητήρων εναλλασσόμενου ρεύματος και παρουσιάστηκαν οι μέθοδοι ελέγχου που μπορούν να εφαρμοστούν σε έναν σύγχρονο κινητήρα μαγνητικής αντίδρασης χωρίς έκτυπους πόλους στο στάτη. Επιπλέον μελετήθηκε ο τριφασικός αντιστροφέας πηγής τάσης, ο οποίος είναι απαραίτητος για την οδήγηση ενός σύγχρονου κινητήρα μαγνητικής αντίδρασης, καθώς και διάφορες τεχνικές για την παλμοδότησή του. Τέλος προσομοιώθηκε ο σύγχρονος κινητήρας μαγνητικής αντίδρασης με το πρόγραμμα προσομοίωσης Matlab/Simulink για διάφορες καταστάσεις λειτουργίας του, και ακολούθησε η κατασκευή του τριφασικού αντιστροφέα για την πειραματική διερεύνηση και επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης.
Abstract The present diploma thesis deals with the design and manufacture of a control system for a Reluctance Motor. This work was developed in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion at the Department of Electrical Engineering and Computer Technology of the School of Engineering in the University of Patras, Greece. The purpose of this thesis is the design and manufacture of a three-phase voltage source inverter for the control of the performance of a Synchronous Reluctance Motor by the implementation of Scalar and Vector control. The operation of Synchronous Reluctance Motor, like any other type of Reluctance Motors, is based on reluctance torque. The main characteristic of Reluctance Motors is that the rotor does not have any field winding. During the last years, a great interest has emerged around the Synchronous Reluctance Motor, which mainly focuses on the optimization of its construction and control. At first, an introduction to the operation principles of the AC motor is done, while the main interest is focused on Synchronous Reluctance Motor. The analysis of Synchronous Reluctance Motor covers many aspects, such as its construction characteristics, its dynamic model, its control strategies, as well as a comparison with other AC motors. Furthermore the three phase inverter is studied and its modulation techniques, since it is used for the driving of the motor. Finally the Synchronous Reluctance Motor is simulated in Matlab/Simulink for some operating conditions, and a three phase voltage source inverter is constructed for the experimental investigation and to see the relationship between the results of the simulation and the experiment.
i ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε κατά τα ακαδημαϊκά έτη 2011-2012 και 2012-2013 στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών. Αντικείμενο της διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη και κατασκευή ενός συστήματος ελέγχου για Σύγχρονο Κινητήρα Μαγνητικής Αντίδρασης χωρίς έκτυπους πόλους στο στάτη, το οποίο επιτρέπει την υλοποίηση διάφορων τεχνικών ελέγχου, όπως βαθμωτό έλεγχο, διανυσματικό έλεγχο και άμεσο έλεγχο ροπής. Στο κεφάλαιο 1 γίνεται μια εισαγωγή στις αρχές λειτουργίας και στα χαρακτηριστικά των μηχανών εναλλασσομένου ρεύματος. Στο κεφάλαιο 2 περιγράφεται η αρχή λειτουργίας του σύγχρονου κινητήρα μαγνητικής αντίδρασης χωρίς έκτυπους πόλους στο στάτη και συγκρίνεται με κινητήρες μαγνητικής αντίδρασης με έκτυπους πόλους στο στάτη, με ασύγχρονους κινητήρες με κλωβό και με κινητήρες τύπου BLDC. Επιπλέον παρουσιάζεται ο σύγχρονος κινητήρας μαγνητικής αντίδρασης χωρίς έκτυπους πόλους στο στάτη της εταιρίας Kaiser-Motoren. Στο κεφάλαιο 3 περιγράφονται τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά του σύγχρονου κινητήρα μαγνητικής αντίδρασης χωρίς έκτυπους πόλους στο στάτη, παρουσιάζεται το δυναμικό μοντέλο του κινητήρα και περιγράφεται η μόνιμη κατάσταση λειτουργίας του. Στο κεφάλαιο 4 αναλύεται ο τριφασικός αντιστροφέας τάσης και διάφοροι μέθοδοι για την παλμοδότησή του. Επιπλέον περιγράφονται οι τεχνικές ελέγχου, που μπορούν να εφαρμοστούν σε ένα σύγχρονο κινητήρα μαγνητικής αντίδρασηςχωρίς έκτυπους πόλους στο στάτη. Στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης του σύγχρονου κινητήρα μαγνητικής αντίδρασης με το πρόγραμμα προσομοίωσης Matlab/Simulink. Παρουσιάζονται αποτελέσματα με τροφοδοσία του κινητήρα από το τριφασικό δίκτυο και από τριφασικό αντιστροφέα. Επιπλέον παρουσιάζονται αποτελέσματα για εκτίμηση της ροπής του κινητήρα. Στο κεφάλαιο 6 αναλύονται και υπολογίζονται τα διάφορα επιμέρους τμήματα του πειραματικού συστήματος. Επίσης περιγράφεται η λειτουργία και η συνδεσμολογία των ολοκληρωμένων στοιχείων του κυκλώματος, καθώς και των γραμμικών τροφοδοτικών που τα τροφοδοτούν. Στο κεφάλαιο 7 παρουσιάζεται ο έλεγχος του τριφασικού αντιστροφέα μέσω της παλμοδότησης των ημιαγωγικών στοιχείων του και γίνεται αναλυτική παρουσίαση
ii του βιομηχανικού μικροελεγκτή (Microchip dspic30f4011) που χρησιμοποιήθηκε στο κύκλωμα ελέγχου. Τέλος, στο κεφάλαιο 8 παρουσιάζονται οι πραγματικές κυματομορφές που παλμογραφήθηκαν στα κυκλώματα που κατασκευάστηκαν, κατά τη διάρκεια των πειραματικών δοκιμών. Στο σημείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον επιβλέποντα της διπλωματικής μου εργασίας, Καθηγητή κ. Αθανάσιο Σαφάκα, για την ανάθεση αυτού του ενδιαφέροντος θέματος, την επίβλεψη και την υποστήριξή του στα ζητήματα που προέκυψαν. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον Επίκουρο Καθηγητή κ. Επαμεινώνδα Μητρονίκα και τον Καθηγητή κ. Εμμανουήλ Τατάκη, για την υποστήριξη και τις πολύτιμες συμβουλές τους. Επιπλέον, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον υποψήφιο διδάκτορα κ. Σάββα Τσοτουλίδη, ο οποίος βοήθησε στη μελέτη αυτής της εργασίας με τις γνώσεις του και τις πολύτιμες συμβουλές του, καθώς και όλους τους μεταπτυχιακούς φοιτητές του Εργαστηρίου Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας για την πολύτιμη βοήθειά τους. Τέλος θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένεια μου για την υλική και ηθική υποστήριξη και τους φίλους μου για την κατανόηση, την υπομονή και την στήριξη που μου επέδειξαν κατά τη διάρκεια εκπόνησης της Διπλωματικής μου Εργασίας.
iii ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ σελίδες Κεφάλαιο 1:Εισαγωγή στις ηλεκτρικές μηχανές..- 1-1.1 Ο σκοπός και η εξέλιξη των ηλεκτρικών μηχανών..- 1-1.2 Θεμελιώδεις έννοιες του μαγνητικού πεδίου - 4-1.3 Ηλεκτρικές μηχανές εναλλασσόμενου ρεύματος.- 5-1.3.1 Κατηγοριοποίηση ηλεκτρικών μηχανών - 5-1.3.2 Αρχή λειτουργιάς ηλεκτρικών μηχανών εναλλασσόμενου ρεύματος..- 7-1.3.3 Το στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο.- 10-1.3.4 Περιγραφή λειτουργίας μηχανών εναλλασσομένου ρεύματος.- 10 - Κεφάλαιο 2:Εισαγωγή στον Σύγχρονο Κινητήρα Μαγνητικής Αντίδρασης - 17-2.1 Γενικά.- 17-2.2 Σύγκριση Σύγχρονου Κινητήρα Μαγνητικής Αντίδρασης με άλλους κινητήρες εναλλασσόμενου ρεύματος..- 21-2.2.1 Σύγκριση Σύγχρονου Κινητήρα Μαγνητικής Αντίδρασης με Σύγχρονο Κινητήρα Μαγνητικής Αντίδρασης με έκτυπους πόλους στο στάτη. - 21-2.2.2 Σύγκριση Σύγχρονου Κινητήρα Μαγνητικής Αντίδρασης με Ασύγχρονο Κινητήρα.- 22-2.2.3 Σύγκριση Σύγχρονου Κινητήρα Μαγνητικής Αντίδρασης με κινητήρα τύπου BLDC - 23-2.3 Ο Σ.Κ.Μ.Α. της εταιρίας Kaiser-Motoren.- 23 - Κεφάλαιο 3:Ανάλυση του Σύγχρονου Κινητήρα Μαγνητικής Αντίδρασης - 29-3.1 Κατασκευαστικά χαρακτηριστικά του Σύγχρονου Κινητήρα Μαγνητικής Αντίδρασης - 29-3.1.1 Δρομείς που συναντώνται σε Σύγχρονους Κινητήρες Μαγνητικής Αντίδρασης - 29-3.1.2 Ανάλυση του μαγνητικού πεδίου του σύγχρονου κινητήρα μαγνητικής αντίδρασης - 35 -
iv 3.2 Δυναμικό μοντέλο του σύγχρονου κινητήρα μαγνητικής αντίδρασης..- 37-3.2.1 Εξισώσεις τάσεων στο σύστημα a, b, c.- 37-3.2.2 Μετασχηματισμός του συστήματος a, b, c στο d, q, o.- 41-3.2.3 Εξισώσεις Σ.Κ.Μ.Α. στο σύστημα d, q, o.- 42-3.2.4 Μόνιμη κατάσταση λειτουργίας..- 43 - Κεφάλαιο 4:Σύστημα Οδήγησης του Σύγχρονου Κινητήρα Μαγνητικής Αντίδρασης..- 47-4.1 Ο τριφασικός αντιστροφέας.- 47-4.1.1 Εισαγωγή στους ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος.- 47-4.1.2 Ανάλυση του τριφασικού αντιστροφέα τάσης.- 48-4.2 Μέθοδοι παλμοδότησης του τριφασικού αντιστροφέα τάσης..- 50-4.2.1 Μέθοδος διαμόρφωσης εύρους παλμών (PWM)..- 50-4.2.1.1 Εισαγωγή στη μέθοδο διαμόρφωσης εύρους παλμών (PWM) -50-4.2.1.2 Ημιτονοειδής διαμόρφωση του εύρους των παλμών (SPWM) -51-4.2.1.3 Διαμόρφωση εύρους παλμών έγχυσης αρμονικών (HIPWM)..-54-4.2.2 Διαμόρφωση εύρους παλμών με τη μέθοδο διαμόρφωσης διανυσμάτων χώρου (SVM)...-54-4.2.3 Παλμοδότηση ημιαγωγικών στοιχείων του αντιστροφέα μέσω ελεγκτή υστέρησης ρεύματος.- 57-4.3 Έλεγχος του σύγχρονου κινητήρα μαγνητικής αντίδρασης - 59-4.3.1 Εισαγωγή στις τεχνικές ελέγχου του σύγχρονου κινητήρα μαγνητικής αντίδρασης - 59-4.3.2 Έλεγχος τάσης-συχνότητας σε έναν Σ.Κ.Μ.Α.- 60-4.3.3 Έλεγχος τάσης-συχνότητας σε έναν Σ.Κ.Μ.Α με κλειστό βρόχο ανατροφοδότησης ταχύτητας.- 61-4.3.4 Άμεσος έλεγχος ροπής (DTC) σε Σ.Κ.Μ.Α - 63-4.3.5 Διανυσματικός έλεγχος (FieldOrientedControl) σε έναν Σ.Κ.Μ.Α.. - 68-4.3.6 Συμπεράσματα που αφορούν τον έλεγχο ενός Σ.Κ.Μ.Α - 72 - Κεφάλαιο 5:Προσομοίωση Συστήματος αποτελούμενου από Σύγχρονο Κινητήρα Μαγνητικής Αντίδρασης και τριφασικό αντιστροφέα σε περιβάλλον Matlab/Simulink - 73 -
v 5.1 Δημιουργία Μοντέλου Προσομοίωσης Σύγχρονου Κινητήρα Μαγνητικής Αντίδρασης σε περιβάλλον Matlab/Simulink - 73-5.2 Αποτελέσματα Προσομοίωσης Σύγχρονου Κινητήρα Μαγνητικής Αντίδρασης με απευθείας εκκίνηση από το δίκτυο. - 74-5.3 Αποτελέσματα Προσομοίωσης Σύγχρονου Κινητήρα Μαγνητικής Αντίδρασης με τριφασικό αντιστροφέα - 78-5.3.1 Αποτελέσματα Προσομοίωσης για λειτουργία Σ.Κ.Μ.Α. με λόγο U/f =7.6.-78-5.3.2 Αποτελέσματα Προσομοίωσης για λειτουργία Σ.Κ.Μ.Α. με VDC=300V και λόγο U/f=3.3.- 84-5.3.3 Αποτελέσματα προσομοίωσης για λειτουργία Σ.Κ.Μ.Α. με VDC=300V και λόγο U/f=7.6.- 88-5.3.4 Αποτελέσματα προσομοίωσης εκτιμητή ροπής.- 91 - Κεφάλαιο 6:Κατασκευή του συστήματος οδήγησης του Σ.Κ.Μ.Α.....-95-6.1 Περιγραφή της τοπολογίας του αντιστροφέα..- 95-6.2 Ημιαγωγικά στοιχεία ισχύος.- 96-6.3 Επιλογή συστήματος ψύξης.- 99-6.4 Κύκλωμα παλμοδότησης του τριφασικού αντιστροφέα - 102-6.5 Πυκνωτές.- 111-6.6 Μετρητικές διατάξεις.- 112-6.7 Τροφοδοτικά συνεχούς τάσης..- 119 - Κεφάλαιο 7:Παραγωγή παλμών με τη χρήση μικροελεγκτή.- 123-7.1 Εισαγωγή.- 123-7.2 Ανάλυση του μικροελεγκτή dspic30f4011.- 124-7.3 Περιφερειακές Μονάδες του dspic30f4011.. - 129-7.3.1 Θύρες εισόδου/εξόδου.- 129-7.3.2 Μονάδα μετατροπής σήματος από αναλογικό σε ψηφιακό (A/D).- 131-7.3.3 Μονάδα παραγωγής παλμών PWM.- 133-7.4 Το διάγραμμα ροής του κώδικα..- 139 - Κεφάλαιο 8:Πειραματική διερεύνηση.. - 141 -
vi 8.1 Εισαγωγή. - 141-8.2 Όργανα Μετρήσεων.- 141-8.3 Πειραματικά αποτελέσματα από τη σύνδεση του Σ.Κ.Μ.Α. με το τριφασικό δίκτυο 380V/50Hz μέσω μετασχηματιστή. - 143-8.3.1 Συνδεσμολογία..- 143-8.3.2 Πειραματικά αποτελέσματα..- 143-8.4 Πειραματικά αποτελέσματα σύνδεσης τριφασικού αντιστροφέα με τριφασική ωμική αντίσταση..- 147-8.4.1 Συνδεσμολογία..-147-8.4.2.1 Πειραματικά αποτελέσματα για Vdc=150V..-147-8.4.2.2 Πειραματικά αποτελέσματα για Vdc=300V -151-8.5 Πειραματικά αποτελέσματα σύνδεσης τριφασικού αντιστροφέα με κατωδιαβατό φίλτρο σε σειρά με τριφασική ωμική αντίσταση.- 156-8.5.1 Συνδεσμολογία..-156-8.5.2.1 Πειραματικά αποτελέσματα για Vdc=150V -157-8.5.2.2 Πειραματικά αποτελέσματα για Vdc=300V -162-8.6 Πειραματικά αποτελέσματα σύνδεσης τριφασικού αντιστροφέα με Σ.Κ.Μ.Α.-167-8.6.1 Συνδεσμολογία..-167-8.6.2.1 Πειραματικά αποτελέσματα για n=150rpm..-168-8.6.2.2 Πειραματικά αποτελέσματα για n=300rpm...-172-8.6.2.3 Πειραματικά αποτελέσματα για n=450rpm...-176-8.6.2.4 Πειραματικά αποτελέσματα για n=642.5rpm -180- Κεφάλαιο 9:Συμπεράσματα Προοπτικές.- 185- ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ.- 187- ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α:ΤΑ ΣΧΕΔΙΑ ΤΩΝ ΤΥΠΩΜΕΝΩΝ ΠΛΑΚΕΤΩΝ ΜΕ ΤΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ KICAD - 193- ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β:ΤΑ ΤΕΧΝΙΚΑ ΦΥΛΑΔΙΑ ΤΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΠΟΥ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΘΗΚΑΝ - 197-
1 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή στις ηλεκτρικές μηχανές 1.1 Ο σκοπός και η εξέλιξη των ηλεκτρικών μηχανών [1,4,7,8,11] Για την παραγωγή, τη διανομή και τη χρησιμοποίηση της ηλεκτρικής ενέργειας χρειαζόμαστε ηλεκτρικές μηχανές και μετασχηματιστές. Ηλεκτρική μηχανή είναι η διάταξη που έχει τη δυνατότητα να μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε μηχανική και αντίστροφα. Μια τέτοια διάταξη όταν χρησιμοποιείται για τη μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας σε μηχανική ονομάζεταικινητήρας, ενώ όταν χρησιμοποιείται για την αντίστροφη μετατροπή ονομάζεται γεννήτρια. Έτσι, επειδή οποιαδήποτε ηλεκτρική μηχανή μπορεί να μετατρέψει ενέργεια και προς τις δύο κατευθύνσεις, είναι δυνατό να χρησιμοποιηθεί είτε ως γεννήτρια είτε ως κινητήρας ανάλογα με τις ανάγκες του χρήστη και της εφαρμογής για την οποία προορίζεται. Σχεδόν όλες οι υπάρχουσες γεννήτριες και κινητήρες μετατρέπουν ενέργεια από τη μια μορφή στην άλλη μέσω της δράσης ενός μαγνητικού πεδίου. Οι ηλεκτρικές μηχανές και οι μετασχηματιστές βρίσκονται παντού στη σύγχρονη ζωή. Στο σύγχρονο σπίτι οι ηλεκτρικοί κινητήρες είναι το βασικό εξάρτημα των περισσότερων ηλεκτρικών συσκευών. Βρίσκονται στα ψυγεία, στους καταψύκτες, στα πλυντήρια, στα μίξερ, στα συστήματα κλιματισμού, στους ανεμιστήρες και σε άλλες παρεμφερείς οικιακές συσκευές. Στους χώρους εργασίας και τη βιομηχανική παραγωγή κινούν σχεδόν όλα τα εργαλεία. Τα τελευταία χρόνια διευρύνεται η χρήση τους σε ηλεκτρικά και υβριδικά μέσα μεταφοράς. Φυσικά οι γεννήτριες είναι απαραίτητες για την παραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας που κινεί τους παραπάνω κινητήρες. Ο λόγος που οι ηλεκτρικές μηχανές είναι τόσο συνηθισμένες στην καθημερινή μας ζωή είναι ότι η ηλεκτρική ενέργεια είναι μια καθαρή, αλλά και πολύ αποτελεσματική μορφή ενέργειας. Ένας ηλεκτροκινητήρας έχει μεγάλο βαθμό απόδοσης, δεν αποβάλλει καυσαέρια και δεν χρειάζεται συνεχή τροφοδοσία με καύσιμα όπως ένας κινητήρας εσωτερικής καύσεως, πράγμα που τον κάνει κατάλληλο για χώρους όπου τα καυσαέρια θα πρέπει να αποφευχθούν. Ακόμη η θερμότητα και η μηχανική ενέργεια μετατρέπονται σε ηλεκτρική πολύ μακριά από την περιοχή της χρήσης τους. Η μεταφορά της ενέργειας γίνεται εύκολα με αγωγούς και έτσι μπορεί εύκολα και καθαρά να χρησιμοποιηθεί στο σπίτι, στο γραφείο και στο εργοστάσιο. Οι μετασχηματιστές βοηθούν στην όλη διαδικασία μειώνοντας της απώλειες ενέργειας ανάμεσα στα σημεία παραγωγής και κατανάλωσής της. Όλα αυτά, βέβαια, ξεκίνησαν από τον Oersted, όταν το 1820 παρατήρησε ότι, αν πλησιάσουμε μια μαγνητική βελόνη κοντά σε έναν αγωγό που διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα τότε αναπτύσσονται δυνάμεις [1]. Επόμενος σταθμός υπήρξε η παρατήρηση από τον Ampere, ότι μόνο ο κινούμενος ηλεκτρισμός ασκεί μαγνητική
2 επίδραση γύρω του. Τελικά, η αμοιβαιότητα της μετατροπής από ηλεκτρισμό και μαγνητισμό και αντίστροφα διατυπώθηκε από τον Faraday, αφού προηγήθηκε μια μεγάλη περιπλάνηση ανάμεσα σε διάφορες υποθέσεις και πειράματα, με αφετηρία το 1821, όταν κατάφερε να κάνει ένα μαγνήτη να περιστρέφεται γύρω από ένα σύρμα. Έτσι τέθηκαν οι βάσεις για το σχεδιασμό και την κατασκευή των πρώτων ηλεκτρικών μηχανών στα τέλη του 1830 [8]. Οι πρώιμες μηχανές τύπου μαγνητικής αντίδρασης, που είναι αντικείμενο μελέτης της παρούσας διπλωματικής εργασίας, ήταναπό τις πρώτες που επινοήθηκαν και κατασκευάστηκαν ποτέ, ήδη από την περίοδο 1830 1850.Για να εντοπίσουμε την προέλευσή τους πρέπει να ανατρέξουμε στο 1824 και ταπειράματα των WilliamSurgeon και JosephHenryοι οποίοι με χρήση ενός απλού πετάλου αλόγου κατασκεύασαν έναν ηλεκτρομαγνήτη καιπροσπάθησαν να μετατρέψουν την απλή έλξη του μαγνήτη προς ένα σιδερένιο αντικείμενο σεσυνεχή κίνηση [11]. (α) (β) Σχήμα 1.1: Οι ηλεκτρομαγνητικές διατάξεις (α) Του Surgeon, (β) Του Henry. [11] Οι μηχανές μαγνητικής αντίδρασης συνέχισαν να εξελίσσονται, με επόμενο σημαντικό σταθμό την κατασκευή δύο μικρών έκκεντρων ηλεκτρομαγνητικών μηχανών(οι οποίες δούλευαν σύμφωνα με τις αρχές των μηχανών μαγνητικής αντίδρασης) από τον WilliamHenley γύρω στο 1842, χρησιμοποιώντας κάποιες ιδέες που περιέχοντανσε πατέντες του CharlesWheatstone. Στη συνέχεια κατασκευάστηκαν οιηλεκτρομαγνητικές μηχανές τουdavidson, του Taylor και του Page. Σχήμα1.2: Η μηχανή του Wheatstone [11].
3 (α) (β) Σχήμα 1.3: (α) Η ηλεκτρομαγνητική μηχανή του Davidson, και (β) Του Taylor [7]. Σχήμα 1.4: Ο κινητήρας του Page [11]. Ωστόσο, η ανακάλυψη των βασικών νόμων που διέπουν τα μαγνητικά κυκλώματα στα τέλη του 19ου αιώνα επέφερε σημαντικές αλλαγές στον τρόπο κατασκευής των ηλεκτρικών μηχανών και οδήγησε στην αντικατάσταση των μηχανών μαγνητικής αντίδρασης με πιο αποδοτικές μηχανές, όπως οι επαγωγικές μηχανές εναλλασσόμενου ρεύματος. Τα χρόνια που ακολούθησαν μηχανές τέτοιου τύπου εμφανίζονταν μόνο σε συσκευές ειδικών εφαρμογών όπου η απόδοση δεν είχε πρωτεύουσα σημασία. Ως παραδείγματα μπορούν να αναφερθούν κάποια ηλεκτρικά ρολόγια της εποχής, κουδούνια για οικίες, κάποιες πρώιμες μορφές ηλεκτρικών ξυριστικών μηχανών καθώς και μηχανισμοί κίνησης διαφημιστικών πινακίδων σε καταστήματα. Ίσως να μοιάζει παράξενη η ύπαρξη τέτοιων συσκευών στα τέλη του 19ου αιώνα, αρκεί όμως να αναλογιστούμε ότι βρισκόμαστε χρονικά στην πλήρη εξέλιξη της βιομηχανικής επανάστασης, και ότι αυτές οι συσκευές εκμεταλλεύονταν την έλξη ενός μεταλλικού οπλισμού από ηλεκτρομαγνήτες για παραγωγή κυκλικής ή παλμικής κίνησης, που είναι μια μάλλον απλή εφαρμογή [11]. Το ενδιαφέρον για τον κινητήρα μαγνητικής αντίδρασης αναζωπυρώθηκε στα τέλη του 1960, όταν η δημιουργία των πρώτων θυρίστορ αναζωπύρωσε το ενδιαφέρον για διάφορα είδη μηχανών, μεταξύ των οποίων και αυτές. Επιπλέον, η έρευνα πάνω σε
4 ζητήματα μορφής του δρομέα οδήγησε στο συμπέρασμα ότι η αύξηση της ανισοτροπίας του δρομέα βελτιώνει αισθητά την απόδοση της μηχανής [11]. Από τα τέλη του 1960 μέχρι και σήμερα, η ραγδαία εξάπλωση των ηλεκτρικών μηχανών καθώς και η ανάπτυξη των μικροελεγκτών ενίσχυσε περαιτέρω το ενδιαφέρον για τον κινητήρα μαγνητικής αντίδρασης, ενώ οδήγησε στη κατασκευή δύο διαφορετικών τύπων, των Βηματικών Κινητήρων Μεταβλητής Μαγνητικής Αντίδρασης και των Σύγχρονων Κινητήρων Μαγνητικής Αντίδρασης [11]. Στη συγκεκριμένη εργασία θα μελετήσουμε έναν Σύγχρονο Κινητήρα Μαγνητικής Αντίδρασης. Πριν ξεκινήσουμε όμως την ανάλυση του σύγχρονου κινητήρα μαγνητικής αντίδρασης θα κάνουμε μια αναφορά σε βασικές έννοιες, οι οποίες είναι απαραίτητες για την κατανόηση του τρόπου λειτουργίας του, αλλά και γενικά του τρόπου λειτουργίας όλων των μηχανών εναλλασσομένου ρεύματος. 1.2 Θεμελιώδεις έννοιες του μαγνητικού πεδίου [1] Μαγνητικό πεδίο είναι ο χώρος μέσα στον οποίο αναπτύσσονται μαγνητικές δυνάμεις και παρατηρούνται ηλεκτρικά φαινόμενα. Ο χώρος αυτός κατά την αντίληψη του Faraday, είναι γεμάτος από δυναμικές γραμμές, οι οποίες όπως και στο ηλεκτρικό πεδίο είναι ένα μέσο απεικόνισης. Ο συνολικός αριθμός των δυναμικών γραμμών ονομάζεται μαγνητική ροή Φ και η ποσότητα των δυναμικών γραμμών που διαπερνούν τη μονάδα μιας επιφάνειας λέγεται μαγνητική επαγωγή. Τα δύο αυτά μεγέθη συνδέονται σύμφωνα με την παρακάτω σχέση: Φ (1.1) όπου η στοιχειώδης μονάδα επιφάνειας. Κάθε σημείο του μαγνητικού πεδίου χαρακτηρίζεται από την ένταση ένταση σχετίζεται άμεσα με την μαγνητική επαγωγή σύμφωνα με τη σχέση:. Η μ (1.2) όπου μ η απόλυτη μαγνητική διαπερατότητα του μαγνητικού χώρου. Με βάση τη μαγνητική διαπερατότητα τα υλικά διακρίνονται σε μαγνητικά ή σιδηρομαγνητικά και σε μη μαγνητικά. Τα αντιπροσωπευτικότερα μαγνητικά υλικά είναι ο σίδηρος, το νικέλιο και το κοβάλτιο καθώς και τα κράματα αυτών. Στις ηλεκτρικές μηχανές χρησιμοποιούμε αποκλειστικά σίδηρο και διάφορα κράματα αυτού. Άλλο σημαντικό μέγεθος για την κατανόηση του μαγνητικού πεδίου είναι το διάρρευμα. Με τον όρο διάρρευμα εννοούμε το συνολικό ηλεκτρικό ρεύμα που διαρρέει την επιφάνεια, που ορίζει μια μαγνητική γραμμή ή γενικά μια κλειστή τροχιά.
5 Κάθε διάρρευμα δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο. Μεταξύ της εντάσεως του πεδίου αυτού και του διαρρεύματος θ υπάρχει η ακόλουθη σχέση: που λέγεται νόμος του διαρρεύματος. Θ = (1.3) Ο νόμος του διαρρεύματος, μαζί με το νόμο της επαγωγής και το νόμο που εκφράζει τις μαγνητικές δυνάμεις σε ρευματοφόρους αγωγούς, αποτελούν τις αρχές στις οποίες στηρίζεται ο σχεδιασμός και η κατασκευή των ηλεκτρικών μηχανών [1]. Ο νόμος της επαγωγής διατυπώθηκε από τον Maxwellστη δεύτερη θεμελιώδη εξίσωση του, η οποία έχει τη γενική μορφή: = - (1.4) και συνδέει το ηλεκτρικό πεδίο, το μαγνητικό πεδίο και τη μηχανική κίνηση. Χρησιμοποιώντας το νόμο της επαγωγής και τον κανόνα του Stokesμπορούμε να συνοψίσουμε τις περιπτώσεις δημιουργίας επαγωγικών φαινομένων στις ηλεκτρικές μηχανές ως εξής [1]: Σταθερό μαγνητικό πεδίο και στρεφόμενοι ηλεκτρικοί αγωγοί εντός αυτού. Έτσι λειτουργούν οι μηχανές συνεχούς ρεύματος. Σταθερό μαγνητικό πεδίο χρονικά, αλλά στρεφόμενο στο χώρο, και ακίνητοι ηλεκτρικοί αγωγοί. Η περίπτωση αυτή εμφανίζεται στη σύγχρονη μηχανή και είναι η αντίστροφη περίπτωση της μηχανής συνεχούς ρεύματος. Στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο και συγχρόνως περιστροφή των αγωγών. Για το επαγωγικό φαινόμενο σημασία έχει η σχετική θέση μεταξύ πεδίου και αγωγών. Η κατάσταση αυτή παρατηρείται στην τριφασική ασύγχρονη μηχανή. 1.3 Ηλεκτρικές μηχανές εναλλασσόμενου ρεύματος 1.3.1 Κατηγοριοποίηση ηλεκτρικών μηχανών Όλες οι ηλεκτρικές μηχανές αποτελούνται από δύο βασικά μέρη. Το ένα είναι σταθερό και ονομάζεται στάτης, ενώ το άλλο είναι αυτό που περιστρέφεται και ονομάζεται δρομέας. Οι ηλεκτρικές μηχανές χωρίζονται ανάλογα με το ρεύμα που διαρρέει τα τυλίγματα του στάτη σε μηχανές συνεχούς ρεύματος και σε μηχανές εναλλασσόμενου ρεύματος. Στις μηχανές συνεχούς ρεύματος το ρεύμα που διαρρέει τα τυλίγματα του στάτη δημιουργεί ένα σταθερό μαγνητικό πεδίο, ενώ στις μηχανές εναλλασσόμενου ρεύματος το πεδίο που δημιουργείται είναι σταθερό χρονικά αλλά στρεφόμενο στο χώρο. Το στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο θα αναλυθεί παρακάτω.
6 Για τις μηχανές εναλλασσόμενου ρεύματος ορίζουμε τον σύγχρονο αριθμό στροφών σύμφωνα με τη σχέση: (1.5) όπου f s είναι η συχνότητα τροφοδοσίας των τυλιγμάτων του στάτη και pτα ζεύγη πόλων της μηχανής [2]. Ο σύγχρονος αριθμός στροφών εκφράζει την ταχύτητα με την οποία περιστρέφεται το στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο στο διάκενο της μηχανής (μεταξύ στάτη και δρομέα), το οποίο δημιουργείται από τα ρεύματα που διαρρέουν τα τρία τυλίγματα του στάτη. Οι μηχανές εναλλασσόμενου ρεύματος χωρίζονται σε σύγχρονες, αν ο δρομέας τους στρέφεται με το σύγχρονο αριθμό στροφών και ασύγχρονες, αν ο δρομέας τους στρέφεται με αριθμό στροφών διαφορετικό του σύγχρονου. Οι κινητήρες μαγνητικής αντίδρασης ανήκουν στους σύγχρονους κινητήρες και με βάση τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά τους χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: α) στους σύγχρονους κινητήρες μαγνητικής αντίδρασης χωρίς έκτυπους πόλους στο στάτη και β) στους σύγχρονους κινητήρες μαγνητικής αντίδρασης με έκτυπους πόλους στο στάτη. Στην εργασία αυτή η πρώτη κατηγορία, η οποία αποτελεί το αντικείμενο της παρούσας εργασίας, θα αναφέρεται χάριν συντομίας ως σύγχρονοι κινητήρες μαγνητικής αντίδρασης. Η ταξινόμηση των ηλεκτρικών μηχανών φαίνεται στο σχήμα 1.5, όπου παρατηρούμε ότι οι περισσότερες μηχανές που παράγονται και χρησιμοποιούνται σήμερα είναι μηχανές εναλλασσόμενου ρεύματος. Σχήμα 1.5: Ταξινόμηση ηλεκτρικών μηχανών[7].
7 1.3.2 Αρχή λειτουργιάς ηλεκτρικών μηχανών εναλλασσόμενου ρεύματος [4] Οι βασικές αρχές λειτουργίας των μηχανών εναλλασσόμενου ρεύματος είναι πολύ απλές, αλλά επισκιάζονται από την περίπλοκη κατασκευή των πραγματικών μηχανών [4]. Ένας περιστρεφόμενος βρόχος μέσα σε ένα ομοιόμορφο μαγνητικό πεδίο είναι η πιο απλή μηχανή που παράγει ημιτονοειδή εναλλασσόμενη τάση. Η περίπτωση αυτή δεν είναι ενδεικτική των πραγματικών ηλεκτρικών μηχανών εναλλασσόμενου ρεύματος, αφού η μαγνητική ροή στις πραγματικές μηχανές δεν είναι σταθερή ούτε ως προς το πλάτος ούτε ως προς την κατεύθυνση. Ωστόσο, οι παράγοντες που ελέγχουν την τάση και τη ροπή του βρόχου θα είναι ίδιοι µε εκείνους που ελέγχουν την τάση και τη ροπή στις πραγματικές ηλεκτρικές μηχανές εναλλασσόμενου ρεύματος [4]. Το σχήμα 1.6 παρουσιάζει µια απλή μηχανή που αποτελείται από έναν μεγάλο στατό μαγνήτη που δημιουργεί ένα σταθερό και ομοιόμορφο μαγνητικό πεδίο καθώς και έναν περιστρεφόμενο βρόχο μέσα στο πεδίο αυτό [4]. Το περιστρεφόμενο τμήμα της ηλεκτρικής μηχανής αντιστοιχεί στον δρομέα, και το στατό τμήμα στον στάτη. Σχήμα 1.6: Ένας απλός περιστρεφόμενος βρόχος σε ομοιόμορφο μαγνητικό πεδίο. (α)πρόσοψη. (β) άποψη[4]. Αν ο δρομέας αυτής της μηχανής περιστρέφεται, θα έχουμε επαγωγή τάσης στο βρόχο. Ο βρόχος που παρουσιάζεται είναι τετραγωνικός, µε τις πλευρές abκαι cd κάθετες στο επίπεδο της σελίδας και τις πλευρές bcκαι daπαράλληλες ως προς το επίπεδο αυτό [4]. Το μαγνητικό πεδίο είναι σταθερό και ομοιόμορφο, µε κατεύθυνση από τα αριστερά προς τα δεξιά. Για να ορίσουμε την ολική τάση e ind στον βρόχο, θα πρέπει να εξετάσουμε κάθε πλευρά του βρόχου χωριστά και να αθροίσουμε όλες τις τάσεις που θα βρούμε. Η τάση σε κάθε πλευρά δίνεται από την Εξίσωση (1.6) [4]: Οπότε η ολική επαγόμενη τάση που θα προκύψει για το βρόχο είναι [4]: (1.6)
8 (1.7) που είναι μια ημιτονοειδής συνάρτηση του χρόνου. Αν ο βρόχος περιστρέφεται με σταθερή γωνιακή ταχύτητα ω, τότε [4]: (1.8) επίσης (1.9) όπου r η ακτίνα του άξονα περιστροφής και ω είναι η γωνιακή ταχύτητα του βρόγχου. Επίσης το εμβαδό Α του βρόγχου δίνεται από τη σχέση [4]: (1.10) Τέλος θα πρέπει να σημειώσουμε ότι η μέγιστη μαγνητική ροή μέσω του βρόχου εμφανίζεται όταν ο βρόχος είναι κάθετος προς τις δυναμικές γραμμές. Έτσι [4]: Επομένως, η τελική μορφή της εξίσωσης τάσης είναι [4]: (1.11) (1.12) Έτσι, η τάση που δημιουργείται μέσα στο βρόχο είναι µια καμπύλη ημιτόνου της οποίαςτο μέγεθος ισούται µε το γινόμενο της μαγνητικής ροής στο εσωτερικό της μηχανής και της ταχύτητας περιστροφής της μηχανής. Αυτό ισχύει επίσης και στις πραγματικές μηχανές εναλλασσομένου ρεύματος. Γενικά, η τάση εξαρτάται από τρεις παράγοντες [4]: 1. Τη μαγνητική ροή στη μηχανή 2. Την ταχύτητα περιστροφής 3. Μια σταθερά που εξαρτάται από τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά της μηχανής. Τώρα ας υποθέσουμε ότι ο βρόχος του δρομέα σχηματίζει γωνία θ ως προς το μαγνητικό πεδίο, και ότι το ρεύμα i ρέει στο βρόχο, όπως δείχνει το Σχήμα 1.7. Αν το ρεύμα ρέει στο βρόχο, τότε θα έχουμε επαγωγή ροπής στο βρόχο. Η δύναμη σε κάθε πλευρά του βρόχου δίνεται από την Εξίσωση (1.13) [4]: (1.13) όπου i το μέγεθος του ρεύματος στη συγκεκριμένη πλευρά, l το μήκος της πλευράς με την κατεύθυνση του l να ορίζεται στην κατεύθυνση της ροής του ρεύματος και Β το διάνυσμα της μαγνητικής επαγωγής. Η ροπή σε κάθε πλευρά δίνεται από τη σχέση: (1.14)
9 όπου θ είναι η γωνία μεταξύ του διανύσματος r και του διανύσματος F. Η κατεύθυνση της ροής είναι ωρολογιακή όταν τείνει να προκαλέσει ωρολογιακή περιστροφή, ενώ είναι ανθωρολογιακή όταν τείνει να προκαλέσει ανθωρολογιακή περιστροφή. Σχήμα 1.7: Βρόχος που διαρρέεται από ρεύμα σε ομοιόμορφο μαγνητικό πεδίο. (α) πρόσοψη. (β)άποψη[4]. Η ολική επαγόμενη ροπή στο βρόχο Μ ind είναι το άθροισμα των ροπών σε κάθε µία από τις πλευρές του, οπότε προκύπτει [4]: που είναι μια ημιτονοειδής συνάρτηση του χρόνου. (1.15) Αν εκφράσουμε την Εξίσωση (1.15) και µε έναν εναλλακτικό τρόπο, που συσχετίζει µε ξεκάθαρο τρόπο την συμπεριφορά του απλού βρόχου µε τη συμπεριφορά των μεγαλύτερων, πραγματικών μηχανών εναλλασσομένου ρεύματος προκύπτει: (1.16) όπου k είναι ένας παράγοντας που εξαρτάται από τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά της μηχανής, το B s, χρησιμοποιείται για το μαγνητικό πεδίο του στάτη, ώστε να ξεχωρίζει από το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από το δρομέα. B loop είναιη μαγνητική επαγωγή που δημιουργείται από το ρεύμα στο βρόχο και θ είναι η γωνία μεταξύ B loop και B s. Επομένως, η ροπή που επάγεται στο βρόχο είναι ανάλογη µε τη δύναµη του μαγνητικού πεδίου του βρόχου, τη δύναμη του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου, και το ημίτονο της μεταξύ τους γωνίας. Αυτό ισχύει και για τις πραγματικές μηχανές εναλλασσομένου ρεύματος. Γενικά, η ροπή σε κάθε πραγματική μηχανή εξαρτάται από τους εξής τέσσερις παράγοντες [4]: Τη δύναμη του μαγνητικού πεδίου του δρομέα
10 Τη δύναμη του μαγνητικού πεδίου του στάτη Το ημίτονο της μεταξύ τους γωνίας Μια σταθερά που εξαρτάται από τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά της μηχανής (γεωμετρία, κτλ.) 1.3.3 Το στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο [2,4] Προηγουμένως, είδαμε πως αν σε µια μηχανή υπάρχουν δύο μαγνητικά πεδία, τότε δημιουργείται ροπή η οποία τείνει να ευθυγραμμίσει τα δύο μαγνητικά πεδία. Αν το ένα μαγνητικό πεδίο δημιουργείται από τον στάτη μιας ηλεκτρικής μηχανής εναλλασσόμενου ρεύματος και το άλλο από το δρομέα της μηχανής αυτής, τότε η ροπή θα επάγεται στο δρομέα, κάτι που θα κάνει το δρομέα να περιστραφεί και να ευθυγραμμιστεί µε το μαγνητικό πεδίο του στάτη [4]. Αν υπήρχε κάποιος τρόπος να περιστρέψουμε το μαγνητικό πεδίο του στάτη, τότε η επαγόμενη ροπή στο δρομέα θα τον έκανε να "κυνηγά" συνεχώς το μαγνητικό πεδίο του στάτη σε κυκλική κατεύθυνση. Αυτή, εν συντομία, είναι η βασική αρχή λειτουργία όλων των κινητήρων εναλλασσομένου ρεύματος [4]. Για να δημιουργήσουμε το στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο στο στάτη αρκεί να τροφοδοτήσουμε τα τρία τυλίγματα του στάτη με ρεύματα που έχουν το ίδιο πλάτος και διαφορά φάσεις μεταξύ τους 120 ο. Στις πηγές [4] και [2] παρουσιάζεται θεωρητική ανάλυση του στρεφόμενου πεδίου. Για την καλύτερη κατανόηση του στρεφόμενου πεδίου παρατίθεται το σχήμα 1.8, όπου το στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο στο εσωτερικό του στάτη φαίνεται με τη μορφή ενός βόριου και ενός νότιου πόλου στα σημεία όπου η μαγνητική ροή εξέρχεται ή εισέρχεται αντίστοιχα στο στάτη. Σχήμα 1.8: Το στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο στο εσωτερικό του στάτη με τη μορφή ενός βόριου και ενός νότιου πόλου[4]. 1.3.4 Περιγραφή λειτουργίας μηχανών εναλλασσομένου ρεύματος [2,4] Όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως οι μηχανές εναλλασσόμενου ρεύματος χωρίζονται σε σύγχρονες και ασύγχρονες. Η ασύγχρονη μηχανή ονομάζεται και
11 επαγωγική μηχανή. Ο στάτης της φέρει στο εσωτερικό του μέρος αυλακώσεις, μέσα στις οποίες τοποθετείται κυρίως τριφασικό τύλιγμα για να παράγει το στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο που περιγράφτηκε στην ενότητα 1.3.3 [2]. Το τριφασικό τύλιγμα παίρνει ρεύμα από το δίκτυο ή από ένα τριφασικό αντιστροφέα και δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο, το οποίο επάγει στο δρομέα ρεύματα. Τα ρεύματα αυτά μαζί με το πεδίο που τα δημιούργησε προκαλούν δυνάμεις και κατά συνέπεια ηλεκτρομαγνητική ροπή, υπό την επίδραση της οποίας ο δρομέας τίθεται σε περιστροφική κίνηση. Ο δρομέας προσπαθεί να φτάσει το στρεφόμενο πεδίο, ώστε μόλις γίνει η σχετική ταχύτητα μεταξύ των δύο πεδίων μηδέν να μηδενιστεί το ρεύμα, που τον διαρρέει. Δεν κατορθώνει όμως ποτέ να φτάσει το στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο του στάτη, δηλαδή δεν αποκτά ποτέ τη σύγχρονη ταχύτητα n s, γιατί τότε δεν θα είχαμε ρεύμα εξ επαγωγής και η ροπή θα ήταν μηδέν [2]. Γι αυτό το λόγο προέκυψε και το όνομα ασύγχρονη μηχανή. Ανάλογα με το πώς είναι τοποθετημένα τα τυλίγματα του δρομέα σε μια ασύγχρονη μηχανή, χωρίζονται στις ασύγχρονες μηχανές με κλωβό και στις ασύγχρονές μηχανές με κυλινδρικό δρομέα [2]. Οι εξισώσεις που περιγράφουν τις τάσεις και τα ρεύματα μιας ασύγχρονης μηχανής στη μόνιμη κατάσταση είναι [2]: (1.17) (1.18) Στην ασύγχρονη μηχανή με κλωβό ο δρομέας είναι βραχυκυκλωμένος, οπότε =0. Στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας οι τάσεις και τα ρεύματα είναι ημιτονοειδείς συναρτήσεις και η ταχύτητα είναι σταθερή. Σχήμα 1.9: Εικόνα του στάτη και του δρομέα τριφασικής ασύγχρονης μηχανής [7].
12 Σχήμα 1.10: Τυπικός δακτυλιοφόρος δρομέας ασύγχρονης μηχανής [7]. Η σύγχρονη μηχανή αποτελείται από το δρομέα που τροφοδοτείται με συνεχές ρεύμα και από τον στάτη που φέρει ένα τριφασικό τύλιγμα όμοιο με αυτό της ασύγχρονης μηχανής. Έτσι στο εσωτερικό της μηχανής υπάρχει το στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο του στάτη και το συνεχές πεδίο του δρομέα το οποίο κυνηγάει συνεχώς το πεδίο του στάτη χωρίς ποτέ να καταφέρει να το φτάσει. Όσο μεγαλύτερη είναι η γωνία μεταξύ των δύο πεδίων τόσο μεγαλύτερη είναι η ροπή που ασκεί στο δρομέα το μαγνητικό του πεδίο. Οι σύγχρονες μηχανές ανάλογα με την κατασκευή του δρομέα χωρίζονται σε μηχανές με κατανεμημένους πόλους (ονομάζονται και μηχανές με κυλινδρικό δρομέα) και σε μηχανές με έκτυπους πόλους. Ο δρομέας των σύγχρονων μηχανών και των δύο τύπων φέρει ένα ακόμη τύλιγμα που ονομάζεται τύλιγμα απόσβεσης. Αυτό αποτελείται από χάλκινες ράβδους (μπάρες), οι οποίες σε μηχανές με έκτυπους πόλους τοποθετούνται επάνω στα πέλματα των πόλων και συνδέονται με δακτυλίους βραχυκύκλωσης όπως στην ασύγχρονη μηχανή με κλωβό [2]. Σχήμα 1.11: Δρομέας σύγχρονης μηχανής οκτώ έκτυπων πόλων [4].
13 Η εξίσωση των τάσεων για τη σύγχρονη μηχανή με κυλινδρικό δρομέα είναι [2]: (1.19) Η τάση προέρχεται από το μαγνητικό πεδίο του δρομέα και λέγεται πολική τάση. Μεταξύ των τάσεων και σχηματίζεται η γωνία θ, που ονομάζεται πολική γωνία. Η ηλεκτρομαγνητική ροπή για τη σύγχρονη μηχανή με κυλινδρικό δρομέα, αν αμελήσουμε την αντίσταση του στάτη, η οποία είναι πολύ μικρή, δίνεται από τη σχέση [2]: και Οι αντίστοιχες σχέσεις για τη σύγχρονη μηχανή με έκτυπους πόλους είναι [2]: (1.20) (1.21) (1.22) Παρατηρούμε ότι ο τύπος αυτός διαφέρει από τον τύπο για τη σύγχρονη μηχανή με κυλινδρικό δρομέα στο ότι περιέχει αθροιστικά έναν επιπλέον όρο, ο οποίος δεν περιέχει τη διέγερση, ενώ περιέχει τη συνάρτηση sin2θ. Αυτή είναι μια ουσιώδεις διαφορά ως προς την σύγχρονη μηχανή με κατανεμημένο τύλιγμα διέγερσης. Το γεγονός αυτό σημαίνει ότι, στην περίπτωση που διακοπεί η διέγερση έχουμε μια ροπή λόγω της μαγνητικής ασυμμετρίας, η οποία ονομάζεται ροπή αντιδράσεως [2]. Στη ροπή αυτή βασίζεται και η λειτουργία των κινητήρων μαγνητικής αντίδρασης που είναι αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Τώρα θα αναφερθούμε στις απώλειες που εμφανίζονται στις μηχανές εναλλασσόμενου ρεύματος. Οι απώλειες αυτές χωρίζονται στις εξής τέσσερις βασικές κατηγορίες [4]: 1. Ηλεκτρικές απώλειες ή απώλειες χαλκού 2. Απώλειες ενέργειας στον σίδηρο 3. Μηχανικές απώλειες 4. Κατανεμημένες απώλειες Οι ηλεκτρικές απώλειες ή απώλειες χαλκού είναι οι ωμικές απώλειες που εμφανίζονται στα τυλίγματα του στάτη και του δρομέα στη μηχανή. Οι απώλειες σιδήρου είναι οι απώλειες που εμφανίζονται στα τμήματα της μηχανής που αποτελούνται από σίδηρο. Ο σίδηρος είναι απαραίτητος σε μια μηχανή γιατί ενισχύει το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται στα πηνία και το οδηγεί έτσι, ώστε να επιτυγχάνεται η βέλτιστη μαγνητική σύζευξη. Όταν το μαγνητικό πεδίο του σιδήρου είναι εναλλασσόμενο ή όταν ο σίδηρος κινείται σχετικά προς το πεδίο, τότε εντός αυτού
14 αναπτύσσεται θερμότητα, η οποία χάνεται από την ωφέλιμη ενέργεια. Οι απώλειες αυτές είναι ανεπιθύμητες, γιατί μειώνουν το βαθμό απόδοσης της μηχανής και η θερμότητα που αναπτύσσεται προκαλεί βλάβες στις μονώσεις των τυλιγμάτων. Στο σίδηρο διακρίνουμε δύο είδη απωλειών, τις απώλειες υστέρησης και τις απώλειες δινορευμάτων [2]. Αν το μαγνητικό πεδίο αναπτύσσεται μέσα στο σίδηρο τότε η διαπερατότητα είναι συνάρτηση της έντασης Η. Η εξάρτηση αυτή φαίνεται από την χαρακτηριστική μαγνητίσεως του σιδήρου Β=f(H), η οποία είναι γνωστή σαν βρόχος υστέρησης. Αυτή η καμπύλη διαγράφεται πολλές φορές, όταν έχουμε εναλλασσόμενη μαγνήτιση. Έτσι η μαγνητική ενέργεια μετατρέπεται σε θερμότητα και χάνεται. Αυτές είναι οι απώλειες υστέρησης και είναι ανάλογες της συχνότητας του εναλλασσόμενου πεδίου [2]. Όσων αφορά τις απώλειες δινορευμάτων, σύμφωνα με το νόμο τις επαγωγής η μεταβολή ενός μαγνητικού πεδίου προκαλεί ένα ηλεκτρικό πεδίο. Αυτό ισχύει και στα σιδηρομαγνητικά υλικά. Αυτό το ηλεκτρικό πεδίο ασκεί δυνάμεις στα ελεύθερα φορτία του σιδηρομαγνητικού πυρήνα και τα θέτει σε κίνηση με αποτέλεσμα να δημιουργούνται ρεύματα, τα οποία έχουν κλειστές τροχιές και ονομάζονται δινορεύματα. Είναι ανάλογα της τάσης εξ επαγωγής, της συχνότητας και της έντασης του πεδίου. Για να τα μειώσουμε χρησιμοποιούμε ελάσματα, όταν έχουμε πυρήνες από σίδηρο, οι οποίοι διαρρέονται από εναλλασσόμενα μαγνητικά πεδία. Αν χρησιμοποιούσαμε μαζικό σίδηρο, θα ήταν αδύνατη η αποτελεσματική μαγνήτιση, διότι τα δινορεύματα δημιουργούν το δικό τους μαγνητικό πεδίο, το οποίο επιδρά επί του αρχικού και το εξασθενεί [2]. Οι μηχανικές απώλειες σε μια ηλεκτρική μηχανή είναι οι απώλειες που σχετίζονται με τα μηχανικά φαινόμενα. Υπάρχουν δύο βασικά είδη μηχανικών απωλειών: η τριβή και ο εξαερισμός. Οι απώλειες εξαερισμού είναι οι απώλειες που προκαλούνται από την τριβή μεταξύ των κινούμενων μερών της μηχανής και του αέρα που βρίσκεται στο εσωτερικό του κινητήρα [4]. Τέλος οι κατανεμημένες απώλειες είναι αυτές που δεν υπάγονται σε καμία από τις προηγούμενες κατηγορίες. Στις περισσότερες μηχανές, οι κατανεμημένες απώλειες θεωρούνται συμβατικά σαν το 1% του πλήρους φορτίου [4]. Μια βολική τεχνική αντιμετώπισης των απωλειών σε μια μηχανή είναι το διάγραμμα ροής-ισχύος, το οποίο παρουσιάζεται στο σχήμα 1.12 για λειτουργία της μηχανής για γεννήτρια και για κινητήρα.
15 Σχήμα 1.12: (α) Διάγραμμα ροής ισχύος τριφασικής γεννήτριας εναλλασσόμενου ρεύματος, (β)διάγραμμα ροής ισχύος τριφασικού κινητήρα εναλλασσόμενου ρεύματος [4]. Στην προσπάθεια μείωσης των παραπάνω απωλειών οφείλεται η σχεδίαση των μηχανών εναλλασσομένου ρεύματος. Για να μειωθούν οι απώλειες σιδήρου χρησιμοποιείται ελασματοποιημένος στάτης σε όλες τις μηχανές εναλλασσομένου ρεύματος και ελασματοποιημένος δρομέας στην ασύγχρονη μηχανή. Οι κινητήρας μαγνητικής αντίδρασης δεν έχουν τυλίγματα στο δρομέα και επομένως ωμικές απώλειες σε αυτόν.
16
17 Κεφάλαιο 2 Εισαγωγή στον Σύγχρονο Κινητήρα Μαγνητικής Αντίδρασης 2.1 Γενικά [5,[6] Στο προηγούμενο κεφάλαιο είδαμε ότι η ηλεκτρομαγνητική ροπή σε μια σύγχρονη μηχανή με έκτυπους πόλους δίνεται από τη σχέση (1.22), την οποία παραθέτουμε ακριβώς από κάτω για να την αναλύσουμε. (2.1) όπου pείναι τα ζεύγη πόλων της μηχανής, ω η ηλεκτρική γωνιακή ταχύτητα της μηχανής (σε rad/s), U S η ενεργός τιμή της φασικής τάσεως τους στάτη, E P η τάση εξ επαγωγής στο στάτη από το πεδίου του δρομέα (εξαρτάται από το ρεύμα διέγερσης του δρομέα), X d και X q η επαγωγική αντίσταση στον d και q άξονα αντίστοιχα και θ η πολική γωνία ή γωνία ισχύος. Η σχέση (2.1) περιέχει έναν όρο, ο οποίος δεν περιέχει τη διέγερση. Αυτό σημαίνει ότι ακόμα και χωρίς διέγερση ο κινητήρας μπορεί να παράγει ροπή. Αυτή η ροπή λέγεται ροπή αντίδρασης και σε αυτήν οφείλεται η λειτουργία των κινητήρων μαγνητικής αντίδρασης. Η ροπή αντίδρασης εμφανίζεται μόνο όταν έχουμε έκτυπους πόλους είτε στο στάτη είτε στο δρομέα και μόνο ένα από τα δύο τυλίγματα είναι σε διέγερση [6]. Δηλαδή εμφανίζεται όταν έχουμε μεταβλητή μαγνητική αντίσταση στο διάκενο της μηχανής. Για καλύτερη κατανόηση του τρόπου δημιουργίας της παραθέτουμε το Σχήμα 2.1. Σχήμα 2.1: Στάτης και δρομέας διάφορων ηλεκτρικών μηχανών για περιγραφή ροπής αντίδρασης [6].
18 Στο Σχήμα 2.1 (a) ροπή αντίδρασης εμφανίζεται μόνο όταν το τύλιγμα 1 είναι σε διέγερση. Στο Σχήμα 2.1 (b) ροπή αντίδρασης εμφανίζεται μόνο όταν το τύλιγμα 2 είναι σε διέγερση. Στο Σχήμα 2.1 (c) ροπή αντίδρασης εμφανίζεται αν ένα από τα δύο τυλίγματα είναι σε διέγερση. Στο Σχήμα 2.1 (d) δεν εμφανίζεται ροπή αντίδρασης γιατί δεν έχουμε έκτυπους πόλους. Χαρακτηριστικό της ροπής αντίδρασης είναι ότι οι διεγερμένοι πόλοι της μιας μεριάς έχουν την τάση να ευθυγραμμιστούν με τους πόλους της άλλης μεριάς. Η ροπή αντίδρασης στη διεθνή βιβλιογραφία ονομάζεται reluctancetorqueκαι οι κινητήρες που βασίζουν τη λειτουργία τους σε αυτή τη ροπή reluctancemotors. Στα ελληνικά μεταφράζονται κινητήρες μαγνητικής αντίδρασης. Χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: α) τους σύγχρονους κινητήρες μαγνητικής αντίδρασης χωρίς έκτυπους πόλους στο στάτη και β) τους σύγχρονους κινητήρες μαγνητικής αντίδρασης με έκτυπους πόλους στο στάτη. Στη διεθνή βιβλιογραφία ονομάζονται «synchronous reluctance motors» και «switched reluctance motors» αντίστοιχα. Κατασκευαστικά οι δύο τύποι κινητήρων μαγνητικής αντίδρασης διαφέρουν αρκετά. Ο στάτης ενός σύγχρονου κινητήρα μαγνητικής αντίδρασης είναι όμοιος με αυτόν μιας σύγχρονης ή μιας ασύγχρονης μηχανής, δηλαδή αποτελείται από συμμετρικό τριφασικό τύλιγμα, του οποίου οι τρεις μαγνητικοί άξονες έχουν απόσταση μεταξύ τους 120 ηλεκτρικών μοιρών. Ο δρομέας ενός σύγχρονου κινητήρα μαγνητικής αντίδρασης αποτελείται από έναν μαγνητικό πυρήνα χωρίς τύλιγμα διεγέρσεως με κύριο χαρακτηριστικό του εξέχοντες πόλους ώστε να δημιουργούνται εναλλάξ μεγάλα διάκενα [5].Πολλές φορές στον δρομέα τοποθετείται και κλωβός ώστε ο κινητήρας να εκκινεί ασύγχρονα. Όσων αφορά τον σύγχρονο κινητήρα μαγνητικής αντίδρασης με έκτυπους πόλους στο στάτη έχει έκτυπους πόλους και στον στάτη και στον δρομέα και μόνο ένας από αυτούς διεγείρεται (συνήθως ο στάτης) [6]. Ο αριθμός των έκτυπων πόλων του στάτη είναι διαφορετικός από τον αριθμό των έκτυπων πόλων του δρομέα. Συνήθως συναντούνται σύγχρονοι κινητήρες μαγνητικής αντίδρασης με έκτυπους πόλους στο στάτη με αριθμό πόλων στάτη προς αριθμό πόλων δρομέα 6:4 και 8:6. Βέβαια είναι δυνατοί και οι συνδυασμοί 4:2, 6:2, 10:4, 12:8 [6]. Κανένας από τους δύο τύπους κινητήρα μαγνητικής αντίδρασης δεν φέρει τυλίγματα στο δρομέα, επομένως δεν έχει ωμικές απώλειες σε αυτόν [6].
19 Σχήμα 2.2: (a)στάτης και (b)δρομέας κινητήρα μαγνητικής αντίδρασης με έκτυπους πόλους στο στάτη με 6 πόλους στο στάτη και 4 στο δρομέα [6]. Στο Σχήμα 2.2 φαίνεται η απλότητα της κατασκευής του στάτη και του δρομέα ενός σύγχρονου κινητήρα μαγνητικής αντίδρασης με έκτυπους πόλους στο στάτη. Κατασκευαστικά οι σύγχρονοι κινητήρες μαγνητικής αντίδρασης με έκτυπους πόλους στο στάτη μοιάζουν με τους βηματικούς με τη μόνη διαφορά ότι οι σύγχρονοι κινητήρες μαγνητικής αντίδρασης με έκτυπους πόλους στο στάτη χρειάζονται αισθητήρα θέσης για την παλμοδότηση τους [6]. Οι σύγχρονοι κινητήρες μαγνητικής αντίδρασης με έκτυπους πόλους στο στάτη εμφανίζουν υψηλή απόδοση στις υψηλές ταχύτητες, συγκρινόμενη με αυτή των κινητήρων τύπου BLDC. Τα πλεονεκτήματα του σύγχρονου κινητήρα μαγνητικής αντίδρασης είναι τα εξής [6]: Ο στάτης του είναι παρόμοιος με αυτόν των ασύγχρονων μηχανών επομένως μπορεί να κατασκευαστεί στις ήδη υπάρχουσες γραμμές παραγωγής. Έχει μικρό κόστος κατασκευής. Δεν περιέχει μαγνήτες επομένως και τα προβλήματα που δημιουργούνται από την ύπαρξη τους. Μπορεί να περιστρέφεται με πολύ υψηλές ταχύτητες λόγω της μη ύπαρξης μαγνητών. Μπορεί να δουλεύει σε υψηλότερες θερμοκρασίες από κινητήρες που περιέχουν μόνιμους μαγνήτες. Δεν υπάρχει κίνδυνος απομαγνητισμού. Στα μειονεκτήματα του ανήκει ο πολύ μικρός συντελεστής ισχύος, η μικρή απόδοση τουκαι το υψηλό ρεύμα μαγνήτισης [6]. Στην παρούσα διπλωματική εργασία χρησιμοποιείται ένας σύγχρονος κινητήρας μαγνητικής αντίδρασης με κλωβό στο δρομέα, ο οποίος για συντομία στη συνέχεια θα αναφέρεται ως Σ.Κ.Μ.Α. (με αυτά τα αρχικά θα αναφερόμαστε μόνο σε σύγχρονους κινητήρες μαγνητικής αντίδρασης που περιέχουν κλωβό στο δρομέα). Η έρευνα για την αγορά του έγινε από τον συνάδερφο Διονύση Σπυρόπουλο στα πλαίσια της διπλωματικής του εργασίας. Αγοράστηκε από την εταιρία Kaiser-Motorenκαι τα χαρακτηριστικά του θα παρουσιαστούν στη συνέχεια. Επειδή ο δρομέας του σύγχρονου κινητήρα μαγνητικής αντίδρασης δεν περιέχει καμία πηγή που να δημιουργεί μαγνητικό πεδίο σε αυτόν (είτε τύλιγμα διέγερσης είτε μόνιμους μαγνήτες), η ηλεκτρομαγνητική ροπή που παράγει δίνεται από τη σχέση [5]: (2.1) Η σχέση 2.2 προκύπτει από τη σχέση 2.1 αν κρατήσουμε μόνο τον όρο που περιέχει τη ροπή αντίδρασης. Για να κατανοήσουμε καλύτερα τον τρόπο δημιουργίας ροπής
20 αντίδρασης σε έναν σύγχρονο κινητήρα μαγνητικής αντίδρασης μπορούμε να πούμε ότι, το στρεφόμενο πεδίο του στάτη προσανατολίζει τους στοιχειώδεις μαγνήτες του δρομέα με αποτέλεσμα να δημιουργηθεί πεδίο στο δρομέα, αφού αυτός αποτελείται από σιδηρομαγνητικό υλικό. Το πεδίο του δρομέα «κυνηγάει» το πεδίο του στάτη, ώστε σύμφωνα με τον κανόνα του Lenzνα αναιρεθεί το αίτιο που προκάλεσε τη μεταβολή. Από τη σχέση 2.2 βλέπουμε ότι όσο μεγαλύτερος είναι ο λόγος Xd/Xqή αλλιώς Ld/Lqτόσο μεγαλύτερη ροπή μπορεί να παράγει ο κινητήρας. Αυτός ο λόγος κυμαίνεται από 3 μέχρι 7-8 ανάλογα το σχεδιασμό του δρομέα.μερικές φορές συναντάμε δρομείς και με μεγαλύτερο λόγο Ld/Lq, όπως 9.1 [53] και 12.8 [52]. Η περιγραφή των δρομέων που συναντάμε στους Σ.Κ.Μ.Α. θα γίνει σε επόμενο κεφάλαιο. Γενικά υπάρχουν ελασματοποιημένοι δρομείς (Σχήμα 2.3 (a)), αξονικά ελασματοποιημένοι (Εικόνα 2.3(b)) και εγκάρσια ελασματοποιημένοι (Εικόνα 2.3 (c)). Ο μέγιστος λόγος Ld/Lq (δηλαδή 7-8) πετυχαίνεται με ακτινικά ελασματοποιημένους δρομείς.σε δρομείς, οι οποίοι περιέχουν κλωβό, συναντάμε Ld/Lq περίπου 3 επειδή ο κλωβός περιορίζει το σχεδιασμό τους [13]. Για επίτευξη υψηλού λόγου Ld/Lq μπορεί να συναντήσουμε δρομείς με μόνιμους μαγνήτες στον dάξονα του στάτη, οι οποίοι συνεισφέρουν στην αύξηση της επαγωγιμότητας του. Σχήμα 2.3: Διάφοροι δρομείς ενός σύγχρονου κινητήρα μαγνητικής αντίδρασης [12]. Στη διεθνή βιβλιογραφία ο σύγχρονος κινητήρας μαγνητικής αντίδρασης συναντάται με διάφορα ονόματα. Αν περιέχει κλωβό συναντάται σαν squirrel cage synchronous reluctance motor ή line-start synchronous reluctance motor. Αν ο σύγχρονος κινητήρας μαγνητικής αντίδρασης δεν περιέχει κλωβό, τότε η τροφοδότηση του γίνεται μόνο μέσω αντιστροφέα, ώστε να έχουμε έλεγχο της ταχύτητας του. Αρχικά εκκινεί με πολύ μικρή ταχύτητα, επειδή αν δεν έχει κλωβό δεν μπορεί να παράγει ροπή εκκίνησης και στη συνέχεια η ταχύτητα του αυξάνεται. Οι σύγχρονοι κινητήρες μαγνητικής αντίδρασης, που τροφοδοτούνται από αντιστροφέα, συναντούνται με το όνομα SynchRel ή RSM (από τα αρχικά Reluctance Synchronous Motor) [51]. Ο σύγχρονοι κινητήρας μαγνητικής αντίδρασης με έκτυπους πόλους στο στάτη συναντάται σαν S.R.M από τα αρχικά των λέξεων Switched Reluctance Motor, σαν Variable Reluctance Motor, σαν Brushless Reluctance Motorκαι σαν Electronically Commutated Reluctance Motor [7].
21 2.2 Σύγκριση Σύγχρονου Κινητήρα Μαγνητικής Αντίδρασης με άλλους κινητήρες εναλλασσόμενου ρεύματος 2.2.1 Σύγκριση Σύγχρονου Κινητήρα Μαγνητικής Αντίδρασης με Σύγχρονο Κινητήρα Μαγνητικής Αντίδρασηςμε έκτυπους πόλους στο στάτη [6] Οι δύο αυτοί κινητήρες ανήκουν στην κατηγορία των κινητήρων μαγνητικής αντίδρασης και η λειτουργία τους βασίζεται στη ροπή αντίδρασης. Εμφανίζουν πολλές ομοιότητες όπως απλότητα στην κατασκευή και απουσία τυλίγματος στο δρομέα, όμως εμφανίζουν και αρκετές διαφορές οι οποίες αναδεικνύονται παρακάτω [6]: Οι σύγχρονοι κινητήρες μαγνητικής αντίδρασης με έκτυπους πόλους στο στάτη περιέχουν έκτυπους πόλους εκτός από τον δρομέα και στο στάτη, ενώ ο στάτης των σύγχρονων κινητήρων μαγνητικής αντίδρασης είναι ίδιος με αυτόν που συναντάται σε μια ασύγχρονη μηχανή. Ο στάτης ενός σύγχρονου κινητήρα μαγνητικής αντίδρασης με έκτυπους πόλους στο στάτη φέρει τυλίγματα με ίσο αριθμό σπειρών σε κάθε πόλο, ενώ αυτός ενός σύγχρονου κινητήρα μαγνητικής αντίδρασης φέρει τριφασικό τύλιγμα το οποίο είναι ημιτονοειδώς κατανεμημένο στο στάτη σε αυλακώσεις και με απόσταση μεταξύ των μαγνητικών αξόνων των τριών φάσεων 120 ηλεκτρικών μοιρών, ώστε να δημιουργείται ημιτονοειδές πεδίο στο διάκενο της μηχανής. Ο στάτης ενός σύγχρονου κινητήρα μαγνητικής αντίδρασης με έκτυπους πόλους στο στάτη είναι πιο απλός στην κατασκευή του, όπως φαίνεται και στην εικόνα 2.2, ενώ αυτός ενός σύγχρονου κινητήρα μαγνητικής αντίδρασης κατασκευάζεται μαζικά στις ήδη υπάρχουσες γραμμές παραγωγής, αφού είναι ίδιος με αυτόν μιας ασύγχρονης μηχανής. Για την τροφοδοσία των φάσεων ενός σύγχρονου κινητήρα μαγνητικής αντίδρασης με έκτυπους πόλους στο στάτη χρειαζόμαστε οπωσδήποτε διατάξεις ηλεκτρονικών ισχύος, ενώ για έναν σύγχρονο κινητήρα μαγνητικής αντίδρασης μόνο αν δεν περιέχει κλωβό ή αν θέλουμε να κάνουμε έλεγχο στροφών. Σε έναν σύγχρονο κινητήρα μαγνητικής αντίδρασης με έκτυπους πόλους στο στάτη χρειαζόμαστε να γνωρίζουμε τη θέση του δρομέα για την παλμοδότηση της κάθε φάσης, ενώ σε έναν σύγχρονο κινητήρα μαγνητικής αντίδρασης μόνο αν θέλουμε να κάνουμε έλεγχο στροφών μέσω κλειστού βρόχου. Η ροπή σε έναν κινητήρα μαγνητικής αντίδρασης με έκτυπους πόλους στο στάτη είναι μεγαλύτερη από αυτή ενός σύγχρονου κινητήρα μαγνητικής αντίδρασης, όμως παρουσιάζει έντονη κυμάτωση όπως φαίνεται στο Σχήμα 2.4, και εξαιτίας της ο θόρυβος κατά τη λειτουργία του κινητήρα είναι αρκετά μεγάλος. Στο σχήμα 2.4 φαίνεται η ροπή που παράγει η κάθε φάση κατά τη διάρκεια που βρίσκεται σε αγωγή.