ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Ηλεκτρικές Μηχανές ΙΙ Ενότητα 1: Βασικές Αρχές Ηλεκτρικών Μηχανών Ηρακλής Βυλλιώτης Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών ΤΕ
Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2
Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3
Σκοποί Ενότητας Ο στόχος της 1 ης Ενότητας είναι η εξοικείωση του φοιτητή με τα βασικά μέρη των ηλεκτρικών μηχανών Ε.Ρ. Όπως επίσης η κατανόηση των βασικών αρχών που διέπουν τις ηλεκτρικές μηχανές Ε.Ρ.. 4
Περιεχόμενα Ενότητας Βασικές Αρχές Ηλεκτρικών Μηχανών Βασικά Τυλίγματα Ηλεκτρικών Μηχανών Βασικά μέρη Ηλεκτρικών Μηχανών Είδη Στρεφόμενων Μηχανών Κατηγορίες των Στρεφόμενων Μηχανών Ε.Ρ. Λειτουργία στα Τέσσερα Τεταρτημόρια Τυλίγματα Ηλεκτρικών Μηχανών Μαγνητεγερτική Δύναμη Διαμεμημένου Τυλίγματος Στρεφόμενο Μαγνητικό Πεδίο Ανάπτυξη Τάσης 5
Βασικές Αρχές Ηλεκτρικών Μηχανών - 1 Στις ηλεκτρικές μηχανές υπάρχουν ταυτόχρονα δύο μηχανισμοί: Ο μηχανισμός παραγωγής ροπής: (βασίζεται στην προσπάθεια ευθυγράμμισης των δύο μαγνητικών πεδίων που δημιουργούνται από τα τυλίγματα του στάτη και του δρομέα) Ο μηχανισμός παραγωγής τάσης Τα μαγνητικά πεδία δημιουργούνται μέσα από κατάλληλα διαμορφωμένα τυλίγματα, στο στάτη και στο δρομέα της στρεφόμενης ηλεκτρικής μηχανής. 6
Βασικές Αρχές Ηλεκτρικών Μηχανών - 2 Η παραγωγή της τάσης σε ένα τύλιγμα, σχετίζεται άμεσα με τη χρονική μεταβολή της πεπλεγμένης μαγνητικής ροής που δέχεται το ίδιο το τύλιγμα. Η χρονική μεταβολή της πεπλεγμένης ροής, μπορεί να προέλθει: Είτε από την περιστροφή του τυλίγματος σε χώρο σταθερού μαγνητικού πεδίου, Είτε δια της περιστροφής ενός σταθερού μαγνητικού πεδίου σε σχέση με το μαγνητικό άξονα του σταθερού τυλίγματος. 7
Βασικά Τυλίγματα Ηλεκτρικών Μηχανών Το ένα είναι τοποθετημένο στο στάτη και το άλλο στο δρομέα. Τύλιγμα διέγερσης (έχει ως σκοπό την παραγωγή του μαγνητικού πεδίου στο εσωτερικό (διάκενο) της μηχανής). Το τύλιγμα διέγερσης είναι συνήθως τύλιγμα χαμηλής ισχύος, σε σχέση πάντα με τη συνολική ηλεκτρική ισχύ της μηχανής. Τύλιγμα τυμπάνου (στρέφεται σε σχέση με το μαγνητικό πεδίο που δημιουργεί το τύλιγμα διέγερσης και στο οποίο επάγονται τάσεις και ροπές). Το τύλιγμα τυμπάνου είναι τύλιγμα ισχύος και έχει ουσιαστικό ρόλο στην ηλεκτρομηχανική μετατροπή της ενέργειας. Ανάλογα του είδους της ηλεκτρικής μηχανής, το τύλιγμα τυμπάνου μπορεί να βρίσκεται στο στάτη ή στο δρομέα. 8
Βασικά μέρη Ηλεκτρικών Μηχανών - 1 Σταθερό μέρος (πυρήνας στάτη και τύλιγμα) Στρεφόμενο μέρος (πυρήνας δρομέα και τύλιγμα) Διάκενο αέρα, απαραίτητο για τη σχετική κίνηση στάτη και δρομέα 9
Βασικά μέρη Ηλεκτρικών Μηχανών - 2 Πυρήνες του στάτη και του δρομέα κατασκευάζονται από σιδηρομαγνητικά υλικά, είτε συμπαγή είτε υπό μορφή ελασμάτων, για την ελάττωση της μαγνητικής αντίστασης των δρόμων της μαγνητικής ροής, για την ελάττωση των απωλειών από τα δινορρεύματα. Τα μαγνητικά πεδία του στάτη και του δρομέα, παράγονται από κατάλληλα τοποθετημένα τυλίγματα συγκεντρωμένα ή διανεμημένα. Ο αριθμός των πόλων των τυλιγμάτων είναι πάντα άρτιος. 10
Είδη Στρεφόμενων Μηχανών Ηλεκτρικές Μηχανές Συνεχούς Ρεύματος Ηλεκτρικές Μηχανές Εναλλασσομένου Ρεύματος 11
Κατηγορίες των Στρεφόμενων Μηχανών Ε.Ρ. - 1 Ασύγχρονες μηχανές ή μηχανές επαγωγής και Σύγχρονες μηχανές Χρήση: Οι ασύγχρονες μηχανές, λόγω της στιβαρότητας της κατασκευής, χρησιμοποιούνται κατά κόρο ως ηλεκτρικοί κινητήρες, καλύπτοντας σχεδόν το σύνολο των βιομηχανικών εφαρμογών. Επίσης έχουν καθιερωθεί και ως ανεμογεννήτριες. Στη συγκεκριμένη περίπτωση, μέσω της προσλαμβάνουσας μηχανικής ενέργειας από τον άνεμο, η ασύγχρονη μηχανή λειτουργεί σε υπερσύγχρονο αριθμό στροφών ως γεννήτρια πλέον, παρέχοντας ηλεκτρική ισχύ στο δίκτυο με το οποίο είναι διασυνδεδεμένη. 12
Κατηγορίες των Στρεφόμενων Μηχανών Ε.Ρ. - 2 Οι σύγχρονες μηχανές χρησιμοποιούνται ως επί το πλείστον ως γεννήτριες. Το σύνολο σχεδόν της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας παγκοσμίως, παράγεται από σύγχρονες γεννήτριες μεγάλης ισχύος. 13
-+ Λειτουργία στα Τέσσερα Τεταρτημόρια Γεννήτρια ή πέδη με αντίθετη φορά περιστροφής 4 - v + i τ ω τ ( Nm), I ( A) i + v - τ ω 1 Κινητήρας με δεξιόστροφη φορά περιστροφής Κινητήρας με αντίθετη φορά περιστροφής v i τ ω + v - i τ ω ω( rpm), V ( V ) Γεννήτρια ή πέδη με δεξιόστροφη φορά περιστροφής 3 2 14
Τυλίγματα Ηλεκτρικών Μηχανών - 1 Μαγνητικός πόλος Διανεμημένα τυλίγματα Συγκεντρωμένα τυλίγματα Συγκεντωμένα τυλίγματα ω m α Μαγνητική γραμμή Μαγνητικός πόλος Στάτης Έκτυποι πόλοι Διανεμημένα τυλίγματα ά Δρομέας 15
Τυλίγματα Ηλεκτρικών Μηχανών - 2 Ανάλογα με το είδος της ηλεκτρικής μηχανής, τα τυλίγματα τροφοδοτούνται με ΣΡ ή με ΕΡ. Σκοπός των τυλιγμάτων είναι η δημιουργία και η κατάλληλη διαμόρφωση (μορφή και μέγεθος) των μαγνητικών πεδίων. Οι πόλοι σε κάθε τύλιγμα, απέχουν μεταξύ τους ίσες αποστάσεις (πολικό βήμα) περί την περιφέρεια του διακένου. Ένα ζεύγος πόλων σε μια P-πολική μηχανή, καλύπτει ένα κύκλο διανομής της πυκνότητας μαγνητικής ροής γύρω από τη περιφέρεια του διακένου και ισοδυναμεί με ηλεκτρικές μοίρες. Η συστατική μονάδα ενός τυλίγματος είναι το πηνίο το οποίο αποτελείται από Ν ελίγματα συνδεδεμένα σε σειρά. 16
Τυλίγματα Ηλεκτρικών Μηχανών - 3 Το ενεργό μήκος του πηνίου, αντιστοιχεί στα μήκη των αγωγών των κλάδων που βρίσκονται υπό την επενέργεια του συνιστάμενου μαγνητικού πεδίου. Η απόσταση μεταξύ των δύο πλευρών του πηνίου είναι ένα πολικό βήμα ή 180 ηλεκτρικές μοίρες, με αποτέλεσμα οι επαγόμενες τάσεις και ροπές στους δύο κλάδους του τυλίγματος να είναι ίσες σε μέγεθος και να δρουν αθροιστικά. Τα διανεμημένα τυλίγματα των ηλεκτρικών μηχανών διακρίνονται σε δύο κατηγορίες, τα βροχοειδή και τα κυματοειδή και τα οποία συνήθως είναι απλής ή διπλής στρώσης. 17
Τυλίγματα Ηλεκτρικών Μηχανών - 4 Πολικό βήμα Συνδέσεις άκρων Κλάδοι πηνίου N S Ενεργό μήκος αγωγών Βροχοειδή τυλίγματα Κυματοειδή τυλίγματα 18
Τυλίγματα Ηλεκτρικών Μηχανών - 5 Διανεμημένο τύλιγμα μιας φάσης 3Φ τυλίγματος του στάτη διπολικής μηχανής. a a α c b Άξονας φάσης α F a (θ ) Θεμελιώδες κύμα b c 2N s i c α θ 19
Μαγνητεγερτική Δύναμη Διαμεμημένου Τυλίγματος - 1 Ο στάτης της 3Φ μηχανής φέρει διανεμημένο συμμετρικό τύλιγμα a b c το οποίο διαρρέεται από συμμετρικό σύστημα ρευμάτων: i b i ( t) = I cos( ωt + 120 c ia ( t) = I m cos( ωt) ( t) = I cos( ωt 120 m m o o ) ) 20
Μαγνητεγερτική Δύναμη Διαμεμημένου Τυλίγματος - 2 Οι αναλυτικές εκφράσεις των θεμελιωδών συνιστωσών των μαγνητεγερτικών δυνάμεων των επιμέρους φάσεων του διανεμημένου τυλίγματος: 4 N ph Fa 1( θ, t) = K w I m cos( ωt) cosθ π P 4 N ph o Fb1( θ, t) = K w I m cos( ωt 120 ) cos( θ 120 π P 4 N ph o F c1( θ, t) = K w I m cos( ωt + 120 ) cos( θ + 120 π P o o ) ) 21
Μαγνητεγερτική Δύναμη Διαμεμημένου Τυλίγματος - 3 Η κορυφή του κάθε κύματος, συμπίπτει με το μαγνητικό άξονα της αντίστοιχης φάσης και το πλάτος μεταβάλλεται ημιτονικά με το χρόνο με μέγιστη τιμή η οποία είναι ίδια και για τις τρεις φάσεις: 4 N F F F K I π P ph 1,max = 2,max = 3,max = w max 22
Μαγνητεγερτική Δύναμη Διαμεμημένου Τυλίγματος - 4 Η συνισταμένη μαγνητεγερτική δύναμη σε μια τυχαία γωνία θ, προκύπτει από το αλγεβρικό άθροισμα των επιμέρους θεμελιωδών μαγνητεγερτικών δυνάμεων των τριών φάσεων: F( θ,) t = F ( θ,) t + F ( θ,) t + F ( θ,) t a1 b1 c1 3 F( θ, t) = F,max cos( θ ωt) = Fmax 2 cos( θ ω ) 1 t 3 4 N ph Fmax = Kw I 2 π P max 23
Μαγνητεγερτική Δύναμη Διαμεμημένου Τυλίγματος - 5 Η συνισταμένη μαγνητεγερτική δύναμη αποτελεί οδεύον κύμα σταθερού πλάτος και με φάση χώρου, που μεταβάλλεται γραμμικά με το χρόνο με γωνία: φ ( t) = ωt H γωνία φ(t) = ωt, παρέχει περιστροφή του συνιστάμενου κύματος περί την περιφέρεια του διακένου με σταθερή γωνιακή ταχύτητα ω (ηλεκτρικά ακτίνια ανά δευτερόλεπτο). Στην περίπτωση μιας Ρ-πολικής μηχανής, το κύμα χώρου της μαγνητεγερτικής δύναμης περιστρέφεται με μηχανική γωνιακή ταχύτητα: 2 120 f ωm = ω P και με σύγχρονες στροφές [rpm] ns = P 24
Στρεφόμενο Μαγνητικό Πεδίο - 1 t = T / 3 Άξονας φάσης b α θ c b b c Άξονας φάσης α t = 0 α Άξονας φάσης c t = 2T / 3 Τη χρονική στιγμή t= 0, η κορυφή του κύματος χώρου της μαγνητεγερτικής δύναμης, ταυτίζεται με Το μαγνητικό άξονα της φάσης a. Τη χρονική στιγμή t= T/3, δηλαδή το 1/3 της περιόδου της τάσης τροφοδοσίας, η κορυφή του. 25
Στρεφόμενο Μαγνητικό Πεδίο - 2 Κύματος χώρου έχει μετατοπιστεί κατά 120 ηλεκτρικές μοίρες και ταυτίζεται με το μαγνητικό άξονα της φάσης b Τη χρονική στιγμή t= 2T/3, το κύμα έχει μετατοπιστεί επιπλέον κατά 120 ηλεκτρικές μοίρες και Ταυτίζεται με το μαγνητικό άξονα της φάσης c. 26
Στρεφόμενο Μαγνητικό Πεδίο - 3 27
Ανάπτυξη Τάσης - 1 Η παραγωγή της τάσης σε ένα τύλιγμα, σχετίζεται άμεσα με τη χρονική μεταβολή της πεπλεγμένης μαγνητικής ροής που δέχεται το ίδιο το τύλιγμα και η οποία σχετίζεται πάντα με τη μηχανική κίνηση. Η μέγιστη τιμή της μαγνητικής ροής ανά πόλο: 2 Φ max = 2B 1,max lr P Η πεπλεγμένη ροή που δέχεται το τύλιγμα: λ = N s Φ = 2 P N s B1, mlr cosωt = N sφ m cosωt 28
Ανάπτυξη Τάσης - 2 Η επαγόμενη τάση στο τύλιγμα τυμπάνου, δίνεται από τη σχέση: dλ dφ e = = N cosωt + ωn Φ sinωt e = ωn Φ sinωt = E sinωt m a s s m a s m dt dt τάσεις ταχύτητας τάσεις μετασχηματιστού max Όπου η ενεργός τιμή της επαγόμενη τάσης: E rms E ωn Φ m s m = = = 4. 44 2 2 fn s Φ m Στην περίπτωση διανεμημένου τυλίγματος Ρ-πολικής μηχανής: E rms E ωk N m w ph m = = = 4. 44 2 2 Φ f K w N ph Φ m 29
Ανάπτυξη Τάσης - 3 Η παραγωγή ροπής, οφείλεται στην προσπάθεια ευθυγράμμισης των δύο μαγνητικών πεδίων στάτη και δρομέα. Για λειτουργία κινητήρα, ανεξάρτητα του είδους της μηχανής, το μαγνητικό πεδίο του στάτη προηγείται πάντα του πεδίου του δρομέα. F θ ) θ ( s s F θ ) ( r r F sr 0 π 2π 0 π 2π θ r θ s F s sin θ = F sr sin a r N S N S θ θ s F s F r sin θ = F sr sin a s θ a r a s F s θ r F r F r F sr 30
Ανάπτυξη Τάσης - 4 Για να έχουμε κίνηση, δηλαδή μέση παραγόμενη ροπή διάφορη από το μηδέν, θα πρέπει να μην υπάρχει σχετική κίνηση μεταξύ των δύο πεδίων στάτη και δρομέα. Μηχανές Ε.Ρ., τα δύο πεδία περιστρέφονται με την ίδια ταχύτητα Μηχανές Σ.Ρ. και τα δύο πεδία να είναι ακίνητα στο χώρο Η παραγόμενη ροπή, είναι ανάλογη του γινόμενου των ρευμάτων των δύο πεδίων και της σχηματιζόμενης μεταξύ τους γωνίας. τ = π 2 P 2 2 Φ sr, av F r, m sin a r τ = π 2 P 2 2 Φ sr, av F s, m sin a s 31
Τέλος Ενότητας