Κεφάλαιο 8 Ανασκόπηση Τελικού Πειράματος με μετρήσεις θερμοκρασιών Στάτορα και Ρότορα. Δοκιμασία της κατασκευασμένης διάταξης. Η μέτρηση των θερμοκρασιών στα συγκεκριμένα σημεία του στάτη της μηχανής έγινε με απευθείας μέτρηση των τάσεων εξόδου των ενισχυτών των θερμοζευγών. Η αντιστοίχηση των τάσεων σε θερμοκρασίες έγινε βάση του πίνακα 4.1. Οι μετρήσεις έγιναν κατά τη διάρκεια λειτουργίας της μηχανής και σε τακτά χρονικά διαστήματα. Για την μέτρηση των θερμοκρασιών στο δρομέα ακολουθήθηκε η ίδια διαδικασία μόνο που κατά τη διάρκεια της μέτρησης η μηχανή ήταν σταματημένη. Με την υλοποίηση της υπέρυθρης ζεύξης και την σύνδεση με υπολογιστή θα είναι στο μέλλον δυνατή η μέτρηση των θερμοκρασιών στο δρομέα κατά τη διάρκεια λειτουργίας της μηχανής. Θερμοαντιστάσεις τύπου PT100 έχουν τοποθετηθεί μόνο στην περιέλιξη του στάτη. Οι μετρήσεις γίνονται με το κύκλωμα σταθερού ρεύματος που περιγράφηκε στο κεφάλαιο 4. Οι μετρήσεις έγιναν για διάφορες φορτίσεις (Τ=Τ ον, Τ=0.75Τ ον Τ=0.25Τ ον και για φόρτιση κενού) και εξήχθησαν συμπεράσματα όσο αφορά την απαγωγή της θερμοκρασίας, τη συμμετρικότητα των ρευμάτων, το ρυθμό θέρμανσης-ψύξης κ.α.. Για τις αναλυτικές μετρήσεις και την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων μπορεί ο αναγνώστης να ανατρέξει στη διπλωματική εργασία με θέμα Τοποθέτηση αισθητήρων θερμοκρασίας σε ασύγχρονη μηχανή βραχυκυκλωμένου κλωβού και μελέτη της 76
θερμοκρασιακής της συμπεριφοράς των Χ.Ησαϊα και Α.Κυριαζόπουλου. Στην εργασία αυτή γίνεται χρήση της ηλεκτρονικής διάταξης της παρούσας εργασίας. Η αναγνώριση των ψηφιακών λέξεων του μετατροπέα A/D καθώς και των σημάτων ελέγχου είναι δυνατή με τη χρήση ενός λογικού αναλυτή. Στη συγκεκριμένη διάταξη χρησιμοποιήθηκε ο λογικός αναλυτής 1615A της Hewlett Packard. Το όργανο αυτό έχει δυνατότητες timing ή state analyzer. Με κατάλληλη επιλογή λειτουργίας ο 1615A μπορεί να λειτουργήσει ως αναλυτής χρόνου οκτώ εισόδων αλλά και ως αναλυτής κατάστασης 8 ή 24 bit. Η επιλογή λειτουργίας και οι ρυθμίσεις του trigger, σύγχρονης ή ασύγχρονης εισόδου, καθυστέρησης κ.λ.π γίνονται από το πληκτρολόγιο του οργάνου. Η πρόσοψη του οργάνου φαίνεται στην εικόνα 8.1. Εικόνα 8.1. Data0 Data1 Data2 Data3 Data4 Data5 Data6 Data7 CS DI Clock Inhibit Load Ch N.C SARS DO Πίνακας 8.1 Στη συγκεκριμένη διάταξη (σχήμα 8.2) χρησιμοποιήθηκε ο αναλυτής κατάστασης 8 bit. Επίσης υπάρχει μια γεννήτρια clock η οποία συγχρονίζει το κύκλωμα του Α/D και ταυτόχρονα δίνει το σήμα trigger στην είσοδο του αναλυτή. Κατά την άνοδο του clock βλέπουμε τη λογική στάθμη σε κάθε μια από τις οκτώ εισόδους. Από τις διαθέσιμες εισόδους χρησιμοποιούμε τις 7 με τη διάταξη του πίνακα 77
8.1. Στο ένα probe του οργάνου συνδέονται τα σήματα ελέγχου και η σειριακή έξοδος του κυκλώματος ενώ στο άλλο probe συνδέεται το clock. όπως φαίνεται από τον πίνακα 8.1 η είσοδος Data5 δεν χρησιμοποιείται. Με διάταξη αυτή μπορούμε να ελέγξουμε τη σωστή λειτουργία του κυκλώματος A/D. Logic Analyzer. Ενισχυτές Θερμοζευγών A/D Converter 10011000 10110010 10100011 Clock Generator. Σχήμα 8.2. Για να γίνει ο έλεγχος της διάταξης εισάγεται στο κανάλι 1 τάση 2,17 Volt και στο κανάλι 3 τάση 0,68 Volt Με τη βοήθεια του λογικού αναλυτή διαβάζουμε την έξοδο καθώς και τα σήματα ελέγχου για 255 κύκλους ρολογιού. Από τις μετρήσεις παρατηρούμε ότι το σήμα CS μεταβαίνει στο λογικό 1 κάθε 64 κύκλους του ρολογιού. Στο σχήμα 8.3 βλέπουμε ένα τμήμα των μετρήσεων όπως φαίνεται στην οθόνη του αναλυτή για 60 κύκλους ρολογιού. Μετά την πτώση του CS εισάγονται στο DI τα bit 11100 δηλαδή επιλέγεται η διαφορική λειτουργία με τα δύο πρώτα bit που είναι 1 καθώς και το κανάλι 100 δηλαδή το channel 1. 78 Clock cycle DO SARS CH LOAD Clock Inhibit DI CS
1 0 0 0 1 1 1 1 2 0 0 0 1 0 1 0 3 0 0 0 1 0 1 0 4 0 0 0 1 0 1 0 5 0 0 0 1 0 0 0 6 0 0 0 1 0 0 0 7 0 0 0 1 0 0 0 8 0 0 0 1 0 0 0 9 0 0 1 1 0 0 0 10 0 0 0 1 0 0 0 11 0 0 0 1 0 0 0 12 0 1 0 1 0 0 0 13 0 1 0 1 0 0 0 14 0 1 0 1 0 0 0 15 0 1 0 1 0 0 0 16 0 1 0 1 0 0 0 17 0 1 0 1 0 0 0 18 0 1 0 1 1 0 0 19 0 1 0 1 1 0 0 20 0 1 0 1 1 0 0 21 0 1 0 1 1 0 0 22 0 1 0 1 1 0 0 23 0 1 0 1 1 0 0 24 1 0 0 1 1 0 0 25 1 0 0 0 1 1 0 26 0 0 0 1 1 1 0 27 1 0 0 1 1 1 0 28 1 0 0 1 1 1 0 29 1 0 0 1 1 1 0 30 1 0 0 1 1 1 0 31 0 0 0 1 1 1 0 32 1 0 0 1 1 1 0 33 1 0 0 1 1 1 0 34 0 0 0 1 0 1 0 35 0 0 0 1 0 1 0 36 0 0 0 1 0 1 0 37 0 0 0 1 0 0 0 38 0 0 0 1 0 0 0 39 0 0 0 1 0 0 0 40 0 0 0 1 0 0 0 41 0 0 0 1 0 0 0 42 0 0 0 1 0 0 0 43 0 0 0 1 0 0 0 44 0 0 0 1 0 0 0 45 0 0 0 1 0 0 0 46 0 0 0 1 0 0 0 47 0 0 0 1 0 0 0 48 0 0 0 1 0 0 0 49 0 0 0 1 0 0 0 50 0 0 0 1 1 0 0 51 0 0 0 1 1 0 0 52 0 0 0 1 1 0 0 53 0 0 0 1 1 0 0 54 0 0 0 1 1 0 0 55 0 0 0 1 1 0 0 56 0 0 0 1 1 0 0 57 0 0 0 0 1 1 0 58 0 0 0 1 1 1 0 59 0 0 0 1 1 1 0 60 0 0 0 1 1 1 0 Σχήμα 8.3. Τα σήματα ελέγχου είναι όπως περιγράφηκαν στο κεφάλαιο 5. Εδώ διαβάζουμε την έξοδο μετά την πτώση από 1 σε 0 του σήματος SARS και είναι όπως φαίνεται και στην εικόνα 8.3 : 79
891 ( 001101111011) 2 ( 891) 10 25, 2175, Volt. 1024 Η τιμή αυτή ανταποκρίνεται πλήρως στην τιμή της εισόδου στο κανάλι 1.Αντίστοιχα στο κανάλι 3 με είσοδο 0,68 Volt παίρνουμε από την έξοδο DO : 280 ( 00100011000) 2 ( 280) 10 25, 06835, Volt. 1024 Η ακρίβεια της μετατροπής είναι απόλυτα ικανοποιητική για τις μετρήσεις των τάσεων των θερμοζευγών. Πριν εξαχθούν οποιαδήποτε συμπεράσματα από την περαιτέρω μελέτη και επεξεργασία των μετρήσεων, θα πρέπει να τονιστεί ότι οι πειραματικές τιμές έχουν την μικρότερη δυνατή απόκλιση από τις πραγματικές τιμές των θερμοκρασιών που αναπτύσσονται στα διάφορα τμήματα του ηλεκτροκινητήρα. Υπενθυμίζεται ότι δόθηκε ιδιαίτερη βαρύτητα στην ακρίβεια κατά την σχεδίαση και κατασκευή της όλης διάταξης, τόσο του μηχανικού όσο και του ηλεκτρονικού μέρους της. Επίσης, τα αποτελέσματα σε κάθε φόρτιση αποτελούν τον μέσο όρο των μετρήσεων πολλών διαδοχικών πειραμάτων με τα ίδια χαρακτηριστικά. Έτσι, εκτιμάται ότι το συνολικό σφάλμα κατά την ανάκτηση των θερμοκρασιών του κινητήρα δεν ξεπερνά το 2-3%. Το σφάλμα αυτό προκύπτει από τη χρήση οργάνων χαμηλής σχετικά ακρίβειας. Για παράδειγμα για την μέτρηση των τάσεων χρησιμοποιήθηκαν πολύμετρα 3,5 ψηφίων τα οποία στην σκάλα των 0 έως 5 V μετράνε την τάση με ακρίβεια 10 mv. Εισάγεται έτσι κάποιο σφάλμα κατά τη διάρκεια μέτρησης καθώς και ρύθμισης των κυκλωμάτων. Μελλοντικά, με την χρήση ακριβέστερων οργάνων μέτρησης και υπολογιστή αναμένεται να μειωθεί ακόμη περισσότερο. Στην παρούσα πάντως φάση, οι μετρήσεις κρίνονται αξιόπιστες και μπορούν να τεθούν σαν βάση για την εξαγωγή σημαντικών συμπερασμάτων που αφορούν τις θερμοκρασιακές παραμέτρους του εξεταζόμενου ηλεκτροκινητήρα. 8.1 Ανύψωση θερμοκρασίας Ένα από τα σημαντικότερα αποτελέσματα των μετρήσεων είναι η εύρεση της ανύψωσης θερμοκρασίας της περιέλιξης του κινητήρα σε κατάσταση θερμικής ισορροπίας. Στο διάγραμμα 8.1 φαίνεται ανάλογα με την φόρτιση, η ακριβής ανύψωση της θερμοκρασίας του θερμότερου τμήματος της περιέλιξης. Αυτό όπως διαπιστώθηκε από τις μετρήσεις είναι η κεφαλή στην πλευρά τροχαλίας, όπου βρίσκεται η θερμική αντίσταση Νο 10. 80
Διάγραμμα 8.1: Ανύψωση θερμοκρασίας περιέλιξης Διάγραμμα 8.2 : Ανύψωση θερμοκρασίας δρομέα Στην συνέχεια, παρατίθεται το διάγραμμα 8.2 που αναφέρεται στην ανύψωση θερμοκρασίας του θερμότερου τμήματος του δρομέα, δηλαδή του σφηνοκάναλου μεταξύ πυρήνα και άξονα. Ακριβώς στο τμήμα αυτό βρίσκεται η κεφαλή του θερμοζεύγους Νο 6. 81
Τέλος, ακριβώς αντίστοιχα με τα προηγούμενα παρατίθεται το διάγραμμα 8.3, όπου φαίνεται η ανύψωση θερμοκρασίας των θερμότερων τμημάτων του πυρήνα του στάτη. Τα τμήματα αυτά είναι τα δόντια του στάτη σε ένα από τα οποία είναι τοποθετημένο το θερμοζεύγος Νο15. Διάγραμμα 8.3 : Ανύψωση θερμοκρασίας πυρήνα στάτη 8.2 Απαγωγή της θερμότητας Η εξαναγκασμένη κίνηση του ατμοσφαιρικού αέρα μέσω του ανεμιστήρα πάνω στα διαμήκη πτερύγια του μανδύα, εξασφαλίζει την ψύξη του ηλεκτροκινητήρα κατά την λειτουργία του. Λόγω κυρίως της αξονικής διεύθυνσης της ταχύτητας του αέρα, υποστηρίχθηκε κατά καιρούς η άποψη ότι η απαγωγή της θερμότητας γίνεται κατά μεγαλύτερο ποσοστό αξονικά παρά ακτινικά. Παρόλα αυτά τα αποτελέσματα των μετρήσεων με τον συγκεκριμένο ηλεκτροκινητήρα φανερώνουν ακριβώς το αντίθετο. Έτσι, με την επεξεργασία των δεδομένων προκύπτουν τα ακόλουθα συμπεράσματα: α) Εξετάζοντας τον κινητήρα ακτινικά παρατηρείται σαφής μείωση της θερμοκρασίας με την αύξηση της απόστασης από το κέντρο του άξονα. Αυτό υποδηλώνει ακτινικό ρεύμα θερμότητας από το κέντρο προς την εξωτερική επιφάνεια, 82
ανάλογο κάθε φορά της διαφοράς θερμοκρασίας που υπάρχει μεταξύ τους. Σε κάθε περίπτωση πάντως, η διαφορά αυτή όπως δείχνουν όλες οι μετρήσεις είναι αρκετά σημαντική. β) Εξετάζοντας τον κινητήρα αξονικά παρατηρείται μια ισότητα - ισορροπία στις θερμοκρασίες των θερμότερων τμημάτων του (δρομέας - περιέλιξη). Για την ακρίβεια η θερμοκρασία είναι λίγο αυξημένη στην πλευρά τροχαλίας του κινητήρα, ενώ μεταξύ κέντρου και πλευράς ανεμιστήρα δεν υφίσταται ουσιώδης διαφορά. Έτσι, εάν σε αυτή τη διεύθυνση υπάρχει κάποιο μικρό ρεύμα θερμότητας, αυτό έχει φορά από το άκρο τροχαλίας προς το κέντρο του μήκους του κινητήρα και στην συνέχεια προς την εξωτερική του επιφάνεια. Τέλος, θα πρέπει να σημειωθεί πως μετά την διακοπή της λειτουργίας του κινητήρα και αφού προηγουμένως έχει αποκατασταθεί η θερμική του ισορροπία σε ονομαστική φόρτιση, η πλήρη ψύξη του επέρχεται σε περισσότερες από 15 ώρες. Το τμήμα όπου παρατηρείται μεγαλύτερη χρονική καθυστέρηση, είναι όπως αναμενόταν το κομμάτι της περιέλιξης που βρίσκεται μονωμένο μέσα στα αυλάκια του πυρήνα του στάτη. 8.3. Σύγκριση απωλειών χαλκού και σιδήρου Από τις μετρήσεις εξάγεται ένα αρκετά ενδιαφέρον συμπέρασμα αν συγκριθούν οι ενδείξεις των θερμοαισθητηρίων Νο 8 και Νο 15 κατά την θερμική ισορροπία σε όλες τις φορτίσεις. Υπενθυμίζεται ότι η θερμική αντίσταση Νο 8 αντιστοιχεί στην θερμοκρασία της περιέλιξης μέσα στα αυλάκια του στάτη, ενώ το θερμοζεύγος Νο 15 αντιστοιχεί στην θερμοκρασία του πυρήνα του στάτη μεταξύ δύο αυλακιών ( δόντι ). Οι ενδείξεις των δύο αισθητηρίων παρουσιάζονται και συγκρίνονται στον πίνακα 8.2 και στο διάγραμμα 8.4. Τ=Τ τρ Τ=0,25Τ ον Τ=0,5Τ ον Τ=0,75Τ ον Τ=Τ ον Νο 8 54 62,5 69 92 124 Νο 15 56,3 64 70,3 88,6 121,8 Πίνακας 8.2 : Θερμοκρασιακή σύγκριση περιέλιξης και πυρήνα στάτη. 83
Διάγραμμα 8.4 : Θερμοκρασιακή σύγκριση περιέλιξης και πυρήνα στάτη. Σε χαμηλές φορτίσεις (Τ=Τ τρ και Τ=0,25Τ ον ) όπου τα ρεύματα είναι μικρά και κυριαρχούν οι απώλειες σιδήρου, ο πυρήνας του στάτη εμφανίζεται θερμότερος έναντι της περιέλιξης. Με την αύξηση της φόρτισης (Τ=0,5Τ ον ) παρουσιάζεται μια ισορροπία στις ενδείξεις των δύο θερμοαισθητηρίων Νο 8 και Νο 15. Τέλος, σε μεγάλες φορτίσεις (Τ=0,75Τ ον και Τ=Τ ον ), όπου οι απώλειες χαλκού υπερτερούν συντριπτικά των αντίστοιχων του σιδήρου, η περιέλιξη είναι θερμότερη έναντι του πυρήνα. Συμπερασματικά, προκύπτει ότι η σχέση μεταξύ των ενδείξεων των δύο θερμοαισθητηρίων Νο 8 και Νο 15 αντιστοιχεί κατά κάποιο τρόπο, στη σχέση μεταξύ απωλειών χαλκού και σιδήρου σε κάθε φόρτιση. 8.4. Εξέταση της συμμετρικότητας των ρευμάτων Στο κεφάλαιο 2, όπου έγινε η παρουσίαση των θέσεων που έχουν τα θερμοαισθητήρια στον κινητήρα, τονίστηκε ότι κάποια από αυτά βρίσκονται σε τέτοια σημεία, ώστε να παρακολουθούν τη συμμετρικότητα της φόρτισης της μηχανής. 84
Πράγματι, οι θερμικές αντιστάσεις Νο 7, Νο 8 και Νο 9 που τοποθετήθηκαν στην περιέλιξη, αντιστοιχούν στις τρεις διαφορετικές φάσεις τροφοδοσίας U, V και W. Η ίδια ακριβώς αντιστοιχία υπάρχει και με τα θερμοζεύγη Νο 12, Νο 13 και Νο 14, τα οποία βρίσκονται μεταξύ της μόνωσης και της σφήνας τριών αυλακιών. Οι ενδείξεις των θερμικών αντιστάσεων σε όλες τις φορτίσεις παρουσιάζουν μία μικρή διαφορά μεταξύ τους ( 2 C). Το χαρακτηριστικό είναι ότι πάντα υπερτερεί η αντίσταση Νο 7 ενώ ψυχρότερη των τριών δείχνει να είναι η αντίσταση Νο 9. Αντίστοιχα η ίδια περίπου διαφορά (2 C) εμφανίζεται μεταξύ των τριών θερμοζευγών. Έτσι, κατά κάποιο τρόπο επαληθεύεται μία μικρή ασυμμετρία στη φόρτιση των τριών φάσεων της περιέλιξης. Αυτή μπορεί να οφείλεται είτε σε ασυμμετρία των τάσεων τροφοδοσίας του δικτύου είτε σε πιθανή μικρή διαφορά στα μήκη των τριών τυλιγμάτων της μηχανής. 8.5. Ρυθμός θέρμανσης - ψύξης Από την επεξεργασία των μετρήσεων τόσο στην θέρμανση όσο και στην ψύξη της μηχανής προέκυψαν τα ακόλουθα συμπεράσματα : α) Κατά την διαδικασία της λειτουργίας του κινητήρα π.χ. υπό ονομαστική φόρτιση, το 75% περίπου της τελικής ανύψωσης της θερμοκρασίας επέρχεται την πρώτη μόλις ώρα. Σε μικρότερες φορτίσεις το ποσοστό αυτό είναι ακόμη υψηλότερο αγγίζοντας το 85%. Μάλιστα τα πρώτα κυρίως λεπτά φαίνεται ότι η αύξηση της θερμοκρασίας γίνεται με απόλυτα εκθετικό τρόπο. β) Κατά την ψύξη του κινητήρα μετά την διακοπή της λειτουργίας του, την πρώτη μόλις ώρα σημειώνεται πτώση της θερμοκρασίας σε ποσοστό μεγαλύτερο του 40% της τελικής ανύψωσης σε κατάσταση θερμικής ισορροπίας. Αν ληφθεί υπόψη ότι για την πλήρη ψύξη απαιτούνται πάνω από 15 ώρες τότε γίνεται αντιληπτό πόσο ραγδαία είναι η απαγωγή της θερμότητας τα πρώτα κρίσιμα λεπτά μετά την διακοπή της λειτουργίας. Από τα παραπάνω στοιχεία προκύπτει ότι είναι πολύ σημαντικό να μελετηθούν στο μέλλον μέσω ηλεκτρονικού υπολογιστή τα μεταβατικά θερμικά φαινόμενα. Αυτά λαμβάνουν χώρα τόσο κατά την εκκίνηση όσο και αμέσως μετά την διακοπή της τροφοδοσίας του κινητήρα. Η δυνατότητα αυτή θα δοθεί με την υλοποίηση της υπέρυθρης ζεύξης IrDA και την καταγραφή των θερμοκρασιών του ρότορα κατά τη διάρκεια περιστροφής του. 85
86