Ηλεκτρικές Μηχανές ΙI Ενότητα 10: Ροπή κινητήρα Τσιαμήτρος Δημήτριος Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών Τ.Ε
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 TEI Δυτικής Μακεδονίας και στην Ανώτατη Εκκλησιαστική Ακαδημία Θεσσαλονίκης» 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 Κατανόηση διαγράμματος ροπής ταχύτητας και διαδικασίας εκκίνησης ασύγχρονου κινητήρα. 4
Περιεχόμενα ενότητας Διάγραμμα ροπής ασύγχρονου κινητήρα. Ρεύμα και ροπή εκκίνησης. Περιοχές λειτουργίας. Ρύθμιση στροφών και εκκίνησης. 5
Χαρακτηριστική ροπής ταχύτητας επαγωγικού κινητήρα (1) Σχήμα 1. Διάγραμμα Ροπής Ταχύτητας, Πηγή : «Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας», Ντοκόπουλος Π. Εκδόσεις Ζήτη. 6
Χαρακτηριστική ροπής ταχύτητας επαγωγικού κινητήρα (2) Σχήμα 2. Διάγραμμα Ροπής με ροπή χαμηλού φορτίου, Πηγή : «Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας», Ντοκόπουλος Π. Εκδόσεις Ζήτη. Εκκίνηση, επιτάχυνση έχουμε όταν από n=0 μέχρι τις ονομαστικές στροφές π.χ. 1450 σαλ ισχύει Μ K >M L. 7
Χαρακτηριστική ροπής ταχύτητας επαγωγικού κινητήρα (3) Σχήμα 3. Διάφορες Ροπές φορτίων, Πηγή : «Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας», Ντοκόπουλος Π. Εκδόσεις Ζήτη. 8
Χαρακτηριστική ροπής ταχύτητας επαγωγικού κινητήρα (4) Σχήμα 4. Δύσκολο φορτίο, Πηγή : «Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας», Ντοκόπουλος Π. Εκδόσεις Ζήτη. Ο κινητήρας δεν ξεκινά διότι η αντίσταση του φορτίου είναι μεγαλύτερη από τη ροπή του κινητήρα. 9
Ροπή και εκκίνηση επαγωγικού κινητήρα (1) Ρεύμα κινητήρα: Ι = r 1 + r 2 s U 3 2 + ωl1 +ωl 2 2 Το ρεύμα του κινητήρα μεταβάλλεται σαν συνάρτηση της ολίσθησης. Όταν ο κινητήρας είναι ακίνητος (s=1) παίρνει τη μέγιστη τιμή και ονομάζεται ρεύμα εκκίνησης (blocked rotor current). Το ρεύμα του κινητήρα είναι επίσης ανάλογο της τάσης και αντίστροφα ανάλογο της αντίστασης του δρομέα. 10
Ροπή και εκκίνηση επαγωγικού κινητήρα (2) Σχήμα 5. Ρεύμα και Ροπή εκκίνησης, Πηγή : «Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας», Ντοκόπουλος Π. Εκδόσεις Ζήτη. 11
Ροπή και εκκίνηση επαγωγικού κινητήρα (3) Το ρεύμα εκκίνησης είναι πολύ μεγάλο συνεπώς:. Θέλουμε το χρόνο επιτάχυνσης Τ α μικρό, γιατί μπορεί να καεί ο κινητήρας. Προσοχή! Ο Τ α μεγαλώνει όταν η τάση μειώνεται, καθώς μειώνεται και η ροπή εκκίνησης!. 12
Ροπή και εκκίνηση επαγωγικού κινητήρα (4) Σχήμα 6. Καταστάσεις λειτουργίας, Πηγή : «Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας», Ντοκόπουλος Π. Εκδόσεις Ζήτη. 13
Λειτουργία κινητήρα Σχήμα 7. Λειτουργία κινητήρα, Πηγή : «Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας», Ντοκόπουλος Π. Εκδόσεις Ζήτη. s = ω ω m ω 14
Λειτουργία γεννήτριας Σχήμα 8. Λειτουργία γεννήτριας, Πηγή : «Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας», Ντοκόπουλος Π. Εκδόσεις Ζήτη. ω m ω s = ω ω m ω 0 15
Λειτουργία πέδης Σχήμα 9. Λειτουργία πέδησης, Πηγή : «Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας», Ντοκόπουλος Π. Εκδόσεις Ζήτη. s = ω ω m ω > 1 ω m < 0 16
Εκκίνηση και ρύθμιση στροφών επαγωγικών κινητήρων (1) Δύο μεγάλα προβλήματα που σχετίζονται με επαγωγικούς κινητήρες: Το υψηλό ρεύμα εκκίνησης και ο περιορισμός του. Ο έλεγχος των στροφών σε μεγάλο εύρος. Για το πρώτο: Σχήμα 10. Υψηλό Ρεύμα εκκίνησης, Πηγή : «Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας», Ντοκόπουλος Π. Εκδόσεις Ζήτη. Συνεπώς το ρεύμα Ι πρέπει να περιοριστεί. Αν δεν ενδιαφέρει τόσο η ροπή τότε μπορεί να γίνει εκκίνηση με μειωμένη τάση. 17
Εκκίνηση και ρύθμιση στροφών επαγωγικών κινητήρων(2) Σχήμα 11. Starter, Πηγή : «Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας», Ντοκόπουλος Π. Εκδόσεις Ζήτη. 18
Εκκίνηση και ρύθμιση στροφών επαγωγικών κινητήρων (3) Ένα σύστημα ελέγχου που μπορεί να κατεβάζει την τάση καθώς το Ι ανάλογο της τάσης. Αυτό μπορεί να είναι: Ένας μετασχηματιστής. Ένας διακόπτης αστέρα τριγώνου. Ένας ειδικός εκινητής (soft starter). Αντιστάσεις στο δρομέα (αν πρόκειται για δακτυλιοφόρο). Προβλήματα Η ροπή ανάλογη του τετραγώνου της τάσης, άρα ελάττωση της τάσης κατά ρίζα 3 επιφέρει μείωση της ροπής στο 1/3. ΠΙΘΑΝΟΝ ΝΑ ΜΗΝ ΕΚΚΙΝΕΙ Ο ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ!! 19
Εκκίνηση και ρύθμιση στροφών επαγωγικών κινητήρων (4) Σχήμα 12. Ρύθμιση στροφών με δακτυλιοφόρο δρομέα, Πηγή : «Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας», Ντοκόπουλος Π. Εκδόσεις Ζήτη. Η μείωση του ρεύματος εκκίνησης σε οποιαδήποτε τιμή είναι η κυριότερη αιτία ύπαρξης αυτών των κινητήρων. 20
Εκκίνηση και ρύθμιση στροφών επαγωγικών κινητήρων (5) Σχήμα 13. Διάγραμμα δακτυλιοφόρου δρομέα, Πηγή : «Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας», Ντοκόπουλος Π. Εκδόσεις Ζήτη. Παρατηρούμε ότι υπάρχουν δύο τιμές εξωτερικών αντιστάσεων που μπορούν να πετύχουν την ίδια ροπή εκκίνησης. Επιλέγουμε τη μεγαλύτερη τιμή που πετυχαίνει μικρότερο ρεύμα εκκίνησης. 21
Λειτουργία soft starter (inverter) Παίρνει μια τριφασική (ή μονοφασική) εναλλασσόμενη τάση και την κάνει συνεχή dc (ανόρθωση). Στη συνέχεια η dc τάση ξαναμετατρέπεται σε εναλλασσόμενη (ή τριφασική) ΟΠΟΙΑΣΔΗΠΟΤΕ συχνότητας και τάσης (inverter). Έτσι με τον inverter αλλάζουμε τη συχνότητα του δικτύου με αντιστροφέα (inverter) κρατώντας την ολίσθηση χαμηλά. 22
Ρύθμιση της ταχύτητας περιστροφής. Σχήμα 14. Καμπύλες Soft Starters, Πηγή : «Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας», Ντοκόπουλος Π. Εκδόσεις Ζήτη. Εξαρτάται από συχνότητα και αριθμό πόλων. Έμμεσα και από τη ροπή για σταθερό φορτίο. 1.Κινητήρες 2 ταχυτήτων (με 2 ομάδες πόλων πχ 1 2 ζεύγη). 2.Μεταβολή της ροπής είτε μέσω τάσης είτε μέσω αντιστάσεων. 23
Εκκίνηση και ρύθμιση στροφών επαγωγικών κινητήρων (6) Σχήμα 15. Κύκλωμα Soft Starters, Πηγή : «Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας», Ντοκόπουλος Π. Εκδόσεις Ζήτη. Με μεταβολή της συχνότητας (inverter). 24
Μονοφασικοί ή μικροί κινητήρες Μονοφασικοί εναλλασσόμενου ρεύματος. Όχι ροπή εκκίνησης, χρήση πυκνωτών. 25
Κριτήρια επιλογής κινητήρα (1) Διαθέσιμη τάση και συχνότητα. Ροπή (ή αντίστοιχα ισχύς) και ταχύτητα περιστροφής που απαιτούνται. Μορφή του κύκλου εργασίας του κινητήρα. Χαρακτηριστικά περιβάλλοντος εγκατάστασης, (υγρασία, σκόνη, θερμοκρασία, εκρηκτικό περιβάλλον κλπ). Δείκτες IP XY. Χαρακτηριστικά τοποθέτησης, δηλαδή διαστάσεις κινητήρα, τρόπος έδρασης κλπ. Δυνατότητες συντήρησης. 26
Κριτήρια επιλογής κινητήρα (2) Τύποι κινητήρων που ήδη χρησιμοποιούνται και συντηρούνται στη μονάδα. Αξιοπιστία προμηθευτών. Προμήθεια συνολικού κινητηρίου συστήματος. Εξέταση της χρήσης inverters. Διαστασιολόγηση. 27
Συντήρηση κινητήρων. Λίπανση εδράνων. Αυτολίπαντα ρουλεμάν. Προσοχή στη σκόνη και στη βρωμιά!. Προσοχή στον αερισμό!. Προσοχή στις ψήκτρες!!. Υπερθέρμανση!!! -> Κάψιμο τυλιγμάτων. Περιέλιξη κινητήρων. 28
Επιλογή Κινητήρα (1) Επιλογή με βάση: Περιβάλλον: θερμοκρασία, υψόμετρο, υγρασία. Τροφοδοσία: Χαρακτηριστικά τάσης-συχνότητας, αρμονικές. Φορτίο: Λόγος χρησιμοποίησης, ροπή αδράνειας, χαρακτηριστική ροπής-φορτίου και επιδόσεις:. Βαθμός απόδοσης. Δυνατότητα υπερθέρμανσης. Επιτάχυνση. 29
Επιλογή Κινητήρα (2) Φορτίο: Λόγος χρησιμοποίησης, ροπή αδράνειας, χαρακτηριστική ροπής-φορτίου και επιδόσεις (Συνέχεια):. Συντελεστής ισχύος. Ροπή και ρεύμα εκκίνησης. Ροπή ανατροπής. Θόρυβος, κραδασμοί. Αξιοπιστία, συντήρηση, συχνότητα βλαβών. 30
Τριφασική περιέλιξη κινητήρων (1) Σχήμα 16. Τριφασική περιέλιξη, Πηγή : «Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας», Ντοκόπουλος Π. Εκδόσεις Ζήτη. 31
Τριφασική περιέλιξη κινητήρων (2) Τρεις μονοφασικές περιελίξεις με μεγάλο αριθμό αυλακιών. Οι ομάδες των περιελίξεων είναι τοποθετημένες συμμετρικά στην περιφέρεια ώστε οι μαγνητικοί άξονες που είδαμε στο προηγούμενο σχήμα να έχουν μεταξύ τους απόσταση 2π/3. Εάν η περιέλιξη έχει δύο στρώσεις, για παραγωγή ισχυρότερου πεδίου, τα παραπάνω ισχύουν και για τις δύο στρώσεις. 32
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Ν. Σκραπαρλής, Β. Μολασιώτης, Δ. Τσιαμήτρος, «Εργαστηριακές Ασκήσεις Ηλεκτρικών Μηχανών Συνεχούς και Εναλλασσομένου Ρεύματος», Σύγχρονη Παιδεία. Chapman S., Electrical Machinery Fundamentals, Fourth Edition, McGraw-Hill Inc.. «Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας», Ντοκόπουλος Π. Εκδόσεις Ζήτη. 33
Τέλος Ενότητας.
Σημείωμα Αναφοράς Copyright ΤΕΙ Δυτικής Μακεδονίας, Πουλάκης. «Ηλεκτρομαγητισμός». Έκδοση: 1.0. Κοζάνη 2015. Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: URL. 35
Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά, Μη Εμπορική Χρήση Παρόμοια Διανομή 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». [1] http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/ Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο. που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο. που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο. Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί. 36
Διατήρηση Σημειωμάτων Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς. το Σημείωμα Αδειοδότησης. τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων. το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει). μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους. 37
Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων Το Έργο αυτό κάνει χρήση των ακόλουθων έργων: Εικόνες/Σχήματα/Διαγράμματα/Φωτογραφίες: 1. Ντοκόπουλος Π. (2006). «Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας». Εκδόσεις Ζήτη, Θεσσαλονίκη. 2. Σκραπαρλής Ν., Μολασιώτης Β., Τσιαμήτρος Δ. (2013). «Εργαστηριακές Ασκήσεις Ηλεκτρικών Μηχανών Συνεχούς και Εναλλασσομένου Ρεύματος», Σύγχρονη Παιδεία. 3. Chapman S. (2009). Electrical Machinery Fundamentals, Fourth Edition, McGraw-Hill Inc. 38