Σκοπός της άσκησης: ΑΣΚΗΣΗ 5 η ΑΣΥΓΧΡΟΝΟΣ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΣ ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ Σκοπός της εργαστηριακής άσκησης είναι: 1. Η μελέτη της δομής και της αρχής λειτουργίας ενός ασύγχρονου τριφασικού κινητήρα. 1. Γενικά Οι τριφασικοί ασύγχρονοι (επαγωγικοί) κινητήρες αποτελούν την πιο συνηθισμένη περίπτωση ηλεκτρικού κινητήρα με τις περισσότερες εφαρμογές στην βιομηχανία, αλλά και σημαντικές στην κίνηση ηλεκτρικών οχημάτων κλπ. Ο κύριος λόγος είναι η απλότητα της κατασκευής τους. Στον στάτη μιας ασύγχρονης μηχανής είναι τοποθετημένο ένα τριφασικό τύλιγμα (τύλιγμα τυμπάνου), το οποίο είναι πανομοιότυπο με το τύλιγμα του στάτη μιας σύγχρονης μηχανής. Στον δρομέα όμως δεν υπάρχει τύλιγμα διέγερσης αλλά ένα «αγώγιμο τμήμα» βραχυκυκλωμένο κατασκευαστικά ή με εξωτερική σύνδεση. Ανάλογα με την μορφή του τμήματος αυτού οι ασύγχρονοι κινητήρες διακρίνονται σε Α. Βραχυκυκλωμένου δρομέα (squirrel-cage rotor). Β. Δακτυλιοφόρου δρομέα (wound rotor). Στην πρώτη περίπτωση το αγώγιμο τμήμα του δρομέα αποτελείται από χάλκινες ή αλουμινένιες μπάρες οι οποίες βραχυκυκλώνονται στα άκρα τους με την χρήση κατάλληλων δακτυλίων, σχηματίζοντας ένα κλωβό (σχήμα 2). Στην περίπτωση των κινητήρων δακτυλιοφόρου δρομέα, το τύλιγμα του δρομέα αποτελείται από ένα τριφασικό τύλιγμα με ίδιο αριθμό πόλων με το στάτη, το οποία συνήθως είναι εσωτερικά συνδεδεμένο σε αστέρα (σχήμα 3). Το πλεονέκτημα των ασύγχρονων κινητήρων σε σχέση με τους σύγχρονους είναι ότι δεν χρειάζονται τροφοδοσία με ρεύμα διέγερσης. Όταν τροφοδοτήσουμε το τύλιγμα του στάτη με ένα τριφασικό συμμετρικό σύστημα τάσεων δημιουργείται στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο. Το πεδίο αυτό καθώς διέρχεται από τους αγωγούς του δρομέα επάγει σε αυτούς τάση και στη συνέχεια ρεύμα καθώς αυτοί είναι βραχυκυκλωμένοι. Συνεπώς ο ασύγχρονος κινητήρας συμπεριφέρεται όμοια με έναν μετασχηματιστή, με τον στάτη να παίζει το ρόλο του πρωτεύοντος τυλίγματος και τον δρομέα να αποτελεί το δευτερεύον και γιαυτό ονομάζεται και επαγωγικός κινητήρας. Στους 1
ρευματοφόρους αγωγούς του δρομέα ασκούνται δυνάμεις Laplace από το στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο του στάτη και ο δρομέας περιστρέφεται. Σε αντίθεση με τον σύγχρονο κινητήρα, η δύναμη (και η ροπή) που ασκείται στους αγωγούς του δρομέα έχει πάντα την ίδια κατεύθυνση, αυτή της φοράς περιστροφής του στρεφόμενου μαγνητικού πεδίου. Αυτό συμβαίνει γιατί το ρεύμα στους αγωγούς του δρομέα δεν είναι συνεχές αλλά εναλλασσόμενο και η φορά του ακολουθεί την αλλαγή των πόλων του μαγνητικού πεδίου διότι δημιουργείται από αυτό. Έτσι ο ασύγχρονος κινητήρας δεν αντιμετωπίζει πρόβλημα κατά την εκκίνηση. Σχήμα 1. Σχηματική αναπαράσταση ενός επαγωγικού (ασύγχρονου) κινητήρα. Ο ασύγχρονος κινητήρας δεν στρέφεται με σταθερή ταχύτητα. Η ταχύτητά του είναι πάντα μικρότερη από την σύγχρονη και μεταβάλλεται με την μεταβολή του φορτίου. Η διαφορά μεταξύ της σύγχρονης ταχύτητας περιστροφής του μαγνητικού πεδίου του στάτη n s και της ταχύτητας περιστροφής του δρομέα n m ονομάζεται ταχύτητα ολίσθησης: Ο λόγος της ταχύτητας ολίσθησης προς την σύγχρονη ταχύτητα ονομάζεται ολίσθηση s και αποτελεί ουσιαστικά το μέτρο της διακύμανσης ταχύτητας του κινητήρα: 2
O συντελεστής ισχύος ενός ασύγχρονου κινητήρα είναι πάντα επαγωγικός. Όσο μεγαλύτερο είναι το φορτίο στον άξονά του τόσο μεγαλύτερη είναι και η τιμή του. Σχήμα 2. Βραχυκυκλωμένος Δρομέας. Σχήμα 3. Δακτυλιοφόρος Δρομέας. 3
2. Εκκίνηση ασύγχρονου κινητήρα Όπως προαναφέρθηκε, ο ασύγχρονος κινητήρας δεν αντιμετωπίζει πρόβλημα κατά την εκκίνηση ώστε να απαιτεί μία χωριστή διάταξη ή διαδικασία. Εάν όμως εφαρμόσουμε απευθείας την ονομαστική τάση στους ακροδέκτες του θα απορροφήσει ένα μεγάλο ρεύμα εκκίνησης το οποίο μπορεί να φτάσει 7 8 φορές το ονομαστικό. Για το λόγο αυτό, όποτε αυτό είναι δυνατό, εφαρμόζουμε σταδιακά την τάση τροφοδοσίας (soft starting) ή χρησιμοποιούμε διατάξεις εκκίνησης αστέρα τριγώνου. 3. Ισοδύναμο κύκλωμα Η αρχή λειτουργίας του ασύγχρονου κινητήρα προσομοιάζει αυτή ενός μετασχηματιστή, όπου τον ρόλο του πρωτεύοντος τυλίγματος παίζει το τύλιγμα του στάτη ενώ ο δρομέας αποτελεί το δευτερεύον. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα το ισοδύναμο κύκλωμα του ασύγχρονου κινητήρα να είναι παρόμοιο με αυτό του μετασχηματιστή με δυο σημαντικές διαφορές (σχήμα 4). Ο δρομέας του ασύγχρονου κινητήρα είναι μόνιμα (κατασκευαστικά) βραχυκυκλωμένος. Συνεπώς στο ισοδύναμο κύκλωμα θα είναι και αυτό βραχυκυκλωμένο στο δευτερεύον. Η δεύτερη διαφορά αφορά τον λόγο μετασχηματισμού. Τον μετασχηματιστή ο λόγος μετασχηματισμού είναι σταθερός. Στον ασύγχρονο κινητήρα η επαγόμενη τάση στον δρομέα δεν είναι σταθερή αλλά εξαρτάται από τις στροφές του κινητήρα (άρα και από την ολίσθηση). Η μεγαλύτερη τάση επάγεται όταν ο δρομέας είναι ακινητοποιημένος (κατά την εκκίνηση όπου s=1), ενώ όσο η ταχύτητα αυξάνεται (s<1) και πλησιάζει την σύγχρονη η επαγόμενη τάση μειώνεται. Το φαινόμενο αυτό λαμβάνεται υπόψη εισάγοντας τη ολίσθηση ως παράμετρο στο δευτερεύον του ισοδύναμο κυκλώματος. Στο σχήμα 4 φαίνεται το ανά φάση ισοδύναμο κύκλωμα του ασύγχρονου τριφασικού κινητήρα. Τα στοιχεία του ισοδύναμου κυκλώματος είναι ανηγμένα ως προς τον στάτη (πρωτεύον). Το ρεύμα Ι 1 είναι το ρεύμα του στάτη ενώ το Ι 2 είναι το ρεύμα του δρομέα. Το ρεύμα του δρομέα μεταβάλλεται με την ταχύτητα του κινητήρα καθώς αλλάζει η τιμή της αντίστασης του δευτερεύοντος (R 2 /s). Εδώ θα πρέπει να τονίσουμε ότι η αντίσταση του δρομέα δεν αλλάζει στην πραγματικότητα. Αυτό που αλλάζει με την ταχύτητα είναι η επαγόμενη τάση στον δρομέα και άρα το ρεύμα Ι 2. Για να φτιάξουμε όμως το ισοδύναμο του κινητήρα θα πρέπει ο λόγος μετασχηματισμού να είναι σταθερός. Για τον λόγο αυτό επιλέγουμε έναν σταθερό λόγο μετασχηματισμού 4
(όταν ο δρομέας είναι ακίνητος) και αλλάζουμε το ρεύμα στον δρομέα μέσω της μεταβολής της αντίστασης R 2. R1 X1 R2/s X2 I1 I2 U1 AC Rfe Xm Σχήμα 4. Ισοδύναμο κύκλωμα ασύγχρονου κινητήρα. 4. Βαθμός απόδοσης και Απώλειες Οι απώλειες των ασύγχρονων κινητήρων διακρίνονται σε: 1. Απώλειες χαλκού ή ηλεκτρικές στους αγωγούς του στάτη P cus και του δρομέα P cur. 2. Απώλειες σιδήρου ή πυρήνα λόγω δινορευμάτων και υστέρησης. 3. Μηχανικές απώλειες λόγω τριβών και αντίστασης του αέρα. (αερισμού). Το διάγραμμα ροής ισχύος του ασύγχρονου κινητήρα φαίνεται στο σχήμα 3. P in 3V I cos PAG Pconv P out m Pcus Pfe PcuR Pmech Σχήμα 3. Διάγραμμα ροής ισχύος ασύγχρονου κινητήρα. Η ισχύς P AG ονομάζεται ισχύς διακένου και είναι η ισχύς η οποία «μεταφέρεται» από τον στάτη στον δρομέα, ενώ η P conv ονομάζεται ηλεκτρομηχανική ισχύς και είναι η ηλεκτρομαγνητική ισχύς η οποία μετατρέπεται σε μηχανική. Ένα μέρος της ισχύος αυτής χάνεται σε μηχανικές απώλειες και το υπόλοιπο αποδίδεται στην έξοδο. 5
ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Α. ΟΝΟΜΑΣΤΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΑΣΥΓΧΡΟΝΗΣ ΜΗΧΑΝΗΣ ΒΡΑΧΥΚΥΚΛΩΜΕΝΟΥ ΔΡΟΜΕΑ Στο παρακάτω πίνακα σημειώστε τα ονομαστικά στοιχεία της ασύγχρονης μηχανής βραχυκλωμένου δρομέα με την οποία θα δουλέψετε. ΙΣΧΥΣ P (kw) ΟΝΟΜΑΣΤΙΚΗ ΤΑΣΗ (Δ/Υ) ΟΝΟΜΑΣΤΙΚΟ ΡΕΥΜΑ (Δ/Υ) ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ ΟΝΟΜΑΣΤΙΚΟΣ ΑΡΙΘΜΟΣ ΣΤΡΟΦΩΝ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ΩΜΙΚΗ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ ΤΥΛΙΓΜΑΤΩΝ ΣΤΑΤΗ Β. ΟΝΟΜΑΣΤΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΑΣΥΓΧΡΟΝΗΣ ΜΗΧΑΝΗΣ ΔΑΚΤΥΛΙΟΦΟΡΟΥ ΔΡΟΜΕΑ Στο παρακάτω πίνακα σημειώστε τα ονομαστικά στοιχεία της ασύγχρονης μηχανής δακτυλιοφόρου δρομέα με την οποία θα δουλέψετε. ΙΣΧΥΣ P (kw) ΟΝΟΜΑΣΤΙΚΗ ΤΑΣΗ (Δ/Υ) ΟΝΟΜΑΣΤΙΚΟ ΡΕΥΜΑ (Δ/Υ) ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ ΟΝΟΜΑΣΤΙΚΟΣ ΑΡΙΘΜΟΣ ΣΤΡΟΦΩΝ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΙΣΧΥΟΣ 6
ΩΜΙΚΗ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ ΤΥΛΙΓΜΑΤΩΝ ΣΤΑΤΗ ΩΜΙΚΗ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ ΤΥΛΙΓΜΑΤΩΝ ΔΡΟΜΕΑ 7