ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Ηλεκτρικές Μηχανές ΙΙ Ενότητα 9: Μέθοδοι Εκκίνησης Μονοφασικών Κινητήρων 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 Στην 9 η Ενότητα ο φοιτητής μελετά τις μεθόδους εκκίνησης των μονοφασικών κινητήρων και γίνεται αναλυτική περιγραφή των κινητήρων γραμμοσκιασμένων πόλων. 4
Περιεχόμενα Ενότητας Μέθοδοι Εκκίνησης Ασύγχρονων 1Φ Κινητήρων Εκκίνηση 1Φ Ασύγχρονου Κινητήρα με Πυκνωτή Τοποθέτηση Πυκνωτή Μόνιμης Λειτουργίας Κινητήρας Γραμμοσκιασμένων Πόλων 5
Μέθοδοι Εκκίνησης Ασύγχρονων 1Φ Κινητήρων - 1 Ο 1Φ ασύγχρονος κινητήρας έχει μηδενική ροπή εκκίνησης. Για να αναπτύξει ροπή κατά την εκκίνηση απαιτείται η βοήθεια κάποιου μέσου (μηχανικού ή ηλεκτρικού). Χρήση Βοηθητικού Τυλίγματος + Is U Ia Κύριο τύλιγμα Φυγοκεντρικός διακόπτης V s I m V Z n r W Βοηθητικό τύλιγμα 6
Μέθοδοι Εκκίνησης Ασύγχρονων 1Φ Κινητήρων - 2 Ο μαγνητικός άξονας του βοηθητικού τυλίγματος, είναι μετατοπισμένος κατά 90 σε σχέση με το κύριο τύλιγμα. Με αυτόν τον τρόπο, δημιουργείται ένα διφασικό τύλιγμα, το οποίο παράγει στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο. Ο κινητήρας στην περίπτωση αυτή, χαρακτηρίζεται ως κινητήρας διαιρούμενης φάσης. Τα δυο τυλίγματα του στάτη (κύριο και βοηθητικό), συνδέονται παράλληλα μεταξύ τους. Για να υπάρχει και φασική απόκλιση ως προς το χρόνο, οι αγωγοί του βοηθητικού τυλίγματος, είναι μικρότερης διατομής και τοποθετούνται στο εξωτερικό μέρος των αυλακώσεων του στάτη. Με αυτό τον τρόπο το βοηθητικό τύλιγμα παρουσιάζει μεγαλύτερη ωμική αντίσταση και μικρότερη επαγωγική αντίσταση. 7
Μέθοδοι Εκκίνησης Ασύγχρονων 1Φ Κινητήρων - 3 Οι Μ.Ε.Δ. του κύριου και βοηθητικού τυλίγματος για φασική απόκλιση των ρευμάτων 90 (ιδανική περίπτωση διφασικού κινητήρα): F m = Όπου: F max cosθ cos ωt F a = F cos(θ π / 2) cos(ωt max π / 2) F = N I = max s m N a I a Η συνισταμένη Μ.Ε.Δ. είναι: F = F m + F a = F max [cosθ cos ωt + cos(θ π / 2) cos(ωt π / 2)] = F max cos(θ ωt) 8
Μέθοδοι Εκκίνησης Ασύγχρονων 1Φ Κινητήρων - 4 Χρήση Βοηθητικού Τυλίγματος Το διφασικό τύλιγμα μας δίνει μόνο δεξιόστροφο στρεφόμενο πεδίο με τη σύγχρονη ταχύτητα (το αριστερόστροφο πεδίο μηδενίζεται όπως και στην περίπτωση του τριφασικού κινητήρα) και κατ' επέκταση ροπή εκκίνησης διάφορη από το μηδέν. Η φορά περιστροφής αλλάζει, εάν αντιστρέψουμε τα άκρα σε ένα από τα δύο τυλίγματα. Στον κινητήρα διαιρούμενης φάσης, η χρονική διαφορά φάσης μεταξύ των ρευμάτων του κύριου και του βοηθητικού τυλίγματος είναι μικρότερη από την ιδανική των 90 ο, αρκεί όμως για την παραγωγή μη μηδενικής ροπής εκκίνησης. 9
Μέθοδοι Εκκίνησης Ασύγχρονων 1Φ Κινητήρων - 5 V s T int ( Nm) Κύριο τύλιγμα μόνο Kύριο και βοηθητικό τύλιγμα εντός Άνοιγμα φυγοκεντρικού διακόπτη I a I m I s 1 0 s Αν και οι μαγνητικοί άξονες των δύο τυλιγμάτων απέχουν κατά 90ο, η αντίστοιχη χρονική φασική απόκλιση των ρευμάτων είναι μικρότερη των 90 ο και για το λόγο αυτό, το στρεφόμενο πεδίο του στάτη με το αντίστοιχο πεδίο του δρομέα, παράγουν μια σχετικά μέτρια ροπή εκκίνησης. 10
Εκκίνηση 1Φ Ασύγχρονου Κινητήρα με Πυκνωτή - 1 Πυκνωτής Εκκίνησης Ηλεκτρολυτικός πυκνωτής (κατάλληλης τιμής), συνδεδεμένος σε σειρά με το βοηθητικό τύλιγμα, ο οποίος αποσυνδέεται μαζί με το βοηθητικό τύλιγμα αμέσως μετά την εκκίνηση. Με τον πυκνωτή επιτυγχάνεται, η φασική απόκλιση των 90, μεταξύ των ρευμάτων του κύριου και βοηθητικού τυλίγματος. Is Ia + U I a V s V s C 1 I m V Z W I m I s 11
Εκκίνηση 1Φ Ασύγχρονου Κινητήρα με Πυκνωτή - 2 Οι εξισώσεις μόνιμης κατάστασης, για τον υπολογισμό των διαφόρων μεγεθών (ρεύματα, ροπές), όσο το βοηθητικό τύλιγμα τίθεται εκτός μετά την εκκίνηση, είναι αυτές που ισχύουν για τον 1φ κινητήρα. Η ροπή εκκίνησης, είναι ανάλογη της χωρητικότητας του πυκνωτή. Για τον υπολογισμό της απαιτούμενης τιμής της χωρητικότητας, έτσι ώστε η γωνία των ρευμάτων κατά την εκκίνηση να είναι 90, είναι απαραίτητη η γνώση της σύνθετης αντίστασης των δύο τυλιγμάτων. 12
Εκκίνηση 1Φ Ασύγχρονου Κινητήρα με Πυκνωτή - 3 Η χαρακτηριστική Τint = f (n), συναρτήσει της προστιθέμενης χωρητικότητας. Είναι εμφανής, η βελτίωση της παραγόμενης εσωτερικής ροπής κατά την εκκίνηση. T int ( Nm) κύριο και βοηθητικό τύλιγμα εντός άνοιγμα διακόπτη Κύριο τύλιγμα μόνο 1 0 s 13
Τοποθέτηση Πυκνωτή Μόνιμης Λειτουργίας - 1 + Is U Ia Πυκνωτής εκκίνησης Πυκνωτής μόνιμης λειτουργίας Vs C 1 C2 I m V Z W O διακόπτης εκκίνησης θέτει εκτός μόνο τον ηλεκτρολυτικό πυκνωτή εκκίνησης. Το βοηθητικό τύλιγμα και ο πυκνωτής μόνιμης λειτουργίας (πυκνωτής χάρτου) παραμένουν μόνιμα συνδεδεμένα στο κύκλωμα. Kαλύτερη ροπή εκκίνησης και ταυτόχρονα βελτίωση του Σ.Ι. και των χαρακτηριστικών της υπό φορτίο λειτουργίας. 14
Τοποθέτηση Πυκνωτή Μόνιμης Λειτουργίας - 2 Η χαρακτηριστική Τint = f (n): T int ( Nm) πυκνωτής εκκίνησης άνοιγμα διακόπτη πυκνωτής μόνιμης λειτουργίας 1 0 s 15
Τοποθέτηση Πυκνωτή Μόνιμης Λειτουργίας - 3 Εξισώσεις Μόνιμης Κατάστασης: Με τα δυο τυλίγματα του στάτη είναι σαν να έχουμε την ταυτόχρονη δράση δυο μονοφασικών κινητήρων στον ίδιο άξονα και με το ίδιο τύλιγμα κλωβού. V = R + jx + jx ) I + a V = R 1 + jx ) I + m ( 1 ( 1a 1a c V m, I m : Η τάση και το ρεύμα του κύριου τυλίγματος V a, I a : Η τάση και το ρεύμα του βοηθητικού τυλίγματος V = s και = Vm Va I s = I m + I a m E a m E a 16
Τοποθέτηση Πυκνωτή Μόνιμης Λειτουργίας - 4 H χωρητικότητα του πυκνωτή εκκίνησης, για ροπή εκκίνησης περίπου ίση με την ονομαστική, υπολογίζεται προσεγγιστικά: και 6 1 F P( KW )3 10 C = ( µ 2 V ( V ) cosφ ) 1 C 2 = C 3 1 17
Κινητήρας Γραμμοσκιασμένων Πόλων - 1 O Κινητήρας γραμμοσκιασμένων πόλων, αποτελεί μια ειδική κατηγορία μονοφασικού κινητήρα επαγωγής. I s I s V s V s 18
Κινητήρας Γραμμοσκιασμένων Πόλων - 2 Κατασκευή Οι πόλοι του στάτη χωρίζονται σε δύο περιοχές: Η μία από αυτές καλύπτει περίπου το 1/3 της συνολικής επιφάνειας του πόλου, περιβάλλεται από ένα χάλκινο δαχτυλίδι (βραχυκυκλωμένη σπείρα) και χαρακτηρίζεται ως η γραμμοσκιασμένη περιοχή τουπόλου. Η υπόλοιπη περιοχή του πόλου χαρακτηρίζεται ως η μη γραμμοσκιασμένη περιοχή. Δρομέας Φέρει τύλιγμα κλωβού (αντίστοιχο των ασύγχρονων κινητήρων). 19
Κινητήρας Γραμμοσκιασμένων Ισχύς Είναι συνήθως μικρής ισχύος. Πόλων - 3 Χρήση Σε φορτία τα οποία απαιτούν χαμηλή ροπή κατά την εκκίνηση. Λόγω του μικρού όγκου, της απλής και στιβαρής κατασκευής και του χαμηλού κόστους, βρίσκει πληθώρα εφαρμογών κυρίως σε οικιακές συσκευές. Πλεονέκτημα Το ρεύμα εκκίνησης είναι ελάχιστα υψηλότερο από το ρεύμα πλήρους φορτίου οπότε, δεν υφίσταται καταπόνηση των τυλιγμάτων κατά την εκκίνηση. 20
Κινητήρας Γραμμοσκιασμένων Πόλων - 4 Εάν η εφαρμοζόμενη τάση στο τύλιγμα τυμπάνου είναι καθαρά ημιτονοειδής, τότε και η χρονική μεταβολή της μαγνητικής ροής ανά πόλο θα είναι και αυτή ημιτονοειδής. φ( t) = Φ m sin ωt Αρχή Λειτουργίας Βασίζεται στην ανομοιομορφία της χωρικής κατανομής της μαγνητικής ροής στην επιφάνεια των πόλων. 21
Κινητήρας Γραμμοσκιασμένων Πόλων - 5 Η χρονική μεταβολή της μαγνητικής ροής στο τύλιγμα του στάτη, θα αναπτύξει Η.Ε.Δ. εξ επαγωγής στη βραχυκυκλωμένη σπείρα και τη δημιουργία ρεύματος. Η φορά του ρεύματος (σύμφωνα με τον κανόνα του Lentz) θα είναι τέτοια ώστε η μαγνητική ροή που προκαλείται από αυτό να αντιτίθεται στη μαγνητική ροή του τυλίγματος του στάτη. Αυτό σημαίνει ότι, η μαγνητική ροή που προκαλείται από το ρεύμα της βραχυκυκλωμένης σπείρας στο γραμμοσκιασμένο τμήμα του πόλου, θα έχει αντίθετη φορά από εκείνη στο υπόλοιπο τμήμα του πόλου (μη γραμμοσκιασμένη περιοχή), στο οποίο διέρχεται μόνο μαγνητική ροή που δημιουργείται από το τύλιγμα του στάτη. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την ανομοιομορφία της χωρικής κατανομής της συνιστάμενης μαγνητικής ροής στην επιφάνεια των πόλων. 22
Κινητήρας Γραμμοσκιασμένων Πόλων - 6 i s (t) i s (t) (t) i s Η χαρακτηριστική Τint = f (nr): t = t 1 2 t = t t = t3 T int (% T fl ) T max 200 100 Βύθιση λόγω τρίτης αρμονικής 25 50 75 100 n r (% n s ) 23
Τέλος Ενότητας