Ηλεκτρικοί Κινητήρες μικρής ισχύος, δομή και έλεγχος Ενότητα 6: Κινητήρες τύπου Universal Επαμεινώνδας Μητρονίκας Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών
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 πουδεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο πουδεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου καιαδειοδόχοέμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχοξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί. 2
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. 3
Άδειες χρησης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης CreativeCommons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 4
Περιεχόμενα 1. Εισαγωγή στους κινητήρες μικρής ισχύος 2. Ασύγχρονοι κινητήρες μονοφασικής τροφοδοσίας 3. Ασύγχρονοι κινητήρες µε ιδιόμορφους πόλους 4. Σύγχρονοι κινητήρες 5. Βηματικοίκινητήρες 6. Κινητήρες τύπου Universal 5
Σκοποί ενότητας Παρουσίαση των κατασκευαστικών και λειτουργικών χαρακτηριστικών των κινητήρων τύπου"universal" 6
Οι κινητήρες τύπου Universal συναντώνται σε οικιακές συσκευές και εργαλεία. Η κατασκευαστική τους δομή μοιάζει με αυτή των κινητήρων συνεχούς ρεύματος με κυριότερο χαρακτηριστικό την ύπαρξη ψηκτρών και συλλέκτη. Μπορούν να τροφοδοτούνται από εναλλασσόμενη τάση ή, εναλλακτικά από συνεχή. Στην περίπτωση που τροφοδοτούνται από εναλλασσόμενο ρεύμα, ο αριθμός των στροφών δεν περιορίζεται από τη συχνότητα της τάσης τροφοδοσίας, όπως συμβαίνει π.χ. με τον ασύγχρονο κινητήρα. Έτσι οι κινητήρες universal μπορούν να φτάσουν μέχρι και την ταχύτητα των 25000 στροφών ανά λεπτό. Στις οικιακές συσκευές συναντάμε συχνά κινητήρες αυτού τουτύπουπου ξεκινούναπόμερικάwκαι φτάνουν μέχρι τα 1200W. 7
Αρχή λειτουργίας (1/2) Οι κινητήρες Universal είναι κινητήρες που κατασκευάζονται για μικρή ισχύ και συνήθως περιστρέφονται με μεγάλες ταχύτητες. Έχουν ένα ζεύγος πόλων, ενώ συνήθως δεν θα συναντήσουμε κινητήρες με μεγαλύτερο αριθμό πόλων. Σε αντίθεση με τις μηχανές συνεχούς ρεύματος που έχουν παρόμοια κατασκευή, στους κινητήρες universal μικρής ισχύος δεν τοποθετούνται τυλίγματα αντιστάθμισης για λόγους κατασκευαστικής απλότητας. 8
Αρχή λειτουργίας (2/2) Ο κινητήρας Universal φέρει τυλίγματα και στο στάτη και στο δρομέα. Τα τυλίγματα διαστασιολογούνται με αντίστοιχο τρόπο όπως στη μηχανή συνεχούς ρεύματος με διέγερση σε σειρά. Το τύλιγμα του στάτη συνδέεται πάντα σε σειρά με αυτό του δρομέα. Αυτό συμβαίνει για τον παρακάτω λόγο: η ροπή της μηχανής είναι ανάλογη του γινομένου IBcosφ, είναι δηλαδή ανάλογη της ενεργού τιμής του ρεύματος και της πυκνότητας της μαγνητικής ροής, ενώ εξαρτάται από τη γωνία που σχηματίζουν μεταξύ τους. Αυτό έχει δύο άμεσες συνέπειες: Οι ποσότητες στάτη και δρομέα πρέπει να έχουν την ίδια συχνότητα, διαφορετικά δεν παράγεται ροπή. Η γωνία φ πρέπει να είναι όσο το δυνατόν κοντά στην τιμή μηδέν, ώστε η ροπή που παράγεται να είναι μέγιστη. Αυτό επιτυγχάνεται με σύνδεση των δύο τυλιγμάτων σε σειρά. 9
Κατανομή μαγνητικού πεδίου στο διάκενο της μηχανής 10
Διανυσματικό διάγραμμα (1/2) Η τάση στους ακροδέκτες του κινητήρα συναρτήσει του ρεύματος δίνεται από τη σχέση: jωne jωn U = IARE + β 2 2 A R lh ( ΦEσ +Φlh) + IARA + ( ΦAσ +Φqhcosβ Φlhsin ) + UB Στην παραπάνω σχέση η τάση εξ επαγωγής U qr είναι η ποσότητα: U qr = c R cnφ = 2 2β 1 π όπου RE είναι η ωμική αντίσταση του στάτη, RΑη ωμική αντίσταση του δρομέα, n η ταχύτητα περιστροφής του δρομένα, cr η σταθερά της μηχανής και UB η πτώση τάσης επάνω στις ψήκτρες. nφ 2 lh lh c nφ 2 11
Ισχύς και ροπή Η επαγόμενη ισχύς της μηχανής μπορούμε να συμπεράνουμε ότι δίνεται από τη σχέση: P = mi Η παραγόμενη ροπή υπολογίζεται από την επαγόμενη ισχύ P mi διαιρώντας με τη γωνιακή συχνότητα, οπότε έχουμε: M i = P I ω mi m A U = qr c 2π R 2 Φ lh I A Είναι προφανές ότι η ροπή που αναπτύσσεται τελικά στον άξονα είναι μειωμένη κατά ένα μικρό ποσοστό που εκφράζει τις τριβές. 12
Ισχύς και ροπή Χαρακτηριστικές ροπής του κινητήρα Universal. Ένα βασικό χαρακτηριστικό του κινητήρα που φαίνεται στην καμπύλη είναι ότι όταν λειτουργεί σε κατάσταση κορεσμού είναι δυνατό να φτάσει σε αρκετά μεγαλύτερο αριθμό στροφών συγκριτικά με τη λειτουργία χωρίς κορεσμό. 13
Ο έλεγχος των στροφών του κινητήρα είναι δυνατό να γίνει μεταβάλλοντας την τάση. 14
Ο έλεγχος των στροφών του κινητήρα είναι επίσης δυνατό να γίνει μεταβάλλοντας τη συχνότητα. Από τα παραπάνω σχήματα είναι προφανές ότι ο πιο πρόσφορος τρόπος για να μεταβάλλουμε την ταχύτητα περιστροφής του κινητήρα είναι με μεταβολή της τάσης τροφοδοσίας του. 15
Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στoπλαίσιο του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Πατρών» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την 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. 16
Σημείωμα Ιστορικού ΕκδόσεωνΈργου Το παρόν έργο αποτελεί την έκδοση 1.00. 17
Σημείωμα Αναφοράς CopyrightΠανεπιστήμιο Πατρών, Επαμεινώνδας Μητρονίκας2014. Επαμεινώνδας Μητρονίκας. «Ηλεκτρικοί Κινητήρες μικρής ισχύος, δομή και έλεγχος». Έκδοση: 1.0. Πάτρα 2014. Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: https://eclass.upatras.gr/courses/ee711/. 18
Βιβλιογραφία [1].Helmut Moczala, JurgenDraeger, Hermann Krauss, Helmut Schock, Siegfried Tillner: Small Electric Motors, The Institution of Electrical Engineers, 1998. 19