ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ

ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ Οι κινηήρες αυής ης καηγορίας ροφοδοούναι από κάποια πηγή συνεχούς άσης. Από καασκευασικής απόψεως, δεν παρουσιάζουν καμία διαφορά σε σχέση με ις γεννήριες ΣΡ. Βασικό πλεονέκημά ους αποελεί η ευκολία ελέγχου ης ροπής και ης αχύηάς ους σε ένα μεγάλο εύρος ιμών. Ένα μέρο σύγκρισης μεαξύ διαφορεικών κινηήρων ΣΡ είναι η διακύμανση αχύηας, η οποία ορίζεαι από η σχέση nl fl SR ω = ω ω fl 100% με ους δείκες nl και fl να υποδεικνύουν, ανίσοιχα, λειουργία υπό μηδενικό και υπό πλήρες φορίο. Θεική ιμή ης SR σημαίνει μείωση ης αχύηας ου κινηήρα καά ην αύξηση ου φορίου, ενώ αρνηική ιμή ης SR υποδεικνύει αύξηση ης αχύηας καά ην αύξηση ου φορίου. Το μέγεθος αυό εκφράζει προφανώς ην ικανόηα ενός κινηήρα να διαηρεί ην αχύηά ου σαθερή, όαν μεαβάλλεαι ο εφαρμοζόμενο φορίο (μικρόερη απόλυη ιμή ης SR υποδηλώνει μεγαλύερη σαθερόηα). Όπως είναι ήδη γνωσό, ένας ηλεκρικός κινηήρας παρέχει μηχανική ισχύ σε μια μηχανή η ο- ποία αποελεί ο φορίο ου. Όαν ο κινηήρας περισρέφεαι χωρίς να υπάρχει κάποιο φορίο συνδεδεμένο, όε η λειουργία ου χαρακηρίζεαι ως εν κενώ. Όπως και σις γεννήριες, υπάρχουν οι ακόλουθες καηγορίες κινηήρων συνεχούς ρεύμαος: α) Ανεξάρηης διέγερσης. β) Παράλληλης διέγερσης. γ) Διέγερσης σειράς. δ) Σύνθεης διέγερσης. κινηήρα συνεχούς ρεύμαος Απλοποιημένο ισοδύναμο κύκλωμα Σημειώσεις ηλεκρικών μηχανών 28

Όσον αφορά ο ισοδύναμο κύκλωμα ενός κινηήρα ΣΡ, αυό είναι παρόμοιο με εκείνο που παρουσιάσηκε σην περίπωση γεννηριών ΣΡ, με η βασική διαφορά όι η καεύθυνση ου ρεύμαος ου οπλισμού είναι πλέον η ανίσροφη (επιπλέον, η πηγή που αναπαρισά ην πώση άσης σις ψήκρες έχει ανίθεη πολικόηα, αφού πρέπει να ανιίθεαι σο ρεύμα ου δρομέα). Η καμπύλη μαγνήισης (ή σαική χαρακηρισική) ενός κινηήρα παρισάνει η μεαβολή ης άσης E ως προς ο ρεύμα διέγερσης σε συγκεκριμένη αχύηα περισροφής. Αυή προκύπει από ις σχέσεις E = KΦ ω και = N, δεδομένου όι η γραφική παράσαση ης Φ= f ( ) είναι η καμπύλη μαγνήισης ενός σιδηρομαγνηικού υλικού. Για ην παραγωγή όσο ο δυναό μεγαλύερης ισχύος, οι κινηήρες συνήθως λειουργούν κονά σον κορεσμό. Ε Α (V) Καμπύλη μαγνήισης κινηήρα ΣΡ () ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ ΑΝΕΞΑΡΤΗΤΗΣ (ΞΕΝΗΣ) ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ Εδώ ο κύκλωμα διέγερσης ροφοδοείαι από μια ανεξάρηη πηγή συνεχούς άσης και οι εξισώσεις που προκύπουν από ο κυκλωμαικό ισοδύναμο είναι: V =, V E R R = + και L =. Η ανι-ηεδ E που αναπύσσεαι σο ύλιγμα ου οπλισμού είναι πάνα μικρόερη από ην ε- φαρμοζόμενη άση εισόδου V. Λόγω ων κοινών χαρακηρισικών σοιχείων με ους κινηήρες παράλληλης διέγερσης (αφού, όπως θα δειχεί, και σις δύο περιπώσεις ο ρεύμα διέγερσης είναι σαθερό), η χαρακηρισική φορίου ου κινηήρα ξένης διέγερσης θα εξεασεί σην επόμενη παράγραφο. R Σημειώσεις ηλεκρικών μηχανών 29

ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ ΠΑΡΑΛΛΗΛΗΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ Τώρα ο κύκλωμα διέγερσης ροφοδοείαι από ο κύκλωμα οπλισμού ου κινηήρα, με ις α- νίσοιχες εξισώσεις να είναι V =, V E R R = +, L = +. Συνεπώς, εάν θεωρηθεί σαθερή η άση ροφοδοσίας V ου κινηήρα, η ανάλυση που ακολουθεί θα είναι παρόμοια με ην ανάλυση ενός κινηήρα ανεξάρηης διέγερσης. R Χαρακηρισική φορίου H χαρακηρισική φορίου ενός κινηήρα είναι ο διάγραμμα ης ροπής εξόδου ως προς ην αχύηά ου. Για να βρεθεί η απόκριση ενός κινηήρα παράλληλης διέγερσης, ακολουθούμε ο εξής σκεπικό: θεωρώνας όι αυξάνεαι η ροπή ου φορίου ( load ), αυή θα ξεπεράσει η ροπή ης μηχανής (αφού σε σαθερή αχύηα οι δύο ροπές είναι ίσες, αμελώνας ις ριβές), με αποέλεσμα να αρχίσει να μειώνεαι η αχύηα περισροφής (ω ). Το γεγονός αυό σημαίνει πως μειώνεαι η εσωερική άση E ( = KΦω ), οπόε αυξάνεαι ο ρεύμα ου οπλισμού ( = ( V E)/ R ), οδηγώνας σην παραγωγή μεγαλύερης ροπής από ον κινηήρα ( = KΦ ). Τελικά η ροπή ου κινηήρα θα εξισωθεί με η ροπή ου φορίου και η περισροφή θα πραγμαοποιείαι σε μια σαθερή και πάλι αχύηα, μικρόερη από ην αρχική. Για ον υπολογισμό ης μαθημαικής έκφρασης ης χαρακηρισική φόρισης, πρέπει να ληφθεί υπόψη όι E = KΦ ω και = KΦ =. K Φ Οι σχέσεις αυές οδηγούν ην εξίσωση V = E + R ση μορφή R V = Φ + ω = KΦ ( ) 2 + KΦ K Φ V K ω R η οποία παρισάνει ευθεία με αρνηική (όπως αναμενόαν, σύμφωνα με όσα ειπώθηκαν) κλίση. Γενικά, η απόλυη ιμή ης κλίσης αυής είναι σχεικά μικρή, οπόε οι κινηήρες παράλληλης διέγερσης χαρακηρίζοναι από ικανοποιηική σαθερόηα ης αχύηας περισροφής για μεγάλο εύρος φορίων. Για πολύ μεγάλη ροπή η συγκεκριμένη γραφική παράσαση έμνει ον οριζόνιο Σημειώσεις ηλεκρικών μηχανών 30

άξονα σε σημείο όπου, προφανώς, μηδενίζεαι η αχύηα. Ωσόσο ο σημείο αυό δεν ανισοιχεί σε επιρεπή λειουργία, διόι συνεπάγεαι απαγορευικά μεγάλη ιμή ου ρεύμαος. Βέβαια, η χαρακηρισική παρισάνεαι με ευθεία γραμμή μόνο εάν η άση ροφοδοσίας V και η μαγνηική ροή Φ έχουν σαθερές ιμές. Εάν ο κινηήρας δε διαθέει υλίγμαα ανισάθμισης, όε η ανίδραση ου οπλισμού επηρεάζει η μορφή ης καμπύλης ροπής-αχύηας. Συγκεκριμένα, α φαινόμενα εξασθένησης ης ροής σο εσωερικό ου κινηήρα προκαλούν ην αύξηση ης αχύηας περισροφής. Χαρακηρισική φορίου κινηήρα ΣΡ παράλληλης διέγερσης Έλεγχος ης αχύηας Η αχύηα περισροφής ενός κινηήρα παράλληλης διέγερσης μπορεί να ελεγχθεί με ους ακόλουθους ρόπους: α) μεαβάλλονας ην ανίσαση διέγερσης: Αυξάνονας ην ανίσαση διέγερσης ( R ) ελαώνεαι ο ρεύμα διέγερσης ( = V / R ), οπόε και η μαγνηική ροή ( Φ ). Έσι μειώνεαι η E ( = KΦω ), έχονας ως αποέλεσμα ην αύξηση ου ρεύμαος σον οπλισμό ( = ( V E)/ R ). Επειδή η συγκεκριμένη αύξηση ου ρεύμαος είναι πολύ μεγαλύερη από ην ανίσοιχη μείωση ης μαγνηικής ροής, ελικά η επαγόμενη ροπή = KΦ συνολικά αυξάνεαι. Τόε έχουμε > load, οπόε ο κινηήρας περισρέφεαι πιο γρήγορα από πριν, γεγονός που σημαίνει όι μεγαλώνει η άση E, οπόε μειώνεαι ο ρεύμα σον οπλισμό ( ) και μαζί ου η ροπή ( ), μέχρι να γίνει πάλι = load σε μια αχύηα περισροφής μεγαλύερη από πριν. Ση θεωρηική περίπωση όπου R (οπόε ουσιασικά ο κύκλωμα διέγερσης διακόπεαι καά η λειουργία ης μηχανής), ο ρεύμα ου οπλισμού παίρνει πολύ μεγάλες ιμές (αφού η E οφείλεαι μόνο σην παραμένουσα ροή) και η αχύηα περισροφής μπορεί να γίνει πολλαπλάσια ης ονομασικής. Επειδή η ελάωση ου ρεύμαος διέγερσης συνοδεύεαι από αύξηση ης αχύηας, η εχνική αυή αξιοποιείαι για ην επίευξη αχυήων μεγαλύερων και όχι μικρόερων από η βασική ω, η οποία επιυγχάνεαι όαν ο ρεύμα διέγερσης παίρνει η μέγιση επιρεπή ιμή ου. Περαιέρω αύξηση ου θα προκαλέσει προβλήμαα υπερθέρμανσης και πιθανή καασροφή ου υλίγμαος διέγερσης. Σημειώσεις ηλεκρικών μηχανών 31

Έλεγχος ης αχύηας μέχρι ο πλήρες φορίο Έλεγχος ης αχύηας μέχρι ην ακινηοποίηση ου δρομέα β) με μεαβολή ης άσης σον οπλισμό: Τώρα μεαβάλλεαι η άση V σα άκρα ου οπλισμού, χωρίς ωσόσο να μεαβάλλεαι η άση σα άκρα ου κυκλώμαος διέγερσης (αυό μπορεί να γίνει μέσω ενός ελεγκή μεαβληής άσης). Αυξάνονας μόνο ην άση V ενισχύεαι ο ρεύμα σον οπλισμό ( = ( V E)/ R ), προκαλώνας αύξηση ης ροπής ( = KΦ ). Έσι, είναι ώρα > load, οπόε ο κινηήρας επιαχύνεαι, με συνέπεια ην αύξηση ης άσης E ( = KΦω ). Το γεγονός αυό μειώνει ο ρεύμα ( = ( V E)/ R ), με συνέπεια ον περιορισμό ης ροπής μέχρι ο σημείο όπου = load, σε αχύηα μεγαλύερη ης αρχικής. Σε ανίθεση με ην προηγούμενη μέθοδο, η κλίση ων καμπυλών ροπής-αχύηας δε μεαβάλλεαι. Επειδή η αχύηα αυξάνεαι μαζί με ην άση ου οπλισμού, η οποία δεν πρέπει να ξεπερνάει μια μέγιση επιρεπή ιμή, η συγκεκριμένη εχνική χρησιμοποιείαι για έλεγχο ης περισροφής σε ιμές μικρόερες ης βασικής αχύηας. ω m R 1 < R 2 < R 3 < R 4 R 1 R 2 R 3 Έλεγχος ης αχύηας μέσω ης άσης ου οπλισμού R 4 Έλεγχος ης αχύηας μέσω ης ανίσασης ου οπλισμού γ) με η σύνδεση μιας ανίσασης σε σειρά με ο κύκλωμα οπλισμού: Με ην εχνική αυή η κλίση ης χαρακηρισικής ροπής-αχύηας μπορεί να μεαβληθεί (αυό προκύπει εύκολα από ην ανίσοιχη μαθημαική διαύπωση). Εφαρμόζεαι ωσόσο σπάνια, διόι συνεπάγεαι μεγάλες απώλειες, εξαιίας ης σημανικής ιμής ου ρεύμαος ου οπλισμού. Σημειώσεις ηλεκρικών μηχανών 32

ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ ΜΕ ΔΙΕΓΕΡΣΗ ΣΕΙΡΑΣ Τα υλίγμαα διέγερσης ων κινηήρων αυής ης καηγορίας διαθέουν σχεικά λίγες σπείρες και είναι συνδεδεμένα σε σειρά με ο κύκλωμα οπλισμού. Συνεπώς, α ρεύμαα οπλισμού, διέγερσης και εισόδου σε έναν έοιο κινηήρα έχουν ην ίδια ιμή. Συγκεκριμένα, από ο ισοδύναμο κύκλωμα ισχύουν α ακόλουθα: = s = L και V = E + ( R + RS). Χαρακηρισική ιδιόηα ων κινηήρων με διέγερση σειράς είναι η μεαβολή ης αχύηας περισροφής μεαξύ εξαιρεικά διαφορεικών ιμών, καά η μεαβολή ου φορίου. Επαγόμενη ροπή σον άξονα Πριν ην εμφάνιση κορεσμού, όαν δηλαδή ο σημείο λειουργίας ου κινηήρα βρίσκεαι ση γραμμική περιοχή (μικρά φορία), η μαγνηική ροή σο εσωερικό ου κινηήρα είναι ανάλογη ου ρεύμαος οπλισμού. Άρα ο ρεύμα αυξάνει ανίσοιχα η ροή, οδηγώνας ση μείωση ης αχύηας περισροφής, με συνέπεια η καμπύλη ροπής-αχύηας να έχει απόομη κλίση. Συγκεκριμένα, είναι οπόε = KΦ και c = Kc. Φ =, Από ην παραπάνω σχέση φαίνεαι πως ο κινηήρας διέγερσης σειράς εξασφαλίζει μεγάλη ροπή ανά μονάδα ρεύμαος, μεγαλύερη από οποιονδήποε άλλο κινηήρα. Χαρακηρισική φορίου Υποθέουμε πως η καμπύλη μαγνήισης είναι γραμμική, δηλ. ισχύει V = E + ( R + Rs) V K ω ( R Rs) = = Φ + +. Kc Kc E = KΦω Επιπλέον, μια έκφραση ης μαγνηικής ροής είναι 2 Φ = c. Τόε για ην άση V Σημειώσεις ηλεκρικών μηχανών 33

2 2 Φ c = = Φ = Kc Kc c K οπόε ανικαθισώνας θα έχουμε V = KΦ ω + ( R + Rs) Kc c = K ω+ ( R + Rs ) K Kc Kc ω = V ( R + Rs ) Kc ω V 1 s =. Kc R + R Kc Χαρακηρισική φορίου κινηήρα ΣΡ διέγερσης σειράς Θεωρηικά, αν η ροπή ου κινηήρα μηδενισεί, η αχύηά ου θα γίνει άπειρη. Σην πράξη, αν δε συνδεθεί κάποιο φορίο σον κινηήρα, η αχύηά ου θα γίνει γρήγορα πολύ μεγάλη (όχι, όμως, άπειρη, λόγω ων ριβών). Γι αυό ένας έοιος κινηήρας δεν πρέπει να μένει ποέ χωρίς φορίο, ούε να συνδέεαι σο φορίο ου μέσω κάποιου ιμάνα, ο οποίος είναι πιθανό να σπάσει και να αφήσει αφόρισο ον κινηήρα. Από α παραπάνω γίνεαι φανερό πως ο κινηήρας διέγερσης σειράς μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε εφαρμογές όπου είναι απαραίηη μεγάλη ροπή σε χαμηλή περισροφική αχύηα (π.χ. ανελκυσήρες, γερανοί κλ). Έλεγχος ης αχύηας Η πιο αποδοική μέθοδος σε αυήν η καηγορία ων κινηήρων είναι η ρύθμιση ης άσης εισόδου, με ην αύξησή ης να συνεπάγεαι γρηγορόερη περισροφή για δεδομένη ροπή. Άλλη, πιο δαπανηρή όμως μέθοδος, περιλαμβάνει ην εισαγωγή ανίσασης σε σειρά με ο κύκλωμα ου κινηήρα. Σημειώσεις ηλεκρικών μηχανών 34

ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ ΣΥΝΘΕΤΗΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ Οι κινηήρες σύνθεης διέγερσης χρησιμοποιούν ένα ύλιγμα σειράς και ένα παράλληλο ύλιγμα. Σο σχήμα φαίνεαι ο ισοδύναμο κύκλωμα σην περίπωση ης μεαπαράλληλης συνδεσμολογίας, όπου από ο νόμο ων άσεων έχουμε V = E + ( R + R ) S ενώ σο εσωερικό ου κινηήρα α ρεύμαα ικανοποιούν ις σχέσεις = L και = V / R. Χαρακηρισική φορίου O κινηήρας αθροισικής σύνθεης διέγερσης παρουσιάζει α πλεονεκήμαα ων κινηήρων διέγερσης σειράς και ων κινηήρων παράλληλης διέγερσης. Σο εσωερικό ου η μαγνηική ροή αποελείαι από ένα σαθερό μήμα και από ένα μήμα ανάλογο ου ρεύμαος οπλισμού. Διαθέει υψηλή ροπή εκκίνησης (διέγερση σειράς) και δεν επιαχύνεαι ασαμάηα καά ην αφόριση λειουργία (παράλληλη διέγερση). Αν ο φορίο είναι μικρό, όε ο ύλιγμα διέγερσης σειράς δεν παίζει σημανικό ρόλο και ο κινηήρας συμπεριφέρεαι ως παράλληλης διέγερσης. Ανίθεα, σε μεγάλη αύξηση ου φορίου η μαγνηική ροή ου υλίγμαος διέγερσης σειράς γίνεαι σημανική και η καμπύλη ροπής αχύηας μοιάζει με αυή ενός κινηήρα διέγερσης σειράς. Από ην άλλη πλευρά, κινηήρες διαφορικής σύνθεης διέγερσης δε χρησιμοποιούναι σε πρακικές εφαρμογές, αφού η λειουργία ους είναι ασαθής και οδηγούναι σε μεγάλες ιμές ης αχύηας περισροφής. ΕΚΚΙΝΗΣΗ ΚΙΝΗΤΗΡΑ ΣΡ Τη σιγμή που ένας κινηήρας ΣΡ (π.χ. παράλληλης διέγερσης) αρχίζει να περισρέφεαι, επειδή η αχύηα περισροφής είναι μηδενική, ανίσοιχα μηδενική είναι και η άση που αναπύσσεαι σο εσωερικό ου ( E = 0). Συνεπώς, όε ο ρεύμα ου οπλισμού παίρνει πολύ μεγάλη ιμή ( = V / R), δεδομένου όι η ανίσαση ου οπλισμού είναι αρκεά μικρή. Συγκεκριμένα, ο ρεύμα μπορεί να πάρει ιμές που υπερβαίνουν μέχρι και 20 φορές ην ιμή ου ρεύμαος υπό πλήρη φόριση, με συνέπεια ην αυξημένη πιθανόηα βλάβης ου κινηήρα, ακόμη και αν αυό ο εξαιρεικά μεγάλο ρεύμα εμφανισεί για μικρό χρονικό διάσημα. Η λύση σο συγκεκριμένο πρό- Σημειώσεις ηλεκρικών μηχανών 35

βλημα είναι η εισαγωγή μιας ανίσασης εκκίνησης σε σειρά με ο ύλιγμα οπλισμού. Αν, για παράδειγμα, θεωρηθεί πως η μέγιση επιρεπή ιμή ου ρεύμαος δεν μπορεί να ξεπερνά ο 50% ου ονομασικού, η ιμή ης ανίσασης εκκίνησης θα πρέπει να είναι ίση με R εκκ V = R. 1.5 Η ανίσαση εκκίνησης δεν παραμένει μόνιμα σον κινηήρα (όσο λόγω απωλειών, όσο και λόγω ης επίδρασής ης ση χαρακηρισική ροπής-αχύηας) και απομακρύνεαι, όαν ο κινηήρας αποκήσει ικανοποιηική αχύηα. Σην πράξη, η ανίσαση εκκίνησης είναι μεαβληή και μειώνεαι σαδιακά, έσι ώσε να επιευχθεί σαθερό ρεύμα και, συνεπώς, σαθερή ροπή καά ην εκκίνηση, περιορίζονας η συνολική ης διάρκεια ης διαδικασίας. ον Διάφορες χαρακηρισικές φορίου παράλληλη Ι Α % ης ονομασικής αχύηας σειράς σύνθεη R % ου ονομασικού φορίου Κινηήρας παράλληλης διέγερσης με ανίσαση εκκίνησης Σημειώσεις ηλεκρικών μηχανών 36