Τρόπος λειτουργίας ενός Σύγχρονου κινητήρα

Τρόπος λειτουργίας ενός Σύγχρονου κινητήρα Τ.Ε.Ι Κεντρικής Μακεδονίας Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Εργαστήριο Ηλεκτρικών Μηχανών ΕΛΕΝΗ ΒΑΪΤΣΗ 2017-2018

Contents Εργαστήριο Ηλεκτρικών Μηχανών... 0 Σκοπός... 2 Περίληψη... 2 Εισαγωγή... 2 Κύριο μέρος... 4 Επίλογος... 9 Βιβλιογραφία... 10 1

Σκοπός Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι να αναλύσουμε και να περιγράψουμε τον τρόπο λειτουργίας ενός σύγχρονου κινητήρα. Περίληψη Συγχρονος κινητηρας ονομαζεται μια σύγχρονη μηχανή που μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε μηχανική. Οι ηλεκτρικοί κινητήρες ή ηλεκτροκινητήρες χρησιμοποιούνται ευρέως τόσο στην καθημερινή μας ζωή (π.χ. σε ηλεκτρικές συσκευές, ρολόγια) όσο και στην βιομηχανία (π.χ. κίνηση εργαλειομηχανών, ναυτιλία) και σε άλλες δραστηριότητες. Οι ηλεκτρικοί κινητήρες χωρίζονται σε κινητήρες συνεχούς ρεύματος και σε κινητήρες εναλλασσόμενου ρευματος. Οι κινητήρες εναλλασσόμενου ρευματος και αυτοί με τη σειρά τους χωρίζονται σε σύγχρονοι, επαγωγικοί ή ασύγχρονοι κινητήρες. Εισαγωγή Η μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας σε μηχανική ενέργεια, με ηλεκτρομαγνητικά μέσα επιτεύχθηκε από το Βρετανό επιστήμονα Michael Faraday το 1821. Πήρε ένα καλώδιο με ρεύμα και το βύθισε σε μια λεκάνη με υδράργυρο και ένα μαγνήτη στον πάτο. Όταν το ρεύμα πέρασε μέσω του καλωδίου, το καλώδιο περιστράφηκε γύρω από τον μαγνήτη. Αυτό το γεγονός δείχνει πως το ρεύμα έδωσε αφορμή για ένα κυκλικό μαγνητικό πεδίο γύρω από το καλώδιο. Τις περισσότερες φορές αντί για υδράργυρο χρησιμοποιούνταν αλμυρό νερό. Αυτή η μορφή έδωσε μια κατηγορία συσκευών αποκαλούμενων ως ομοιοπολικές μηχανές ή διαφορετικά σε μια πιο πρόσφατη μορφή, που αποκαλείται Ρόδα Barlow. Οι συσκευές αυτές όμως χρησιμοποιούνταν μόνο για επίδειξη λόγω της απλουστευμένης κατασκευής τους. 2

Έπειτα, το 1827, ο Ούγγρος Anyos Jetlik άρχισε να πειραματίζεται με τις ηλεκτρομαγνητικές περιστρεφόμενες συσκευές, ορίζοντάς τες ως αστραπιαίες μαγνητικές αυτο-περιστρεφόμενες μηχανές. Τις χρησιμοποίησε κυρίως για διδακτικούς λόγους στα πανεπιστήμια και το 1828 παρουσίασε την πρώτη συσκευή που περιείχε τα τρία κύρια στοιχεία συνεχούς ηλεκτρικού ρεύματος μηχανής: Στάτης, στροφέας και μεταγωγός. Τα στάσιμα και τα κινητά μέρη της συσκευής ήταν ηλεκτρομαγνητικά χωρίς να υπάρχει κανένας μόνιμος μαγνήτης. Και πάλι όμως και αυτού του είδους οι συσκευές δεν είχαν καμία πρακτική εφαρμογή. Ο σύγχρονος κινητήρας συνεχούς ρεύματος ανακαλύφθηκε τυχαία το 1873 από το Γάλλο Zenode Gramme. Όταν συνέδεσε στον κινητήρα ένα δυναμό, τον οποίο είχε ανακαλύψει σε ένα παρόμοιο πείραμα, έδωσε κίνηση στον κινητήρα. Η μηχανή του Gramme ήταν η πρώτη ηλεκτρική μηχανή που ήταν επιτυχής στη βιομηχανία. Η λειτουργία των κινητήρων βασίζεται στο φαινόμενο κατά το οποίο εάν ένας ρευματοφόρος αγωγός βρεθεί μέσα σε μαγνητικό πεδίο τότε εμφανίζεται δύναμη που ασκείται επάνω στον αγωγό. Οι τύποι των ηλεκτρικών μηχανών που υπάρχουν είναι πολλοί και συνεπώς έχουν αρκετά κριτήρια για να ταξινομηθούν. Έτσι λοιπόν για να μην υπάρξουν συγχύσεις από το γεγονός ότι ο ηλεκτροκινητήρας, ανήκει σε διαφορετικές κατηγορίες, χρησιμοποιείται η παρακάτω ταξινόμηση των δυο κριτηρίων: Το είδος τους κίνησης του δρομέα. Διαχωρίζει τους κινητήρες σε γραμμικούς, οπού η κίνηση του δρομέα είναι γραμμική και περιστροφικούς, όπου έχουμε περιστροφική κίνηση. Η τροφοδοσία του κινητήρα. Οι κινητήρες σύμφωνα με αυτό το κριτήριο, χωρίζονται σε συνεχούς ρεύματος, που τροφοδοτούνται από συνεχές ρεύμα, σε εναλλασσόμενου ρεύματος, που τροφοδοτούνται 3

από εναλλασσόμενο ρεύμα καθώς και σε νηματικούς κινητήρες, όπου έχουμε ηλεκτρονική τροφοδοσία. Οι κατηγορίες ηλεκτροκινητήρων που προκύπτουν από την ταξινόμηση με βάση το δεύτερο κριτήριο, χωρίζονται σε διάφορες υποκατηγορίες. Έτσι οι κινητήρες εναλλασσομένου ρεύματος διακρίνονται σε μονοφασικούς και τριφασικούς, ανάλογα με το αν η τροφοδοσία γίνεται από μια η τρεις φάσεις και κινητήρες με ψήκτρες ή κινητήρες σειράς. Οι μονοφασικοί και τριφασικοί κινητήρες χωρίζονται με την σειρά τους στου επαγωγικούς ή ασύγχρονους και τους σύγχρονους κινητήρες. Οι επαγωγικοί, ανάλογα με το είδος του δρομέα τους χαρακτηρίζονται ως κινητήρες με δρομέα κλωβού η κινητήρες με τυλιγμένους δρομείς. Ένας σύγχρονος κινητήρας αποτελείται από μια σειρά τριών τυλιγμάτων στο στάτορα με ένα απλό στρεφόμενο μέρος. Καθώς το ρεύμα που περνάει από το πηνίο μεταβάλλεται ο κινητήρας εργάζεται ομαλά μόνο στη συχνότητα του ημιτονοειδούς ρεύματος επιτυγχάνοντας μια λειτουργία με σταθερή ταχύτητα από μηδενικό ως πλήρες φορτίο λειτουργίας. Όπως και ο επαγωγικός κινητήρας, ο σύγχρονος κινητήρας κάνει χρήση του περιστρεφόμενου μαγνητικού πεδίου. Σε αντίθεση με το μοτέρ επαγωγής, όμως, η ροπή που αναπτύσσεται δεν εξαρτάται από τα ρεύματα επαγωγής στον ρότορα. Κύριο μέρος Οι σύγχρονοι κινητήρες διέπονται από τις ίδιες αρχές λειτουργίας με τις κλασσικές σύγχρονες μηχανές, προσφέρουν όμως μοναδικά πλεονεκτήματα και δίνουν σημαντικές δυνατότητες στους σχεδιαστές ελεγχόμενων κινητηρίων συστημάτων. Τα πιο σημαντικά πλεονεκτήματα των μηχανημάτων αυτών είναι ο υψηλός βαθμός απόδοσης, η μεγάλη πυκνότητα ισχύος και ο μεγάλος λόγος ροπής στον άξονα προς αδράνεια 4

Ο σύγχρονος κινητήρας παίρνει το όνομά του από τον όρο σύγχρονη ταχύτητα, η οποία είναι η φυσική ταχύτητα του περιστρεφόμενου μαγνητικού πεδίου του στάτη. Aυτή η φυσική ταχύτητα περιστροφής ελέγχεται αυστηρά μέσω του αριθμού των πόλων και της συχνότητας της εφαρμοζόμενης τάσης. Για μια σύγχρονη μηχανή με δύο πόλους, η οποία τροφοδοτείται με σταθερή συχνότητα fs και έχει p ζεύγη πόλων, η ταχύτητα περιστροφής του δρομέα είναι: ns= fs/p Η αρχή λειτουργίας ενός σύγχρονου κινητήρα είναι η εξής. Μια τριφασική πηγή εναλλασσόμενου ρεύματος εφαρμόζεται στις περιελίξεις του στάτη και ένα περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο παράγεται. Ένα συνεχές ρεύμα εφαρμόζεται στα τυλίγματα διέγερσης του ρότορα και ένα σταθερό μαγνητικό πεδίο παράγεται. Ο κινητήρας έχει κατασκευαστεί έτσι ώστε αυτά τα δύο μαγνητικά πεδία να αντιδρούν το ένα επί του άλλου προκαλώντας τον ρότορα να περιστραφεί κατά την ίδια ταχύτητα με το περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο. Εάν ένα φορτίο εφαρμοστεί στον άξονα του ρότορα, ο ρότορας στιγμιαία θα χάσει στροφές σε σχέση με το περιστρεφόμενο πεδίο, αλλά θα συνεχίσουν να περιστρέφονται με την ίδια σύγχρονη ταχύτητα. Τα μεγαλύτερα φορτία θα προκαλέσουν το ζόρισμα του δρομέα και η ταχύτητά του θα υπολείπεται του πεδίου του στάτη, αλλά ο ρότορας θα συνεχίσει με την ίδια ταχύτητα. Αν το φορτίο γίνει πολύ μεγάλο, ο ρότορας θα αποχωρήσει από τον συγχρονισμό με το περιστρεφόμενο πεδίο και, κατά συνέπεια, δεν θα περιστρέφεται πλέον με την ίδια ταχύτητα. Ο σύγχρονος κινητήρας δεν είναι ένας αυτό-εκκινούμενος κινητήρας. Ο ρότορας είναι βαρύς και από την στάση, είναι αδύνατο να έρθει σε μαγνητική μανδάλωση με το περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο. Γι 'αυτό το λόγο, όλοι οι σύγχρονοι κινητήρες έχουν κάποιο είδος διάταξης εκκίνησης. Ένας απλός εκκινητής είναι ένας άλλος κινητήρας ο οποίος φέρνει τον ρότορα μέχρι περίπου το 90 τοις 5

εκατό της σύγχρονης ταχύτητας. Ο κινητήρας εκκίνησης αποσυνδέεται τότε και ο ρότορας κινείται με το περιστρεφόμενο πεδίο. Η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη μέθοδος εκκίνησης είναι να έχει ο ρότορας ένα επαγωγικό τύλιγμα. Αυτό το επαγωγικό τύλιγμα φέρνει το ρότορα σχεδόν σε σύγχρονη ταχύτητα όπως σ έναν επαγωγικό κινητήρα. Ο σύγχρονος κινητήρας απαιτεί σημαντική άεργο ισχύ όταν λειτουργεί χωρίς φορτίο και χωρίς να έχει dc διέγερση στο ρότορα. Λειτουργεί σαν ένα 3-φάσεων επαγωγικό φορτίο στη γραμμή. Όταν ο ρότορας διεγείρεται, παράγεται ένα μέρος του μαγνητισμού στον κινητήρα με αποτέλεσμα ο στάτης, πρέπει να παρέχει λιγότερο, και η άεργος ισχύς από τη γραμμή τροφοδοσίας μειώνεται. Αν ο ρότορας είναι διεγερμένος πλήρως, η γραμμή τροφοδοσίας ηλεκτρικής ενέργειας παρέχει μόνο πραγματική ισχύ στο στάτη και ο συντελεστής ισχύος είναι μονάδα. Ο σύγχρονος κινητήρας τώρα μοιάζει με ένα τριών φάσεων ωμικό φορτίο. Χωρίς φορτίο, ο σύγχρονος κινητήρας έχει την ιδιότητα να λειτουργεί σαν ένα μεταβλητό πηνίο / μεταβλητός πυκνωτής, ενώ η τιμή της άεργης αντίστασης καθορίζεται από την ποσότητα του DC ρεύματος που ρέει στο τύλιγμα διέγερσης του δρομέα. Είναι επίσης δυνατόν, να μεταβάλλεται ο συντελεστής ισχύος του κινητήρα κάτω από συνθήκες πλήρους φόρτισης. Ένας σύγχρονος κινητήρας όταν χρησιμοποιείται στο ίδιο σύστημα ισχύος με κινητήρες επαγωγής βελτιώνεται ο συνολικός συντελεστής ισχύος του συστήματος. Η λειτουργία ενός σύγχρονου κινητήρα στηρίζεται στις δυνάμεις που ασκούνται μεταξύ ετερώνυμων μαγνητικών πόλων. Eνας σύγχρονος κινητήρας δύο πόλων όπου το μαγνητικό πεδίο του δρομέα Bδ παράγεται από το ρεύμα διέγερσης Iδ οπως φαίνεται στην παρακατω εικόνα. Στο στάτη της μηχανής εφαρμόζεται ένα τριφασικό σύστημα ρευμάτων το οποίο παράγει στο εσωτερικό της στρεφόμενο ομογενές μαγνητικό πεδίο Bσ. Ετσι στο εσωτερικό του κινητηρα υφίστανται δύο πεδία που τείνουν να ευθυγραμμιστούν, όπως ακριβώς δυο μαγνητικοί ράβδοι. Όμως επειδή το πεδίο του στάτη περιστρέφεται συνεχώς το πεδίο του δρομέα όπως και ο ίδιος ο δρομέας, προσπαθεί συνεχώς να το ακολουθήσει. Όσο μεγαλύτερη είναι η γωνιά μεταξύ των πεδίων τόσο μεγαλύτερη είναι και η ροπή που έσκει στο δρομέα το μαγνητικό πεδίο. Αυτή λοιπόν 6

είναι η αρχή λειτουργίας ενός σύγχρονου κινητήρα. Ουσιαστικά το μαγνητικό πεδίο του δρομέα κυνηγάει συνεχώς το πεδίο του στάτη, χωρίς ποτέ να καταφέρνει να το φτάσει. Figure 1..Σύγχρονος κινητήρας με δύο πόλους. Ο ηλεκτρικός κινητήρας παράγει κίνηση, εφαρμόζοντας πηνία διαρρεόμενα από ρεύμα μέσα σε μαγνητικό πεδίο. Ο ρότορας (οπλισμός) αποτελείται από διαφορετικά συρμάτινα πηνία. Οι ψήκτρες τροφοδοτούν το ένα πηνίο με ρεύμα. Το μαγνητικό του πεδίο αλληλεπιδρά με αυτό του στάτορα και ο ρότορας στρέφεται ελαφρά. Επειδή κάθε πηνίο τροφοδοτείται με γρήγορη διαδοχή, ο ρότορας περιστρέφεται. Ρεύμα: Το ηλεκτρικό ρεύμα είναι η ροή των αρνητικά φορτισμένων ελεύθερων ηλεκτρονίων μέσα σε ένα υλικό. Αν και συνήθως στα διαγράμματα το ρεύμα συμβολίζεται ως ροή από το θετικό προς το αρνητικό, στην πραγματικότητα τα ηλεκτρόνια κινούνται προς το θετικό άκρο του κυκλώματος. 7

Στάτορας: Ο στάτορας αποτελείται από πηνία που τροφοδοτούνται με ηλεκτρικό ρεύμα. Αυτό παράγει το μαγνητικό πεδίο, που ασκεί δύναμη στρέψης στα πηνία του ρότορα. Ρότορας: Ο ρότορας αποτελείται από πολλά πηνία. Καθώς περιστρέφεται, κάθε πηνίο διαρρέεται εναλλάξ με ρεύμα από τις ψήκτρες. Ψήκτρα: Οι ψήκτρες από γραφίτη εξασφαλίζουν την ηλεκτρική σύνδεση του εναλλάκτη. Εναλλάκτης: Ο εναλλάκτης (ή μεταλλάκτης) διαθέτει μια σειρά μεταλλικών συνδέσεων πάνω σε έναν κύλινδρο. Οι ψήκτρες παρέχουν ρεύμα σε κάθε σύνδεση, εναλλάξ, καθώς ο εναλλάκτης περιστρέφεται. Ηταχυτητα του κινητήρα ειναι σταθερή, ανεξάρτητα από το φορτίο και εξαρτάται μόνο απο την συχνότητα. Η εξίσωση της ροπής, αν θεωρήσουμε την αντισταση του δρομέα αμελητέαα, δινεται από τη σχέση : 8

Επίλογος Έτσι λοιπόν, χάρη στη μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας σε μηχανική, έχουμε την παραγωγή έργου προς όφελος του ανθρώπου. Οι ηλεκτρικές μηχανές είναι αρκετά διαδεδομένες στη σημερινή εποχή, γιατί η ηλεκτρική ενέργεια είναι μια καθαρή μορφή ενέργειας όπως επίσης και πολύ αποτελεσματική. Ένας ηλεκτρικός κινητήρας έχει την δυνατότητα να μην χρειάζεται συνεχή τροφοδοσία με καύσιμο και συνεπώς να μην χρειάζεται να αποβάλει καυσαέρια, ιδιότητες που τον καθιστούν κατάλληλο για χώρους όπου τα καυσαέρια μπορούν να αποφευχθούν. 9

Βιβλιογραφία Σύστημα Ηλεκτρονικής Εκπαίδευσης. 2017. Σύστημα Ηλεκτρονικής Εκπαίδευσης. [ONLINE] Available at: https://elearning.teicm.gr/course/view.php?id=410. [Accessed 27 December 2017]. Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα ΤΕΙΔΜ. 2017. Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα ΤΕΙΔΜ. [ONLINE] Available at: https://openclass.teiwm.gr. [Accessed 27 December 2017]. Nemertes: Home. 2017. Nemertes: Home. [ONLINE] Available at: http://nemertes.lis.upatras.gr. [Accessed 27 December 2017]. ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΣ ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ. 2017. ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΣ ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ. [ONLINE] Available at: http://users.sch.gr/imarinakis/electric_engines.htm. [Accessed 27 December 2017]. Ηλεκτρολογία (Γ Γενικού Λυκείου - Τεχνολογικής Κατεύθυνσης: Κύκλος Τεχνολογίας και Παραγωγής) - ΑΝΕΝΕΡΓΟ: Ηλεκτρονικό Βιβλίο. 2017. Ηλεκτρολογία (Γ Γενικού Λυκείου - Τεχνολογικής Κατεύθυνσης: Κύκλος Τεχνολογίας και Παραγωγής) - ΑΝΕΝΕΡΓΟ: Ηλεκτρονικό Βιβλίο. [ONLINE] Available at: http://ebooks.edu.gr/modules/ebook/show.php/dsgl-c123/487/3182,12850/ [Accessed 27 December 2017]. 10