ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΣΥΝΕΧΕΣ (DC) ΚΑΙ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΟ (AC) ΡΕΥΜΑ Κύκλωμα συνεχούς ρεύματος είναι εκείνο στο οποίο οι τάσεις και τα ρεύματα έχουν σταθερή τιμή με το χρόνο. Συσκευές που παίρνουν μέρος σε κυκλώματα dc και είναι επίκαιρα είναι οι μπαταρίες, τα φωτοβολταϊκά πλαίσια και οι μηχανές dc. Αυτές οι συσκευές τα προσεχή χρόνια θα παίξουν σηματικό ρόλο στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας και στις μεταφορές (ηλεκτρικά αυτοκίνητα) Κύκλωμα ac είναι εκείνο στο οποίο οι τάσεις και τα ρεύματα μεταβάλλονται περιοδικά με το χρόνο. Οι πιο πολλές συσκευές σήμερα είναι ac (και οι μηχανές), καθώς επικράτησε (και δεν θα αλλάξει) το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας να μεταφέρει ισχύ με εναλλασσόμενο ρεύμα.

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΜΗΧΑΝΕΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ (DC) Αρχή λειτουργίας - λειτουργίες γεννήτριας και κινητήρα. Κατασκευή: Στάτη – δρομέα – περιελίξεις. Λειτουργία γεννήτριας – ξένης διέγερσης, παράλληλης διέγερσης, αυτοδιέγερσης, διέγερσης σειράς, σύνθετης διέγερσης. Σχέσεις ροπής και τάσης. Λειτουργία κινητήρα – ξένης ή παράλληλης διέγερσης, διέγερσης σειράς, σύνθετης διέγερσης. Σχέσεις ροπής και τάσης. Έλεγχος περιστροφικής ταχύτητας. Πέδηση σε ηλεκτρικές κινήσεις. Απώλειες και βαθμός απόδοσης.

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΜΗΧΑΝΕΣ AC - ΣΥΓΧΡΟΝΕΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ Γενικά περί γεννητριών ισχύος-κατασκευαστικά στοιχεία. Πεδίο στάτη, δρομέα και διακένου. Τάση και ισχύς στροβιλογεννητριών στη στάσιμη κατάσταση λειτουργίας. Σχέσεις και ισοζύγιο μηχανικής-ηλεκτρικής ισχύος. Διάγραμμα λειτουργίας και όρια των γεννητριών. Γεννήτριες εκτύπων πόλων.

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΜΗΧΑΝΕΣ AC - ΑΣΥΓΧΡΟΝΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Περιγραφή ασύγχρονων μηχανών, αρχή λειτουργίας. Κατασκευή ασύγχρονων μηχανών-τύποι ασύγχρονων κινητήρων. Σχέσεις μηχανικής – ηλεκτρικής ισχύος, χαρακτηριστικές ροπής – ταχύτητας. ΣΕ ΟΛΑ ΤΑ ΠΑΡΑΠΑΝΩ - ΑΣΚΗΣΕΙΣ!!!!

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Τα πάντα θα αναρτώνται στο e-class: Οι διαφάνειες, οι ασκήσεις που θα λύνονται στην αίθουσα (μόνο οι εκφωνήσεις) και λυμένα θέματα προόδων και εξετάσεων. Στο μέσο του εξαμήνου θα γίνεται προαιρετική πρόοδος. Αποτελεί το 30 % του τελικού βαθμού. Θα είναι στα πρότυπα των εξετάσεων, με σκοπό την προετοιμασία των φοιτητών. Οι πρόοδος και οι εξετάσεις έχουν θεωρία και ασκήσεις. Η θεωρία δίνει 4 μονάδες και οι ασκήσεις 6. Μισή ώρα διαρκεί η θεωρία με όλα κλειστά. Σας ξαναμοιράζονται κόλλες και θέματα ασκήσεων και

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Σας ξαναμοιράζονται κόλλες και θέματα ασκήσεων και οι ασκήσεις διαρκούν μία ώρα με τυπολόγιο που σας μοιράζεται. Οποιαδήποτε στιγμή δεκτές είναι οι προτάσεις για αλλαγή τρόπου διδασκαλίας ή περιεχομένου μαθήματος – αμφίδρομη διαδικασία.

ΓΕΝΙΚΑ - ΜΣΡ - Η πρώτη μηχανή συνεχούς ρεύματος κατασκευάστηκε ως γεννήτρια το 1832 από τον Hippolyte Pixii. - Βασίζεται στον νόμο της επαγωγής του Faraday . - Ακολούθησαν οι Siemens, Panicotti, Gramme, αλλά επικράτησε η κατασκευή του Hefner-Alteneck με περιέλιξη τυμπάνου και συλλέκτη με πολλούς τομείς (θα δούμε παρακάτω τι σημαίνει αυτό). - Οι ΜΣΡ ως κινητήρες κατέχουν ένα σημαντικό μέρος στην ηλεκτροκίνηση μέχρι 8 MW – το όριο αυτό τίθεται από κατασκευαστικές και ηλεκτρολογικές ανοχές . - Ελέγχεται εύκολα η περιστροφική τους ταχύτητα και η ροπή στρέψης. - Ως γεννήτριες χρησιμοποιούνται ελάχιστα.

ΒΑΣΙΚΟΙ ΝΟΜΟΙ - ΜΣΡ Α) Ο νόμος του Faraday – επαγωγή τάσης (λειτουργία γεννήτριας): Σε έναν ευθύγραμμο αγωγό που κινείται με σταθερή ταχύτητα υ κάθετα σε ένα σταθερό μαγνητικό πεδίο Β επάγεται ηλεκτρική τάση Ε ίση με Ε=mυΒ, όπου m είναι το μήκος του αγωγού. Β) Ο νόμος του Laplace (λειτουργία κινητήρα): Σε έναν ευθύγραμμο αγωγό που βρίσκεται εγκάρσια μέσα σε ένα σταθερό μαγνητικό πεδίο Β και διαρρέεται από ρεύμα Ι ασκείται δύναμη F ίση με F=mBI, όπου m είναι το μήκος του αγωγού. Προφανώς, επειδή δεν είναι πρακτικό να κινείται ένας αγωγός σε ένα μαγνητικό πεδίο σε ευθεία γραμμή, για να εφαρμοστούν οι δύο παραπάνω νόμοι έγινε εκμετάλλευση της κυκλικής κίνησης. Δηλαδή η κίνηση των αγωγών είναι κυκλική και η βασική ταχύτητα είναι η γωνιακή ταχύτητα ω.

Ισοδύναμα κυκλώματα - ΜΣΡ Α) Στην πρώτη περίπτωση, αν ο αγωγός στον οποίο επάγεται τάση κλείσει-φορτισθεί με μια αντίσταση R, θα κυκλοφορήσει ρεύμα στο κύκλωμα και θα υπάρξει πτώση τάσης στην αντίσταση ίση με U=E-RaΙ, όπου Ra είναι η εσωτερική αντίσταση του αγωγού της γεννήτριας. Β) Στη δεύτερη περίπτωση, η δύναμη Laplace που αναπτύσσεται στον αγωγό τον κινεί μέσα σε μαγνητικό πεδίο, πράγμα που σημαίνει ότι στα άκρα του αναπτύσσεται ηλεκτρική τάση Ε. Η τάση αυτή είναι αντίθετη της τάσης U που προκαλεί το ρεύμα Ι. Συνεπώς η εξωτερική τάση της πηγής U είναι τώρα U=E+RaΙ, όπου Ra είναι η εσωτερική αντίσταση του αγωγού.

ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ - ΜΣΡ - Η μηχανή είναι διπολική (μόνιμος μαγνήτης) με δύο μόνο αυλάκια στο δρομέα, όπου είναι τοποθετημένο ένα έλιγμα. - Τα άκρα του ελίγματος καταλήγουν σε δύο τομείς του συλλέκτη. Οι τομείς ολισθαίνουν πάνω στις ακίνητες ψήκτρες.

ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ Η περιστροφική ταχύτητα n προκαλείται από μια εξωτερική μηχανική ροπή. - Όταν οι δύο απέναντι εγκάρσιοι αγωγοί του ελίγματος κινούνται στο μαγνητικό πεδίο του των πόλων, επάγεται τάση Εα και στις ψήκτρες εμφανίζεται τάση 2Εα. - Όταν οι δύο αγωγοί βρίσκονται στα κενά μεταξύ των πόλων, δεν υπάρχει μαγνητικό πεδίο και ούτε τάση.

ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ Η ψήκτρα Α1 είναι πάντοτε ο θετικός πόλος και η Α2 ο αρνητικός. - Ουσιαστικά ο συλλέκτης ανορθώνει την εναλλασσόμενη τάση της περιέλιξης του δρομέα.

ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ Η τάση όμως δεν είναι εντελώς συνεχής. Έχει μία κυμάτωση με μέση τιμή Ε. - Οι πραγματικές μηχανές έχουν πολλά αυλάκια με πολλούς αγωγούς και πολλούς τομείς στο συλλέκτη, οι τάσεις των οποίων αθροιζόμενες δίνουν στις ψήκτρες μία τάση με πολύ μικρή κυμάτωση.

ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ Εάν το κύκλωμα του δρομέα με τα άκρα Α1, Α2 είναι ανοιχτό (λειτουργία κενού)  όχι ρεύμα στο δρομέα και συνεπώς όχι δυνάμεις Laplace. Η εσωτερική ροπή Tm τότε είναι μηδέν. - Τότε η εξωτερική ροπή που κινεί τον άξονα της γεννήτριας είναι ίση με τη ροπή τριβών (συλλέκτη, εδράνων, αέρα), το άθροισμα των ροπών μηδέν και η περιστροφική ταχύτητα σταθερή. - Εάν το κύκλωμα του δρομέα κλείσει με την αντίσταση φόρτισης (λειτουργία φόρτισης), κυκλοφορεί ρεύμα. Άρα αναπτύσσεται δύναμη Laplace και συνεπώς εσωτερική ροπή-αντιροπή που είναι αντίθετη με την εξωτερική ροπή κίνησης. Τότε ισχύει: Τεξ=Τm+Tτρ Τότε η εξωτερική μηχανική ισχύς κίνησης είναι: Ρ=ωmTεξ. Η γεννήτρια δίνει ηλεκτρική ισχύ Ρ1=UI. Η διαφορά ΣΡ=Ρ-Ρ1 είναι οι απώλειες της γεννήτριας.

ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΙΝΗΤΗΡΑ Η παραπάνω μηχανή ΣΡ με την ίδια πολικότητα ψηκτρών και την ίδια φορά του μαγνητικού πεδίου, ως κινητήρας, παίρνει από την πηγή ηλεκτρική ισχύ Ρ1=UI. Η μηχανική ισχύς εξόδου είναι Ρ=ωmTm. Αρχικά ο δρομέας βρίσκεται σε ηρεμία. Όταν τροφοδοτηθεί με συνεχή τάση U θα κυκλοφορήσει ρεύμα Ι=U/Ra. Αναπτύσσονται λοιπόν δυνάμεις Laplace που κινούν το δρομέα. Όταν όμως αρχίζει να περιστρέφεται ο δρομέας, επάγεται τάση στα τυλίγματά του που αντιστρατεύεται την τάση της πηγής. Τότε το ρεύμα μειώνεται σε Ι=(U-E)/Ra. Εάν δεν υπάρχει μηχανικό φορτίο, έχουμε τη λειτουργία σε κενό, όπου η εσωτερική ροπή κίνησης είναι ίση με τη ροπή των τριβών. Σε περίπτωση φόρτισης με ροπή φόρτισης Τεξ, έχουμε Τm=Tεξ+Ττρ. Τότε η περιστροφική ταχύτητα είναι σταθερή.

ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ - ΣΤΑΤΗΣ

ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ - ΣΤΑΤΗΣ Στάτης: Κύριοι πόλοι, ζύγωμα, βοηθητικοί πόλοι, περιέλιξη κυρίων πόλων (διέγερσης), περιέλιξη βοηθητικών πόλων, περιέλιξη αντιστάθμισης. Μικρές μηχανές – όχι περιέλιξη διέγερσης – μόνιμοι μαγνήτες. Μεγάλα πέλματα πόλων – ομοιόμορφη κατανομή ροής. Βοηθητικοί πόλοι: όσοι οι κύριοι. Μεγαλύτερο διάκενο από τους κύριους, Σε σειρά με περιέλιξη δρομέα.  Βελτίωση μετάβασης. Αντιστάθμιση: Σε σειρά με περιέλιξη δρομέα  Αυξάνει το πεδίο σε μεγάλα φορτία. Field poles Inter pole Compensation winding

ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ –ΔΡΟΜΕΑ - ΤΥΜΠΑΝΟ Αποτελείται από δυναμοελάσματα: γιατί λόγω της περιστροφής είναι εκτεθειμένος σε μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο και θα δημιουργούνταν δινορρεύματα μεγάλου μεγέθους. Στα αυλάκια του δρομέα είναι τοποθετημένοι οι αγωγοί της περιέλιξης . Το κάθε τύλιγμα έχει τα δύο πόδια του σε γωνία σχεδόν 180ο. Τα τυλίγματα είναι σε σειρά συνδεδεμένα. Poles Fan Brushes Bearing Commutator Rotor winding

ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ –ΔΡΟΜΕΑ - ΤΥΜΠΑΝΟ Ο συλλέκτης αποτελείται από χάλκινους τομείς οι οποίοι είναι μονωμένοι μεταξύ τους με μαρμαρυγή (μίκα) και καταλήγουν σε μια σημαία (flag). Τα άκρα δύο διαφορετικών τυλιγμάτων κολλιούνται σε αυτή τη σημαία. Ένας μονωμένος δακτύλιος τοποθετείται στους τομείς για επιπλέον μηχανική αντοχή. Ο περιστρεφόμενος συλλέκτης ολισθαίνει πάνω στις ακίνητες ψήκτρες. Insulator Flag Ring Copper

ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ –ΔΡΟΜΕΑ - ΤΥΜΠΑΝΟ Οι ψήκτρες κατασκευάζονται από γραφιτούχο άνθρακα και είναι μέσα στις ψηκτροθήκες . Αυτές είναι στερεωμένες σε πλευρικά καλύμματα με τη βοήθεια βραχιόνων. Ανήκουν στο στάτη, αλλά είναι μονωμένες και πιέζονται στο δρομέα με ελατήρια.

ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ –ΔΡΟΜΕΑ - ΤΥΜΠΑΝΟ Οι ψήκτρες είναι όσοι είναι και οι πόλοι. Στις ψήκτρες είναι φυτεμένοι αγωγοί που συνδέουν τις ψήκτρες ίδιας πολικότητας με ένα δακτύλιο. Οι δύο δακτύλιοι καταλήγουν στους εξωτερικούς ακροδέκτες της μηχανής.

ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ –ΜΗ ΕΝΕΡΓΑ ΜΕΡΗ Ως τώρα περιγράφηκαν τα ενεργά μέρη της μηχανής, που είναι και ρευματοφόρα ή φέρουν το μαγνητικό πεδίο. Τα μη ενεργά μέρη είναι τα πλευρικά καλύμματα, τα έδρανα κυλίσεως (ρουλεμάν) των πλευρικών καλυμμάτων, ο άξονας, ο ανεμιστήρας, τα πέλματα στήριξης, το κιβώτιο ακροδεκτών, κτλ. Οι ΜΣΡ δεν έχουν συνήθως περίβλημα γύρω από το ζύγωμα και έτσι είναι ορατές στην εξωτερική τους επιφάνεια οι κεφαλές των κοχλιών (βιδών) στερέωσης των πόλων πάνω στο ζύγωμα. Αυτό είναι και το πιο εύκολο αναγνωριστικό οπτικό τους γνώρισμα.

Η ΠΕΡΙΕΛΙΞΗ ΤΟΥ ΔΡΟΜΕΑ Περιέλιξη διπλής στρώσης ή τυμπάνου Hefner-Alteneck Η περιέλιξη αποτελείται από σπείρες. Η κάθε σπείρα έχει ws τυλίγματα και 2ws αγωγούς.

Η ΠΕΡΙΕΛΙΞΗ ΤΟΥ ΔΡΟΜΕΑ Οι δύο πλευρές της σπείρας τοποθετούνται εναλλάξ στην πάνω και κάτω στρώση, δηλαδή σε κάθε αυλάκι είναι τοποθετημένες οι πλευρές δύο διαφορετικών σπειρών. Τα δύο άκρα κάθε σπείρας είναι συνδεδεμένα με δύο διαφορετικούς τομείς του συλλέκτη. Δηλαδή κάθε τομέας του συλλέκτη είναι συνδεδεμένος με δύο άκρα διαφορετικών σπειρών, τις οποίες έτσι συνδέει σε σειρά.

Η ΠΕΡΙΕΛΙΞΗ ΤΟΥ ΔΡΟΜΕΑ Επομένως ο αριθμός των σπειρών Σ είναι ίσος με τον αριθμό των τομέων του συλλέκτη Κ. Συχνά είναι τοποθετημένες παραπλεύρως στην ίδια στρώση ενός αυλακιού περισσότερες από μια πλευρές σπειρών u>1. Έτσι έχουμε γενικά Σ=uΝ, όπου Ν είναι ο αριθμός των αυλακιών. Ο αριθμός όλων των αγωγών της περιέλιξης είναι Ζ=2wsK=2uwsN. ΠΟΛΙΚΟ ΒΗΜΑ είναι η απόσταση μεταξύ δύο πόλων σε τόξο της περιφέρειας του διακένου ή σε αριθμό αυλακιών. τρ=π/ρ  πr/ρ  Ν/(2ρ), ρ τα ζεύγη πόλων, Ν τα αυλάκια της περιέλιξης δρομέα, r η ακτίνα του διακένου. Πλάτος μιας σπείρας είναι η απόσταση σε τόξο της περιφέρειας του δρομέα μεταξύ δύο πλευρών της σπείρας που είναι τοποθετημένες σε διαφορετικό αυλάκι.

Η ΠΕΡΙΕΛΙΞΗ ΤΟΥ ΔΡΟΜΕΑ Εάν το πλάτος είναι όσο το πολικό βήμα, η περιέλιξη είναι διαμετρική. Εάν είναι μικρότερο από του πολικού βήματος, λέγεται με βράχυνση ή χορδής. Το πλάτος σε αριθμό αυλακιών λέγεται πρώτο βήμα y1. Στη διαμετρική περιέλιξη επιτυγχάνεται επαγωγή μέγιστης τάσης, ενώ στην περιέλιξη βράχυνσης καλύτερη μετάβαση. Αυτό συμβαίνει γιατί στην τελευταία, ουσιαστικά δεν υπάρχει ουδέτερη ζώνη (γιατί;). Η περιέλιξη τυμπάνου είναι δύο ειδών: βροχοειδής και κυματοειδής, ανάλογα με τον τρόπο σύνδεσης των σπειρών μεταξύ τους και επομένως της αθροίσεως των τάσεων των σπειρών. Σε μεγάλες ΜΣΡ μπορεί να υπάρχουν και περισσότερες ανεξάρτητες περιελίξεις, οι λεγόμενες πολλαπλές περιελίξεις, που ουσιαστικά είναι βροχοειδείς.

Η ΠΕΡΙΕΛΙΞΗ ΤΟΥ ΔΡΟΜΕΑ Βροχοειδής περιέλιξη: Το άκρο του τέλους μιας σπείρας συνδέεται μέσω ενός τομέα με το άκρο της αρχής της γειτονικής σπείρας. Έτσι αθροίζονται διαδοχικά τάσεις σπειρών. Εκτός από το πρώτο βήμα καθοριστικό είναι το δεύτερο βήμα y2 και το βήμα σύνδεσης y=y1-y2.

Διπλή στρώση, 2-πολική μηχανή, Ν=12 αυλάκια, y1=6, y=1, u=1, Κ=12 Η ΠΕΡΙΕΛΙΞΗ ΤΟΥ ΔΡΟΜΕΑ Διπλή στρώση, 2-πολική μηχανή, Ν=12 αυλάκια, y1=6, y=1, u=1, Κ=12

Η ΠΕΡΙΕΛΙΞΗ ΤΟΥ ΔΡΟΜΕΑ Είναι διαμετρική; Πόσες οι σπείρες; Σε σειρά; Πόσεις οι τομείς συλλέκτη;

Η ΠΕΡΙΕΛΙΞΗ ΤΟΥ ΔΡΟΜΕΑ Οι ψήκτρες χωρίζουν συνεπώς την περιέλιξη σε δύο παράλληλους κλάδους. (στο σχήμα ο ένας φαίνεται με παχιές και ο άλλος με λεπτές γραμμές. Εάν Ια είναι το συνολικό ρεύμα που εισέρχεται στο δρομέα από τις ψήκτρες, στον ένα κλάδο κυκλοφορεί ρεύμα Ια/2. Στον κάθε κλάδο είναι συνδεδεμένοι σε σειρά και επομένως προστίθενται οι τάσεις τους οι μισοί αγωγοί του δρομέα. Για τύμπανο m περιελίξεων, και 2ρ πόλων, οι ψήκτρες είναι 2ρ, οι παράλληλοι κλάδοι είναι 2ρm, οι αγωγοί σε σειρά σε κάθε κλάδο Ζ/(2ρm) και το ρεύμα σε κάθε κλάδο Ι=Ιa/(2ρm).

Η ΠΕΡΙΕΛΙΞΗ ΤΟΥ ΔΡΟΜΕΑ Κυματοειδής περιέλιξη: Ενώ στην προηγούμενη συνδέονται σε σειρά γειτονικές σπείρες, εδώ συνδέονται οι σπείρες (πάντα μέσω των τομέων του συλλέκτη) που απέχουν μεταξύ τους δύο πολικά βήματα. Μεταξύ δύο γειτονικών τομέων βρίσκονται σε σειρά ρ σπείρες, ενώ πριν 1. Το ρεύμα σε κάθε κλάδο είναι πάλι Ια/2. Σε περίπτωση διπολικής μηχανής δεν υπάρχει διαφορά.

Η ΠΕΡΙΕΛΙΞΗ ΤΟΥ ΔΡΟΜΕΑ Κυματοειδής περιέλιξη: Όμως για 2ρ=4, υπάρχει:

Η ΠΕΡΙΕΛΙΞΗ ΤΟΥ ΔΡΟΜΕΑ Σύγκριση των δύο περιελίξεων: Βροχοειδής: Πολλοί παράλληλοι κλάδοι και λίγοι αγωγοί σε σειρά. Άρα, για μεγάλα ρεύματα και μικρές τάσεις. Η κυματοειδής λίγους παράλληλους κλάδους και πολλούς σε σειρά. Προσφέρεται για μικρά ρεύματα και μεγάλες τάσεις.