Προσδιορισμός φοράς επαγωγής μαγνητικού πεδίου Β σε ρευματοφόρο αγωγό με τον κανόνα του δεξιού χεριού

Νόμος Faraday

Νόμος Biot-Savart

Βασικές αρχές των Μηχανών Συνεχούς Ρεύματος Γραμμική Μηχανή

DC Ηλεκτρικές Μηχανές.

Επειδή έχουμε δύο αγωγούς στο μαγνητικό πεδίο η συνολική Ηλεκτρεγερτική Δύναμη λαμβάνει τιμή: Όμως έχουμε περιστροφική κίνηση οπότε:

Αυτές οι επαφές ονομάζονται ψήκτρες. Όταν ο ένας αγωγός βρίσκεται αριστερά τότε η e αποκτά αντίθετη πολικότητα από όταν βρίσκεται δεξιά. Υπάρχουν όμως οι επαφές του στρεφόμενου μέρους με το σταθερό (π.χ. με την πηγή). Αυτές οι επαφές ονομάζονται ψήκτρες. Καθώς ακουμπούν οι ακροδέκτες στις ακίνητες ψήκτρες αυτές «βλέπουν» μία μόνο πολικότητα.

Η βασικότερη εξίσωση των DC μηχανών Έτσι, το κύκλωμα ισοδυναμεί με το παρακάτω ισοδύναμο σχήμα. Η βασικότερη εξίσωση των DC μηχανών

Σε μια πραγματική DC μηχανή υπάρχουν πολύ περισσότερα πλαίσια και αγωγοί, ώστε να αναπτύσσονται μεγαλύτερες δυνάμεις και τάσεις. Με αυτό τον τρόπο η τάση του φορτίου θα αποκτήσει πιο σταθερή και υψηλότερη τιμή.

Μεταγωγή (commutation) ονομάζεται η εναλλαγή των τάσεων και των ρευμάτων. Η μεταγωγή δημιουργεί προβλήματα στην επιθυμητή σταθερή τάση, στο μαγνητικό πεδίο και στιγμιαία βραχυκυκλώματα και τόξα. Τυλίγματα αντιστάθμισης Βοηθητικοί πόλοι

Απώλειες στις Μηχανές Συνεχούς Ρεύματος Απώλειες Χαλκού Απώλειες Ψηκτρών Απώλειες Πυρήνα Μηχανικές Απώλειες Κατανεμημένες Απώλειες

Ισοδύναμο Κύκλωμα Ηλεκτρικής Μηχανής Σ.Ρ. Γεννήτρια Κινητήρας

Καμπύλη μαγνήτισης

Γεννήτρια Παράλληλης Διέγερσης Γεννήτρια Ξένης Διέγερσης Χαρακτηριστική Φορτίου Χαρακτηριστική Φορτίου

Προβλήματα σε μία γεννήτρια παράλληλης διέγερσης Κατά την εκκίνηση το μαγνητικό πεδίο μπορεί να έχει εξασθενήσει. Η φορά περιστροφής μπορεί να είναι αντίθετη από τη κανονική. Έτσι, το μαγνητικό πεδίο εξασθενεί και δεν αποδίδει τάση άρα και ισχύ. Η αντίσταση Rf μπορεί να έχει τόσο μεγάλη τιμή ώστε να μην μπορεί να δημιουργηθεί μαγνητικό πεδίο κατάλληλης έντασης.

Γεννήτρια Διέγερσης Σειράς Χαρακτηριστική Φορτίου

Κινητήρας Ξένης και Παράλληλης Διέγερσης Κινητήρας Διέγερσης Σειράς Πολύ μεγάλη προσοχή, να μη κοπεί το τύλιγμα διέγερσης ∞ Κινητήρας Διέγερσης Σειράς ∞

Σύγχρονες Μηχανές Ονομάζονται οι ηλεκτρικές μηχανές όπου η ταχύτητα περιστροφής του δρομέα είναι σταθερή αναλογία της συχνότητας του δικτύου (της ΔΕΗ). Στις μηχανές αυτές ισχύει πάντα η σχέση: nδ – ο αριθμός στροφών του δρομέα fe – η συχνότητα του δικτύου εναλλασσόμενου ρεύματος p – ο αριθμός ζευγών πόλων Στις μηχανές αυτές, συνήθως, η δημιουργία του κυρίως μαγνητικού πεδίου βρίσκεται στο δρομέα. Αυτό συνήθως είναι ένα τύλιγμα το οποίο τροφοδοτείται με συνεχές ρεύμα, δημιουργώντας έτσι ένα σταθερό μαγνητικό πεδίο. Αν αυτό το μαγνητικό πεδίο περιστραφεί, δημιουργεί τάση εξ’ επαγωγής στο τριφασικό τύλιγμα του στάτη.

Αν τα τυλίγματα του στάτη τα συνδέσουμε με ένα Ισχυρό Δίκτυο τότε θεωρητικά, δε μπορούμε να αλλάξουμε συχνότητα στο δίκτυο. Οπότε η σύγχρονη μηχανή στρέφεται με ταχύτητα ανάλογη της συχνότητας του δικτύου. Θεωρητικά μπορούμε να πούμε ό,τι όσο μεγάλο φορτίο και να εφαρμόσουμε (μηχανικό ή ηλεκτρικό), οι στροφές πάντα θα είναι σταθερές (για ηλεκτρικό δίκτυο σταθερής συχνότητας). Έτσι, στο διάκενο της μηχανής δημιουργούνται δύο κύρια μαγνητικά πεδία, του δρομέα και του στάτη. Αυτά στρέφονται με την ίδια ταχύτητα. Για το λόγο αυτό ο δρομέας «βλέπει» ακίνητο το πεδίο του στάτη. Έτσι, ο στάτης δε δημιουργεί στο δρομέα τάση εξ’ επαγωγής.

Σε μια Σύγχρονη Μηχανή η ταχύτητα περιστροφής είναι σταθερή μεταβαλλόμενης της ροπής. Αν μεταβληθεί το ρεύμα διέγερσης τότε, μεταβάλλεται η πολική τάση Εp. Αν όμως η μηχανή είναι συνδεδεμένη σε ένα ισχυρό δίκτυο Τότε η τάση στα άκρα της δεν μπορεί να μεταβληθεί διότι, είναι η τάση του ισχυρού δικτύου. Δύο τάσεις σε κοινό σημείο σημαίνει ροή ρεύματος, που με τη σειρά του σημαίνει αύξηση της φαινόμενης ισχύος. Αν αναλυθεί ηλεκτρικά αποδεικνύεται ότι μεταβάλλεται μόνο η άεργος ισχύς.

Όταν μεταβληθεί η ροπή στον άξονα της μηχανής τότε, μεταβάλλεται κυρίως η ενεργός ισχύς αλλά και η άεργος. Η αύξηση της ροπής συνεπάγεται αύξηση της γωνίας μεταξύ των δύο κύριων μαγνητικών πεδίων (του δρομέα και του στάτη). Αυτή η γωνία ονομάζεται πολική γωνία και συμβολίζεται στη βιβλιογραφία με θ ή με δ. Όπως αναφέρθηκε νωρίτερα σε μια Σύγχρονη Μηχανή η άεργος ισχύς μπορεί να ελεγχθεί από το ρεύμα διέγερσης. Αυτό είναι πολύ μεγάλο πλεονέκτημα σε μια γεννήτρια που είναι διασυνδεδεμένη με τι δίκτυο. Για το λόγο αυτό η συντριπτική πλειοψηφία των γεννητριών είναι Σ.Μ.

Ασύγχρονες Μηχανές Στις ασύγχρονες μηχανές (Α.Μ.) ή αλλιώς επαγωγικές μηχανές ο δρομέας αποτελείται, α) είτε από ένα τύλιγμα στο οποίο συνδέονται εξωτερικά αντιστάσεις μέσω δακτυλίων και ψηκτρών, β) είτε από ένα βραχυκυκλωμένο τύλιγμα. Στην πρώτη περίπτωση ονομάζονται ασύγχρονες μηχανές δακτυλιοφόρου δρομέα ενώ, στη δεύτερη ασύγχρονες μηχανές βραχυκυκλωμένου δρομέα. Ο στάτης και στις δύο περιπτώσεις είναι όπως περιγράψαμε και στις σύγχρονες μηχανές.

Μέσα στο στάτη τοποθετείται ένα τύλιγμα στο οποίο τα άκρα είτε, συνδέονται με εξωτερικές αντιστάσεις είτε, βραχυκυκλώνονται. Ο στάτης τροφοδοτείται με εναλλασσόμενη τάση και έτσι, όπως αναλύσαμε και στην προηγούμενη διάλεξη, δημιουργείται στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο Βσ. Λόγω περιστροφής αυτού του μαγνητικού πεδίου επάγεται τάση στο τύλιγμα του δρομέα με αποτέλεσμα το τύλιγμα να διαρρέεται από ρεύμα. Λόγω αυτού του ρεύματος δημιουργείται μαγνητικό πεδίο από το δρομέα Βδ. Συλλέκτες έτσι ώστε κάθε άκρο της αντίστασης να ακουμπάει πάντα σε έναν από αυτούς

Καθώς το μαγνητικό πεδίο του δρομέα προσπαθεί να «προλάβει» το μαγνητικό πεδίο του στάτη, πλησιάζει η μία ταχύτητα την άλλη. Άρα η σχετική ταχύτητα περιστροφής μειώνεται. Αυτό σημαίνει ότι μειώνεται και η τάση εξ’ επαγωγής, άρα και το ρεύμα και το μαγνητικό πεδίο του δρομέα. Άρα αρχίζουν πάλι να απομακρύνονται τα δύο πεδία και ούτω κάθε εξής, έως ότου επέλθει ισορροπία σε κάποια τιμή της σχετικής ταχύτητας. Καταλαβαίνουμε λοιπόν ότι στις ασύγχρονες μηχανές ο δρομέας στρέφεται με διαφορετική ταχύτητα από το πεδίο του στάτη. Δηλαδή, Ασύγχρονα.

Η σχετική ταχύτητα μεταξύ των δύο πεδίων ονομάζεται ολίσθηση και συμβολίζεται s. ns – η σύγχρονη ταχύτητα fe – η συχνότητα του δικτύου εναλλασσόμενου ρεύματος p – ο αριθμός ζευγών πόλων nδ – η ταχύτητα περιστροφής του δρομέα

Λειτουργία Α.Μ. με διαφορετικά φορτία

Σχέση ελέγχου τάσης – στροφών Δηλαδή, με μεταβολή της τάσης μόνο σε στενά όρια μπορούμε να ελέγξουμε τις στροφές

Έλεγχος στροφών Επαγωγικού Κινητήρα Έλεγχος στροφών Επαγωγικού Κινητήρα Διατηρώντας το λόγο U/f σταθερό, μπορούμε να ελέγξουμε τις στροφές του Επαγωγικού Κινητήρα σε όλο το φάσμα. Το ίδιο μπορούμε να πετύχουμε αυξάνοντας την ωμική αντίσταση του δρομέα Επαγωγικού Κινητήρα Δακτυλιοφόρου Δρομέα. Τούτο όμως δε συμφέρει διότι, αυξάνει τις θερμικές απώλειες.

Δρομέας Ασύγχρονης Μηχανής (επαγωγικής μηχανής) Δακτυλιοφόρου Δρομέα. Δρομέας Ασύγχρονης Μηχανής (επαγωγικής μηχανής) Βραχυκυκλωμένου Δρομέα.

Εκκίνηση Ασύγχρονων Κινητήρων Απευθείας εκκίνηση – μόνο σε μικρούς κινητήρες, καθώς απορροφούν τεράστιο ρεύμα με αποτέλεσμα τη βύθηση της τάσης του δικτύου. Με αυτομετασχηματιστή – ρυθμίζεται η τάση από χαμηλή τιμή ως την ονομαστική, περιορίζοντας το ρεύμα. Δύο μειονεκτήματα: α) ακριβός αυτομετασχηματιστής και β) η ροπή μειώνεται με τη μείωση της τάσης. Με βαθμιαία αύξηση της τάσης μέσω Ηλεκτρονικού Μετατροπέα Ισχύος. Όπως και στην προηγούμενη περίπτωση, χωρίς όμως το αυξημένο κόστος. Με εκκίνηση Αστέρα – Τρίγωνο. Εφαρμόζουμε την πολική τάση του δικτύου μεταξύ δύο τυλιγμάτων και έτσι, σε κάθε τύλιγμα έχουμε μειωμένο ρεύμα (όμως και ροπή). Αφού αυξηθούν οι στροφές, αλλάζουμε τη συνδεσμολογία των τυλιγμάτων σε τρίγωνο (για την πλήρη ισχύ). Μέσω Ηλεκτρονικού Μετατροπέα Ισχύος Διατηρώντας το λόγο της τάσης και της συχνότητας Σταθερό. Σε Α.Μ. δακτυλιοφόρου δρομέα με αντιστάσεις εκκίνησης.

Απλοποιημένο Ισοδύναμο κύκλωμα Α.Μ. Για τις ασκήσεις μπορεί να χρησιμοποιηθεί το ακόλουθο ισοδύναμο κύκλωμα, χωρίς να οδηγούμαστε σε σημαντικά λάθη.

Το μαγνητικό πεδίο δημιουργείται από το ρεύμα Ιμ, ενώ η ροπή στον άξονα της μηχανής δημιουργείται από το ρεύμα Ι2. Η ροπή της μηχανής - Η ολίσθηση ανατροπής -

Η ροπή εκκίνησης για s=1 (μηδενικές στροφές) Η ροπή ανατροπής για ολίσθηση s = sαν

Μονοφασικές Ασύγχρονες Μηχανές Κατασκευαστικά μοιάζουν με τις 3-φασικές Α.Μ. Όμως, κατά την εκκίνηση η ηλεκτρομαγνητική ροπή ισούται με μηδέν. Μ=Β1*Β2*sin180 Αν στραφούν στιγμιαία μεταξύ τους το μαγνητικό πεδίο του δρομέα ως προς το μαγνητικό πεδίο του στάτη τότε, θα δημιουργηθεί μία ροπή που θα τα αναγκάσει να στραφούν μεταξύ τους και έτσι να δημιουργηθεί «μόνιμη» ροπή.

Εκκίνηση Μονοφασικής Ασύγχρονης Μηχανής Αν τοποθετηθεί ένα βοηθητικό τύλιγμα ο μαγνητικός άξονας του οποίου να είναι κάθετος προς τον άξονα του κυρίως τυλίγματος τότε θα δημιουργηθεί ροπή κατά την εκκίνηση. Βέβαια το ρεύμα που περνά από το βοηθητικό τύλιγμα πρέπει να σχηματίζει διαφορετική γωνία ως προς εκείνο του κυρίως τυλίγματος, όπως φαίνεται στο σχήμα. Η γωνία του ρεύματος του βοηθητικού είναι χαμηλότερη από εκείνη του κυρίως τυλίγματος διότι, είναι χαμηλότερου ρεύματος. Αυτό μας διευκολύνει διότι, δημιουργεί διαφορετική γωνία σε σχέση με το κυρίως τύλιγμα.

Είναι όμως πολύ καλύτερα να τοποθετηθεί στο βοηθητικό τύλιγμα πυκνωτής, έτσι ώστε το ρεύμα Ιβ να γίνει ακόμη και κάθετο ως προς το Ικ. Αυτή είναι και η κύρια μέθοδος εκκίνησης. Σύμφωνα με αυτή τη μέθοδο η μηχανή ξεκινάει με το βοηθητικό τύλιγμα και πυκνωτή εκκίνησης και στη συνέχεια το βοηθητικό τύλιγμα αποσυνδέεται. Αυτό γίνεται για να μειωθούν οι απώλειες στην ωμική αντίσταση του βοηθητικού τυλίγματος. Η αποσύνδεση του βοηθητικού τυλίγματος πραγματοποιείται συνήθως είτε μέσω φυγοκεντρικού διακόπτη είτε μέσω διακόπτη χρονοκαθυστέρησης.

Εκκίνηση Μονοφασικής Ασύγχρονης Μηχανής Αντιστροφή φοράς περιστροφής Μονοφασικής Ασύγχρονης Μηχανής

Χαρακτηριστική ροπής – στροφών Μονοφασικής Ασύγχρονης Μηχανής