Μηχανές εναλλασσόμενου ρεύματος

Παρουσίαση με θέμα: "Μηχανές εναλλασσόμενου ρεύματος"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Μηχανές εναλλασσόμενου ρεύματος
Δύο μεγάλες κατηγόριες Σύγχρονες Μηχανές Synchronous Machines Ασύγχρονες Μηχανές ή Επαγωγικές Μηχανές Inductive Machines

2 Γενικά για μηχανές εναλλασσόμενου ρεύματος
Συνήθως ο στάτης τροφοδοτείται από τριφασική εναλλασσόμενη τάση και έτσι τα τριφασικά τυλίγματά του διαρρέονται από τριφασικό εναλλασσόμενο ρεύμα. Το ρεύμα αυτό μέσα από τα τυλίγματα δημιουργεί ημιτονοειδώς μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο. Οι εξισώσεις που ισχύουν είναι οι εξής:

3 Δηλαδή το μαγνητικό πεδίο περιγράφεται με τα διανύσματα της μαγνητικής επαγωγής Β ως εξής:
Αυτό το διάνυσμα στρέφεται στο χρόνο αλλά τα τυλίγματα είναι τοποθετημένα μέσα σε μια κυκλική μηχανή. Άρα στρέφεται και στο χώρο. Για το λόγο αυτό μπορούμε να δούμε ένα συνιστάμενο διάνυσμα Βσ της μαγνητικής επαγωγής, να στρέφεται μέσα στη μηχανή με ταχύτητα nm.

4 Επειδή υπάρχει μόνο ένα ζεύγος πόλων “p” ανά φάση, η ταχύτητα περιστροφής είναι ίση με την συχνότητα του ηλεκτρικού ρεύματος που διαρρέει τις φάσεις του στάτη. Άρα nm = fe. Εδώ, ο αριθμός των ζευγών πόλων p είναι διπλάσιος άρα, η ταχύτητα περιστροφής του Βm είναι μισή. nm = ½*fe . Δηλαδή:

5 Αν συνδεθούν τα άκρα των φάσεων διαδοχικά Ua – Ub – Uc, θα έχουμε διαδοχή Βα – Βb – Bc και το Βσ στρέφεται προς τη μία κατεύθυνση. Αν όμως συνδεθούν οι δύο από τις τρεις φάσεις ανάποδα τότε η φορά περιστροφής του Βσ αλλάζει. Αλλαγή φοράς περιστροφής του μαγνητικού πεδίου Βα – Βb – Bc Βα – Βc – Bb

6 Αν τοποθετήσουμε τύλιγμα μέσα σε στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο, τότε θα έχουμε τάση εξ΄ επαγωγής Ε η οποία θα δημιουργήσει ρεύμα i. Λόγω αυτών των δύο θα εμφανισθεί δύναμη F άρα και ροπή Μ άρα και θα στραφεί το πλαίσιο μαζί με το τύλιγμα. Δηλαδή, ο δρομέας.

7 Επίσης, θα δημιουργηθεί μαγνητικό πεδίο από το ρεύμα του τυλίγματος του δρομέα Βδ. Έτσι, θα έχουμε ένα συνολικό μαγνητικό πεδίο Βολ. Το μαγνητικό πεδίο του στάτη έλκει το μαγνητικό πεδίο του δρομέα και έτσι έχουμε περιστροφή του δρομέα. Όμως, οι τάσεις, τα ρεύματα και το μαγνητικό πεδίο, δεν είναι καθαρά ημιτονοειδή. Αυτό οφείλεται σε κατασκευαστικούς λόγους και αδυναμία να τοποθετηθούν κατάλληλα τα τυλίγματα ώστε, να είναι ομοιόμορφο το μαγνητικό πεδίο.

8 Απώλειες στις Μηχανές εναλλασσόμενου Ρεύματος
Όπως και στις μηχανές DC Απώλειες Χαλκού Απώλειες Ψηκτρών (όπου υπάρχουν) Απώλειες Πυρήνα Μηχανικές Απώλειες Κατανεμημένες Απώλειες

9 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.

10 Αρχή λειτουργίας Σύγχρονων Μηχανών
Αν δε συνδέσουμε κάποιο δίκτυο στο στάτη αλλά, το αφήσουμε ασύνδετο (εν κενό) ή συνδέσουμε κάποιο φορτίο (αντίσταση, πηνίο ή ηλεκτρική μηχανή), τότε δημιουργείται στα τυλίγματα του στάτη τάση εξ’ επαγωγής. Επειδή το μαγνητικό πεδίο είναι περιστρεφόμενο με σταθερή ταχύτητα τότε, η τάση θα είναι ημιτονοειδής. Η συχνότητα της τάσης θα είναι ανάλογη τη ταχύτητας περιστροφής.

11 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.

12 Ισοδύναμο κύκλωμα Σύγχρονης Μηχανής
Το πεδίο στο δρομέα δημιουργείται από ροή συνεχούς ρεύματος Ιδ στο τύλιγμα του δρομέα. Άρα, όσο αυξάνεται το ρεύμα, τόσο αυξάνεται και η τιμή του Βδ. Άρα και η τάση εξ’ επαγωγής από το δρομέα στο στάτη. Αυτή η τάση συμβολίζεται ως Εp και ονομάζεται πολική τάση. Ισοδύναμο κύκλωμα Σύγχρονης Μηχανής

13 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.

14 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.

15 Χαρακτηριστική ρύθμισης
Χαρακτηριστική V Χαρακτηριστική ρύθμισης

16 Οι σύγχρονες μηχανές χρησιμοποιούνται συνήθως ως γεννήτριες διότι, μπορούν να δώσουν, τόσο ενεργό ισχύ, όσο και άεργο. Ως κινητήρες δε χρησιμοποιούνται συχνά διότι, κατά την εκκίνηση η μέση τιμή της ροπής σε μία περίοδο της τάσης που εφαρμόζεται είναι μηδέν. Άρα για να ξεκινήσει να λειτουργεί ένας σύγχρονος κινητήρας, πρέπει πρώτα να περιστραφεί με τη συχνότητα του δικτύου, ύστερα πρέπει να κάνουμε το πλάτος της τάσης της μηχανής ίσο με το πλάτος της τάσης του δικτύου και να ελέγξουμε τη διαδοχή των φάσεων. Αν ισχύουν όλα αυτά μπορούμε να συνδέσουμε τον κινητήρα στο δίκτυο. Αυτός ο κινητήρας θα στρέφεται με σταθερή ταχύτητα μεταβαλλόμενης της ροπής.