ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΟΙ 1ης ΕΠΑΣ ΟΑΕΔ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ

Ηλεκτρολογικά νέα, επιστημονικά άρθρα καθώς και πληροφορίες για τις σχολές των ΕΠΑΣ του ΟΑΕΔ, που αφορούν μαθητές αλλά και επαγγελματίες ηλεκτρολόγους....γιατί θα πρέπει να ξέρετε ότι στη δουλειά μας η γνώση χωρίς εμπειρία μπορεί να σε παιδέψει...αλλά η εμπειρία χωρίς γνώση μπορεί να σε σκοτώσει

Σάββατο 24 Οκτωβρίου 2015

ΑΣΥΓΧΡΟΝΟΙ ΕΠΑΓΩΓΙΚΟΙ 3Φ ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ ΒΡΑΧΥΚΥΚΛΩΜΕΝΟΥ ΔΡΟΜΕΑ

ΑΣΥΓΧΡΟΝΟΙ ΕΠΑΓΩΓΙΚΟΙ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΙ ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ ΒΡΑΧΥΚΥΚΛΩΜΕΝΟΥ ΔΡΟΜΕΑ

Λέγονται:

Ασύγχρονοι (οι ταχύτητες περιστροφής των μαγνητικών πεδίων του στάτη και του δρομέα είναι διαφορετικές)
Επαγωγικοί (το ρεύμα στο τύλιγμα του δρομέα δημιουργείται από επαγωγή)
Βραχυκυκλωμένου δρομέα (τα τυλίγματα του δρομέα είναι βραχυκυκλωμένα στα άκρα τους).

Κατασκευαστικά στοιχεία του στάτη των ασύγχρονων τριφασικών κινητήρων.

Ο στάτης είναι το ακίνητο μέρος ενός ασύγχρονου επαγωγικού κινητήρα. Αποτελείται από το κέλυφος στο οποίο εσωτερικά βρίσκεται ο πυρήνας και αποτελεί το μόνο στοιχείο που συνδέεται ηλεκτρικά με το δίκτυο.
Ο πυρήνας αποτελείται από πολλά μαγνητικά ελάσματα, συνήθως πυριτιούχου χάλυβα που κόβονται σε ειδικές πρέσες και έχουν τη μορφή του παρακάτω σχήματος. Τα ελάσματα αυτά είναι περασμένα με βερνίκι και συγκρατούνται με κοχλίες.

Στα αυλάκια που σχηματίζονται από τα μαγνητικά ελάσματα τοποθετούνται οι τρεις φάσεις του τυλίγματος, ώστε να δημιουργείται στο εσωτερικό ένα μαγνητικό πεδίο, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.

Ο στάτης χρειάζεται για να δημιουργεί τη διέγερση της μηχανής, που στην περίπτωση των ΑΤΚ είναι ένα στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο.

Τα 6 άκρα του τριφασικού τυλίγματος καταλήγουν σε έξι ακροδέκτες στο κιβώτιο σύνδεσης του κινητήρα.

Οι τρεις φάσεις του τυλίγματος συνδέονται κατά αστέρα ή τρίγωνο

Κατασκευαστικά στοιχεία του δρομέα σε ΑΤΚΒΔ
Το τύλιγμα του δρομέα αποτελείται από μεταλλικές ράβδους από χαλκό ή ορείχαλκο, τα άκρα των οποίων βραχυκυκλώνονται από δύο δακτυλίδια.

Η σύνδεση γίνεται με συγκόλληση ή χύτευση. Ο δρομέας δεν συνδέεται ηλεκτρικά με άλλο τμήμα του κινητήρα και το ρεύμα που κυκλοφορεί σ’αυτόν είναι από επαγωγή λόγω του στρεφόμενου μαγνητικού πεδίου.

Οι κινητήρες με τύλιγμα απλού κλωβού είναι γενικά απλής κατασκευής, έχουν μικρό κόστος και καλό βαθμό απόδοσης.

Στους μικρούς κινητήρες το τύλιγμα απλού κλωβού κατασκευάζεται από καθαρό αλουμίνιο που χύνεται μέσα στα αυλάκια.

Το μειονέκτημα των κινητήρων απλού κλωβού είναι το μεγάλο ρεύμα εκκίνησης με αντίστοιχα μικρή ροπή εκκίνησης.

Λόγω των δυσμενών συνθηκών εκκίνησης, οι κινητήρες απλού κλωβού είναι κινητήρες μικρής ισχύος. Τα παραπάνω μειονεκτήματα μειώνονται όταν οι κινητήρες έχουν τύλιγμα διπλού κλωβού ή τύλιγμα με βαθειά αυλάκια.

Εσωτερική σύνδεση πηνίων στάτη τριφασικού κινητήρα

ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΩΝ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ

Ξέρουμε ότι:

1. ένας ρευματοφόρος αγωγός δημιουργεί γύρω του μαγνητικό πεδίο

2. αν ένας αγωγός βρεθεί μέσα σε μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο τότε διαρρέεται από ρεύμα

3. αν ένας αγωγός κινείται σε σταθερό μαγνητικό πεδίο τότε διαρρέεται από ρεύμα

4.αν ένας ρευματοφόρος αγωγός βρεθεί μέσα σε μαγνητικό πεδίο τότε ασκείται πάνω του δύναμη Laplace

Ένας ρευματοφόρος αγωγός δημιουργεί γύρω του μαγνητικό πεδίο .

Θα ξεκινήσουμε με το βασικό θεώρημα των Ferrari-Tesla.Ότι δηλαδή με πηνία εν στάση μπορεί να δημιουργηθεί στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο, αρκεί τα πηνία να έχουν κατάλληλη διάταξη στο χώρο και να τροφοδοτηθούν με εναλλασσόμενα ρεύματα καθορισμένης διαφοράς φάσης.
Στα τρία τυλίγματα του στάτη δίνουμε τριφασικό ρεύμα και δημιουργείται το στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο που τέμνει τις σπείρες του δρομέα.
Η ταχύτητα περιστροφής ns του στρεφόμενου μαγνητικού πεδίου θα ισούται με:
ns = 60f/p
όπου f η συχνότητα του δικτύου
και p ο αριθμός ζευγών μαγνητικών πόλων

Στο δρομέα αναπτύσονται επαγωγικά ρεύματα (όταν αγωγός βρεθεί σε χρονικά μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο του στάτη τότε διαρρέεται από ρεύμα) με αποτέλεσμα τη δημιουργία μαγνητικής δύναμης Laplace (όταν ρευματοφόρος αγωγός βρεθεί μέσα σε μαγνητικό πεδίο ασκείται πάνω σ’αυτόν δύναμη Laplace).
Η δύναμη αυτή που εφαρμόζεται έχει σαν αποτέλεσμα τη δημιουργία ροπής στρέψης Μ κατά τη φορά περιστροφής του μαγνητικού πεδίου του στάτη.

Έτσι έχουμε περιστροφή όταν η ροπή στρέψης είναι μεγαλύτερη της ροπής των τριβών και του φορτίου.

Μια άλλη παραστατική εξήγηση της αρχής λειτουργίας των κινητήρων εναλλασσομένου ρεύματος

Δημιουργία στρεφόμενου μαγνητικού πεδίου στο στάτη

ΔΕΔΟΜΕΝΟ 1: Ένας ρευματοφόρος αγωγός δημιουργεί γύρω του μαγνητικό πεδίο .

ΔΕΔΟΜΕΝΟ 2: θεώρημα των Ferrari-Tesla. Ότι δηλαδή με πηνία εν στάση μπορεί να δημιουργηθεί στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο, αρκεί τα πηνία να έχουν κατάλληλη διάταξη στο χώρο και να τροφοδοτηθούν με εναλλασσόμενα ρεύματα καθορισμένης διαφοράς φάσης.

Πράγματι, στο στάτη του κινητήρα υπάρχουν τρία τυλίγματα σε τέτοια διάταξη που τροφοδοτούνται από το δίκτυο με τρία ημιτονοειδή ρεύματα που έχουν διαφορά φάσης 120ο.

ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ: Άρα έτσι δημιουργείται το περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο στο στάτη

Πως περιστρέφεται ο δρομέας

Το στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο του στάτη τέμνει τις σπείρες του δρομέα.

ΔΕΔΟΜΕΝΟ 3: ‘Οταν ένας αγωγός (αγωγοί δρομέα) βρεθεί σε χρονικά μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο (του στάτη) τότε διαρρέεται από ρεύμα.

ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ: Στο δρομέα αναπτύσονται επαγωγικά ρεύματα.

ΔΕΔΟΜΕΝΟ 4:‘Οταν ρευματοφόρος αγωγός (αγωγοί δρομέα) βρεθεί μέσα σε μαγνητικό πεδίο (πεδίο στάτη) ασκείται πάνω σ’αυτόν δύναμη Laplace F.

Η δύναμη αυτή που εφαρμόζεται έχει σαν αποτέλεσμα τη δημιουργία ροπής στρέψης Μ κατά τη φορά περιστροφής του μαγνητικού πεδίου του στάτη.

ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ: Έτσι έχουμε περιστροφή του δρομέα.
Η περιστροφή του δρομέα βέβαια θα επιτευχθεί όταν η ροπή στρέψης είναι μεγαλύτερη της ροπής των τριβών και του φορτίου.

Στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο στο στάτη

Για τη δημιουργία ενός στρεφόμενου πεδίου στο στάτη, είναι απαραίτητη η ύπαρξη δυο τουλάχιστον χωρικά μετατοπισμένων πηνίων τα οποία να διαρρέονται από κατάλληλα χρονικά μετατοπισμένα ρεύματα.

Με τον τρόπο αυτό διεγείροντας εναλλάξ τα δύο τυλίγματα με κατάλληλα ρεύματα μπορεί να παραχθεί ένα κινούμενο μαγνητικό πεδίο στο διάκενο. Το συμμετρικό τριφασικό σύστημα είναι ένα σύστημα τριών χρονικά μετατοπισμένων τάσεων και ρευμάτων. Εάν ένα τέτοιο σύστημα τροφοδοτήσει τρία διαφορετικά πηνία, τοποθετημένα στο στάτη, με απόσταση 120 μοίρες το ένα από το άλλο, τότε στο διάκενο της μηχανής εμφανίζεται ένα συνιστάμενο περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο

Δημιουργία Στρεφόμενου μαγνητικού πεδίου στο Στάτη

Ο στάτης κάθε σύγχρονου τριφασικού κινητήρα αποτελείται από τρία τυλίγματα (Α,Β,Γ) που σχηματίζουν γωνίες 120ο μεταξύ τους, όπως φαίνεται στο σχήμα.
Όταν εφαρμοσθεί εναλλασσόμενη τάση στο στάτη, έχουμε ροή ρεύματος μέσα από τα πηνία. Η μαγνητική ροή εξαρτάται από τη φορά του ρεύματος.

Αν υποθέσουμε ότι η θετική φορά ρεύματος δημιουργεί στα πηνία Α1,Β1,Γ1 Βόρειο μαγνητικό πόλο (Β) και στα A2,B2,Γ2 Νότιο μαγνητικό πόλο (Ν), καταλήγουμε στον πίνακα:

Τα τρία τυλίγματα του στάτη τροφοδοτούνται με τριφασικά ρεύματα. Για να γίνει

κατανοητή η δημιουργία του μαγνητικού πεδίου επιλέγουμε τη χρονική στιγμή μηδέν (t=0).

Το ρεύμα στο πηνίο Α είναι μηδέν, στο Β είναι αρνητικό και στο Γ θετικό. Με βάση τον προηγούμενο πίνακα τα Β1 και Γ2 είναι Νότιοι πόλοι και τα Β2 και Γ1 Βόρειοι πόλοι.

Η δημιουργούμενη συνολική μαγνητική ροή φαίνεται στο σχήμα

Αν με τον ίδιο τρόπο εξετάσουμε το δημιουργούμενο περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο για τριφασικό σύστημα παροχής και για χρόνου που αντιστοιχούν σε γωνίες 60o, όταν το ρεύμα συμπληρώσει φάση 360ο, το μαγνητικό πεδίο έχει περιστραφεί αντίστοιχα κατά 360ο.

Η ταχύτητα περιστροφής του δρομέα n είναι πάντα μικρότερη από την ταχύτητα ns του πεδίου του στάτη και αυτό γιατί αν γίνουν ποτέ ίσες, τότε δεν θα υπάρχουν οι συνθήκες για τη δημιουργία επαγωγικών ρευμάτων.
Αν υποθέσουμε ότι n=ns, τότε δεν θα προλαβαίνει το μαγνητικό πεδίο του στάτη να κόψει τους αγωγούς του δρομέα, δεν θα έχουμε επαγωγή και φυσικά θα μηδενιστεί η μαγνητική δύναμη και θα σταματήσει ο κινητήρας.

Ολίσθηση

Το στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο περιστρέφεται με ταχύτητα που εξαρτάται από τη συχνότητα (f) του ρεύματος τροφοδοσίας και τα ζεύγη των πόλων (p) του τυλίγματος του στάτη.
Η ταχύτητα αυτή λέγεται σύγχρονη ταχύτητα ns

Ο δρομέας του κινητήρα περιστρέφεται με ταχύτητα n που εξαρτάται από το φορτίο του άξονα.

Ο λόγος της διαφοράς μεταξύ της σύγχρονης ταχύτητας ns και της ταχύτητας n, προς τη

σύγχρονη ταχύτητα, ονομάζεται ολίσθηση s:

s=(ns-n)/p

Η ολίσθηση ενός κινητήρα δεν είναι σταθερή, μεταβάλλεται με το φορτίο και αυξάνεται με αυτό. (με αύξηση του φορτίου έχουμε μείωση του n και επομένως από τον τύπο s=(ns-n)/p έχουμε αύξηση του s)

Εάν η ταχύτητα του δρομέα φτάσει την ταχύτητα του πεδίου, τότε δεν έχουμε εμφάνιση επαγωγικών ρευμάτων ούτε δυνάμεων Laplace, και κατά συνέπεια δεν υπάρχει κίνηση.

Διευκρινίζεται ότι η ολίσθηση του κινητήρα είναι η ταχύτητα με την οποία οι μαγνητικές γραμμές του στρεπτού πεδίου τέμνουν τους αγωγούς του δρομέα.

Ροπή ασύγχρονων τριφασικών κινητήρων

Ένα από τα σημαντικότερα στοιχεία του κινητήρα είναι η ροπή (Τ) που μπορεί να αναπτύξει στον άξονά του για να περιστρέψει το φορτίο

Για να αρχίσει να περιστρέφεται ένας κινητήρας θα πρέπει να αναπτυχθεί σε αυτόν εσωτερική ροπή εκκίνησης μεγαλύτερη από το άθροισμα των ροπών αντιδράσεως, δηλαδή τις ροπές τριβής και ωφέλιμου φορτίου.

Ονομαστική τάση λειτουργίας

Οι ασύγχρονοι τριφασικοί κινητήρες συνδέονται είτε σε αστέρα είτε σε τρίγωνο αναλόγως με την τάση τροφοδοσίας τους.
Όταν η σύνδεση πρέπει να γίνει στο δίκτυο της ΔΕΗ η τάση τροφοδοσίας του κινητήρα είναι 400V (πολική τάση).
Είναι πολύ σημαντικό να επιλέξουμε τη σωστή σύνδεση γιατί διαφορετικά θα καταστρέψουμε τον κινητήρα.

Για να συνδέσω στο δίκτυο της ΔΕΗ έναν κινητήρα σε τρίγωνο πρέπει η πινακίδα του να αναγράφει:
400/690 ή 400/690 Δ/Υ ή 400 V Δ
Σε παλιούς κινητήρες θα δούμε να αναγράφουν 380/660 Δ/Υ ή 380 V Δ

Για να συνδέσω ένα κινητήρα στο δίκτυο της ΔΕΗ σε αστέρα πρέπει η πινακίδα να αναγράφει:

230/400 ή 230/400 Δ/Υ ή 400 V Y
Σε παλιούς κινητήρες θα δούμε να αναγράφουν 220/380 Δ/Υ ή 380 V Y

Οι κατασκευαστές των κινητήρων όπως βλέπουμε αναγράφουν στην πινακίδα του κινητήρα δύο τάσεις λειτουργίας. Ο λόγος είναι γιατί ο κινητήρας μπορεί σε ένα δίκτυο, όπως πχ της ΔΕΗ, να συνδεθεί με τον έναν τρόπο (πχ τρίγωνο), ενώ σε ένα άλλο δίκτυο που δημιουργείται από μια γεννήτρια ή έναν Inverter μπορεί να συνδεθεί με άλλον τρόπο.
Tο μικρότερο από τα δυο νούμερα, η μικρότερη τάση δηλαδή, αναφέρεται πάντα για σύνδεση τριγώνου και το μεγαλύτερο πάντα για σύνδεση αστέρα.

Ας πάρουμε ένα παράδειγμα που ο κινητήρας γράφει 230/400 Δ/Υ

Η πρώτη τάση 230 που αναγράφεται αντιστοιχεί στη συνδεσμολογία Δ. Αν δηλαδή έχουμε πολική τάση (μεταξύ δύο φάσεων) πρέπει να συνδέσουμε τον κινητήρα τρίγωνο. Αυτήν την τάση μπορούμε να την έχουμε από έναν μικρής ισχύος inverter.

Η δεύτερη τάση 400 που αναγράφεται αντιστοιχεί στη συνδεσμολογία Υ. Αν δηλαδή έχουμε πολική τάση (μεταξύ δύο φάσεων) 400V, όπως στο δίκτυο της ΔΕΗ, πρέπει να συνδέσουμε τον κινητήρα σε Αστέρα.

Ας πάρουμε ένα άλλο παράδειγμα που ο κινητήρας γράφει 400/700 Δ/Υ

Η πρώτη τάση 400 που αναγράφεται αντιστοιχεί στη συνδεσμολογία Δ Αν δηλαδή έχουμε πολική τάση (μεταξύ δύο φάσεων) όπως στο δίκτυο της ΔΕΗ πρέπει να συνδέσουμε τον κινητήρα τρίγωνο.

Η δεύτερη τάση 700 που αναγράφεται αντιστοιχεί στη συνδεσμολογία Υ. Αν δηλαδή έχουμε πολική τάση (μεταξύ δύο φάσεων) 700V, όπως στην περίπτωση μιας γεννήτριας, πρέπει να συνδέσουμε τον κινητήρα σε Αστέρα.

Έχουμε συνδεσμολογία τυλιγμάτων: 415 Δ

Δηλαδή στα 50 Hz έχουμε συνδεσμολογία τυλιγμάτων:220-240/380-420 Δ/Υ και στα 60 Hz έχουμε συνδεσμολογία τυλιγμάτων:250-280/440-480 Δ/Υ

Εσωτερική σύνδεση πηνίων τριφ. Κινητήρα

Στο εσωτερικό των τριφασικών κινητήρων υπάρχουν τρία σύνθετα πηνία με άκρα (U1-U2, V1-V2, W1-W2) ή (U-X, V-Y, W-Z).
Τα λέμε σύνθετα γιατί αποτελούνται από άλλα μικρότερα τα οποία συνδέονται μεταξύ τους σε σειρά, παράλληλα ή σύνθετα ανάλογα με το είδος της μηχανής.

Τα έξι άκρα των τυλιγμάτων καταλήγουν σε έξι ακροδέκτες στο κιβώτιο σύνδεσης του κινητήρα και με τον τρόπο που φαίνεται στην παρακάτω εικόνα.

Στη συνδεσμολογία αστέρα κάθε ένα από τα άκρα των τριών τυλιγμάτων συνδέονται μεταξύ τους σχηματίζοντας ένα κοινό κόμβο.

Στη συνδεσμολογία τριγώνου τα δύο άκρα κάθε τυλίγματος είναι συνδεδεμένα με κάθε ένα άκρο των δύο άλλων τυλιγμάτων .

Οι παραπάνω δύο συνδεσμολογίες πετυχαίνονται με ειδικά λαμάκια που τοποθετούμε στα τυλίγματα στο κιβώτιο των ακροδεκτών. Για το τρίγωνο χρειάζονται τρεις λάμες, ενώ για τον αστέρα οι δύο.

Σύγκριση των δύο συνδεσμολογιών αστέρα και τριγώνου

Έστω ότι στο ίδιο δίκτυο συνδέω δύο ίδιους κινητήρες (επόμενο σχήμα). Αριστερά σε αστέρα και δεξιά σε τρίγωνο.

1) Στη συνδεσμολογία αστέρα παρατηρούμε ότι ενώ εφαρμόζουμε στον κινητήρα πολική τάση 400V, τα πηνία του τροφοδοτούνται με 230V. Άρα τα πηνία του κινητήρα θα πρέπει να είναι κατασκευασμένα να λειτουργούν σε τάση 230V.

Στη συνδεσμολογία τριγώνου παρατηρούμε ότι ενώ εφαρμόζουμε στον κινητήρα πολική τάση 400V, τα πηνία του τροφοδοτούνται και αυτά με 400V. Άρα τα πηνία του κινητήρα θα πρέπει να είναι κατασκευασμένα να λειτουργούν σε τάση 400V.

2) Στη συνδεσμολογία αστέρα το ρεύμα που διαρρέει κάθε τύλιγμα του κινητήρα Ιφ είναι ίσο με το ρεύμα του δικτύου ΙΥ, δηλαδή Ιφ=ΙΥ.

Στη συνδεσμολογία τριγώνου το ρεύμα που διαρρέει κάθε τύλιγμα του κινητήρα Ιφ είναι μικρότερο κατά 1,73 φορές από το ρεύμα του δικτύου ΙΔ, δηλαδή Ιφ=ΙΔ/1,73

Στη συνδεσμολογία αστέρα το ρεύμα του κινητήρα είναι τρεις φορές μικρότερο από ότι στη συνδεσμολογία τριγώνου, όπως αποδεικνύεται παρακάτω:

3. Αν τα πηνία του κινητήρα είναι κατασκευασμένα για 230V, στη συνδεσμολογία αστέρα ο κινητήρας θα λειτουργήσει κανονικά αλλά στη συνδεσμολογία τριγώνου θα καταστραφούν αμέσως λόγω υψηλότερης τάσης.

4. Αν τα πηνία του κινητήρα είναι κατασκευασμένα για 400V, στη συνδεσμολογία τριγώνου ο κινητήρας θα λειτουργήσει κανονικά, αλλά στη συνδεσμολογία αστέρα θα συμβούν τα εξής:

α) Τα πηνία θα δέχονται χαμηλότερη τάση από την κανονική τους
β) Η ισχύς του κινητήρα θα είναι μικρότερη
γ) Δεν θα μπορεί να ανταποκριθεί στο φορτίο του
δ) Θα λειτουργεί σε χαμηλότερες στροφές και η ένταση του ρεύματος στα πηνία θα είναι μεγαλύτερη από την ονομαστική

Το αποτέλεσμα θα είναι να καούν τα τυλίγματα του κινητήρα μετά από λίγη ώρα.
Χωρίς φορτίο στον άξονά του ο κινητήρας θα λειτουργήσει κανονικά χωρίς πρόβλημα.

Ποιοι κινητήρες μπορούν να συνδεθούν με διακόπτη αστέρα τριγώνου Υ/Δ

Για να συνδεθεί ένας τριφασικός κινητήρας στο δίκτυο, πρέπει η πολική τάση του δικτύου να συμπίπτει με μια από τις τάσεις λειτουργίας του κινητήρα, οι οποίες αναγράφονται στο ταμπελάκι του. Οι δυνατότητες σύνδεσης με το δίκτυο δίνονται στον παρακάτω πίνακα (η τάση που δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί γράφεται με ψιλά γράμματα).