Σε μεγάλους ηλεκτρικούς καταναλωτές, όπως είναι τα αντλιοστάσια, οι βιομηχανίες, τα λατομεία, οι ταινιόδρομοι, οι σταθμοί παραγωγής κ.ά, απαιτείται η ηλεκτρική κίνηση μηχανημάτων με ισχύ πολλών εκατοντάδων kW.
Οι κινητήρες χαμηλής τάσης (400 V) που υπάρχουν στην αγορά περιορίζονται σε ονομαστική ισχύ μέχρι τα 300 kW περίπου. Πάνω από αυτή την ισχύ, το ρεύμα του κινητήρα είναι τόσο μεγάλο που η κατασκευή των τυλιγμάτων τους είναι πολύ δύσκολη και αντιοικονομική. Από την άλλη πλευρά, οι μεγάλοι καταναλωτές είναι υποχρεωτικά καταναλωτές μέσης τάσης. Έτσι καταλήγουμε στους κινητήρες μέσης τάσης, με ονομαστική τάση 3 kV, 6 kV, ή 10 kV.
Οι κινητήρες που συνήθως συναντάμε είναι κινητήρες των 6 kV που συνδέονται στο δίκτυο των 20 kV μέσω μετασχηματιστή ισχύος 20/6.3 kV. Όπως φαίνεται στην Εικόνα 1 ο ασύγχρονος κινητήρας μέσης τάσης μοιάζει στην κατασκευή του με τον αντίστοιχο κινητήρα χαμηλής τάσης. Ένα σημείο που τον κάνει να ξεχωρίζει, είναι το κιβώτιο σύνδεσης του, που είναι πιο ογκώδες από το κιβώτιο σύνδεσης του κινητήρα χαμηλής τάσης. To ηλεκτρικό του μέρος αποτελείται από:
• το ακίνητο μέρος, που ονομάζεται στάτης
•το κινητό μέρος που ονομάζεται δρομέας
O στάτης είναι κατασκευασμένος από πολλά μαγνητικά ελάσματα από πυριτιούχο χάλυβα που κόβονται σε ειδικές πρέσσες. Τα ελάσματα είναι περασμένα με ειδικό μονωτικό βερνίκι και συγκρατούνται σφικτά μεταξύ τους με ραφές συγκόλλησης στην εξωτερική τους περιφέρεια. Στα αυλάκια που σχηματίζουν τα ελάσματα του στάτη, τοποθετούνται οι τρεις φάσεις του τυλίγματος.
To τύμπανο του δρομέα είναι κατασκευασμένο με παρόμοιο τρόπο, όπως ο στάτης. Ανάλογα με τον τρόπο που κατασκευάζεται το τύλιγμα του δρομέα, οι ασύγχρονοι κινητήρες χωρίζονται σε:
• βραχυκυκλωμένου δρομέα (ή κλωβού). To τύλιγμα του δρομέα αποτελείται από χάλκινες ράβδους ή συνήθως από καθαρό χυτό αλουμίνιο. To αλουμίνιο, σε υγρή μορφή, χυτεύεται με πίεση μέσα στα αυλάκια του τυμπάνου του δρομέα. Ταυτόχρονα χυτεύονται και τα δύο δακτυλίδια που βραχυκυκλώνουν τις ράβδους στα άκρα τους.
• δακτυλιοφόρου δρομέα. To τύλιγμα του δρομέα μοιάζει με το τύλιγμα του στάτη. Καταλήγει σε τρία μονωμένα μεταξύ τους δακτυλίδια, στερεωμένα πάνω στον άξονα του δρομέα. Στα δακτυλίδια εφάπτονται ψήκτρες, με ψηκτροθήκες στερεωμένες στο στάτη. Κινητήρες αυτού του τύπου συναντάμε σε ειδικές εφαρμογές, όπου απαιτείται υψηλή ροπή εκκίνησης, δηλαδή, κατά την εκκίνηση, στον άξονα του κινητήρα εφαρμόζεται (αντιτίθεται) πολύ μεγάλο μηχανικό φορτίο. Για παράδειγμα αναφέρουμε τους ταινιόδρομους που μεταφέρουν το λιγνίτη από τα λιγνιτορυχεία στους ατμοηλεκτρικούς σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας.
Σήμερα οι κινητήρες αυτού του τύπου αντικαθίστανται με απλούς κινητήρες βραχυκυκλωμένου δρομέα, σε συνδυασμό με ομαλούς εκκινητές.
Υπενθυμίζουμε ότι, το τύλιγμα του στάτη είναι το μόνο στοιχείο του κινητήρα που συνδέεται ηλεκτρικά με το δίκτυο. To ρεύμα στο τύλιγμα του δρομέα δημιουργείται εξ' επαγωγής
Αρχή λειτουργίας των ασύγχρονων κινητήρων
Η αρχή λειτουργίας των ασύγχρονων κινητήρων μέσης τάσης, είναι ακριβώς ίδια με αυτή των κινητήρων χαμηλής τάσης. Επειδή θεωρούμε ότι είναι απαραίτητη για την κατανόηση των παραγράφων που ακολουθούν, θα πρέπει να θυμηθούμε τα εξής:
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.
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
Ο ρότορας προσπαθεί να φτάσει την ταχύτητα (ns) του στρεφόμενου μαγνητικού πεδίου. Όσο όμως πλησιάζει να τη φτάσει, η σχετική ταχύτητα των αγωγών του ελαττώνεται και, συνεπώς, η εξ' επαγωγής τάση μειώνεται, το ρεύμα μειώνεται, και η ροπή μειώνεται. Αποτέλεσμα είναι ότι ο δρομέας πλησιάζει πολύ κοντά στη σύγχρονη ταχύτητα αλλά ποτέ δεν τη φτάνει (απ' όπου και το όνομα ασύγχρονος).
Όσο μεγαλύτερο είναι το μηχανικό φορτίο στον άξονα του κινητήρα, τόσο μεγαλύτερη θα είναι και η απόκλιση (ολίσθηση) του δρομέα από τη σύγχρονη ταχύτητα.
Μόνωση των τυλιγμάτων του στάτη
Όπως είδαμε παραπάνω, τα τυλίγματα του στάτη είναι το ηλεκτρικό μέρος του κινητήρα που συνδέεται με το δίκτυο.
Τα τυλίγματα αποτελούνται από επιμέρους πηνία. Τα πηνία κατασκευάζονται από χάλκινες μπάρες, τις οποίες διαμορφώνουμε σε σχήμα, ώστε να ταιριάζουν στα αυλάκια του στάτη. Κατόπιν, τα περιτυλίγουμε με πολλές στρώσεις από ειδική ταινία μίκας.
Η μίκα είναι ένα ορυκτό υλικό που έχει την ιδιότητα να είναι πολύ κακός αγωγός στο ηλεκτρικό ρεύμα (συνεπώς έχει καλές μονωτικές ιδιότητες) και, ταυτόχρονα, είναι αρκετά καλός αγωγός στη μετάδοση της θερμότητας. Έτσι αποτελεί την ιδανική λύση για την περίπτωση που θέλουμε σε περιορισμένο χώρο να έχουμε αγωγούς με ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο που διαρρέονται από μεγάλα ρεύματα.
Ψύξη των κινητήρων μέσης τάσης
Όπως γνωρίζουμε, κατά τη λειτουργία του κινητήρα, ένα μικρό ποσοστό της ηλεκτρικής ενέργειας που καταναλώνει ο κινητήρας, μετατρέπεται σε θερμικές απώλειες. Στους κινητήρες μέσης τάσης, επειδή η ονομαστική ισχύς τους είναι μεγάλη, το ποσό των θερμικών απωλειών είναι σημαντικό.
Ένα από τα βασικά στοιχεία στην κατασκευή των κινητήρων μέσης τάσης είναι και το σύστημα ψύξης. Με τον όρο ψύξη, εννοούμε την απαγωγή της θερμότητας που παράγεται στο εσωτερικό του κινητήρα και την αποβολή της στο περιβάλλον.
Όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα οι κινητήρες μέσης τάσης έχουν δύο ανεξάρτητα κυκλώματα ψύξης με αέρα που είναι:
• ένα κλειστό εσωτερικό κύκλωμα ψύξης (κόκκινα βέλη)
• ένα ανοικτό εξωτερικό κύκλωμα ψύξης (μπλε βέλη).
To μεγαλύτερο μέρος της θερμότητας, αναπτύσσεται στα τυλίγματα του στάτη και μεταφέρεται με αγωγιμότητα, από τον πυρήνα του στάτη στο εξωτερικό περίβλημα του κινητήρα. Όπως φαίνεται στην Εικόνα, το εξωτερικό περίβλημα του κινητήρα είναι διαμορφωμένο σε πτερύγια που βοηθάνε στην ψύξη του.
Με τη βοήθεια ενός εσωτερικού ανεμιστήρα, που βρίσκεται στον άξονα του κινητήρα, ο αέρας του εσωτερικού κυκλώματος τίθεται σε κίνηση, και μεταφέρει τη θερμότητα από τα τυλίγματα του δρομέα αλλά και τις άκρες των τυλιγμάτων του στάτη, στο εξωτερικό περίβλημα του κινητήρα
Στο εξωτερικό κύκλωμα ψύξης, ο αέρας του περιβάλλοντος οδηγείται κατά μήκος των πτερύγιων του περιβλήματος. Αυτό γίνεται με τη βοήθεια ενός εξωτερικού ανεμιστήρα που βρίσκεται πάνω στον άξονα του κινητήρα.
Το εξωτερικό περίβλημα του κινητήρα, χάρη στην ειδική του διαμόρφωση με πτερύγια ψύξης, λειτουργεί σαν εναλλάκτης θερμότητας μεταξύ του εσωτερικού και εξωτερικού κυκλώματος ψύξης. Έτσι οι θερμικές απώλειες του κινητήρα αποβάλλονται στον αέρα του περιβάλλοντος.
Η σωστή ψύξη των τυλιγμάτων και των εδράνων του κινητήρα, είναι βασική προϋπόθεση /ια την απρόσκοπτη λειτουργία του.
Προστασία των κινητήρων μέσης τάσης
Για την προστασία των κινητήρων μέσης τάσης, χρησιμοποιούνται διάφοροι τύποι ηλεκτρονόμων (Η/Ν) προστασίας, που παρέχουν ο καθένας χωριστά, τις προστασίες που αναφέρονται παρακάτω. Στην αγορά, υπάρχουν Η/Ν που περιλαμβάνουν όλες αυτές τις προστασίες σε μια συσκευή και ονομάζονται ηλεκτρονόμοι ολικής προστασίας κινητήρων.
Οι προστασίες ενός κινητήρα μέσης τάσης είναι:
• Θερμοκρασία τυλιγμάτων. Θερμίστορ ή αντιστάσεις Pt100 (Θερμίστορ είναι αντιστάσεις ημιαγωγών που αλλάζουν την αντίσταση τους ανάλογα με την θερμοκρασία
Οι αντιστάσεις αυτές κατασκευάζονται από σύρμα πλατίνας (Pt) και έχουν ωμική αντίσταση 100Ω σε θερμοκρασία CC γί αυτό και ονομάζονται αισθητήρες Pt100. Όπως γνωρίζουμε η αντίσταση των μετάλλων (στην περίπτωση μας της πλατίνας) αλλάζει με τη θερμοκρασία. Χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο αλλά και την ακριβή μέτρηση της θερμοκρασίας) τοποθετούνται στις κεφαλές των τυλιγμάτων του κινητήρα για την επιτήρηση της θερμοκρασίας τους. Στην πράξη, τα θερμίστορ συνδέονται σε σειρά και καταλήγουν σε ειδικό κλεμμοκιβώτιο, από όπου συνδέονται με τον Η/Ν προστασίας. Σε περίπτωση ανύψωσης της θερμοκρασίας, ο Η/Ν δίνει αρχικά εντολή προειδοποίησης (alarm) και, αν η θερμοκρασία συνεχίζει να ανεβαίνει και ξεπεράσει το επιτρεπτό όριο, δίνει εντολή απόζευξης (tripping).
• Προστασία από υπερφόρτιση, βραχυκύκλωμα. Γίνεται με κλασσικούς Η/Ν υπερέντασης αντιστρόφου χρόνου που ρυθμίζονται στο ονομαστικό ρεύμα του κινητήρα.
• Προστασία από υπέρταση, υπόταση. Ο Η/Ν αυτός εξασφαλίζει ότι ο κινητήρας εργάζεται μέσα στα ανεκτά όρια τάσης, που έχει ορίσει ο κατασκευαστής του. Συνήθως ρυθμίζεται στο ± 10% της ονομαστική τάσης. Υπάρχει πάντα μια μικρή χρονική καθυστέρηση (Δί = 100 ms) πριν την εντολή απόζευξης, ώστε να μη διεγείρεται άσκοπα από στιγμιαίες διακυμάνσεις της τάσης του δικτύου που προκαλούνται, π.χ. από το άνοιγμα-κλείσιμο διακοπτών και τους κεραυνούς.
• Προστασία δρομέα από δύσκολες εκκινήσεις. Σε κινητήρες με υπερβολικά δύσκολες ή συχνές εκκινήσεις μπορεί να καταστραφεί ο ρότορας λόγω υπερθέρμανσης. Η μέτρηση της θερμοκρασίας στο εσωτερικό του στρεφόμενου δρομέα είναι αδύνατη. Έτσι, με τη βοήθεια ειδικών ψηφιακών Η/Ν δημιουργείται ένα μαθηματικό μοντέλο (θερμική εικόνα) εξομοίωσης της θερμοκρασίας στο εσωτερικό του ρότορα. Ο Η/Ν αυτός διατηρεί στη μνήμη την εικονική θερμοκρασία του δρομέα και αποφασίζει, αν θα επιτρέψει την εκκίνηση του κινητήρα.
• Προστασία από ασυμμετρία ρευμάτων. Σε περίπτωση ασυμμετρίας των τριών φάσεων του δικτύου η θερμοκρασία του δρομέα ανεβαίνει κατακόρυφα. Ειδικός Η/Ν αναλαμβάνει την επιτήρηση της συμμετρίας των τριών ρευμάτων και σε περίπτωση που υπερβούμε το επιτρεπτό όριο, δίνει εντολή απόζευξης.
Ομαλός εκκινητής μέσης τάσης (medium voltage soft starter)
Στους κινητήρες μέσης τάσης, όταν το φορτίο για λόγους μηχανικούς δε μπορεί να ξεκινήσει απ' ευθείας, χρησιμοποιείται ο ομαλός εκκινητής (soft starter)
Η αρχή λειτουργίας του φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Σε κάθε φάση υπάρχουν δύο θυρίστορ, τοποθετημένοι ανάστροφα, που λειτουργούν ως ηλεκτρονικοί διακόπτες. Κατά την εκκίνηση, οι διακόπτες αυτοί κλείνουν και επιτρέπουν τη διέλευση του ρεύματος μόνο σε ένα μικρό τμήμα της περιόδου Τ της εναλλασσόμενης τάσης. Αν αντιστοιχήσουμε την περίοδο Τ σε 360°, τότε χρησιμοποιούμε την έννοια της γωνίας αποκοπής α, για να περιγράψουμε τη λειτουργία του ομαλού εκκινητή.
• Όπου η γωνία αποκοπής είναι α = 180°, σημαίνει ότι δεν περνά καθόλου ρεύμα και ο κινητήρας είναι σταματημένος.
• Όταν ο ομαλός εκκινητής λάβει εντολή να ξεκινήσει, το ηλεκτρονικό σύστημα ελέγχου αρχίζει να ελαττώνει σταδιακά τη γωνία αποκοπής α, ο κινητήρας επιταχύνει, και φτάνει ομαλά την ονομαστική του ταχύτητα.
• Όταν η γωνία αποκοπής είναι α = 0°, σημαίνει ότι το ρεύμα του κινητήρα έχει φτάσει την ονομαστική του τιμή.
Με το ίδιο τρόπο, αλλά αυξάνοντας σταδιακά την γωνία αποκοπής από 0° σε 180° πετυχαίνουμε το ομαλό σταμάτημα του κινητήρα.
Τα πλεονεκτήματα της ομαλής εκκίνησης είναι:
• Μειωμένο ρεύμα στην εκκίνηση, με αποτέλεσμα τον περιορισμό στη βύθιση τάσης και την παρενόχληση του δικτύου.
• Ομαλή επιτάχυνση του φορτίου, με αποτέλεσμα τον περιορισμό ζημιών στην παραγωγική διαδικασία και στο τελικό προϊόν.
• Αύξηση του χρόνου ζωής όλων των μηχανικών μερών, π.χ κιβώτιο ταχυτήτων, εδράνων κ.λπ.
Ρύθμιση στροφών κινητήρων μέσης τάσης με μεταβολή της συχνότητας (medium voltage drive)
Ο μετατροπέας συχνότητας μετατρέπει την τριφασική τάση του δικτύου με σταθερό πλάτος (20 kV) και συχνότητα (50 Ηz) σε τριφασική τάση με μεταβλητό πλάτος και συχνότητα.
Λόγω του αυξημένου κόστους, τους συναντάμε σε ειδικές εφαρμογές όπου η ρύθμιση των στροφών και της ροπής του φορτίου είναι απαραίτητη για τη σωστή λειτουργία της παραγωγικής διαδικασίας. Τέτοιες εφαρμογές είναι:
• μεγάλες αντλίες δικτύων ύδρευσης και αποχέτευσης
• αντλίες, συμπιεστές σε πετροχημικές βιομηχανίες
• κίνηση της προπέλας σε πλοία
• ταινιόδρομοι σε ορυχεία, τσιμεντοβιομηχανίες
• μύλοι άλεσης σε βιομηχανίες τροφίμων
• ανεμιστήρες σε υπόγειες σήραγγες
Η αρχή λειτουργίας του ρυθμιστή στροφών φαίνεται στην παρακάτω Εικόνα .
1. Διακόπτης ισχύος
2.Μετασχηματιστής ισχύος με δύο δευτερεύοντα τυλίγματα
3. Διπλή ανορθωτική διάταξη αποτελούμενη από διόδους για τη μετατροπή της εναλασσόμενης τάσης σε συνεχή τάση σταθερού πλάτους.
4. Φίλτρο από συστοιχία πυκνωτών για την εξομάλυνση της συνεχούς τάσης.
5. Αντιστροφέας αποτελούμενος από ειδικά τρανζίστορ ισχύος μέσης τάσης.
Μετατρέπει τη συνεχή τάση σε εναλλασσόμενη τάση, μεταβλητής συχνότητας και πλάτους. Στην Εικόνα βλέπουμε ότι η κυματομορφή του εναλλασσόμενου ρεύματος στην έξοδο του αντιστροφέα δεν είναι τελείως ομαλή αλλά έχει μικρές διακυμάνσεις που οφείλονται στις αρμονικές(1) συχνότητες που δημιουργούνται KOTO τη διαδικασία της μετατροπής. Αν το ποσοστό των αρμονικών είναι μεγάλο τότε απαιτούνται επιπλέον φίλτρα στην έξοδο του αντιστροφέα.
6. Μετασχηματιστές τάσης και έντασης για τη μέτρηση της τάσης και του ρεύματος στην έξοδο του ρυθμιστή.
7. Κινητήρας βραχυκυκλωμένου δρομέα μέσης τάσης. Γνωρίζουμε ότι η ταχύτητα περιστροφής(2) του δρομέα εξαρτάται άμεσα από τη συχνότητα του Ε.Ρ που τροφοδοτεί τα τυλίγματά του.
Ο ρυθμιστής στροφών μέσης τάσης αποτελείται από μια μεταλλική ντουλάπα που περιέχει τα ηλεκτρονικά ισχύος (διόδους, τρανζίστορ κα.) αλλά και όλα τα κυκλώματα ελέγχου. Η επιλογή του γίνεται με βάση την ονομαστική ισχύ (kW) του κινητήρα αλλά και τα χαρακτηριστικά του φορτίου. Κατασκευάζονται από τυποποιημένες συρταρωτές ηλεκτρονικές κάρτες (modules), έτσι ώστε να είναι εύκολη η συντήρηση και η επισκευή τους. Στη διαδικασία της μετατροπής του Ε.Ρ σε Σ.Ρ και ξανά σε Ε.Ρ, ένα μέρος της ηλεκτρικής ισχύος μετατρέπεται σε θερμότητα. Η ψύξη των ηλεκτρονικών εξαρτημάτων ισχύος γίνεται με αέρα και, σε μεγάλους ρυθμιστές, με νερό (υδρόψυκτοι).
Δείτε την εκκίνηση ενός κινητήρα μέσης τάσης 1300KW/6KV με τη βοήθεια soft starter
