14ο ΕΣΠΕΡΙΝΟ ΕΠΑΛ ΘΕΣ/ΝΙΚΗΣ
ΣΧΟΛ. ΕΤΟΣ 2012-13
ΕΡΓΑΣΙΑ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΩΝ
ANTΩΝΙΟΥ ΑΛΕΞΑΝΔΡΟΣ ΔΗ1
ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΣ ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ
Ένας επαγωγικός ή ασύγχρονος κινητήρας είναι στην ουσία ένας κινητήρας εναλλασσομένου ρεύματος όπου η ηλεκτρομαγνητική ενέργεια μεταφέρεται επαγωγικά από τον έναν αγωγό στον άλλο. Πιο συγκεκριμένα από ένα κύριο τύλιγμα σε ένα δευτερεύον τύλιγμα τα οποία διαχωρίζονται από ένα ενδιάμεσο κενό αέρος. Στους τριφασικούς κινητήρες έχουμε αυτοεκκίνηση του κινητήρα κάτι που δεν ισχύει για τους μονοφασικούς. Η ενέργεια μεταφέρεται συνήθως από το στάτη στο δρομέα. Η χρήση τους επεκτείνεται συνεχώς και σε συνθήκες όπου χρειάζεται να υπάρχει έλεγχος της μεταβαλλόμενης συχνότητας για μεταβολή των στροφών και εξοικονόμηση ενέργειας. Ο πιο διαδεδομένος τύπος είναι αυτός του βραχυκυκλωμένου δρομέα.
Παρόλο του ότι υπάρχουν πολλά διαφορετικά σχέδια για ηλεκτρικούς κινητήρες ένα κοινό χαρακτηριστικό είναι ότι κατασκευάζονται και για τριφασική και για μονοφασική παροχή. Τα μειονεκτήματα της μονοφασικής λειτουργίας έναντι της τριφασικής είναι η μικρότερη ροπή, η πιο τραχιά λειτουργία καθώς και ότι χρειάζεται πρόσθετος εξοπλισμός για την εκκίνηση, κάτι που αυξάνει την πολυπλοκότητα του
κινητήρα.
Εικόνα 1. Μαγνητικό πεδίο μονοφασικού κινητήρα (http://www.pumped101.com/singlephasemotors.pdf)
Η εικόνα 1 δείχνει το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από το στάτη καθώς η μονοφασική παροχή ολοκληρώνει τον κύκλο της. Ο αριστερός πόλος είναι ο βόρειος και ο δεξιός ο νότιος. Καθώς κατεβαίνουμε στο διάγραμμα (μειώνεται το ρεύμα) οι δύο πόλοι αντιστρέφουν την προαναφερθείσα πολικότητα και καθώς ανεβαίνουμε επανέρχεται η αρχική πολικότητα.
Πιο συγκεκριμένα όσον αφορά τη λειτουργία τους, ο στάτης δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο μέσω των τυλιγμάτων του και αυτά εν συνεχεία, προκαλούν επαγωγικά τη δημιουργία ενός αντίθετου μαγνητικού πεδίου, καθώς και δυνάμεις πάνω στο δρομέα που προσπαθούν να αναιρέσουν τη μεταβολή του μαγνητικού πεδίου του στάτη. Στην πραγματικότητα δεν πρόκειται για ένα στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο αλλά για ένα μεταβαλλόμενο πεδίο, με απόκλιση 180 μοιρών. Από τη στιγμή που δεν πρόκειται για μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο ο ρότορας του κινητήρα θα παραμείνει ακίνητος. Αν γυρίζουμε όμως με το χέρι τον άξονα του κινητήρα προς οποιαδήποτε κατεύθυνση ο κινητήρας θα ξεκινήσει και θα συνεχίσει τη λειτουργία του με την ταχύτητα που αναλογεί στο ζεύγος των πόλων. Ο λόγος για τον οποίο ο δρομέας θα συνεχίσει να γυρίζει, είναι η εναλλαγή της πολικότητας αλλά και η ορμή του δρομέα. Η τελευταία του επιτρέπει να προσπερνά τις νεκρές περιοχές του στάτη στις οποίες δεν ασκείται κάποια δύναμη στο δρομέα και να φτάνει τις περιοχές των πόλων όπου δημιουργείται επαγωγή.
Υπάρχουν διάφοροι τρόποι εκκίνησης ενός μονοφασικού κινητήρα που απαιτούν διαφορετικό εξοπλισμό και παρουσιάζονται στη συνέχεια.
1. Κινητήρας με αντίσταση (split phase).
Είναι ο απλούστερος τύπος και χρησιμοποιεί ένα τύλιγμα για την εκκίνηση και ένα για την κανονική λειτουργία. Κάθε πόλος κανονικής λειτουργίας απέχει 90 μοίρες από έναν βοηθητικό εκκίνησης. Το τύλιγμα εκκίνησης έχει μικρότερης διαμέτρου αγωγό και κατ’ επέκταση δημιουργεί μεγαλύτερη αντίσταση σε σχέση με το τύλιγμα κανονικής λειτουργίας. Η μεγαλύτερη αντίσταση έχει σαν αποτέλεσμα τη δημιουργία μαγνητικού πεδίου στο βοηθητικό τύλιγμα νωρίτερα από το λειτουργίας, με 30 μοίρες περίπου προπορεία. Έτσι υπάρχει μια γωνία μεταξύ των δύο μαγνητικών πεδίων κατά 30 μοίρες που είναι αρκετή για να εκκινήσει τον κινητήρα, αν και το ιδανικό θα ήταν 90 μοίρες περίπου διαφορά. Το τύλιγμα εκκίνησης συνδέεται στο κύκλωμα παράλληλα με το κανονικής λειτουργίας μέσω έναν κανονικά κλειστού διακόπτη (συνήθως είναι ένας φυγοκεντρικός διακόπτης) που ανοίγει αποσυνδέοντας το βοηθητικό τύλιγμα στις 75% περίπου των ονομαστικών στροφών του κινητήρα. Ο λόγος της αποσύνδεσης είναι ότι ο κινητήρας λόγω της παράλληλης σύνδεσης των δύο τυλιγμάτων τραβάει αρκετό ρεύμα κατά την εκκίνηση και εάν παρέμενε συνδεδεμένο το βοηθητικό τύλιγμα θα υπερθερμαινόταν ο κινητήρας με συνέπεια την καταστροφή του στάτη. Ο συγκεκριμένος κινητήρας είναι είναι χαμηλού κόστους και παράγει μια ροπή εκκίνησης της τάξης του 100-175% αυτής της κανονικής λειτουργίας. Χρειάζεται πολύ υψηλό ρεύμα εκκίνησης (700-1000% του ρεύματος λειτουργίας) και για το λόγο αυτό χρησιμοποιείται σε εφαρμογές που δεν απαιτούν συχνές επανεκκινήσεις.
2. Εκκίνηση με πυκνωτή
Τα τυλίγματα είναι τα ίδια με την παραπάνω περίπτωση εκτός της διαμέτρου όπου το βοηθητικό τύλιγμα είναι της ίδιας διαμέτρου με το κανονικό. Ειδοποιός διαφορά στη συγκεκριμένη περίπτωση είναι η τοποθέτηση ενός πυκνωτή σε σειρά με το τύλιγμα εκκίνησης. Ο πυκνωτής αναλόγως της χωρητικότητάς του μπορεί να μας δώσει οποιαδήποτε διαφορά φάσης μεταξύ των δύο μαγνητικών πεδίων. Το βοηθητικό τύλιγμα αποσυνδέεται πάλι στο 75% των ονομαστικών στροφών του κινητήρα. Η εκκίνηση κινητήρα με πυκνωτή είναι πιο δαπανηρή και χρησιμοποιείται για ιπποδυνάμεις του ? με 3 ίππους. Δίνει μεγάλη ροπή εκκίνησης με εύρος 200-400% της ροπής κανονικής λειτουργίας. Παρουσιάζει μικρότερο ρεύμα εκκίνησης και για το λόγο αυτόν μπορεί να χρησιμποποιηθεί και για περιπτώσεις που έχουμε μεγαλύτερη συχνότητα επανεκκινήσεων.
2.1 Μονοφασικός κινητήρας με μόνιμο πυκνωτή (Cap Start Cap Run)
Η χρήση πυκνωτή μπορεί να πετύχει οποιαδήποτε επιθυμητή γωνία απόκλισης μεταξύ των δύο μαγνητικών πεδίων ενώ παράλληλα εξασφαλίζει ομαλότερη λειτουργία και μεγαλύτερη ροπή λειτουργίας εάν και εφόσον παραμείνει στο κύκλωμα. Χρησιμοποιείται λοιπόν πολλές φορές ένας πυκνωτής σε σειρά με το βοηθητικό τύλιγμα χωρίς όμως διακόπτη που να τον αποσυνδέει. Το αποτέλεσμα είναι ίδια περίπου ροπή συγκριτικά με την εκκίνηση με αντίσταση με πολύ μικρότερο όμως ρεύμα εκκίνησης. Ο συγκεκριμένος κινητήρας είναι λιγότερο δαπανηρός συγκριτικά με την προηγούμενη περίπτωση καθότι δεν χρειάζεται διακόπτη. Οι συγκεκριμένοι κινητήρες αφορούν ιπποδυνάμεις ? -1 ίππο και δίνουν χαμηλή ροπή εκκίνησης (30-50% της ροπής λειτουργίας). Χρειάζεται το μικρότερο ρεύμα εκκίνησης σε σχέση με οποιοδήποτε άλλο σχεδιασμό για μονοφασικό κινητήρα και αντέχει πάρα πολύ μεγάλο κύκλο λειτουργίας. Είναι ο πιο αξιόπιστος κινητήρας που υπάρχει.
3. Μονοφασικός κινητήρας με πυκνωτή εκκίνησης και πυκνωτή συνεχούς λειτουργίας (capacitor start, capacitor run motor)
Ο συγκεκριμένος κινητήρας συνδυάζει τα καλύτερα χαρακτηριστικά των δύο προηγούμενων περιπτώσεων. Ο πυκνωτής κανονικής λειτουργίας συνδέεται σε σειρά με το βοηθητικό τύλιγμα. Κατά την εκκίνηση μπαίνει στο κύκλωμα και ένας πυκνωτής εκκίνησης μέσω ενός κανονικά κλειστού διακόπτη. Ο συνδυασμός των δύο πυκνωτών παρέχει άφθονη ροπή κατά την εκκίνηση και την κανονική λειτουργία καθώς και ομαλότερη λειτουργία. Στην περίπτωση αυτή ένας φυγοκεντρικός διακόπτης αφαιρεί από το κύκλωμα τον πυκνωτή εκκίνησης στο 75% των ονομαστικών στροφών. Διατίθενται για εύρος ιπποδύναμης 1-15 ίππους.
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ
http://www.pumped101.com/singlephasemotors.pdf
