Ηλεκτροκινητήρες

Ο ηλεκτρικός κινητήρας ή ηλεκτροκινητήρας, (motor, κοινώς μοτέρ), είναι διάταξη που χρησιμοποιείται για την μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας σε μηχανική ενέργεια.

Αρχή λειτουργίας

Η αρχή λειτουργίας του ηλεκτρικού κινητήρα είναι η δύναμη Laplace. Όταν ένας αγωγός από τον οποίο διαρρέει ηλεκτρικό ρεύμα βρεθεί μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο ασκείται πάνω του δύναμη ίση με:

F = I * λ * B * ημφ

Όπου:

  • I = Ένταση Ρεύματος
  • λ = Μήκος Αγωγού
  • Β = Ένταση Μαγνητικού πεδίου
  • φ = η γωνία που σχηματίζει ο αγωγός με τη διεύθυνση των δυναμικών γραμμών ( Β )

Ηλεκτρογεννήτρια – Ηλεκτροκινητήρας

Σε έναν ηλεκτρικό κινητήρα συνεχούς ρεύματος συνυπάρχουν τα φαινόμενα του κινητήρα και της γεννήτριας αφού ουσιαστικά είναι η ίδια μηχανή αλλά με διαφορετική ροή ενέργειας (Μηχανική ενέργεια -> Ηλεκτρική ενέργεια). Συγκεκριμένα η μόνη διαφορά είναι ότι οι ψήκτρες εις μεν την ηλεκτρογεννήτρια αποτελούν τους ρευματοδότες, ενώ στον ηλεκτροκινητήρα τους ρευματολήπτες.

Έτσι καθώς ένας κινητήρας αυξάνει τις στροφές λειτουργίας του, δημιουργείται στον αγωγό μία ηλεκτρεγερτική δύναμη η οποία αντιτίθεται στην ηλεκτρεγερτική δύναμη που τροφοδοτεί τον αγωγό. Δηλαδή ο κινητήρας λειτουργεί και σαν γεννήτρια που τροφοδοτεί αντίθετα τον αγωγό, μειώνοντας το ρεύμα που τον διαρρέει.


Η τάση που παράγεται από το φαινόμενο αυτό ισούται με:

e = u * B * λ

u = Ταχύτητα αγωγού Β = Ένταση Μαγνητικού Πεδίου λ = Μήκος Αγωγού

Οι ηλεκτρικοί κινητήρες αποτελούνται από:

  • Τον Δρομέα

Ο Δρομέας αποτελείται από τον ηλεκτροφόρο αγωγό ο οποίος είναι τοποθετημένος σε πυκνές περιελίξεις (σπείρες) ώστε να περιέχει όσο μεγαλύτερο μήκος αγωγού γίνεται για δεδομένο όγκο.

  • Τον Στάτη

Ο Στάτης αποτελείται από μόνιμους ή τεχνητούς μαγνήτες οι οποίοι δημιουργούν το μαγνητικό πεδίο.

  • Τις Ψήκτρες

Οι Ψήκτρες έρχονται σε επαφή με τον δρομέα τροφοδοτώντας τον με ρεύμα.

Είδη

Οι ηλεκτροκινητήρες διακρίνονται σε “συνεχούς ρεύματος” (DC motors) και σε “εναλλασσόμενου ρεύματος” (AC motors).

Οι ηλεκτρoκινητήρες εναλλασσόμενου ρεύματος διακρίνονται επιμέρους στους “ασύγχρονους” ή “επαγωγικούς κινητήρες” και στους “σύγχρονους κινητήρες”. Σύγχρονοι κινητήρες είναι οι κινητήρες στους οποίους η μέση ταχύτητα περιστροφής είναι ευθέως ανάλογη της συχνότητας της εφαρμοζόμενης εναλλασσόμενης τάσης.

Πυκνωτής

Πυκνωτής (συμβ. C) ονομάζεται ένα σύστημα δύο γειτονικών αγωγών ανάμεσα στους οποίους παρεμβάλλεται μονωτικό υλικό. Αυτό το μονωτικό υλικό μπορεί να είναι αέρας, πλαστικό, μίκα κ.α. Οι δύο αγωγοί ονομάζονται οπλισμοί του πυκνωτή, ενώ το παρεμβαλλόμενο υλικό ονομάζεται διηλεκτρικό του πυκνωτή. Βασικό χαρακτηριστικό κάθε πυκνωτή είναι η ιδιότητά του να αποθηκεύει ηλεκτρικό φορτίο, επομένως ηλεκτρική ενέργεια. Όταν ένας πυκνωτής είναι φορτισμένος, οι οπλισμοί του έχουν ηλεκτρικά φορτία κατά μέτρο ίσα και αντίθετα. Ονομάζουμε φορτίο του πυκνωτή (Qc) το φορτίο του θετικά φορτισμένου οπλισμού του.

Μεταξύ των οπλισμών ενός φορτισμένου πυκνωτή αναπτύσσεται διαφορά δυναμικού, την οποία ονομάζουμε τάση του πυκνωτή (Vc).

To σταθερό πηλίκο του φορτίου ενός πυκνωτή προς την τάση του ονομάζεται χωρητικότητα του πυκνωτή και συμβολίζεται με το αγγλικό γράμμα C, που είναι το αρχικό γράμμα της λέξης Capacity:

Ισχύει ότι:

Μονάδα μέτρησης της χωρητικότητας του πυκνωτή είναι το 1 Φαράντ Farad (F). Πρόκειται όμως για μεγάλη μονάδα, που σπάνια χρησιμοποιείται στην πράξη. Συνήθως χρησιμοποιούνται τα υποπολλαπλάσιά του: μικροφαράντ (μF), νανοφαράντ (nF) και πικοφαράντ (pF).

Σύνδεση αντιστάσεων

Σύνδεση Αντιστάσεων

    Oι αντιστάσεις είναι βασικό στοιχείο κάθε κυκλώματος. Όταν έχουμε δύο ή περισσότερες αντιστάσεις, ορίζουμε την ολική ή ισοδύναμη αντίσταση Rολ , σαν την αντίσταση που δίνει το ίδιο αποτέλεσμα με το σύνολο των επιμέρους αντιστάσεων (R, R2 , R, …).

Σύνδεση αντιστάσεων σε σειρά.

 

    Ισχύει : Ι ίδιο, V = V1 + V2 + V3 , Rολ = R1 + R2 + R3 

   Παρατηρούμε ότι η ένταση του ρεύματος είναι η ίδια για κάθε αντίσταση. Η τάση V που δίνει η πηγή είναι το άθροισμα των τάσεων στα άκρα της κάθε αντίστασης. Η ολική αντίσταση του κυκλώματος είναι ίση με το άθροισμα των αντιστάσεων.

Η ολική αντίσταση είναι μεγαλύτερη από κάθε άλλη αντίσταση του κυκλώματος.

Παράλληλη σύνδεση ανιστάσεων

 

Ισχύει : V ίδιο, I = I1 + I2 + I3 , 1 / Rολ = 1 / R1 + 1 / R2 + 1 / R3

    Παρατηρούμε ότι η τάση της πηγής είναι η τάση σε κάθε αντίσταση. Η ένταση του ρεύματος που φτάνει στο κόμβο Α είναι ίση με το άθροισμα των εντάσεων των ρευμάτων που διαρρέουν την κάθε αντίσταση λόγω του 1ου κανόνα του Kirchhoff.

Η ολική αντίσταση είναι μικρότερη από κάθε άλλη αντίσταση του κυκλώματος.

Με συνδυασμό των παραπάνω περιπτώσεων μπορούμε να δημιουργήσουμε κάθε τιμή αντίστασης, ας δούμε ένα παράδειγμα:

 

   Δίνεται το κύκλωμα του σχήματος, όπου οι τιμές των αντιστάσεων είναι:  R1 =16 Ω, R2 = 12 Ω, R3 = 6 Ω και η τάση της πηγής V = 40 Volt. 

Να υπολογιστούν οι τιμές της τάσης και της έντασης του ρεύματος σε κάθε αντίσταση.

Λύση

Ας υπολογίσουμε πρώτα την ολική αντίσταση: Οι αντιστάσεις R2 και R3 είναι συνδεδεμένες παράλληλα, άρα 1 / R23 = 1 / R2 + 1 / R3 = (1 / 12) + (1 / 6) = 3 / 12 = 1 / 4 ⇒ R23 = 4 Ω. Η R1 και η R23  είναι συνδεδεμένες σε σειρά. Η ολική αντίσταση είναι το άθροισμα των επιμέρους αντιστάσεων ισχύει: Rολ = R1 + R23 = 16 + 4 = 20 Ω.

Ο νόμος του Ohm είναι: Ι = V / Rολ ⇒ I = 40 / 20 = 2 A. Ο νόμος του Ohm στη R: Ι =  V/ R⇒ V= I·R⇒ V= 2·16 = 32 Volt. Η τάση της Rκαι η τάση της Rή της Rείναι ίση με την τάση της πηγής: V= V+ V⇒ V=  V – V= 40 – 32 = 8 Volt. Ο νόμος του Ohm στην R: Ι2  = V/ R⇒ Ι2  = 8 / 12 = 2 / 3 Α.

Θα εφαρμόσουμε τον πρώτο κανόνα του Kirchhoff στον κόμβο Α:  Ι = Ι+ Ι⇒ Ι= Ι – Ι= 2 – 2 / 3 = 4 / 3 Α.