ΤΕΙ ΠΑΤΡΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΠΙΩΝ ΜΟΡΦΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ. Μελέτη Ηλεκτρικού Κινητήρα

Transcript

1 ΤΕΙ ΠΑΤΡΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΠΙΩΝ ΜΟΡΦΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Μελέτη Ηλεκτρικού Κινητήρα

2 Τύπος Ηλεκτρικού Κινητήρα Ασύγχρονος μονοφασικός ηλεκτρικός κινητήρας βραχυκυκλωμένου δρομέα. Α. Γενική Θεωρητική Ανάλυση Α. Αρχή Λειτουργίας Ηλεκτρικού Κινητήρα Ο Ηλεκτρικός Κινητήρας ονομάζεται και επαγωγικός κινητήρας και αυτό επειδή η αρχή λειτουργίας του βασίζεται στο φαινόμενο της επαγωγής. Από την ηλεκτροτεχνία γνωρίζουμε ότι όταν ένα μονοφασικό τύλιγμα στο στάτη, τροφοδοτηθεί από μια εναλλασσόμενη πηγή τάσης, θα δημιουργηθεί μαγνητικό πεδίο. Το μαγνητικό αυτό πεδίο είναι στρεφόμενο ( καθώς η τάση είναι εναλλασσόμενη, και έχει συχνότητα 50 Hz, δηλαδή την συχνότητα του δικτύου της Δ.Ε.Η. Όταν παρεμβάλουμε τον δρομέα στο εσωτερικό του στάτη, τότε ο δρομέας τέμνεται από τις μαγνητικές γραμμές του στάτη. Ο δρομέας στην προσπάθεια του να ευθυγραμμίσει το μαγνητικό του πεδίο με το στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο του στάτη, αρχίζει και περιστρέφεται. Ο κινητήρας για τον οποίο γίνεται η μελέτη αποτελεί το κύριο μέρος μιας αντλίας. Τάση λειτουργίας Ηλεκτρικού Κινητήρα Ονομαστική Τάση Λειτουργίας: V ΑC, με συχνότητα 50 Hz. Β. Κατασκευαστικά Μέρη Ενός Ηλεκτρικού Κινητήρα Τα μέρη από τα οποία αποτελείται ένας ηλεκτρικός κινητήρας είναι: Ο ρότορας ή ο δρομέας, αποτελεί το στρεφόμενο (κινούμενο) μέρος του κινητήρα, σχήμα 1. Στη περιφέρεια του δρομέα σχηματίζονται αυλάκια μέσα στα οποία τοποθετείται πρεσαριστά αγώγιμο υλικό (μπάρες) βραχυκυκλωμένο μεταξύ του. Έτσι το απλουστευμένο σχήμα του δρομέα είναι αυτό που φαίνεται στο σχήμα 1α.

3 Σχήμα 1α: Βραχυκυκλωμένος Δρομέας ή Κλωβός Σχήμα 1β: Ο ρότορας του κινητήρα που χρησιμοποιούμε στο πείραμα στο εργαστήριο των Η.Μ.Ε. του ΤΕΙ Πάτρας Ο στάτης, αποτελεί το σταθερό μέρος ενός κινητήρα, βλέπε σχήμα 2. Στο σχήμα φαίνεται επίσης και το ζεύγος πόλων του ηλεκτρικού κινητήρα τα οποία είναι τοποθετημένα αντιπαράλληλα και εσωτερικά του στάτη, καθώς και το πηνίο του κινητήρα.

4 Σχήμα 2: Ο στάτης του κινητήρα που διαθέτει το εργαστήριο Η.Μ.Ε. Διακρίνεται και το πηνίο τροφοδοσίας και ο οπλισμός του. Το κιβώτιο ακροδεκτών, είναι το σημείο στο οποίο καταλήγουν τα καλώδια για την τροφοδοσία του πηνίου του κινητήρα. Παρατήρηση Θα πρέπει να τονίσουμε ότι ο Ηλεκτρικός κινητήρας που θα μελετήσουμε είναι ασύγχρονος μονοφασικός ηλεκτρικός κινητήρας βραχυκυκλωμένου δρομέα. Με την εφαρμογή τάσης V/50Hz στο ακροκιβώτιο του από το δίκτυο ή από τον μετατροπέα DC/AC των φωτοβολταϊκών συστημάτων, αναπτύσσει σταθερές στροφές n=2850 στρ/min σύμφωνα με τις μετρήσεις που έγιναν [1]. Οι σύγχρονες στροφές του κινητήρα δηλαδή οι στροφές που έχει το στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο προκύπτουν από τον τύπο: n S : Σύγχρονες στροφές κινητήρα (στρ/min) ν: Συχνότητα (Hz) p: Ζεύγη πόλων κινητήρα Από την σχέση (1) προκύπτει: n = ν S 60 min (1) p

5 n S = 1 50Hz 60min ( ζεύγος πόλων) = 3000στρ / min Η ταχύτητα περιστροφής του μαγνητικού πεδίου είναι 3000στρ/min. Με αυτήν την ταχύτητα το μαγνητικό πεδίο ωθεί τον ρότορα του κινητήρα. Παρόλα αυτά, η ταχύτητα στον άξονα του κινητήρα φθάνει τις 2850στρ/min και σε καμία περίπτωση δεν μπορεί να φθάσει τις σύγχρονες στροφές του κινητήρα. Δηλαδή, ο κινητήρας δεν μπορεί να συγχρονιστεί στις σύγχρονες στροφές περιστροφής (n S ) και γι αυτό και ονομάζεται και ασύγχρονος. Με βάση τη σχέση (1) προκύπτει ότι, αριθμός των στροφών του κινητήρα μπορεί να μεταβληθεί μόνο με μεταβολή της συχνότητας της τάσης τροφοδοσίας και όχι με μεταβολή του μέτρου της τάσης τροφοδοσίας. Συγκεκριμένα, παρατηρήθηκε ότι ο κινητήρας ξεκινά να στρέφεται σε εφαρμογή τάσης τροφοδοσίας 150 V. Το γεγονός ότι ο κινητήρας δεν εκκινεί για V<100 Volts οφείλεται στις τριβές που αναπτύσσονται στον άξονα στρέψης του. Όσο πιο χαμηλή είναι η τάση και η ένταση του ρεύματος του κινητήρα τόσο πιο χαμηλή είναι και η ροπή του. Συνοψίζοντας, μπορούμε να διατυπώσουμε ότι όλα αυτά έχουν σαν αποτέλεσμα, σε εφαρμογή χαμηλής έντασης ρεύματος, ο κινητήρας να έχει ονομαστικές στροφές λειτουργίας, ωστόσο, η απόδοση ροπής στον άξονα του να είναι πολύ χαμηλότερη της ονομαστικής. Μ=C e ΦI (2) Μ= Ροπή στον άξονα του κινητήρα C e = Σταθερά Φ= Μαγνητική ροή του κινητήρα (δίνεται από τον κατασκευαστή) Ι= Ένταση ρεύματος που διαρρέει το πηνίο του κινητήρα Συναρμολόγηση Ηλεκτρικού Κινητήρα Για την συναρμολόγηση ενός κινητήρα ακολουθείται κάποια τυποποιημένη διαδικασία, η οποία όμως μπορεί να παρουσιάζει μικρές διαφορές σε κάθε κινητήριο σύστημα. Όμως, μέσα από την διαδικασία την συναρμολόγησης ενός ηλεκτρικού κινητήρα, γίνεται πιο κατανοητή η λειτουργία του κάθε μέρους αυτού. Για την συναρμολόγηση ενός ηλεκτρικού κινητήρα που θα συναντήσουμε με αντλία, ακολουθούμε τα εξής βήματα:

6 1) Αναγνωρίζουμε τον στάτη και τον δρομέα και τους τοποθετούμε αντικριστά για την συναρμολόγηση, σχήμα 3. Σχήμα 3: Εισαγωγή του δρομέα μέσα στον στάτη 2) Εισάγουμε τον δρομέα μέσα στον στάτη, σχήματα 4,5. Στην πλήρη κατασκευή του κινητήρα ο δρομέας με τον στάτη δεν έχουν επαφή, απλά εφάπτονται ο ένας στον άλλο. Σχήμα 4α: Εισαγωγή του δρομέα μέσα στον στάτη

7 Σχήμα 4β: Ο δρομέας έχει εισαχθεί στον στάτη και προβαίνουμε στις δέουσες συμπληρωματικές ενέργειες για την ασφάλιση του Σχήμα 5: Ο δρομέας έχει εισαχθεί στον στάτη και έχει φθάσει στο σημείο ασφάλισης του

8 3) Τοποθετούμε την βάση στήριξης του ρότορα. Με την βοήθεια αυτής, ο ρότορας θα εφάπτεται στον στάτη και θα κινείται ελεύθερα χωρίς να έχει καμία επαφή με την στάτη. Σε μεγαλύτερους ηλεκτρικούς κινητήρες στα μέρη στήριξης του ρότορα στον στάτη χρησιμοποιούνται ρουλεμάν για την μείωση των τριβών. Σχήμα 6: Βλέπουμε τον άξονα του ρότορα. Το λευκό μέρος τοποθετείται για την στήριξη του άξονα του κινητήρα Σχήμα 7: Τοποθέτηση των μερών στήριξης του ρότορα.

9 4) Τοποθέτηση ελαστικού για την στεγανοποίηση του κινητήρα. Στο σημείο πάνω από το ελαστικό, τοποθετείται στη συνέχεια η φτερωτή της αντλίας. Σχήμα 8: Προσαρμογή ελαστικού στεγανοποίησης 5) Τοποθέτηση της φτερωτής της αντλίας πάνω στον άξονα του κινητήρα. Σχήμα 9: Προσαρμογή της φτερωτής στον άξονα του κινητήρα

10 6) Προσαρμογή του συστήματος εισαγωγής και εξαγωγής νερού. Με το σύστημα αυτό μετατρέπουμε τον ηλεκτρικό κινητήρα σε αντλία, βλέπε σχήμα 10. Σχήμα 10: Τοποθέτηση εξαρτήματος άντλησης Σχήμα 11: Τελική μορφή αντλίας

11 Γ. Πειραματική Διαδικασία Γ1. Εν Κενό Λειτουργία Κατά την εν κενό λειτουργία, ο ηλεκτρικός κινητήρας λειτουργεί χωρίς να έχει φορτίο στον άξονα του. Στην περίπτωση ταύτη, ο Ηλεκτρικός κινητήρας έχει λειτουργία σαν αντλία, δεν παρέχουμε νερό στην είσοδο του. Επιτρέπουμε ελεύθερη περιστροφή του άξονα του κινητήρα. Για να λειτουργήσουμε τον κινητήρα εν κενό πραγματοποιούμε το κύκλωμα που ακολουθεί: PV v Inverter DC AC Ph N A Batteries M AC Σχήμα 12: Κύκλωμα λειτουργίας εν κενό Ηλεκτρικού Κινητήρα Αρχικά αυξάνουμε την Τάση εισόδου του κινητήρα από τα V. Ερώτηση: Για ποια τάση ο κινητήρας εκκινεί; Θεωρούμε αυτή την τάση ως τάση εκκίνησης του κινητήρα.

12 Η τάση εκκίνησης είναι η ελάχιστη τάση που πρέπει να εφαρμόσουμε στο πηνίο του κινητήρα, έτσι ώστε ο κινητήρας να αναπτύξει κατάλληλη ροπή για να υπερνικήσει τις τριβές και να περιστραφεί ο άξονας του. Αφού λάβουμε την μέτρηση λίγο πριν αρχίσει να στρέφεται ο κινητήρας, μεταβάλλουμε την τάση τροφοδοσίας του κινητήρα, από την τάση εκκίνησης (100 V περίπου), έως και την ονομαστική τάση (220V) με βήμα 20V και παράλληλα μετράμε την ένταση που απορροφά ο κινητήρας. Συμπληρώνουμε τον Πίνακα 1. Τάση τροφοδοσίας (Volts),V Ένταση ρεύματος (A), i Στροφές Κινητήρα (στρ/min), n Πίνακας Ι Αφού συμπληρώσουμε τον Πίνακα 1, ελαττώνουμε την τάση τροφοδοσίας από την ονομαστική με βήμα 10 Volts. Παράλληλα καταγράφουμε τις τιμές των στροφών. Ερώτηση: Τι συμβαίνει με την μεταβολή των στροφών; Ο κινητήρας σταματά στην ίδια τάση με την τάση εκκίνησης; Ερώτηση: Τι συμπεραίνετε από την όλη πειραματική διαδικασία; Συμπεράσματα:

13 Γ2. Λειτουργία με Φορτίο Κατά την λειτουργία με φορτίο, ο ηλεκτρικός κινητήρας λειτουργεί έχοντας φορτίο στον άξονα του. Συγκεκριμένα, για να φορτίσουμε τον κινητήρα, τον τροφοδοτούμε με νερό στην εισαγωγή που έχει η αντλία. Με αυτόν τον τρόπο η φτερωτή που είναι προσαρμοσμένη πάνω στον άξονα του παύει να στρέφεται εν κενό και στρέφεται υπό την αντίσταση που παρουσιάζει το νερό μέσα στο σύστημα άντλησης και στις σωληνώσεις. Για να λειτουργήσουμε τον κινητήρα με φορτίο, πραγματοποιούμε το κύκλωμα που ακολουθεί. Το φορτίο μας στη περίπτωση αυτή είναι το νερό που θα παρέχει η αντλία PV v Inverter DC AC Ph N A Batteries M AC Σχήμα 13: Κύκλωμα λειτουργίας με φορτίο Ηλεκτρικού Κινητήρα. Αρχικά, αφού πραγματοποιήσουμε το κύκλωμα την λειτουργίας με φορτίο, σχήμα 13,τροφοδοτούμε τον κινητήρα με εναλλασσόμενη τάση από 0 220V. Αφού λάβουμε μετρήσει λίγο πριν αρχίσει να στρέφεται ο κινητήρας, μεταβάλλουμε την τάση τροφοδοσίας του κινητήρα, από την τάση εκκίνησης (100 V περίπου), έως και την ονομαστική τάση (220V) με βήμα 20V. Παράλληλα μετρούμε την ένταση (i), με την οποία διαρρέεται ο κινητήρας. Συμπληρώνουμε τον Πίνακα ΙΙ.

14 Πίνακας ΙΙ Τάση τροφοδοσίας (Volts), V Ένταση ρεύματος (A), i Στροφές Κινητήρα (στρ/min), n Στην συνέχεια, ελαττώνουμε την τάση τροφοδοσίας από την ονομαστική με βήμα 10 Volts. Παράλληλα καταγράφουμε τις τιμές των στροφών. [1]: Οι μέτρηση των στροφών πραγματοποιήθηκε με φορητό στροφόμετρο Hioki TACHO HiTESTER (Total rotation counts from 0 to , Period: Measure rotation pulses from 600 µs to 2 sec)/ product/enviro/3404.html Links: 1) phase/index.html 2)