1. Εισαγωγή Κατά την διάκριση των ηλεκτρικών μηχανών αναφερθήκαμε στις ηλεκτρικές μηχανές εναλλασσόμενου ρεύματος οι οποίες λειτουργούν με την μετατροπή εναλλασσόμενης ηλεκτρικής ενέργειας σε μηχανική ενέργεια (περίπτωση κινητήρα) και την μηχανική ενέργεια σε εναλλασσόμενη ηλεκτρική ενέργεια (περίπτωση γεννήτριας) . Καταλήγουμε λοιπόν ότι οι ηλεκτρικές μηχανές Ε.Ρ. ουσιαστικά διακρίνονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες : 1.Σύγχρονες: υπάρχει ορισμένη σταθερή σχέση ανάμεσα στην ταχύτητα περιστροφής και στην συχνότητα του ρεύματος 2. Ασύγχρονες: η ταχύτητα περιστροφής για μια ορισμένη συχνότητα του ρεύματος εξαρτάται από το φορτίο . Σημείωση: οι στροβιλοεναλλακτήρες αποτελούν ειδική κατηγορία εναλλακτήρων με εσωτερικούς πόλους. Τόσο στις σύγχρονες μηχανές όσο και στις ασύγχρονες ισχύει η αντιστρεψιμότητα . Δηλαδή , όπως είχαμε αναφέρει και στις ηλεκτρικές μηχανές Σ.Ρ. , μπορούν να λειτουργήσουν είτε ως γεννήτριες είτε ως κινητήρες . Περισσότερο συχνή είναι η χρήση της σύγχρονης μηχανής ως γεννήτρια Ε.Ρ. ή , αλλιώς, εναλλακτήρας . Οι βασικότερες χρήσεις των εναλλακτήρων είναι : • στους σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας . • σε εφεδρικά ηλεκτροπαραγωγά ζεύγη για εργοστάσια , νοσοκομεία κτλ . Σπανιότερα χρησιμοποιείται η σύγχρονη μηχανή που λειτουργεί ως κινητήρας και ονομάζεται σύγχρονος κινητήρας . Χρήση Εναλλακτήρων Οι εναλλακτήρες (γεννήτριες εναλλασσόμενου ρεύματος – AC) έχουν πολύ ευρεία χρήση σε πλήθος εφαρμογών, από την καθημερινότητα μέχρι τη βιομηχανία και την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. 1. Παραγωγή Ηλεκτρικής Ενέργειας Οι εναλλακτήρες είναι η καρδιά των σταθμών παραγωγής ρεύματος, μετατρέποντας μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική. Παραδείγματα: Υδροηλεκτρικοί σταθμοί (με υδροστρόβιλους) Θερμοηλεκτρικοί σταθμοί (με ατμοστρόβιλους) Πυρηνικοί σταθμοί Σταθμοί με αεριοστρόβιλους Σταθμοί παραγωγής από βιομάζα ή γεωθερμία Αιολικά πάρκα (εναλλακτήρες ενσωματωμένοι σε ανεμογεννήτριες) 2. Αυτοκίνητα και Οχήματα Οι εναλλακτήρες αυτοκινήτων (automotive alternators) χρησιμοποιούνται για την τροφοδοσία των ηλεκτρικών κυκλωμάτων του οχήματος και τη φόρτιση της μπαταρίας. Χαρακτηριστικά: Παράγουν AC, αλλά το μετατρέπουν σε DC (μέσω ανορθωτή) Κινούνται από τον κινητήρα του αυτοκινήτου μέσω ιμάντα 3. Βιομηχανία & Εργοστάσια Οι εναλλακτήρες χρησιμοποιούνται σε γεννήτριες εφεδρείας, μηχανές παραγωγής και συστήματα UPS. Εφαρμογές: Εφεδρική τροφοδοσία σε εργοστάσια Γεννήτριες για κρίσιμα φορτία Συνδυασμένα συστήματα με κινητήρες diesel ή φυσικού αερίου 4. Οικιακή και Εμπορική Χρήση Σε περιπτώσεις διακοπής ρεύματος, χρησιμοποιούνται φορητές γεννήτριες με εναλλακτήρες. Ενδεικτικά: Γεννήτριες για σπίτια και μικρές επιχειρήσεις Γεννήτριες για κατασκηνώσεις, τροχόσπιτα κ.λπ. 5. Νοσοκομεία – Κρίσιμες Υποδομές Οι εναλλακτήρες είναι μέρος συστημάτων αδιάλειπτης παροχής ρεύματος (UPS) και γεννητριών ανάγκης. Χρήσεις: Λειτουργία χειρουργείων και ΜΕΘ Τροφοδοσία κρίσιμου ιατρικού εξοπλισμού 6. Αεροπλάνα, Πλοία & Τρένα Οι εναλλακτήρες χρησιμοποιούνται για την ηλεκτρική ισχύ του συστήματος ή την προώθηση. Παραδείγματα: Στροβιλοεναλλακτήρες σε πλοία (π.χ. πολεμικά ή μεγάλα επιβατικά) Γεννήτριες σε αεροσκάφη για ηλεκτρικά κυκλώματα Τροφοδοσία ηλεκτρονικών συστημάτων σε τρένα 7. Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Οι ανεμογεννήτριες και ορισμένες φωτοβολταϊκές διατάξεις περιέχουν εναλλακτήρες ή συστήματα που βασίζονται σε αυτούς για τη μετατροπή ενέργειας. Διερεύνηση – Κατανόηση Εφαρμογών Βασικά Μέρη Δρομέας: Το κινούμενο μέρος που περιστρέφεται. Στάτης: Το ακίνητο μέρος Δακτύλιοι και ψηκτροθήκες: Μεταφέρουν το ρεύμα 2 Τύποι και κατασκευή εναλλακτήρων Από κατασκευαστική άποψη οι εναλλακτήρες διακρίνονται σε δύο κατηγορίες Α) εναλλακτήρες µε εξωτερικούς πόλους Β) εναλλακτήρες µε εσωτερικούς ή περιστρεφόµενους πόλους (στροβιλοεναλλακτήρες) 2.1 Εναλλακτήρες µε εξωτερικούς πόλους Σ’αυτούς η διέγερση της µηχανής γίνεται από µαγνητικούς πόλους στερεωµένους στο εσωτερικό του ζυγώµατος του στάτη, όπως και στις µηχανές συνεχούς ρεύµατος. Τα τυλίγµατα των πόλων τροφοδοτούνται µε συνεχές ρεύµα από πηγή συνεχούς ρεύµατος είτε γεννήτρια συνεχούς ρεύµατος ή ανορθωτική διάταξη. Ο δροµέας φέρει το επαγωγικό τύµπανο όπως και η µηχανή συνεχούς ρεύµατος και το τύλιγµά του τοποθετείται στα αυλάκια του πυρήνα. Αντί συλλέκτη υπάρχουν δακτύλιοι κατασκευασµένοι από ορείχαλκο στερεωµένοι στον άξονα του δροµέα σε αριθµό ίσο µε των αριθµό των φάσεων του εναλλακτήρα που συνδέονται µε το τύλιγµα του επαγωγικού τυµπάνου. Στούς δακτυλίους εφάπτονται ψήκτρες σταθερά συνδεδεµένες στο ακίνητο τµήµα της µηχανής που οδηγούν το παραγόµενο ρεύµα έξω από την µηχανή. Βασικά µειονεκτήµατα της κατασκευής είναι: • ότι ολόκληρο το ρεύµα φορτίου πρέπει να περνά από τις ψήκτρες • η ισχυρή καταπόνηση των τυλιγµάτων λόγω περιστροφής τους σε πολύστροφους εναλλακτήρες. Για τους παραπάνω δύο λόγους αυτός ο τύπος εναλλακτήρα κατασκευάζεται µόνο για µικρές ισχύς και χαµηλή τάση. 2.2 Εναλλακτήρες µε εσωτερικούς πόλους Στούς εναλλακτήρες αυτούς το επαγωγικό τύµπανο είναι τοποθετηµένο στο ακίνητο µέρος της µηχανής, τον στάτη. Οι µαγνητικοί πόλοι τοποθετούνται ακτινικά στον άξονα του περιστρεφόµενου δροµέα και για τον λόγο αυτό ονοµάζονται και εναλλακτήρες µε περιστρεφόµενους πόλους. Η διεγέρτρια µηχανή κινείται από τον άξονα του εναλλακτήρα. Ο στάτης αποτελείται από εξωτερικό κέλυφος κατασκευασµένο από χαλύβδινα ελάσµατα µέσα στο οποίο τοποθετείται το επαγωγικό τύµπανο που αποτελείται από τον πυρήνα και το τύλιγµα. Ο πυρήνας κατασκευάζεται από πολλούς δίσκους ελασµάτων µε κατάλληλο σχήµα ώστε, όταν τοποθετούνται παράλληλα, να σχηµατίζουν τα αυλάκια µέσα στα οποία τοποθετείται το τύλιγµα, τα άκρα του οποίου καταλήγουν απ’ευθείας στους ακροδέκτες χωρίς την παρεµβολή ψηκτρών και δακτυλίων. Ο δροµέας των εναλλακτήρων µε εσωτερικούς πόλους φέρει τους µαγνητικούς πόλους στερεωµένους ακτινικά. Στούς τριφασικούς εναλλακτήρες των σταθµών παραγωγής οι πυρήνες και τα πέδιλα των πόλων κατασκευάζονται από συµπαγή µαλακό χάλυβα. Το διάκενο µε πάχος µερικά mm επιτρέπει την ελεύθερη περιστροφή του δροµέα µέσα στον στάτη. Τα τυλίγµατα των πόλων τοποθετούνται στούς πυρήνες πριν µπούν τα πέδιλα και συνδέονται µεταξύ τους έτσι ώστε να δηµιουργούνται διαδοχικά µαγνητικοί πόλοι µε αντίθετη πολικότητα. Τα τυλίγµατα των πόλων τροφοδοτούνται µε συνεχές ρεύµα από την διεγέρτρια µηχανή (γεννήτρια συνεχούς ρεύµατος) µέσω ψηκτρών και δύο δακτυλίων (για μονοφασική γεννήτρια) στερεωµένων στον άξονα του δροµέα. Το ρεύµα αυτό και η τάση του είναι πολύ µικρά σε σχέση µε τα αντίστοιχα µεγέθη του επαγωγικού τυµπάνου και εποµένως η κατασκευή δεν καταπονείται ιδιαίτερα. Η όλη διάταξη είναι κατάλληλη για µηχανές µε µικρή σχετικά ταχύτητα περιστροφής και χρησιµοποιούνται σε συστήµατα παραγωγής µε κινητήρια µηχανή είτε υδροστρόβιλο ή µεγάλη µηχανή εσωτερικής καύσης. 2.3 Στροβιλοεναλλακτήρες Ανήκουν στην κατηγορία των µηχανών µε εσωτερικούς πόλους αλλά κατασκευάζονται να λειτουργούν µε κινητήριες µηχανές µεγάλης ταχύτητας περιστροφής όπως οι ατµοστρόβιλοι. Έτσι βασικό χαρακτηριστικό είναι η µικρή διάµετρος αλλά και το µεγάλο µήκος άξονα. Ο στάτης έχει την ίδια κατασκευή αλλά ο δροµέας δεν έχει εµφανείς πόλους και αποτελείται από συµπαγές κυλινδρικό τύµπανο µε αυλάκια µέσα στα οποία µπαίνει και στερεώνεται το τύλιγµα διέγερσης µε δύο συνήθως πόλους που καταλήγει σε δύο δακτυλίους στερεωµένους στον δροµέα που εφάπτονται σε δύο ψήκτρες στερεωµένες στον στάτη. Ερώτηση : γιατί ο στροβιλοενναλακτήρας κατασκευάζεται με μικρή διάμετρο και μεγάλο μήκος άξονα; Σκέψου τι θα συμβεί στα τυλίγματα του δρομέα όταν αυτός περιστρέφεται με πολύ μεγάλες ταχύτητες, όπως συμβαίνει σε έναν στροβιλοενναλακτήρα. ........................................................................................................................................................................................... Ερώτηση: Γιατί είναι σημαντικό ο στροβιλοεναλλακτήρας να περιστρέφεται με συγκεκριμένη ταχύτητα (π.χ. 3000 rpm για 50 Hz); ........................................................................................................................................................................................... Συσχέτιση με την πραγματικότητα Πού στη χώρα μας (ή στον κόσμο) πιστεύεις ότι χρησιμοποιούνται στροβιλοεναλλακτήρες; ........................................................................................................................................................................................... Σκέψου πρακτικά Αν χαλούσε ένας στροβιλοεναλλακτήρας σε έναν ηλεκτροπαραγωγικό σταθμό, ποιο θα ήταν το άμεσο αποτέλεσμα; ........................................................................................................................................................................................... 3. Η βασική Αρχή Λειτουργίας των Γεννητριών Ε.Ρ. Στις ηλεκτρικές γεννήτριες εναλλασσόμενου ρεύματος , συνήθως το τύλιγμα του οπλισμού βρίσκεται τοποθετημένο στον στάτη , ενώ το τύλιγμα της διέγερσης τοποθετείται στον δρομέα (εναλλακτήρες με εσωτερικούς πόλους ) . Έτσι το περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο του δρομέα μιας ηλεκτρικής μηχανής εναλλασσόμενου ρεύματος επάγει μονοφασικό εναλλασσόμενο ρεύμα στο τύλιγμα του οπλισμού του στάτη . Οι σύγχρονες γεννήτριες είναι μηχανές που τα τυλίγματα του επαγώγιμου διαρρέονται από εναλλασσόμενο ρεύμα . Το όνομα τους (σύγχρονες) προέρχεται από το γεγονός ότι η ταχύτητα περιστροφής του δρομέα είναι σε συγχρονισμό με την συχνότητα του εναλλασσόμενου ρεύματος που διαρρέει τα τυλίγματα του επαγώγιμου . Ταυτόχρονα το τύλιγμα διέγερσης του δρομέα διαρρέεται από συνεχές ρεύμα Ιδ (ρεύμα διέγερσης ή πεδίου) το οποίο προέρχεται από την διεγέρτρια , μία γεννήτρια συνεχούς ρεύματος . Στους εναλλακτήρες με εσωτερικούς πόλους το ρεύμα τυμπάνου (που δημιουργεί το μαγνητικό πεδίο ) μεταφέρεται από την διεγέρτρια στο τύμπανο μέσω των ψηκτρών και του συλλέκτη ενώ το ρεύμα του στάτη ( που τροφοδοτεί το φορτίο μας ) μεταφέρεται στο φορτίο απευθείας . Αντίθετα στους εναλλακτήρες με εξωτερικούς πόλους το ρεύμα τυμπάνου (που τροφοδοτεί το φορτίο μας) μεταφέρεται στο φορτίο μέσω των ψηκτρών και του συλλέκτη ενώ το ρεύμα του στάτη , (που δημιουργεί το μαγνητικό πεδίο ) , μεταφέρεται από την διεγέρτρια στη μηχανή απευθείας . 4. Συχνότητα και ταχύτητα περιστροφής Σε αυτό το κεφάλαιο θα μελετήσουμε εκτενέστερα την λειτουργία των σύγχρονων ηλεκτρικών γεννητριών εναλλασσόμένου ρεύματος ( δηλαδή των εναλλακτήρων ) . Έτσι είναι απαραίτητο να διευκρινίσουμε ορισμένες θεμελιώδης έννοιες της λειτουργίας των εναλλακτήρων . Η ηλεκτρεγερτική δύναμη μεταβάλλεται σε κάθε στροφή του δρομέα , διότι μεταβάλλεται η μαγνητική ροή Φ του μαγνητικού πεδίου του δρομέα . Αν το μαγνητικό πεδίο έχει Ρ ζεύγη μαγνητικών πόλων τότε η ηλεκτρεγερτική δύναμη ΗΕΔ εκτελεί Ρ αριθμό πλήρων μεταβολών . Η ταχύτητα περιστροφής της γεννήτριας συνδέεται με την συχνότητα της ηλεκτρεγερτικής δύναμης ΗΕΔ μέσω της ακόλουθης σχέσης : Όπου : f : Η συχνότητα της ΗΕΔ . Ρ : Ο αριθμός ζευγών των πόλων του εναλλακτήρα . ns: Η ταχύτητα περιστροφής του δρομέα σε κύκλους ανά δευτερόλεπτο . Σε περίπτωση που η ταχύτητα περιστροφής του δρομέα δίνεται σε κύκλους ανά λεπτό τότε θα πρέπει να την μετατρέψουμε σε κύκλους ανά δευτερόλεπτο . Δηλαδή η παραπάνω σχέση θα πρέπει να γίνει : Όπου : f : Η συχνότητα της ΗΕΔ . Δραστηριότητα : πατήστε στον ακόλουθο σύνδεσμο για να υπολογίσετε την ταχύτητα περιστροφής εναλλακτήρα: Υπολογισμός ταχύτητα περιστροφής εναλλακτήρα: