ΠΡΟΫΠΗΡΕΣΙΑΚΗ ΚΑΤΑΡΤΙΣΗ – ΠΡΥ 017ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΑ ΚΑΙ ΤΕΧΝΙΚΑ ΕΠΑΓΓΕΛΜΑΤΑ

Διαλέξεις 10 και 12ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΔΙΑΝΟΜΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ

ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

Δρ. Ηλίας Κυριακίδης

ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ

ΤΑ ΘΕΜΑΤΑΜΑΣ ΣΗΜΕΡΑ• Εισαγωγή στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας• Παραγωγή, μεταφορά και διανομή ηλεκτρικής ενέργειας• Συμβατικές και ανανεώσιμες πηγές ενέργειας• Αποθήκευση και μετατροπή ενέργειας• Μονοφασικά και τριφασικά κυκλώματα• Διόρθωση συντελεστή ισχύος• Μονοφασικοί και τριφασικοί μετασχηματιστές• Θεωρία σύγχρονων μηχανών (γεννήτριες και κινητήρες)• Μηχανές συνεχούς έντασης (γεννήτριες και κινητήρες)

Τι είναι το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας; Είναι το μεγαλύτερο και πιο σύνθετο δυναμικό σύστημα πουκτίστηκε ποτέ από ανθρώπους

230-400 V

Υποσταθμόςδιανομής

11 to 15.75 kV

Ηλεκτροπαραγωγόςσταθμός

Μετασχηματιστήςανύψωσης τάσης

Υποσταθμόςμεταφοράς

Σύστημα μεταφοράς

66 ή 132 kV

11 kV

Σύστημα διανομής

Απλό δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας

Γεννήτριες

Φορτίο

Φορτίο

Μετασχηματιστές

Διακόπτες

Το δίκτυο στο εγγύς μέλλον(Το όραμα της Ευρωπαϊκής Ένωσης)

ΣΤΑΔΙΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ

• ΠΑΡΑΓΩΓΗ

• ΜΕΤΑΦΟΡΑ

• ΔΙΑΝΟΜΗ

ΔΙΚΤΥΟΜΕΤΑΦΟΡΑΣ• Δίκτυο ψηλής τάσης (66 ή 132 kV).• Μεταφέρει την ηλεκτρική ισχύ από τους σταθμούςπαραγωγής στους υποσταθμούς μεταφοράς.

• Γίνεται σε ψηλή τάση για να μειωθούν οι απώλειεςισχύος I2R, αφού η μεταφορά γίνεται σε μεγάλεςαποστάσεις.

ΔΙΚΤΥΟΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΣΤΗΝ ΚΥΠΡΟ

Πηγή: Αρχή Ηλεκτρισμού Κύπρου

ΔΙΚΤΥΟ ΔΙΑΝΟΜΗΣ• Περιλαμβάνει

(α) το δίκτυο διανομής μέσης τάσης (11 kV) πουμεταφέρει την ηλεκτρική ισχύ από τους υποσταθμούςμεταφοράς στους υποσταθμούς διανομής(β) το δίκτυο διανομής χαμηλής τάσης (230/400 V) πουμεταφέρει την ηλεκτρική ισχύ από τους υποσταθμούςδιανομής στους καταναλωτές.

• Είναι το μεγαλύτερο σύστημα σε συνολικό μήκοςαγωγών.

ΑΞΙΟΠΙΣΤΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΔΙΚΤΥΟΥ

• Η ηλεκτρική ενέργεια δεν μπορεί να αποθηκευθεί σε μεγάλεςποσότητες (λόγω υψηλού κόστους) => Ο ηλεκτρισμός πρέπει ναπαραχθεί τη στιγμή που θα ζητηθεί.

• Η ροή ισχύος δεν μπορεί να ελεγχθεί ανοίγοντας ή κλείνονταςμια βαλβίδα ούτε με το ανοιγοκλείσιμο διακοπτών ή τη χρήσηδρομολογητών όπως στα δίκτυα τηλεπικοινωνιών.

Η επίτευξη αξιόπιστης λειτουργίας σε ένα δίκτυο ηλεκτρικήςενέργειας δεν είναι εύκολη:

Για την αξιόπιστη λειτουργία του δικτύου χρειάζονταιεκπαιδευμένοι και ικανοί χειριστές, ηλεκτρονικοί υπολογιστέςκαι λογισμικά, καλές τηλεπικοινωνίες και καλός σχεδιασμός καιμελέτη του δικτύου.

ΑΠΑΡΑΙΤΗΤΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΓΙΑ ΑΞΙΟΠΙΣΤΗΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ

• Συνεχές ισοζύγιο παραγωγής και ζήτησης ενεργού ισχύος• Συνεχές ισοζύγιο παραγωγής και ζήτησης άεργου ισχύος γιαδιατήρηση μέτρων τάσεως

• Παρακολούθηση ροών ισχύος μέσω γραμμών καιμετασχηματιστών ούτως ώστε να μην υπερβούν τα θερμικάόρια κάθε στοιχείου

• Διατήρηση συστήματος σε σταθερή κατάσταση• Διατήρηση ευστάθειας του συστήματος ακόμη και όταναφαιρεθεί ένα οποιοδήποτε στοιχείο του (κριτήριο Ν-1)

• Σχεδιασμός και μελέτες για τη λειτουργία και ανάπτυξη τουσυστήματος

• Ετοιμότητα για περιπτώσεις έκτακτης ανάγκης.

ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

60680260Κύπρος (2010 –πρόβλεψη)

0.110.78.201665Ελλάδα (2001)

171732630ΕΕ-25 (2002)

012.714.111.613.648.2ΗΠΑ (1979)

1.915.919.415.86.940.1Κόσμος (2003)

0.72313.32.120.940Κόσμος (1971)

87.19.4201.353.6ΗΠΑ (2000)

0.4109.420.64.255.5ΗΠΑ (1990)

2.300097.70Κύπρος (2011)

ΆλλεςΥδροηλεκτρικήΦυσικόΑέριο

ΠυρηνικήΠετρέλαιοΚάρβουνο

Μέθοδος παραγωγής (%)Χώρα

ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΚΥΠΡΟ

Συνολική εγκατεστημένη ισχύς: 1100 ΜW (2012)Μέγιστη ζήτηση: 1144 MW (Ιούλιος 2010) Χρονιαία κατανάλωση: 4423 GWh (2005), 4987 GWh (2011)

Κόστος ενέργειας: περίπου 15 σεντ/kWh κατά μέσο όροΕξαρτάται από την τιμή του καυσίμου και τηνκατανάλωση του πελάτη

ΗΛΕΚΤΡΟΠΑΡΑΓΩΓΟΙ ΣΤΑΘΜΟΙ

Θερμικοί Υδροηλεκτρικοί ΆλλοιΘερμότητα

↓Μηχανική ενέργεια

↓Ηλεκτρική ενέργεια

Δυναμική ενέργεια↓

Μηχανική ενέργεια↓

Ηλεκτρική ενέργεια

ΘΕΡΜΙΚΟΙ ΣΤΑΘΜΟΙ

Συμβατικοί(Conventional)

Πυρηνικοί(Nuclear)

Χρησιμοποιούν ουράνιο U235και άλλα ισότοπα

Αεριοστροβιλικοί(Gas turbines)

Συνδυασμένου κύκλου(Combined cycle)

Εσωτερικής καύσης(Internal combustion)

Ατμοηλεκτρικοί(Steam turbines)

ΣΥΜΒΑΤΙΚΟΙ ΘΕΡΜΙΚΟΙ ΣΤΑΘΜΟΙ

Αεριοστροβιλικοί (Gas turbines):Ο ατμοσφαιρικός αέρας συμπιέζεται και οδηγείται στον θάλαμοκαύσης όπου ψεκάζεται με πετρέλαιο diesel ή φυσικό αέριο. Τααέρια οδηγούνται στον αεριοστρόβιλο που τον αναγκάζουν ναπεριστραφεί. (Απόδοση 25-35%, γρήγορη εκκίνηση, χρήση ωςμονάδες αιχμής, ψηλό κόστος λειτουργίας).

Ατμοηλεκτρικοί (Steam turbines):Χρησιμοποιούν συμβατικά καύσιμα (κάρβουνο, μαζούτ, φυσικόαέριο) που καίγονται στο λέβητα για να δημιουργήσουν υπέρθερμοατμό, ο οποίος κινεί το στρόβιλο. (Απόδοση 30-45%, πολύ αργήεκκίνηση (πολλές ώρες), μικρό λειτουργικό κόστος).

ΣΥΜΒΑΤΙΚΟΙ ΘΕΡΜΙΚΟΙ ΣΤΑΘΜΟΙΣυνδυασμένου κύκλου (Combined cycle):Συνδυασμός αεριοστροβιλικού και ατμοηλεκτρικού σταθμού. Τααέρια από την έξοδο του αεριοστρόβιλου διοχετεύονται σε ένα άλλολέβητα όπου παράγεται ατμός που κινεί ατμοστρόβιλο. (Απόδοση50%).

Εσωτερικής καύσης (Internal combustion):Χρησιμοποιούν έμβολα (πιστόνια) για να μετατρέπουν πίεση σεμηχανική ενέργεια. Χρησιμοποιείται diesel ή φυσικό αέριο ωςκαύσιμο το οποίο εκρήγνυται μέσα στο πιστόνι και καίγεται. Τοπιστόνι δημιουργεί περιστρεφόμενη κίνηση μέσω ενός άξονα. (Απόδοση 50%). Χρησιμοποιούνται συνήθως σε μικρά συστήματακαι σε μεγάλα κτίρια για να παρέχουν εφεδρική ισχύ.

ΥΔΡΟΗΛΕΚΤΡΙΚΟΙ ΣΤΑΘΜΟΙ

Φυσικής ροής Δεξαμενής Υδροαντλητικοί(pumped storage)

Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας

Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ)Renewable Energy Sources (RES)

• Αιολική ενέργεια (wind energy)• Ηλιακή ενέργεια (solar energy)• Γεωθερμική ενέργεια (geothermal energy) • Υδροηλεκτρική ενέργεια (hydroelectric energy) • Βιομάζα (biomass)• Παλιρροιακή ενέργεια (tidal energy)

Συμβατικές Πηγές ΕνέργειαςConventional Energy Sources

• Πετρέλαιο (μαζούτ) (heavy fuel oil)• Κάρβουνο (coal)• Φυσικό αέριο (natural gas)• Πυρηνική ενέργεια (nuclear energy)

Παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος

Πηγή: http://www.tva.gov/power/coalart.htm

ΣΤΑΘΜΟΙ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ• Χώροι όπου γίνεται η παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος, είτε με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είτε με συμβατικές.

• Τάση παραγωγής: ~11-15.75 kV• Ένας μετασχηματιστής ανύψωσης τάσης αυξάνει τηντάση σε 66 ή 132 kV για να γίνει η μεταφορά της μέσωτου συστήματος μεταφοράς.

ΓΡΑΜΜΗΜΕΤΑΦΟΡΑΣ

Εναέριες γραμμέςμεταφοράς 132 kV

Γείωση/Αντικεραυνικήπροστασία (OPGW)

ΠυλώναςΜονωτής

ΔΙΚΤΥΟ ΔΙΑΝΟΜΗΣ• Περιλαμβάνει(α) το δίκτυο διανομής μέσης τάσης (11 kV) πουμεταφέρει την ηλεκτρική ισχύ από τους υποσταθμούςμεταφοράς στους υποσταθμούς διανομής(β) το δίκτυο διανομής χαμηλής τάσης (230/400 V) πουμεταφέρει την ηλεκτρική ισχύ από τους υποσταθμούςδιανομής στους καταναλωτές.

• Είναι το μεγαλύτερο σύστημα σε συνολικό μήκοςαγωγών.

ΔΙΚΤΥΟ ΔΙΑΝΟΜΗΣ

Στήριγμα πασσάλου

Ασφαλειοδιακόπτηςτύπου Δ (D-fuse)

Μονοφασικόςμετασχηματιστής

Εναέριες γραμμέςδιανομής ΧΤ 230/400 V

Εναέριες γραμμές διανομής ΜΤ 11 kV

ΔΙΚΤΥΟ ΔΙΑΝΟΜΗΣ

Στήριγμα πασσάλου

Ουδέτερος

Υπόγειο καλώδιο διανομής

Φάσεις (R, Y, B)

Οδικός φωτισμός

Πάσσαλος

ΥΠΟΣΤΑΘΜΟΙ• Είναι κόμβοι στο δίκτυο παροχής ηλεκτρισμού.• Στοιχεία υποσταθμών:-- Μετασχηματιστές (μεταβάλλουν την τάση και τηνένταση)-- Ασφαλειοδιακόπτες (circuit breakers) (ανοίγουν τοκύκλωμα σε περίπτωση σφάλματος)-- Διακόπτες αποσύνδεσης (disconnect switches)-- Μετασχηματιστές τάσης και έντασης (voltage and current transformers) (για σκοπούς μετρήσεων)-- Προστατευτικές συσκευές υπέρτασης (surge arresters)(για προστασία από κεραυνούς και από υπέρταση στοκύκλωμα)

ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΚΑΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

Αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας

Μετατροπή ενέργειας: Κυψέλες καυσίμου

Μπαταρίες ΥδρογόνοΠολύ ακριβή μέθοδος, πρακτικάαδύνατη για αποθήκευση μεγάλωνποσοτήτων ενέργειας

Μετατροπή ενέργειας σευδρογόνο, αποθήκευση, καιμετατροπή σε ηλεκτρική ενέργεια

ΟΙΚΟΝΟΜΙΑ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ• Το υδρογόνο δεν είναι πηγή ενέργειας.• Βρίσκεται σε χημικές ενώσεις στο νερό, τη βιομάζα, το φυσικόαέριο και το πετρέλαιο.

• Για να το πάρουμε από αυτές τις χημικές ενώσεις πρέπει νασπαταλήσουμε ενέργεια (περισσότερη από όση θα πάρουμε πίσω).

• Η οικονομία υδρογόνου είναι μια κοινωνία στην οποία το υδρογόνοχρησιμοποιείται εκτενώς (παραγωγή από πηγές ενέργειας, αποθήκευση, διανομή και μετατροπή σε άλλες μορφές ενέργειας(π.χ. ηλεκτρική και θερμική ενέργεια).

• Το υδρογόνο είναι ενδιάμεση μορφή ενέργειας σε ένα σύστημαμετατροπής ενέργειας.

ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ

Στην πλήρως αναπτυγμένη μορφή του, ένα ενεργειακό σύστημαυδρογόνου έχει 4 κύρια στάδια. Για το κάθε στάδιο απαιτούνταιμεγάλες επενδύσεις και μεγάλες αλλαγές στην υποδομή.

• Πηγή υδρογόνου και παραγωγή υδρογόνου• Αποθήκευση υδρογόνου• Διανομή υδρογόνου• Μετατροπή σε άλλες μορφές ενέργειας

ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ (FUEL CELLS)• Επιτρέπουν την μετατροπή υδρογόνου σε ηλεκτρισμό

(αποδοτικότητα συνήθως 40-60%).• Δεν προκαλούν μόλυνση στο περιβάλλον αφού τα υποπροϊόνταείναι νερό και θερμότητα.

Alcaline Fuel Cells (AFC)Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC)Molten Carbonate Fuel Cells (MCFC)Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC)Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)

Κύρια είδη κυψελών καυσίμου

ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΚΥΨΕΛΩΝ ΚΑΥΣΙΜΟΥ

750-1000 °C650-700 °C190-210 °C90-260 °C65-85 °CΛειτουργικήθερμοκρασία

45-65%60-80%40-80%70%40-50%Αποδοτικότητα

ΝαιΝαιΌχιΌχιΌχιΕσωτερικήαναμόρφωση(reforming)

Μέταλλαψηλήςθερμοκρασίαςή πορώδεςκεραμικό

Μέταλλαψηλήςθερμοκρασίαςή πορώδεςκεραμικό

Άνθρακαςή πορώδεςκεραμικό

Πλαστικό ήμέταλλο

Πλαστικό, μέταλλο ήάνθρακας

Συνήθηςκατασκευή

Ιόντα O2-ΙόνταΙόντα H+Ιόντα ΟH-Ιόντα H+Τύποςηλεκτρολύτη

SOFCMCFCPAFCAFCPEMFC−2

3CO

ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΥΨΕΛΩΝ ΚΑΥΣΙΜΟΥ

http://fuelcellsworks.com/Typesoffuelcells.html

• Άτομα υδρογόνου εισρέουν στην κυψέλη καυσίμου μέσω της ανόδου, όπου μια χημική αντίδραση τους αφαιρεί τα ηλεκτρόνια.

• Τα άτομα υδρογόνου είναι τώρα «ιονισμένα» και μεταφέρουν θετικόηλεκτρικό φορτίο.

• Τα ηλεκτρόνια που απελευθερώθηκαν, παρέχουν ηλεκτρική ένταση μέσω τωνκαλωδίων.

• Οξυγόνο εισρέει στην κυψέλη καυσίμουμέσω της καθόδου και ενώνεται με ταηλεκτρόνια που επιστρέφουν μέσω τουηλεκτρικού κυκλώματος και με τα ιόνταυδρογόνου που ταξίδεψαν μέσω τουηλεκτρολύτη προς την κάθοδο.

• Το υδρογόνο και το οξυγόνο ενώνονταιδημιουργώντας νερό και θερμότητα.

ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ

vs(t)

Ri(t)

L

a

b

Z R j Lω= +

Εμπέδηση (impedance)

X Lω=

Επαγωγική αντίσταση (reactance)

ΙΣΧΥΣ ΣΕ ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑΈστω,

Tf

VV

tVtv

prms

p

ππω

φω

222

)cos()(

===⇒

+=

Έστω,

2

)cos()(

prms

p

II

tIti

=⇒

+= δω

[ ] [ ])(2sinsin)(2cos1cos...

)cos()cos()()()(

φωθφωθ

δωφω

++++=

++==

tIVtIV

tItVtitvtp

rmsrmsrmsrms

pp

ΙΣΧΥΣ ΣΕ ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ[ ] [ ])(2sinsin)(2cos1cos)( φωθφωθ ++++= tIVtIVtp rmsrmsrmsrms

Μέση τιμή:

Ενέργεια η οποία απορροφάταιαπό το κύκλωμα

P: ενεργός ισχύς, real power, active power

Μονάδα μέτρησης: W (kW, MW)

θ: διαφορά φάσης μεταξύ V και I

θcosrmsrmsIVP = Μέση τιμή: 0Ενέργεια η οποία δανείζεται και αργότεραεπιστρέφεται στο κύκλωμα

Q: άεργος ισχύς, imaginary power, reactive power

Μονάδα μέτρησης: VAr (kVAr, MVAr)

θsinrmsrmsIVQ =Τιμή κορυφής:

ΙΣΧΥΣ ΣΕ ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑΓια επαγωγικό φορτίο, θ > 0 => Q > 0Για χωρητικό φορτίο, θ < 0 => Q < 0Για καθαρή αντίσταση, θ = 0 => Q = 0

jQPS +=S: φαινόμενη ισχύς (apparent power)Μονάδα μέτρησης: VA (kVA, MVA)

Οι νόμοι του Kirchhoff, ο διαιρέτης τάσης και ο διαιρέτηςέντασης καθώς και οι υπόλοιποι νόμοι για τα κυκλώματα ισχύουν.

ΑΝΤΙΠΡΟΣΩΠΕΥΣΗ ΠΟΣΟΤΗΤΩΝΜΕΜΙΓΑΔΙΚΟΥΣ ΑΡΙΘΜΟΥΣ

φφφφ sincos VjVVeVV j +=∠==

όπου rmsVV = , φ: φάση (phase angle)

δ∠= II

22

sincos

)(

QPS

jQPIVjIV

IVIVIVVIS

+=

+=+=

∠=−∠=−∠∠== ∗

θθ

θδφδφ

P

Q S

θ

ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΙΣΧΥΟΣΣυντελεστής ισχύος: power factor

θcosp.f. ===SP

IVP

rmsrms

Ο συντελεστής ισχύος είναι πάντα θετικός. Γι’ αυτό τοσυνοδεύουμε με τη λέξη προπορείας (leading) αν η έντασηπροηγείται της τάσης και επιπορείας (lagging) αν η έντασηκαθυστερεί σε σχέση με την τάση.

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΣτο πιο κάτω κύκλωμα:

Ω−=Ω+=Ω+=

∠=

3030Z126Z060Z

V01200

3

2

1

jjj

V

Z1 Z2 Z3

I1 I2 I3

I

V

Υπολογίστε την ισχύ που καταναλώνεται από κάθε φορτίο καιτην συνολική ισχύ που καταναλώνουν τα τρία φορτία.

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ (συνέχεια)

Z1 Z2 Z3

I1 I2 I3

I

V

kVA87.36120kVAr72kW96S

kVA941.33kVA24243030

1200

kVA331.107kVA9648126

1200

kW2460

1200

321TOTAL

3

2

*3

2*33

2

2

*2

2*22

2

*1

2

*1

**

1

*11

°∠=+=++=

=⇒−=+

===

=⇒+=−

===

====⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛==

jSSS

SjjZ

VVIS

SjjZ

VVIS

Z

V

ZVV

ZVVVIS

ΤΡΙΦΑΣΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑΓιατί τριφασική τάση;-- Υπάρχουν μεγάλα φορτία που χρειάζονται τριφασική τάση(π.χ. κινητήρες που χρειάζονται σταθερή ροπή).-- Μπορούμε να πάρουμε περισσότερη ισχύ ανά μονάδα βάρουςαπό μια τριφασική μηχανή παρά από μια μονοφασική.-- Η ισχύς που μεταφέρεται σε ένα τριφασικό σύστημα είναιπάντοτε σταθερή και όχι εναλλασσόμενη όπως σε έναμονοφασικό σύστημα.-- Χρειαζόμαστε λιγότερη μάζα καλωδίου για τη μεταφοράτριφασικής ισχύος.

ΤΡΙΦΑΣΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑΈστω ότι έχουμε ένα τριφασικό σύστημα που τροφοδοτεί ένατριφασικό φορτίο (κάθε φάση έχει το ίδιο φορτίο).

240)240sin(2)(

120)120sin(2)(

0)sin(2)(

−∠=−=

−∠=−=

∠==

VVtVtv

VVtVtv

VVtVtv

cc

bb

aa

ω

ω

ω

-- Διαφορά φάσης 120° μεταξύ των τάσεων-- Ακολουθία τάσεων: a-b-c

(ορθή ακολουθία, positive sequence)

Va

Vb

Vc

ΤΡΙΦΑΣΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑΈστω ότι το φορτίο σε κάθε φάση είναι θ∠= ZZ

ΑφούZVI =

)240()120(

0

θ

θ

θθ

−−∠=

−−∠=

−∠=∠∠

==⇒

IIII

IZV

ZVI

c

b

aa

Άρα, μπορούμε να ξεχωρίσουμε ένα τριφασικό κύκλωμα σε τρίαξεχωριστά μονοφασικά κυκλώματα. Στην πραγματικότητα, αυτάτα τρία κυκλώματα είναι ενωμένα μεταξύ τους.

Υπάρχουν δύο συνδεσμολογίες: η συνδεσμολογία αστέρα (Y) (starή wye) και η συνδεσμολογία δέλτα (Δ) (delta).

ΣΥΝΔΕΣΜΟΛΟΓΙΑ ΑΣΤΕΡΑΕνώνουμε τα αρνητικά άκρα των γεννητριών και των φορτίωνκαι έχουμε μόνο ένα ουδέτερο αγωγό (neutral).

van

vbnvcn

n

Z

nZ Z

ia

ibn

in

ib

ic

icn

ian

Αν τα φορτία είναι ακριβώς ίσα, η ένταση μέσω του ουδέτερουαγωγού είναι μηδέν.

cban IIII ++=

ΣΥΝΔΕΣΜΟΛΟΓΙΑ ΑΣΤΕΡΑΣχέσεις μεταξύ ποσοτήτων γραμμής και φάσης

cnc

bnb

ana

IIIIII

=

=

=

ή phaseline II =

Οι εντάσεις γραμμής ισούνταιμε τις εντάσεις φάσης

303 ∠= pLL VV Η τάση από γραμμή σε γραμμή προηγείται τηςαντίστοιχης φασικής τάσης κατά 30°.

ΣΥΝΔΕΣΜΟΛΟΓΙΑ ΔΕΛΤΑ

Z

ia

ibc

ib

ic

icaiab

Z

Z

pLL VV =

303 −∠= pL II

ΙΣΧΥΣ ΣΤΑ ΤΡΙΦΑΣΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑΙσχύς σε κάθε φάση:

[ ][ ][ ])4802cos(cos)(

)2402cos(cos)()2cos(cos)(

θωθθωθ

θωθ

−−−=−−−=

−−=

tIVtptIVtptIVtp

rmsrmsc

rmsrmsb

rmsrmsa

Συνολική ισχύς:θcos3)()()()( rmsrmscbatotal IVtptptptp =++=

Επομένως, η συνολική ισχύς που παρέχεται σε ένα τριφασικόσυμμετρικό φορτίο είναι σταθερή και ανεξάρτητη του χρόνου.

θφ cos33 pp IVP =

ΙΣΧΥΣ ΣΤΑ ΤΡΙΦΑΣΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑΗ τριφασική άεργος ισχύς στο τριφασικό κύκλωμα ορίζεται ως:

θφ sin33 pp IVQ =

Η φαινόμενη τριφασική ισχύς είναι:*

333 3sin3cos3 pppppp IVIVjIVQPS =+=+= θθφφφ

Οι πιο πάνω σχέσεις είναι για φασικές τάσεις και εντάσεις. Για τάσεις και εντάσεις γραμμής:

θφ cos33 LLL IVP =

θφ sin33 LLL IVQ =

Το θ είναι η διαφορά φάσης μεταξύ φασικής τάσης και φασικήςέντασης σε όλες τις σχέσεις.

ΔΙΟΡΘΩΣΗ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗ ΙΣΧΥΟΣΈστω ότι ένας κινητήρας είναι ενωμένος με μια πηγή 120 V rmsκαι του παρέχεται ένταση 10 A rms με 60° επιπορείας (lagging).Επομένως,

W6005.010120cos =××== θrmsrmsavg IVP

Όμως,

VA120010120 =×== rmsrmsIVS

Επομένως, η ηλεκτρική εταιρεία παρέχει τη διπλάσια ένταση απόόση θα χρειαζόταν να παρέχει αν η γωνία φάσης ήταν 0° (αφού οιπραγματικές ανάγκες του κινητήρα είναι 600 W).

Για να μειωθεί η ζήτηση άεργου ισχύος χρησιμοποιείται η μέθοδοςτης διόρθωσης συντελεστή ισχύος.

ΔΙΟΡΘΩΣΗ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗ ΙΣΧΥΟΣΈστω ότι έχουμε το πιο κάτω τρίγωνο ισχύος για ένα επαγωγικόφορτίο.

P1

Q1S1

φ1

Για να αυξήσουμε το συντελεστή ισχύοςπρέπει να μειώσουμε τη γωνία φ1. Άραπρέπει να μειώσουμε την άεργο ισχύ Q1.

Αν προσθέσουμε πυκνωτές παράλληλα με το φορτίο, θα παρέχουναρνητική άεργο ισχύ για να εξουδετερωθεί κάποια από τη θετικήάεργο ισχύ του φορτίου.

ΔΙΟΡΘΩΣΗ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗ ΙΣΧΥΟΣΈστω ότι VAr75W,100 11 kQkP ==

VA125121

211 kSQPS =⇒+=

lagging8.0cosp.f.125100cos 1

1

11 ==⇒== φφ

SP

Έστω ότι θέλουμε να αυξήσουμε το συντελεστή ισχύος σε 0.95 lagging.Τι πυκνωτή πρέπει να προσθέσουμε παράλληλα με το φορτίο;

P1

Q1S1

φ1

ΔΙΟΡΘΩΣΗ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗ ΙΣΧΥΟΣΠρέπει να προσθέσουμε μια συστοιχία πυκνωτών ούτωςώστε να μειώσουμε την άεργο ισχύ από Q1 σε Q2.

P1 = P2

Q1S1

φ1 φ2

Q2S2

Qc

2

22

22

tan

19.18cos95.0p.f.

PQ

=

°=⇒==

φ

φφ

VAr87.322 kQ =⇒

Επομένως, πρέπει να προσθέσουμε ένα πυκνωτή που θα μας προσφέρειQc = Q1 - Q2 => Qc = 42.13 kVAr.

VA26.105cos 2

22 kPS ==

φΗ νέα ζήτηση ισχύος είναι,

ενώ προηγουμένως ήταν 125 kVA.

,

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΕΣ• Είναι στατικές μηχανές• Έχουν δύο ή περισσότερα πηνία• Μετατρέπουν την τάση στο πρωτεύον πηνίο σε ψηλότερη ήχαμηλότερη τάση στο δευτερεύον, ανάλογα με τον λόγοσπειρών των δυο πηνίων.

• Η ισχύς εισόδου είναι η ίδια με την ισχύ εξόδου (μείον τιςαπώλειες).

• Υπάρχουν μονοφασικοί και τριφασικοί μετασχηματιστές.

-- Ο πυρήνας σε ένα μετασχηματιστή είναι φτιαγμένος από λεπτά, μονωμένα ελάσματα μετάλλου (συνήθως από ατσάλι μεπροσθήκη πυριτίου).

-- Οι δύο περιελίξεις του μετασχηματιστή είναι μονωμένες η μιααπό την άλλη.

ΙΔΑΝΙΚΟΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΗΣΣε ένα ιδανικό μετασχηματιστή αγνοούνται όλες οι απώλειες(αντιστάσεις, διαρροές ροών, ένταση διέγερσης)

+

-e1v1(t)

N1

i1(t)

+++

--

-

i2(t)

e2 v2(t)

N2

Λειτουργία μετασχηματιστή:-- Το πρωτεύον πηνίο τροφοδοτείται από εναλλασσόμενη τάση.-- Αυτή η τάση δημιουργεί μια μαγνητική ροή στον πυρήνα-- Επομένως δημιουργείται τάση εξ’ επαγωγής στο δευτερεύονπηνίο.

-- Αν υπάρχει φορτίο στο δευτερεύον πηνίο, τότε υπάρχει και ροήέντασης στα δυο πηνία.

ΚΥΡΙΕΣ ΣΧΕΣΕΙΣ ΣΕ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΕΣ

Στην περίπτωση του ιδανικού μετασχηματιστή, V = E

2211

1

2

2

1

2

1

2

1

1

IEIENN

II

NN

EE

=

==

==

α

α

ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΗΣ

-- R1 και R2: Αντίσταση των περιελίξεων-- X1 και X2: Μοντελοποιούν τη διαρρέουσα ροή μεταξύ των δυοπεριελίξεων-- Xm: Αφού ο πυρήνας δεν έχει άπειρη διαπερατότητα, χρειάζεται ένα ρεύμα μαγνητίσεως για να δημιουργήσει ροή στονπυρήνα.-- Rc: Απώλειες στο μαγνητικό υλικό (απώλειες πυρήνα, core losses) λόγω υστέρησης (hysteresis) και δινορευμάτων Eddy(eddy currents).

+

-E1V1

N1

I1

++

+

-

-

-

I2

E2 V2

N2

R1 R2X1

Rc

X2

Xm

Ic

Ie

Im

ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣΧρησιμοποιούνται για να ενώνουν δυο διαφορετικά συστήματα: τοηλεκτρικό και το μηχανικό.

Ηλεκτρικό σύστημα Μηχανικό σύστημα

e, i T, n

Τάση και ένταση Ροπή και ταχύτητα

ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ

ΜηχανέςΓεννήτριες (generators)

Κινητήρες (motors)

ΜηχανέςΕναλλασσόμενης έντασης (alternating current) (ac)

Συνεχούς έντασης (direct current) (dc)

ΑΡΧΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣΠΕΡΙΣΤΡΕΦΟΜΕΝΩΝΜΗΧΑΝΩΝΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΗΣ ΕΝΤΑΣΗΣ

Περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίοRotating magnetic field

Τι θα συμβεί αν βάλουμε δυο μαγνήτες τον ένα κοντά στον άλλο;

Επομένως, αν περιστρέφουμε τον ένα μαγνήτη συνεχώς, ο άλλοςμαγνήτης θα τον “κυνηγά” συνεχώς. Άρα ο δεύτερος μαγνήτης θαπεριστρέφεται.

Αυτή είναι η κύρια ιδέα λειτουργίας του κινητήρα ac.

Κινητήρας acAc motor

Δυο κύρια μέρη:Στάτης (stator)Δρομέας (rotor)

ΑκίνητοςΕλεύθερος να κινηθεί

Υπάρχουν δυο μαγνητικά πεδία: ένα στο στάτη και ένα στο δρομέα

Άρα, πρέπει να δημιουργήσουμε ένα περιστρεφόμενο μαγνητικόπεδίο στο στάτη για να αναγκάσουμε το μαγνητικό πεδίο τουδρομέα να το ακολουθά.

Αν μέσα από μια τριφασική περιέλιξη περνούν τρεις εντάσεις τουίδιου μέτρου αλλά με διαφορά φάσης 120°, τότε θα δημιουργηθείένα περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο το οποίο θα έχει σταθερόμέτρο.

Περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίοRotating magnetic field

Πηγή: http://www.powerditto.de/Schemaengl.html

Η τριφασική περιέλιξη αποτελείται από τρεις διαφορετικέςπεριελίξεις που είναι κατανεμημένες γύρω από την επιφάνεια τηςμηχανής με 120° απόσταση η μια από την άλλη.

Ανάλογα με τον τρόποπεριέλιξης δημιουργούνταικαι οι μαγνητικοί πόλοιστις μηχανές (2, 4, …).

Γιατί όμως δημιουργείται μαγνητικό πεδίο;Έστω ότι έχουμε μια πηγή η οποία αναγκάζει τις ακόλουθες εντάσειςνα ρέουν μέσω των περιελίξεων:

A)240ωsin()(A)120ωsin()(

Aωsin)(

°−=°−=

=

′

′

′

tItitItitIti

Mcc

Mbb

Maa

Ένταση μέσω περιέλιξης => Ένταση μαγνητικού πεδίου H

AT/m0ωsin)( °∠=′ tHtH Maa

:ωsin tHM

:0°∠

Μέτρο της έντασης μαγνητικού πεδίουΓωνία του διανύσματος της έντασης μαγνητικού πεδίου

Παρατήρηση: Ενώ το μέτρο μεταβάλλεται, η φορά παραμένει σταθερή.

Περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίοRotating magnetic field

AT/m240)240ωsin()(AT/m120)120ωsin()(

°∠−=°∠−=

′

′

tHtHtHtH

Mcc

Mbb

Με τον ίδιο τρόπο μπορούμε να βρούμε τις άλλες δύο εντάσειςμαγνητικού πεδίου:

HB μ=Η πυκνότητα μαγνητικού πεδίου δίνεται από:

Επομένως,

T240)240ωsin()(T120)120ωsin()(

T0ωsin)(

°∠−=°∠−=

°∠=

′

′

′

tBtBtBtBtBtB

Mcc

Mbb

Maa

Περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίοRotating magnetic field

Συνολική πυκνότητα μαγνητικής ροής:

]ωcosω[sin51240)240ωsin(120)120ωsin(0ωsin

)()()()(

tjtB.tBtBtB

tBtBtBtB

M

MMM

ccbbaatotal

−=°∠−+°∠−+°∠=

++= ′′′

⇒ Σταθερό μέτρο: 1.5BMΠεριστροφή με γωνιακή ταχύτητα ω

Επαγώμενη τάση (induced voltage) σεμηχανές ac

Τάση που επάγεται σε μια περιέλιξη λόγω παρουσίας σε μαγνητικόπεδίο: Vωsinφω tNe cind =

Nc: αριθμός σπειρών στην περιέλιξηφ: μαγνητική ροήω: γωνιακή ταχύτητα της περιστρεφόμενης μηχανής

Για τρία πηνία τοποθετημένα συμμετρικά σε ένα μαγνητικό πεδίο:

V)240ωsin(φω)(V)120ωsin(φω)(

Vωsinφω)(

°−=°−=

=

′

′

′

tNtetNtetNte

ccc

cbb

caa

Επαγώμενη τάση (induced voltage) σεμηχανές ac

Η μέγιστη τάση που επάγεται σε μια φάση είναι:

φωmax cNE =

Αφού f2πω = fNE cφπ2max =⇒

Η ενεργός (rms) τιμή της τάσης δίνεται από:

fNEfNE crmscrms φπ2φ2π2

=⇒=

Αποδοτικότητα

%100×=in

out

PPη

%100×+

=lossesout

out

PPPη

Απώλειες σε μηχανές ac(α) Απώλειες χαλκού (copper losses, I2R losses)

Λόγω της αντίστασης των περιελίξεων στο στάτη και στο δρομέα.

Απώλειες στάτη (stator copper losses):

Απώλειες δρομέα (rotor copper losses):

1213 RIPSCL =

2223 RIPRCL =

(β) Απώλειες πυρήνα (core losses)

Απώλειες λόγω υστέρησης και των δινορευμάτων eddy στονμεταλλικό πυρήνα της μηχανής.

Απώλειες σε μηχανές ac(γ) Απώλειες τριβής (friction losses)

Τριβή στα ρουλεμάν (bearings)Τριβή στις ψήκτρες (brushes)

(δ) Απώλειες εξαερισμού (windage losses)Τριβή μεταξύ των κινούμενων μερώντης μηχανής και του αέρα

Μηχανικές απώλειες

(ε) Λοιπές απώλειες (stray losses, miscellaneous losses)Είναι όλες οι μικρές απώλειες που δεν μπορούν να καταταχθούνσε κάποια άλλη κατηγορία

Διάγραμμα ροής ισχύος

Γεννήτρια

Κινητήρας

Ρύθμιση τάσης και ρύθμιση ταχύτηταςVoltage regulation and speed regulation

Ρύθμιση τάσης: Είναι ένα μέτρο της ικανότητας των γεννητριώννα διατηρούν μια σταθερή τάση στα άκρα τους κατά τη μεταβολήτου φορτίου τους.

Ρύθμιση ταχύτητας: Είναι ένα μέτρο της ικανότητας τωνκινητήρων να διατηρούν σταθερή την ταχύτητα του άξονα τους(shaft) κατά τη μεταβολή του φορτίου τους.

%100×−

=FL

FLNL

VVVVR

%100×−

=FL

FLNL

nnnSR %100

ωωω

×−

=FL

FLNLSRή

(n: rpm, ω: rad/s)

ΜΗΧΑΝΕΣ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΗΣΕΝΤΑΣΗΣ

Μηχανές acAc machines

Σύγχρονες μηχανέςSynchronous machines

Επαγωγικές μηχανέςInduction machines

ΣΥΓΧΡΟΝΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ• Είναι η ραχοκοκαλιά του συστήματος παραγωγής ηλεκτρικήςενέργειας.

• Μεγάλες σύγχρονες μηχανές βρίσκονται στους σταθμούςπαραγωγής.

• Κύρια μέρη: στάτης (stator) και δρομέας (rotor)• Στάτης: Σιδερένιος κύλινδρος μέσα στον οποίο βρίσκονταιτοποθετημένες στις αυλακώσεις (slots) οι περιελίξεις των τριώνφάσεων.

• Δρομέας: Σιδερένιος, συμπαγής κύλινδρος ο οποίος φέρει μιαπεριέλιξη (περιέλιξη διέγερσης)

ΔΡΟΜΕΑΣ ΣΥΓΧΡΟΝΗΣ ΜΗΧΑΝΗΣ

ΣΤΑΤΗΣ ΣΥΓΧΡΟΝΗΣ ΜΗΧΑΝΗΣ

Μεταλλικό περίβλημα

Πυρήνας από ελάσματα σιδήρου(με αυλακώσεις)

Μονωμένες ράβδοι χαλκούτοποθετημένες στις αυλακώσειςγια τη δημιουργία τωνπεριελίξεων στις τρεις φάσεις

ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΔΡΟΜΕΑ ΣΤΟΝ ΣΤΑΤΗ

ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ: ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ• Μέσα από την περιέλιξη διέγερσης του δρομέα, ρέει συνεχήςένταση (field current).

• Αυτό δημιουργεί ένα ηλεκτρομαγνήτη.• Εάν περιστραφεί ο δρομέας (π.χ. μέσω ενός ατμοστροβίλου), τότεδημιουργείται ένα στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο στο διάκενομεταξύ δρομέα και στάτη.

• Επομένως, επάγεται τάση στις περιελίξεις του στάτη αφούβρίσκονται μέσα σε ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο (νόμοςτου Faraday) (induced voltage).

• Οι τρεις τάσεις στις περιελίξεις θα είναι ημιτονοειδείς (δεδομένουότι η ταχύτητα περιστροφής του δρομέα είναι σταθερή και οιπεριελίξεις είναι τοποθετημένες με συγκεκριμένο τρόπο) και θαέχουν διαφορά φάσης 120° (δεδομένου ότι οι περιελίξεις είναιγεωμετρικά τοποθετημένες με απόσταση 120° μεταξύ τους).

ΜΗΧΑΝΕΣ DC (DC MACHINES)

Μηχανές dcΓεννήτριες

ΚινητήρεςΠιο διαδεδομένη η χρήση των κινητήρων dc παρά τωνγεννητριών dc.

Εφαρμογές κινητήρων dc: - Σε εφαρμογές όπου το ηλεκτρικό σύστημα είναι dc

(αυτοκίνητα, τρένα, αεροπλάνα)- Σε εφαρμογές όπου χρειάζονταιμεγάλες εναλλαγές στην ταχύτητα.

- Σε διάφορα μηχανήματα (αντλίες,γερανούς, ανεμιστήρες).

ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ- Οι περισσότερες μηχανές dc είναι όπως τις μηχανές ac, δηλαδήέχουν ac τάσεις και εντάσεις εσωτερικά.

- Η είσοδος ή η έξοδος τους όμως (ανάλογα αν είναι κινητήραςή γεννήτρια) είναι dc. Έχουμε μετατροπή ac/dc μέσω ενόςμηχανισμού που ονομάζεται μεταγωγός ή συλλέκτης(commutator).

Αποτελείται από δυο μέρη: το δρομέα (rotor) και το στάτη (stator)

Το εσωτερικό μέρος τηςμηχανής το οποίο κινείταιελεύθερα

Το εξωτερικό μέρος (ακίνητο)

ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑΤόσο στο στάτη όσο και στο δρομέα υπάρχουν αυλακώσεις (slots)για την τοποθέτηση αγωγών.

Στάτης κινητήρα dc [2]

ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ

Δρομέας κινητήρα dc [2]

ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ

Βασική διαφορά με τις μηχανές ac: Στις μηχανές dc η περιέλιξη πεδίου είναι τοποθετημένηστο στάτη ενώ οι περιελίξεις στις οποίες επάγεται ητάση (armature) είναι τοποθετημένες στο δρομέα.

ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΩΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ

- Δημιουργούμε μαγνητικό πεδίο στοστάτη (dc ένταση στην περιέλιξηπεδίου)

- Περιστρέφουμε το δρομέα μέσω ενόςκινητήρα.

- Η τομή του αγώγιμου βρόγχου με τηνμαγνητική ροή δημιουργεί επαγωγήτάσης στα άκρα της περιέλιξης.

ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΩΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑΕπαγώμενη τάση σε αγωγό που κινείται σε μαγνητικό πεδίο

lBve ⋅×= )(

ϑsinBvBv =×

v: ταχύτητα αγωγούB: μαγνητική ροήl: μήκος αγωγού στο μαγνητικό πεδίο

Αφού

μέγιστο γινόμενο όταν τα δυο διανύσματα είναι κάθετακαι ελάχιστο όταν είναι παράλληλα.

,

ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΩΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑΗ τάση που επάγεται είναι εναλλασσόμενη. Για να έχει μόνοθετικές τιμές χρησιμοποιούμε τον συλλέκτη (commutator) και τιςψήκτρες (brushes).

Ο συλλέκτης αποτελείταιαπό δυο ημικύλινδρουςμονωμένους πουδιαχωρίζονται απόμονωτικό υλικό. Ότανπεριστρέφεται άγειένταση εναλλάξ στονκάθε ημικύλινδρο μέσωτων ψήκτρων και έτσιέχουμε πάντα τάση τηςίδιας πολικότητας στοφορτίο.

Πηγή: P. C. Sen, Principles of electric machines and power electronics, John Wiley & Sons, Inc., 1997.

ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΩΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ

Για να βελτιώσουμε περαιτέρω την τάση, χρησιμοποιούμεπερισσότερες περιελίξεις (μικρότερη μεταβολή στηνκυματομορφή).

ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ

ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΩΣ ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ

Vdc30 NS

Bv

v

a

b

1

2

Ir_dc

Οι πόλοι στο στάτη διεγείρονται με ένταση dc => μαγνητικό πεδίο στο στάτηΜαγνητική ροή Β: κατεύθυνση από το βόρειο (N) στο νότιο (S) πόλομέσω του δρομέα.

brushes

commutator

Ο δρομέας τροφοδοτείται επίσης με ένταση dc.⇒ Ηλεκτροφόρος αγωγός σεμαγνητικό πεδίο.⇒ Δύναμη Lorentz στο δρομέα.⇒ Περιστροφή του δρομέα μέχριτο ουδέτερο σημείο μεταξύ τωνπόλων.Στο σημείο αυτό η δύναμη πουεξασκείται είναι μηδέν.Όμως, λόγω της αδράνειας, οδρομέας συνεχίζει την περιστροφήτου πέρα από το ουδέτερο σημείο.

ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΩΣ ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ

30 NS Vdc

a

b

1

2

B

v v

Ir_dc

Κανονικά, το μαγνητικό πεδίο σε αυτό το σημείο θα έσπρωχνε τοδρομέα προς την αντίθετη φορά με την οποία κινείται.Γι’ αυτό, η κατεύθυνση του ρεύματος στην περιέλιξη του δρομέααντιστρέφεται μέσω του συλλέκτη (commutator).

Για να αποφύγουμε την μεταβολή της ταχύτητας του κινητήρα μετην εναλλαγή της κατεύθυνσης του ρεύματος, χρησιμοποιούμεαρκετές περιελίξεις στο δρομέα.

Η συνεχής εναλλαγή τηςκατεύθυνσης του ρεύματοςόποτε ο δρομέας φτάνει στοουδέτερο σημείο, συντηρείτην κίνηση του κινητήρα.

ΑΠΟΔΟΤΙΚΟΤΗΤΑ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ DC

%100×=in

out

PPη

%100×+

=lossesout

out

PPPη

%100×−

=in

lossesin

PPPη

ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΣΕ ΜΗΧΑΝΕΣ DC(α) Απώλειες χαλκού (copper losses, I2R losses)

Λόγω της αντίστασης των περιελίξεων στο στάτη και στο δρομέα.

copper

FFAAcu RIRIP 22 +=

(β) Απώλειες πυρήνα (core losses)

Απώλειες λόγω υστέρησης και των δινορευμάτων eddy στονμεταλλικό πυρήνα της μηχανής.

armature field

(γ) Απώλειες στις ψήκτρες (brush losses)Λόγω της διαφοράς δυναμικού που αναπτύσσεται στις ψήκτρες.

Abb IVP =

brush

V2≈bV (θεωρείται σταθερή σεένα μεγάλο εύροςεντάσεων)

ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΣΕ ΜΗΧΑΝΕΣ DC(δ) Μηχανικές απώλειες

Λόγω τριβής των διαφόρων μερών μεταξύ τους (friction) και μετον αέρα (windage).Εξαρτώνται από την ταχύτητα του κινητήρα.

(ε) Λοιπές απώλειες (stray losses, miscellaneous losses)Είναι όλες οι μικρές απώλειες που δεν μπορούν να καταταχθούνσε κάποια άλλη κατηγορία (συνήθως 1% του πλήρους φορτίου).

ΕΙΔΗ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ DC

1. Ανεξάρτητης διέγερσης (separately excited)2. Παράλληλης διέγερσης (shunt)3. Διέγερσης σειράς (series)4. Σύνθετης διέγερσης (compounded)5. Dc κινητήρας με μόνιμο μαγνήτη (permanent-magnet dc motor)

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ• S. J. Chapman, Electric machinery and power system

fundamentals, New York: McGraw Hill, 2002.• T. Wildi, Electrical machines, drives, and power systems, 5th ed.,

Upper Saddle River: Prentice Hall, 2002. • G. G. Karady and K. Holbert, Electrical energy conversion and

transport: an interactive computer-based approach, Piscataway: IEEE Press, 2005.

• Z. A. Yamayee and J. L. Bala Jr., Electromechanical energy devices and power systems¸ John Wiley and Sons, Inc., 1994.

• J. D. Glover and M. S. Sarma, Power System Analysis and Design, 3rd ed., Pacific Grove: Thomson Learning, 2002.