Λύσεις — Ενότητα 2.5: Ηλεκτρικοί κινητήρες Σ.Ρ. (σελ. 136) – ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Γ΄ ΕΠΑΛ
Λύσεις — Ενότητα 2.5: Ηλεκτρικοί κινητήρες Σ.Ρ. (σελ. 136)
Λύσεις των 18 ερωτήσεων της ενότητας 2.5: 16 ανοιχτές (7 σχεδιαστικές — περιγράφονται τα σχήματα του βιβλίου) και 2 πολλαπλής επιλογής.
Ερώτηση 1 — Λειτουργία κινητήρα σε κενό
Ερώτηση: Τι σημαίνει λειτουργία κινητήρα σε κενό;
Απάντηση:
- Ένας κινητήρας λειτουργεί σε κενό (χωρίς φορτίο) όταν στον άξονά του δεν συνδέεται κανένα φορτίο — δεν κινεί κανένα μηχάνημα (σελ. 114). Τότε η συνισταμένη των δυνάμεων στους αγωγούς του επαγώγιμου έχει να υπερνικήσει μόνο τις τριβές του κινητήρα (έδρανα, ψήκτρες, αέρας, ανεμιστήρας), οπότε η ένταση IT που απορροφά από την πηγή είναι πολύ μικρή σε σύγκριση με τη λειτουργία με φορτίο· η ΑΗΕΔ είναι σχεδόν ίση με την τάση της πηγής (Εα ≈ U) και οι στροφές οι μέγιστες της ρύθμισης. (Στους κινητήρες σειράς η λειτουργία σε κενό είναι επικίνδυνη — υπερτάχυνση, σελ. 127.)
Σύνοψη: (ενδεικτική) Λειτουργία χωρίς φορτίο στον άξονα· οι δυνάμεις υπερνικούν μόνο τις τριβές, το ρεύμα είναι πολύ μικρό (Εα ≈ U)· στους κινητήρες σειράς επικίνδυνη.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Ορισμός + μικρό ρεύμα (τριβές).
Ερώτηση 2 — Τι είναι η ΑΗΕΔ και πώς δημιουργείται
Ερώτηση: Τι είναι η ΑΗΕΔ και πως δημιουργείται;
Απάντηση:
- Όταν το επαγωγικό τύμπανο του κινητήρα τροφοδοτηθεί με ρεύμα, στρέφεται μέσα στο μαγνητικό πεδίο των πόλων· καθώς όμως οι αγωγοί του κόβουν τις μαγνητικές γραμμές, επάγεται σε αυτούς Η.Ε.Δ. (όπως σε γεννήτρια, Ε = Β·ℓ·υ·ημα). Σύμφωνα με τον κανόνα του Lenz, η επαγόμενη αυτή Η.Ε.Δ. αντιτίθεται προς την τάση της πηγής που προκαλεί το ρεύμα — γι' αυτό λέγεται αντιηλεκτρεγερτική δύναμη (ΑΗΕΔ), Εα (σελ. 114). Οι ΑΗΕΔ όλων των σπειρών σε σειρά προστίθενται: Εα = κ·Φ·n (2.10), ανάλογη της ροής ανά πόλο και της ταχύτητας.
- Για να διατηρηθεί το ρεύμα και η κίνηση, η τάση της πηγής U πρέπει να υπερνικά την ΑΗΕΔ και την πτώση τάσης στις ωμικές αντιστάσεις (αγωγοί, επαφές, ψήκτρες): U = Εα + IT·RT (2.9), άρα το ρεύμα κανονικής λειτουργίας είναι IT = (U − Εα)/RT (2.9΄). Η ΑΗΕΔ είναι ο αυτορρυθμιστής του κινητήρα: στην εκκίνηση είναι μηδέν (μέγιστο ρεύμα), με το φορτίο μειώνεται λίγο (αυξάνει το ρεύμα και η ροπή).
Σύνοψη: (ενδεικτική) Η Η.Ε.Δ. που επάγεται στους αγωγούς του στρεφόμενου τυμπάνου και, κατά Lenz, αντιτίθεται στην τάση της πηγής· Εα = κ·Φ·n· U = Εα + IT·RT → IT = (U − Εα)/RT.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Ορισμός + Lenz + τύποι.
Ερώτηση 3 — Ρεύμα εκκίνησης και μέτρα περιορισμού του
Ερώτηση: Τι παρατηρούμε κατά την εκκίνηση των κινητήρων Σ.Ρ. ως προς το ρεύμα εκκίνησης και τι μέτρα λαμβάνουμε για τον περιορισμό του;
Απάντηση:
- Παρατήρηση: τη στιγμή της εκκίνησης ο δρομέας δεν περιστρέφεται, άρα δεν αναπτύσσεται ΑΗΕΔ (Εα = 0). Το μόνο εμπόδιο στο ρεύμα είναι η αντίσταση του τυλίγματος RT, που είναι πολύ μικρή (συνήθως < 1 Ω), οπότε το ρεύμα εκκίνησης είναι μέγιστο: \( I_ε = \frac{U - 0}{R_T} = \frac{U}{R_T} \) (2.11) — π.χ. 220 V / 0,25 Ω = 880 A, 22 φορές το κανονικό (παράδειγμα 2). Το ρεύμα αυτό μπορεί να βλάψει την εγκατάσταση και τον κινητήρα (τύλιγμα, συλλέκτη, ψήκτρες) (σελ. 114-115).
- Μέτρα: τοποθετούμε σε σειρά με το τύμπανο μια μεταβλητή αντίσταση (ροοστάτη) Rε — τον εκκινητή, που μειώνει προσωρινά την τάση στους ακροδέκτες του κινητήρα: \( I_ε = \frac{U}{R_T + R_ε} \) (2.12), με την Rε στη μέγιστη τιμή της στην αρχή (π.χ. Rε = 3,41 Ω για Iεκ = 150 % της ονομαστικής). Η εκκίνηση γίνεται ομαλά, με διαρκώς αυξανόμενη ταχύτητα· όσο αυξάνει η ταχύτητα (και η ΑΗΕΔ), η αντίσταση του εκκινητή μειώνεται σταδιακά (χειροκίνητα ή αυτόματα με ρελέ χρονικής καθυστέρησης ή ρελέ τάσης — ενότητα 2.6) μέχρι να τεθεί εκτός κυκλώματος στην κανονική ταχύτητα. Εναλλακτικά (σύγχρονη πρακτική) η εκκίνηση γίνεται με μειωμένη τάση από ηλεκτρονικά ισχύος (θυρίστορ).
Σύνοψη: (ενδεικτική) Εκκίνηση: Εα = 0 → Iε = U/RT, πολύ μεγάλο (RT < 1 Ω, π.χ. 22× το ονομαστικό), επικίνδυνο· μέτρο: εκκινητής Rε σε σειρά (Iε = U/(RT + Rε)), μέγιστος στην αρχή, μειώνεται σταδιακά μέχρι να βγει εκτός — ή μειωμένη τάση με ηλεκτρονικά ισχύος.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Αιτία (Εα = 0) + τύπος + εκκινητής και λειτουργία του.
Ερώτηση 4 — Η σχέση της ροπής στρέψης κινητήρα Σ.Ρ.
Ερώτηση: Από ποια σχέση δίνεται η ροπή στρέψης που ασκείται σε έναν κινητήρα Σ.Ρ.;
Απάντηση:
- Οι δυνάμεις στους αγωγούς σχηματίζουν ζεύγος δυνάμεων που ασκεί ροπή στρέψης· γενικά T = F·r (Nm, δύναμη × απόσταση από τον άξονα) (2.13). Για πραγματικό κινητήρα Σ.Ρ. (σελ. 115): \( T = \frac{p \cdot s \cdot w}{2π \cdot α} \cdot Φ \cdot I_T \) (2.14), όπου p ζεύγη μαγνητικών πόλων, s στοιχεία του τυλίγματος, w αγωγοί ανά στοιχείο, α ζεύγη παράλληλων κλάδων, Φ μαγνητική ροή ανά πόλο (Vs), IT ρεύμα τυμπάνου (A). Ο πρώτος παράγοντας είναι σταθερός για κάθε μηχανή, οπότε \( T = κ_1 \cdot Φ \cdot I_T \) (2.15): η ροπή είναι ανάλογη της ροής και του ρεύματος του τυμπάνου. Παράδειγμα 5: (2·786/(2π·1))·0,03·30 = 225,3 Nm. Από την ισχύ στον άξονα: Tα = P·9,55/n (Nm, n σε στρ/min).
Σύνοψη: (ενδεικτική) T = (p·s·w/2π·α)·Φ·IT = κ1·Φ·IT — ανάλογη της ροής και του ρεύματος τυμπάνου (γενικά T = F·r· Tα = 9,55·P/n).
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Ο τύπος με τα μεγέθη + κ1·Φ·IT.
Ερώτηση 5 — Η ηλεκτρική ισχύς του κινητήρα με φορτίο
Ερώτηση: Τι παρατηρούμε στην ηλεκτρική ισχύ που απορροφά ο κινητήρας στη λειτουργία του με φορτίο;
Απάντηση:
- Όταν στον άξονα συνδέεται μηχάνημα (λειτουργία με φορτίο), η ηλεκτρική ισχύς που απορροφά ο κινητήρας από το δίκτυο εξαρτάται από το φορτίο και μεταβάλλεται αυτόματα ανάλογα με τις μεταβολές του: φορτίο ↑ → ισχύς ↑, φορτίο ↓ → ισχύς ↓ (σελ. 116). Μηχανισμός: με τη φόρτιση η ταχύτητα ελαττώνεται λίγο → ελαττώνεται η ΑΗΕΔ Εα = κ·Φ·n (2.17) → αυξάνεται το ρεύμα IT = (U − Εα)/RT (2.16) → αυξάνεται η ροπή T = κ1·Φ·IT (2.18)· η ελάττωση της ταχύτητας σταματά μόλις η ροπή γίνει ίση με τη ροπή του φορτίου συν τις απώλειες. Κάθε μεταβολή του μηχανικού φορτίου συνεπάγεται αυτόματη μεταβολή του IT και άρα της ισχύος P1 = U·I. Επειδή το IT·RT είναι μικρό ποσοστό της U, μια μικρή μεταβολή στροφών αντιστοιχεί σε μεγάλη μεταβολή ρεύματος (παράδειγμα 6: στροφές 5 %, ρεύμα 50 %).
Σύνοψη: (ενδεικτική) Μεταβάλλεται αυτόματα με το φορτίο: φορτίο ↑ → n ↓ λίγο → Εα ↓ → IT ↑ → T ↑ και P1 = U·I ↑ (μέχρι ισορροπία ροπών)· μικρή μεταβολή στροφών, μεγάλη μεταβολή ρεύματος.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Αυτόματη προσαρμογή + η αλυσίδα σχέσεων.
Ερώτηση 6 — Τρόποι ρύθμισης της ταχύτητας των κινητήρων Σ.Ρ.
Ερώτηση: Με ποιους τρόπους ρυθμίζουμε την ταχύτητα περιστροφής των κινητήρων Σ.Ρ.;
Απάντηση:
- Η εύκολη ρύθμιση των στροφών είναι το σημαντικό πλεονέκτημα των κινητήρων Σ.Ρ. έναντι των Ε.Ρ. Από τις σχέσεις Εα = U − IT·RT και Εα = κ·Φ·n προκύπτει \( n = \frac{U - I_T R_T}{κ \cdot Φ} \) (2.19), οπότε (σελ. 116-117): ① Με μεταβολή του ρεύματος διέγερσης (της ροής Φ), με σταθερή τάση U στο τύμπανο, μέσω ροοστάτη διέγερσης: Iδ ↓ (Φ ↓) → n ↑, Iδ ↑ → n ↓. Πλεονεκτήματα: ρύθμιση χωρίς απώλειες (μικρό ρεύμα στον ροοστάτη), μικρή διακύμανση· μειονεκτήματα: σπινθηρισμοί στον συλλέκτη και εξασθένηση της ροπής με πολύ ασθενές πεδίο· ποτέ χωρίς διέγερση (n → ∞). ② Με μεταβολή της τάσης U του τυμπάνου, με σταθερή διέγερση: U ↑ → n ↑ (γραμμικά, χαρακτηριστική n = f(U))· είναι η αποτελεσματικότερη τεχνική — μεγάλο εύρος ταχυτήτων χωρίς να επηρεάζεται η μέγιστη ροπή (σελ. 137)· σήμερα με ανορθωτικές γέφυρες θυρίστορ/ηλεκτρονικούς μετατροπείς (παλιότερα σύστημα Ward-Leonard). ③ (ενότητα 2.6) Με ρύθμιση της αντίστασης του οπλισμού (αντίσταση σε σειρά με το τύμπανο) — απλή αλλά με απώλειες.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Από n = (U − IT·RT)/(κ·Φ): (1) μεταβολή του ρεύματος διέγερσης με σταθερή U (Iδ ↓ → n ↑, χωρίς απώλειες, όχι χωρίς διέγερση)· (2) μεταβολή της τάσης τυμπάνου με σταθερή διέγερση (U ↑ → n ↑, θυρίστορ — η αποτελεσματικότερη)· (3) αντίσταση σε σειρά με τον οπλισμό.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Οι δύο βασικοί τρόποι με φορά μεταβολής (+ αντίσταση οπλισμού).
Ερώτηση 7 — Ονομαστική ισχύς κινητήρα Σ.Ρ.
Ερώτηση: Τι ονομάζουμε ονομαστική ισχύ σε κινητήρα Σ.Ρ.;
Απάντηση:
- Ονομαστική ισχύς κινητήρα — σε kW ή HP (1 HP = 0,736 kW) — είναι η μεγαλύτερη ισχύς που μπορεί να δίνει στον άξονά του ο κινητήρας συνεχώς εργαζόμενος με την ονομαστική του τάση, χωρίς να υπάρχει κίνδυνος να πάθει βλάβη από υπερθέρμανση (σελ. 117). Είναι μηχανική ισχύς (ισχύς εξόδου) P = Tα·n/9,55 — όχι η ηλεκτρική ισχύς εισόδου P1 = U·I, που είναι μεγαλύτερη κατά τις απώλειες· ο βαθμός απόδοσης αναφέρεται πάντα σε πλήρη φόρτιση (ονομαστική ισχύ).
Σύνοψη: (ενδεικτική) Η μέγιστη μηχανική ισχύς στον άξονα που δίνει συνεχώς με την ονομαστική τάση χωρίς κίνδυνο υπερθέρμανσης (σε kW ή HP, 1 HP = 0,736 kW).
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Ορισμός με «στον άξονα», «συνεχώς», «ονομαστική τάση», «υπερθέρμανση».
Ερώτηση 8 — Βαθμός απόδοσης κινητήρα και ποσοστά
Ερώτηση: Τι ονομάζουμε βαθμό απόδοσης του κινητήρα και σε ποια ποσοστά κυμαίνεται;
Απάντηση:
- Βαθμός απόδοσης κινητήρα Σ.Ρ. είναι ο λόγος της μηχανικής ισχύος στον άξονά του (ισχύς εξόδου P) προς την ηλεκτρική ισχύ που απορροφά από το δίκτυο (ισχύς εισόδου P1 = U·I) (σελ. 118): \( η = \frac{P}{P_1} = \frac{P}{P + P_{απ}} < 1 \) (2.22), όπου Pαπ = P1 − P οι απώλειες (μηχανικές, μαγνητικές, ηλεκτρικές — ίδιες με των γεννητριών). Είναι πάντοτε μικρότερος από τη μονάδα και κυμαίνεται από 75 % για τους μικρότερους κινητήρες έως 90 % για τους μεγαλύτερους· αναφέρεται πάντοτε σε πλήρη φόρτιση. Παράδειγμα 7: 50 kW, η = 80 %, 250 V → Iον = 50000/(250·0,8) = 250 A.
Σύνοψη: (ενδεικτική) η = P/P1 = P/(P + Pαπ) < 1 — μηχανική ισχύς άξονα προς ηλεκτρική ισχύ εισόδου· 75 % (μικροί) έως 90 % (μεγάλοι), σε πλήρη φόρτιση.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Ορισμός + τύπος + 75-90 %.
Ερώτηση 9 — Διάκριση κινητήρων ανάλογα με τη διέγερση
Ερώτηση: Πώς διακρίνονται οι κινητήρες ανάλογα με τη διέγερσή τους;
Απάντηση:
- Ανάλογα με τον τρόπο σύνδεσης του τυλίγματος διέγερσης, οι κινητήρες Σ.Ρ. διακρίνονται (σελ. 118) σε: α) ξένης διέγερσης — διέγερση από ανεξάρτητη πηγή Σ.Ρ.· β) παράλληλης διέγερσης — το τύλιγμα διέγερσης (F1-F2, πολλές σπείρες) παράλληλα με το τύμπανο, τροφοδοτούμενο από το κύκλωμα του οπλισμού (με σταθερή τάση τροφοδοσίας δεν έχει πρακτική διαφορά από τον ξένης)· γ) διέγερσης σειράς — τύλιγμα (S1-S2, λίγες χονδρές σπείρες) σε σειρά με το τύμπανο· δ) σύνθετης διέγερσης — παράλληλο και σειράς μαζί, που όπως στις γεννήτριες διακρίνονται σε αθροιστικής (το σειράς ενισχύει το πεδίο) και διαφορικής σύνθετης διέγερσης. Κάθε είδος έχει διαφορετικές χαρακτηριστικές: παράλληλης → σχεδόν σταθερές στροφές (αντλίες, εργαλειομηχανές)· σειράς → μεγάλη ροπή σε χαμηλές στροφές (έλξη, μίζα)· σύνθετης → ενδιάμεση συμπεριφορά.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Ξένης, παράλληλης, σειράς και σύνθετης (αθροιστικής/διαφορικής) διέγερσης — κατά τη σύνδεση του τυλίγματος διέγερσης ως προς το τύμπανο.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Τα τέσσερα είδη (+ υποδιαίρεση σύνθετης).
Ερώτηση 10 — Χαρακτηριστική n = f(U) κινητήρα παράλληλης διέγερσης
Ερώτηση: Να σχεδιαστεί η χαρακτηριστική n=f(U) σε κινητήρα παράλληλης διέγερσης και να δικαιολογηθεί η μορφή της.
Απάντηση:
- Σχέδιο (σχ. 2.23, σελ. 120): οριζόντιος άξονας η τάση εφαρμογής U (0-200 V), κατακόρυφος οι στροφές n (0-2400 στρ/min)· η χαρακτηριστική, για σταθερό ρεύμα φορτίου IT (και σταθερή διέγερση), είναι μια ευθεία γραμμή που ξεκινά κοντά στην αρχή των αξόνων και ανεβαίνει γραμμικά — π.χ. 100 V → ~1200 στρ/min, 200 V → ~2400 στρ/min.
- Δικαιολόγηση: από τη σχέση \( n = \frac{U - I_T R_T}{κ \cdot Φ} \) (2.19). Το γινόμενο IT·RT είναι μικρό ποσοστό της τάσης και σταθερό (το IT και η RT μένουν σταθερά), το ίδιο και ο παρονομαστής κ·Φ (σταθερή διέγερση)· άρα οι στροφές είναι γραμμική συνάρτηση της U και εξαρτώνται μόνο από αυτή. Συμπεράσματα: ① όταν η U αυξάνεται, αυξάνεται και ο αριθμός στροφών· ② οι αμοιβαίες αυξήσεις είναι γραμμικές, που σημαίνει ομαλή λειτουργία κατά την εκκίνηση (και ομαλή ρύθμιση στροφών με μεταβολή της τάσης — ο δεύτερος τρόπος ρύθμισης).
Σύνοψη: (ενδεικτική) Ευθεία γραμμή n ανάλογο του U (IT σταθερό)· από n = (U − IT·RT)/(κ·Φ), με IT·RT μικρό και σταθερό και κ·Φ σταθερό, οι στροφές είναι γραμμική συνάρτηση της τάσης → ομαλή εκκίνηση/ρύθμιση.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Περιγραφή ευθείας + δικαιολόγηση από τη σχέση 2.19.
Ερώτηση 11 — Χαρακτηριστική n = f(IT) κινητήρα διέγερσης σειράς
Ερώτηση: Να σχεδιαστεί η χαρακτηριστική n=f(lT) σε κινητήρα διέγερσης σειράς και να δικαιολογηθεί η μορφή της.
Απάντηση:
- Σχέδιο (σχ. 2.30, σελ. 127): οριζόντιος άξονας το ρεύμα φόρτισης IT (0-5 A), κατακόρυφος οι στροφές n (0-2400 στρ/min), για σταθερή τάση U. Η καμπύλη είναι υπερβολικής μορφής, απότομα φθίνουσα: για μικρά ρεύματα οι στροφές είναι πολύ υψηλές (τείνουν στο άπειρο καθώς IT → 0), και όσο το ρεύμα αυξάνει οι στροφές πέφτουν γρήγορα και μετά ομαλότερα, τείνοντας στο μηδέν για πολύ μεγάλο ρεύμα. Για μεγαλύτερη τάση U η καμπύλη μετατοπίζεται προς τα πάνω και η πτώση είναι ομαλότερη.
- Δικαιολόγηση: στον κινητήρα σειράς το ρεύμα φόρτισης είναι και ρεύμα διέγερσης (Iδ = IT), άρα η ροή Φ αυξάνει με το φορτίο. Από \( n = \frac{U - I_T R_T}{κ \cdot Φ} \): όταν το IT αυξάνει, μεγαλώνει ο παρονομαστής (Φ) και μικραίνει ο αριθμητής → n ελαττώνεται (IT → ∞, n → 0)· όταν το IT ελαττώνεται, η Φ μικραίνει → n αυξάνεται (IT → 0, n → ∞). Στην πράξη, σε κενό οι στροφές δεν φτάνουν στο άπειρο λόγω του παραμένοντος μαγνητισμού, αλλά ο κινητήρας υπερταχύνεται μέχρι καταστροφής — γι' αυτό ο κινητήρας σειράς δεν επιτρέπεται να λειτουργεί σε κενό (πρέπει να είναι μόνιμα ζευγμένος με το φορτίο, όχι με ιμάντα). Το γεγονός ότι δίνει μεγάλες στροφές σε μικρό φορτίο και χαμηλές στροφές/μεγάλη ροπή σε μεγάλο φορτίο τον κάνει ιδανικό για έλξη.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Απότομα φθίνουσα υπερβολή: IT ↑ → n ↓ (→ 0), IT ↓ → n ↑ (→ ∞, υπερτάχυνση σε κενό)· γιατί στον σειράς Iδ = IT και η Φ αυξάνει με το φορτίο (n = (U − IT·RT)/(κ·Φ))· ποτέ σε κενό· ιδανικός για έλξη.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Περιγραφή καμπύλης + δικαιολόγηση με Φ ∝ IT + κίνδυνος κενού.
Ερώτηση 12 — Σχέδιο κινητήρα αθροιστικής σύνθετης διέγερσης
Ερώτηση: Να σχεδιαστεί κινητήρας με αθροιστική σύνθετη διέγερση.
Απάντηση:
- Σχέδιο (σχ. 2.34α, σελ. 131): δύο γραμμές τροφοδοσίας L1 (+) και L2 (−). Από την L1: ① το παράλληλο τύλιγμα διέγερσης F1-F2 συνδέεται απευθείας μεταξύ L1 και L2 (παράλληλα προς όλο το κύκλωμα του οπλισμού), διαρρεόμενο από το ρεύμα IΠ (μπορεί να παρεμβληθεί ροοστάτης διέγερσης RΔ)· ② ο κλάδος του οπλισμού: L1 → εκκινητής Rε → ακροδέκτης A1 → τύμπανο (M) → A2 → βοηθητικοί πόλοι C1-C2 → τύλιγμα σειράς S1-S2 → L2, διαρρεόμενος από το ρεύμα IT (= Iδ του τυλίγματος σειράς). Το τύλιγμα σειράς σχεδιάζεται με λίγες χονδρές σπείρες, το παράλληλο με πολλές λεπτές. Αθροιστική σύνδεση: το τύλιγμα σειράς συνδέεται με τέτοια φορά ώστε το πεδίο του να προστίθεται στο πεδίο του παράλληλου (Φ = Φ1 + Φ2) — τα S1-S2 συνδέονται ώστε το ρεύμα να διαρρέει τις σπείρες του κατά την ίδια φορά με το ρεύμα του παράλληλου γύρω από τον ίδιο πόλο. Στο σχέδιο σημειώνονται τα ρεύματα IΠ (παράλληλο), IT (τύμπανο) και Iδ (σειράς) και η φορά τους.
- Λειτουργικά: με το φορτίο το ρεύμα του τυλίγματος σειράς αυξάνει την ολική ροή, οπότε οι στροφές πέφτουν περισσότερο από τον παράλληλης αλλά λιγότερο από τον σειράς (χαρακτηριστικές ενδιάμεσες)· το παράλληλο τύλιγμα εξασφαλίζει ότι σε κενό δεν υπερταχύνεται.
Σύνοψη: (ενδεικτική) L1-L2· παράλληλο τύλιγμα F1-F2 απευθείας μεταξύ των γραμμών (IΠ)· κλάδος οπλισμού: Rε → A1 τύμπανο A2 → C1-C2 βοηθητικοί → S1-S2 σειράς → L2 (IT)· το σειράς με φορά που ενισχύει το πεδίο του παράλληλου (αθροιστική).
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Περιγραφή συνδεσμολογίας με τους ακροδέκτες + έννοια «αθροιστική».
Ερώτηση 13 — Χαρακτηριστική n = f(IT) κινητήρα σύνθετης διέγερσης
Ερώτηση: Να σχεδιαστεί η χαρακτηριστική n=f(lT) σε κινητήρα σύνθετης διέγερσης και να δικαιολογηθεί η μορφή της.
Απάντηση:
- Σχέδιο (σχ. 2.35, σελ. 132): άξονες ρεύμα φόρτισης IT (0-10 A) — στροφές n (0-3000 στρ/min), για σταθερή τάση U και σταθερή αντίσταση του κυκλώματος της παράλληλης διέγερσης. Σχεδιάζονται δύο καμπύλες για σύγκριση: Β — η χαρακτηριστική του κινητήρα παράλληλης διέγερσης, σχεδόν οριζόντια ευθεία με ελαφρά κλίση προς τα κάτω· Α — η χαρακτηριστική του κινητήρα σύνθετης (αθροιστικής) διέγερσης, που ξεκινά από το ίδιο σημείο σε κενό αλλά πέφτει πιο έντονα καθώς αυξάνει το ρεύμα (καμπύλη με μεγαλύτερη κλίση, ανάμεσα στην ευθεία του παράλληλης και στην υπερβολή του σειράς).
- Δικαιολόγηση: από \( n = \frac{U - I_T R_T}{κ \cdot Φ} \) με Φ = Φ1 + Φ2 (ροή παράλληλου + ροή τυλίγματος σειράς). Όταν αυξάνεται το φορτίο, αυξάνει το IT που διαρρέει το τύλιγμα σειράς και άρα η προστιθέμενη ροή Φ2 → μεγαλώνει ο παρονομαστής → οι στροφές ελαττώνονται περισσότερο από ό,τι στον κινητήρα παράλληλης διέγερσης, όπου η ροή μένει σταθερή και η μικρή πτώση οφείλεται μόνο στο IT·RT. Σε κενό, όμως, υπάρχει πάντα η ροή Φ1 του παράλληλου τυλίγματος, οπότε ο κινητήρας δεν υπερταχύνεται όπως ο σειράς. Έτσι οι χαρακτηριστικές του σύνθετης βρίσκονται μεταξύ παράλληλης και σειράς (Ανακεφαλαίωση).
Σύνοψη: (ενδεικτική) Καμπύλη Α (σύνθετης) φθίνουσα πιο έντονα από την σχεδόν οριζόντια Β (παράλληλης)· γιατί Φ = Φ1 + Φ2 και η Φ2 του τυλίγματος σειράς αυξάνει με το IT → n = (U − IT·RT)/(κ·Φ) μειώνεται· σε κενό όχι υπερτάχυνση λόγω Φ1.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Δύο καμπύλες + δικαιολόγηση με Φ1 + Φ2.
Ερώτηση 14 — Συνδεσμολογία κινητήρα παράλληλης διέγερσης με αλλαγή φοράς
Ερώτηση: Να γίνει η συνδεσμολογία κινητήρα παράλληλης διέγερσης με αλλαγή της φοράς περιστροφής του.
Απάντηση:
- Κανονική συνδεσμολογία (σχ. 2.22): L1 → εκκινητής Rε → A1 → τύμπανο → A2 → βοηθητικοί πόλοι C1-C2 → L2· παράλληλα, L1 → ροοστάτης RΔ → F1 → παράλληλο τύλιγμα → F2 → L2. Αλλαγή φοράς (σελ. 119): δύο τρόποι — (α) αντιστροφή της φοράς του ρεύματος διέγερσης (εναλλαγή των άκρων F1 ↔ F2 στην πινακίδα), δηλαδή αλλαγή της πολικότητας των μαγνητικών πόλων, χωρίς αλλαγή στο ρεύμα του τυμπάνου· (β) — προτιμώμενος — αντιστροφή της φοράς του ρεύματος τυμπάνου: εναλλάσσουμε τις συνδέσεις A1 ↔ A2 (η L1 μέσω Rε πηγαίνει στο A2 και το A1 στους βοηθητικούς πόλους/L2), χωρίς να μεταβληθεί η πολικότητα των πόλων (F1-F2 ίδια). Για να διατηρηθεί η σωστή διαδοχή κύριων-βοηθητικών πόλων, οι βοηθητικοί πόλοι πρέπει να αλλάξουν πολικότητα μαζί με το τύμπανο — γι' αυτό παραμένουν σε σειρά με το τύμπανο και αντιστρέφονται ως ενιαίος κλάδος (A1-A2 + C1-C2), όχι μόνο το τύμπανο. Γιατί όχι και τα δύο μαζί: αν αντιστραφούν ταυτόχρονα διέγερση και τύμπανο, η φορά της ροπής μένει ίδια (F = Β·ℓ·I — αλλάζουν και Β και I).
Σύνοψη: (ενδεικτική) Κανονικά: Rε → A1 τύμπανο A2 → C1-C2 → L2, F1-F2 παράλληλα (μέσω RΔ)· αλλαγή φοράς: είτε εναλλαγή F1 ↔ F2 (πολικότητα πόλων) είτε — προτιμώμενο — εναλλαγή A1 ↔ A2 μαζί με τους βοηθητικούς πόλους, ποτέ και τα δύο μαζί.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Συνδεσμολογία + οι δύο τρόποι + βοηθητικοί πόλοι.
Ερώτηση 15 — Συνδεσμολογία κινητήρα διέγερσης σειράς με αλλαγή φοράς
Ερώτηση: Να γίνει η συνδεσμολογία κινητήρα διέγερσης σειράς με αλλαγή της φοράς περιστροφής του.
Απάντηση:
- Κανονική συνδεσμολογία (σχ. 2.29α, σελ. 126): L1 → εκκινητής Rε → S1 → τύλιγμα σειράς → S2 → A1 → τύμπανο → A2 → βοηθητικοί πόλοι C1-C2 → L2 — όλα σε σειρά, το ίδιο ρεύμα IT = Iδ. Αλλαγή φοράς (σχ. 2.29β): αντιστρέφουμε τη φορά του ρεύματος στο τύμπανο και στο τύλιγμα των βοηθητικών πόλων, χωρίς να αλλάξει η φορά του ρεύματος στο τύλιγμα διέγερσης S1-S2. Στην πινακίδα: η γέφυρα S2-A1 γίνεται S2-A2 και το A1 συνδέεται προς C2 → C1 → L1/L2 αντίστοιχα — δηλαδή εναλλάσσουμε τα άκρα του κλάδου «τύμπανο + βοηθητικοί πόλοι» (A1 ↔ A2 με τα C1-C2 πάντα σε σειρά με το τύμπανο), ενώ το S1-S2 μένει ως έχει. Γιατί όχι μέσω της πηγής: αν απλώς αντιστρέψουμε την πολικότητα L1-L2, αλλάζει φορά και η διέγερση και το τύμπανο, οπότε η ροπή (Β·ℓ·I) διατηρεί τη φορά της και ο κινητήρας δεν αναστρέφεται. Αν η αναστροφή χρειάζεται τακτικά κατά τη λειτουργία, χρησιμοποιείται εκκινητής-αναστροφέας ή ρυθμιστής στροφών-αναστροφέας.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Σειρά: Rε → S1-S2 → A1 τύμπανο A2 → C1-C2 → L2· αναστροφή: εναλλαγή των άκρων του κλάδου τυμπάνου + βοηθητικών πόλων (S2 στο A2, A1 προς C2) με το S1-S2 αμετάβλητο· όχι αντιστροφή πηγής (αλλάζουν και τα δύο)· εκκινητής-αναστροφέας για τακτική αναστροφή.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Συνδεσμολογία σειράς + η αλλαγή στην πινακίδα + γιατί όχι η πηγή.
Ερώτηση 16 — Συνδεσμολογία κινητήρα σύνθετης διέγερσης με αλλαγή φοράς
Ερώτηση: Να γίνει η συνδεσμολογία κινητήρα σύνθετης διέγερσης με αλλαγή της φοράς περιστροφής του.
Απάντηση:
- Κανονική συνδεσμολογία (σχ. 2.34α, σελ. 131): παράλληλο τύλιγμα F1-F2 μεταξύ L1-L2· κλάδος οπλισμού L1 → Rε → A1 → τύμπανο → A2 → C1-C2 (βοηθητικοί) → S1-S2 (σειράς) → L2, με το σειράς σε αθροιστική φορά. Αλλαγή φοράς (σχ. 2.34β): αλλάζουμε τη συνδεσμολογία στους ακροδέκτες ώστε να αντιστραφεί η φορά του ρεύματος μόνο στο επαγωγικό τύμπανο και στους βοηθητικούς πόλους: το A1 και το A2 εναλλάσσονται (η Rε πηγαίνει στο A2, το A1 συνδέεται προς C2-C1 και από εκεί στο S1-S2), ενώ η φορά του ρεύματος και στο παράλληλο τύλιγμα F1-F2 και στο τύλιγμα σειράς S1-S2 πρέπει να μείνει η ίδια όπως πρώτα — αλλιώς, αν άλλαζε μόνο το ένα από τα δύο τυλίγματα διέγερσης, η αθροιστική διέγερση θα γινόταν διαφορική. Το βιβλίο τονίζει ότι είναι προτιμότερη η αλλαγή φοράς στο ρεύμα τυμπάνου παρά η αλλαγή της πολικότητας των πόλων, ακριβώς επειδή υπάρχουν δύο τυλίγματα διέγερσης που πρέπει να διατηρήσουν τη σχέση τους. Οι βοηθητικοί πόλοι αντιστρέφονται πάντα μαζί με το τύμπανο (σωστή διαδοχή πόλων).
Σύνοψη: (ενδεικτική) F1-F2 παράλληλα, Rε → A1 τύμπανο A2 → C1-C2 → S1-S2 → L2· αναστροφή: εναλλαγή A1 ↔ A2 μαζί με τους βοηθητικούς πόλους, ενώ F1-F2 και S1-S2 κρατούν την ίδια φορά (αλλιώς αθροιστική → διαφορική)· προτιμάται η αντιστροφή τυμπάνου, όχι πόλων.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Συνδεσμολογία + αντιστροφή τυμπάνου/βοηθητικών + διατήρηση των δύο διεγέρσεων.
Ερώτηση 17 (πολλαπλής επιλογής) — Ένταση κινητήρα σε κενό
Ερώτηση: Όταν ο κινητήρας λειτουργεί σε κενό, τότε η ένταση που απορροφά από την πηγή είναι: α. πολύ μεγάλη, β. πολύ μικρή, γ. μηδέν.
Απάντηση:
- Σωστή απάντηση: β. πολύ μικρή — σε κενό οι δυνάμεις υπερνικούν μόνο τις τριβές, οπότε το ρεύμα είναι πολύ μικρό σε σύγκριση με το φορτίο — όχι μηδέν, γιατί υπάρχουν πάντα τριβές και απώλειες (σελ. 114).
Σύνοψη: β — πολύ μικρή (όχι μηδέν).
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Σωστό γράμμα + γιατί όχι μηδέν.
Ερώτηση 18 (πολλαπλής επιλογής) — Στροφές κινητήρα σειράς όταν αυξάνει το φορτίο
Ερώτηση: Σε ένα κινητήρα διέγερσης σειράς όταν το ρεύμα φόρτισης αυξάνει, οι στροφές: α. αυξάνονται, β. ελαττώνονται, γ. μένουν σταθερές.
Απάντηση:
- Σωστή απάντηση: β. ελαττώνονται — στον κινητήρα σειράς το ρεύμα φόρτισης είναι και ρεύμα διέγερσης· αύξησή του αυξάνει τη ροή Φ και από n = (U − IT·RT)/(κ·Φ) οι στροφές ελαττώνονται (χαρακτηριστική n = f(IT), σχ. 2.30).
Σύνοψη: β — ελαττώνονται.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Σωστό γράμμα + αιτιολόγηση.
