Λύσεις — Ενότητα 5.1: Ασύγχρονοι Μονοφασικοί Κινητήρες (σελ. 294) – ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Γ΄ ΕΠΑΛ

Λύσεις — Ενότητα 5.1: Ασύγχρονοι Μονοφασικοί Κινητήρες (σελ. 294)

Λύσεις των 13 ερωτήσεων της ενότητας 5.1: 8 θεωρίας και 5 πολλαπλής επιλογής.

Ερώτηση 1 — Διακοπή μιας φάσης Α.Τ.Κ. σε λειτουργία

Ερώτηση: Τι θα συμβεί αν κατά τη λειτουργία Α.Τ.Κ. διακοπεί η μια φάση του;

Απάντηση:

• Αν σε έναν Α.Τ.Κ. που βρίσκεται σε λειτουργία διακοπεί η μία φάση, ο κινητήρας εξακολουθεί να λειτουργεί, φυσικά με μειωμένη ισχύ (και αυξημένο ρεύμα στις άλλες δύο φάσεις — κίνδυνος υπερθέρμανσης αν το φορτίο μείνει το ίδιο): ανεξάρτητα από τη σύνδεση των φάσεων (σχ. 5.2), λειτουργεί ουσιαστικά με ένα μονοφασικό τύλιγμα στον στάτη του, αφού ο δρομέας που ήδη στρέφεται, μαζί με το παλλόμενο πεδίο, συντηρεί την περιστροφή (σελ. 287). Αν όμως τον σταματήσουμε και θελήσουμε να τον ξαναθέσουμε σε λειτουργία με τις δύο φάσεις, δεν ξεκινά: με μία ή δύο φάσεις δεν δημιουργείται στρεφόμενο Μ.Π., αλλά απλώς εναλλασσόμενο (παλλόμενο) — μηδενική ροπή εκκίνησης· ξεκινά μόνο αν του δώσουμε αρχική ώθηση με το χέρι ή άλλη ειδική διάταξη. Αυτή η τυχαία διαπίστωση οδήγησε στην αρχή λειτουργίας των Α.Μ.Κ.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Συνεχίζει να στρέφεται με μειωμένη ισχύ (μονοφασικό τύλιγμα, αυξημένο ρεύμα)· αν σταματήσει δεν ξεκινά ξανά, γιατί μία φάση δίνει παλλόμενο και όχι στρεφόμενο Μ.Π. — χρειάζεται αρχική ώθηση.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Λειτουργεί μειωμένα + δεν επανεκκινεί + γιατί.

Ερώτηση 2 — Τι είναι οι Α.Μ.Κ.· αρχή λειτουργίας

Ερώτηση: Τι ονομάζουμε Α.Μ.Κ.; Ποια η αρχή λειτουργίας τους;

Απάντηση:

• Α.Μ.Κ. (Ασύγχρονοι Μονοφασικοί Κινητήρες) ονομάζουμε τους ασύγχρονους (επαγωγικούς) κινητήρες με δρομέα κλωβού που τροφοδοτούνται από μονοφασικό δίκτυο Ε.Ρ. και έχουν στον στάτη μονοφασικό κύριο τύλιγμα (και ένα βοηθητικό για την εκκίνηση)· χρησιμοποιούνται σε σπίτια και μικρές επιχειρήσεις χωρίς τριφασική παροχή, σε μικρές ισχείς, με μικρότερο βαθμό απόδοσης και περισσότερο θόρυβο από τους Α.Τ.Κ. (σελ. 286).
• Αρχή λειτουργίας: ίδια με των Α.Τ.Κ. — στρεφόμενο Μ.Π. που επάγει ρεύματα στον κλωβό του δρομέα → δυνάμεις Laplace → περιστροφή με n < ns. Το μονοφασικό τύλιγμα από μόνο του δίνει παλλόμενο πεδίο, που συντηρεί την περιστροφή αν ο δρομέας ήδη στρέφεται, αλλά δεν δίνει ροπή εκκίνησης. Γι' αυτό το στρεφόμενο Μ.Π. για την εκκίνηση δημιουργείται από δύο τυλίγματα: το κύριο και ένα βοηθητικό (βοηθητική φάση), τοποθετημένο σε απόσταση μισού πολικού βήματος (90°) από το κύριο, που διαρρέεται από ρεύμα με διαφορά φάσης ως προς το ρεύμα του κύριου (με αντίσταση, πυκνωτή ή βραχυκυκλωμένες σπείρες). Όπως στο σχ. 5.3, όταν το ρεύμα του κύριου είναι μέγιστο το βοηθητικό είναι μηδέν και αντίστροφα ανά τέταρτο περιόδου, οπότε ο άξονας του συνολικού πεδίου στρέφεται μία πλήρη περιστροφή ανά περίοδο. Μετά την εκκίνηση το βοηθητικό συνήθως αποσυνδέεται (φυγοκεντρικός διακόπτης/ηλεκτρονόμος) και το στρεφόμενο πεδίο συντηρείται από το κύριο τύλιγμα και το επαγωγικό ρεύμα του δρομέα. Η ροπή εκκίνησης είναι τόσο μεγαλύτερη όσο η διαφορά φάσης πλησιάζει τις 90°.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Α.Μ.Κ. = ασύγχρονοι κινητήρες κλωβού με μονοφασικό κύριο τύλιγμα για 1~ δίκτυο· αρχή: στρεφόμενο Μ.Π. → επαγωγή στον δρομέα → Laplace· επειδή ένα τύλιγμα δίνει παλλόμενο πεδίο, για την εκκίνηση προστίθεται βοηθητικό τύλιγμα σε 90° με ρεύμα διαφορετικής φάσης (στρέφεται μία φορά ανά περίοδο)· μετά την εκκίνηση αποσυνδέεται· Τεκ ↑ προς 90°.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Ορισμός + δύο τυλίγματα + διαφορά φάσης.

Ερώτηση 3 — Είδη Α.Μ.Κ. και χρήσεις

Ερώτηση: Ποια τα κυριότερα είδη των Α.Μ.Κ.; Πού χρησιμοποιείται το κάθε είδος;

Απάντηση:

• Ανάλογα με τον τρόπο δημιουργίας της διαφοράς φάσης στο βοηθητικό τύλιγμα (σελ. 288-289): α) Α.Μ.Κ. με αντίσταση — βοηθητικό μεγάλης ωμικής αντίστασης (± αντιστάτης σε σειρά)· μικρή ροπή εκκίνησης, αρκετός θόρυβος, πολύ φθηνοί, ισχύς ≤ 3/4 HP· χρήσεις χωρίς μεγάλη ροπή εκκίνησης: μηχανές γραφείου, ανεμιστήρες, φυσητήρες, φυγοκεντρικές αντλίες, πλυντήρια, ηλεκτροκίνητα εργαλεία, καυστήρες, συμπιεστές. β) Α.Μ.Κ. με πυκνωτή (ή πυκνωτές) — πυκνωτής σε σειρά με το βοηθητικό (εκκίνησης, μόνιμος, ή C1 + C2)· μεγαλύτερες ισχείς (≤ 3 HP ≈ 2 kW), μεγάλη ροπή εκκίνησης, ακριβότεροι· χρήσεις με εκκίνηση υπό φορτίο: αεροσυμπιεστές, αντλίες, ράμπες συνεργείων, ηλεκτρικά ψυγεία, κλιματιστικά. γ) Α.Μ.Κ. με βραχυκυκλωμένες σπείρες στον στάτη — 2-3 βραχυκυκλωμένες σπείρες σε σχισμένους πόλους· η μικρότερη ροπή εκκίνησης και ο μικρότερος βαθμός απόδοσης, αλλά πολύ φθηνοί και αξιόπιστοι· οικιακές συσκευές πολύ μικρής ισχύος (~30 W): ανεμιστήρες, στεγνωτήρες μαλλιών.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Με αντίσταση (≤ 3/4 HP, φθηνοί, μικρή Τεκ — ανεμιστήρες, αντλίες, πλυντήρια, εργαλεία, καυστήρες)· με πυκνωτή/-ές (≤ 3 HP, μεγάλη Τεκ — συμπιεστές, ψυγεία, κλιματιστικά, ράμπες)· με βραχυκυκλωμένες σπείρες (~30 W, χειρότεροι/φθηνότεροι — μικροί ανεμιστήρες, στεγνωτήρες).

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Τρία είδη + χρήσεις.

Ερώτηση 4 — Κυριότερα μέρη και εξαρτήματα των Α.Μ.Κ.

Ερώτηση: Ποια τα κυριότερα μέρη και εξαρτήματα των Α.Μ.Κ.;

Απάντηση:

• Δρομέας: όμοιος με των Α.Τ.Κ. — τύλιγμα κλωβού, συνήθως από αλουμίνιο (ελαφρύς, εύχρηστος), σε ελασματοποιημένο πυρήνα πάνω στον άξονα (γι' αυτό «Α.Μ.Κ. με βραχυκυκλωμένο δρομέα»). Στάτης: ελασματοποιημένος πυρήνας με αυλάκια, με δύο τυλίγματα — το κύριο τύλιγμα (U-V) και το βοηθητικό τύλιγμα ή τύλιγμα εκκίνησης (W-Z), σε 90° ηλεκτρικά· στους κινητήρες με βραχυκυκλωμένες σπείρες οι πόλοι είναι σχισμένοι με βραχυκυκλωμένες σπείρες (δακτυλίους) αντί βοηθητικού τυλίγματος. Εξαρτήματα εκκίνησης: αντιστάτης R σε σειρά με το βοηθητικό (κινητήρες με αντίσταση)· πυκνωτής (εκκίνησης C1, ξηρός ηλεκτρολυτικός, ή/και λειτουργίας C2, χαρτιού) στο πάνω μέρος του κινητήρα· φυγοκεντρικός διακόπτης Fs στον άξονα του δρομέα (ή ηλεκτρονόμος), που αποσυνδέει το βοηθητικό στο 80 % των στροφών. Λοιπά: κέλυφος, πλευρικά καλύμματα-φλάντζα, έδρανα (ρουλεμάν), ανεμιστήρας με κάλυμμα, κιβώτιο ακροδεκτών (σχ. 5.19 — 14 μέρη Α.Μ.Κ. με πυκνωτή).

Σύνοψη: (ενδεικτική) Δρομέας κλωβού (Al)· στάτης με κύριο και βοηθητικό τύλιγμα (ή βραχυκυκλωμένες σπείρες)· αντιστάτης ή πυκνωτής/-ές (C1, C2)· φυγοκεντρικός διακόπτης Fs (ή ηλεκτρονόμος)· κέλυφος, καλύμματα, έδρανα, ανεμιστήρας, κιβώτιο ακροδεκτών.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Δρομέας, δύο τυλίγματα, εξαρτήματα εκκίνησης.

Ερώτηση 5 — Συνδεσμολογίες Α.Μ.Κ. (με σχέδια)

Ερώτηση: Πώς συνδεσμολογούνται οι Α.Μ.Κ.; (να γίνουν και συνδεσμολογίες).

Απάντηση:

• Οι Α.Μ.Κ. συνδέονται στο μονοφασικό δίκτυο L1-N (R-Mp) με το κύριο τύλιγμα U-V απευθείας στους δύο αγωγούς και το βοηθητικό τύλιγμα W-Z παράλληλα προς αυτό, μέσω του στοιχείου που δημιουργεί τη διαφορά φάσης (σχ. 5.8, σελ. 291): α) Α.Μ.Κ. με αντίσταση: L1 → U, N → V (κύριο)· βοηθητικό W-Z παράλληλα, σε σειρά με τον φυγοκεντρικό διακόπτη Fs (± αντιστάτη R): L1 → Fs → W … Z → N. β) Α.Μ.Κ. με πυκνωτή εκκίνησης: όπως το α, με πυκνωτή C σε σειρά με το βοηθητικό και τον Fs (L1 → C → Fs → W … Z → N) (σχ. 5.5). γ) Α.Μ.Κ. με δύο πυκνωτές: στο βοηθητικό κλάδο ο C2 (λειτουργίας) μόνιμα και παράλληλα σε αυτόν ο C1 (εκκίνησης) σε σειρά με τον Fs, ώστε μετά την εκκίνηση να μένει μόνο ο C2 (σχ. 5.6β, 5.8β). δ) Μόνιμος πυκνωτής: C σε σειρά με το βοηθητικό χωρίς Fs. Ακροδέκτες: κύριο U-V (U1-U2 BS, T1-T2 ASS), βοηθητικό W-Z (Z1-Z2, T2-T4)· κοινός ακροδέκτης V/Z στον ουδέτερο. Αλλαγή φοράς: αντιμετάθεση των άκρων W-Z του βοηθητικού (σχ. 5.9). Σχέδια: δύο κατακόρυφοι κλάδοι μεταξύ L1 και N — αριστερά το κύριο U-V, δεξιά το βοηθητικό W-Z με R/C και Fs σε σειρά· στην περίπτωση δύο πυκνωτών, C1+Fs παράλληλα στον C2.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Κύριο U-V κατευθείαν στο L1-N· βοηθητικό W-Z παράλληλα, σε σειρά με Fs και αντιστάτη (αντίσταση) ή πυκνωτή C (εκκίνησης)· με δύο πυκνωτές: C2 μόνιμα, C1 + Fs παράλληλα στον C2· ακροδέκτες U-V / W-Z (VDE)· φορά: αντιμετάθεση W-Z.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Τρεις-τέσσερις συνδεσμολογίες + ακροδέκτες.

Ερώτηση 6 — Ρύθμιση στροφών και πέδηση Α.Μ.Κ.

Ερώτηση: Με ποιους τρόπους ρυθμίζονται οι στροφές των Α.Μ.Κ. και πώς γίνεται η πέδησή τους;

Απάντηση:

• Ρύθμιση στροφών (σελ. 292): με έναν από τους τρόπους των Α.Τ.Κ., δηλαδή με μεταβολή α) της συχνότητας του δικτύου (ηλεκτρονικός ρυθμιστής), β) του αριθμού των πόλων (τυλίγματα με λήψεις) και γ) της τάσης τροφοδοσίας. Ο πιο συνηθισμένος τρόπος είναι η ρύθμιση της τάσης εισόδου, που γίνεται με αυτομετασχηματιστή, με αντίσταση σε σειρά ή με ειδικό ηλεκτρονικό κύκλωμα (TRIAC — π.χ. ρυθμιστές ανεμιστήρων)· μειώνοντας την τάση μειώνεται η ροπή (∝ U²) και αυξάνει η ολίσθηση. Πέδηση: με έναν από τους τρόπους πέδησης των Α.Τ.Κ. — μηχανική, ελεύθερη, δυναμική με Σ.Ρ., και κυρίως ηλεκτρομαγνητική πέδη με αναστροφή της φοράς περιστροφής του στρεφόμενου Μ.Π. (αντιμετάθεση των άκρων του βοηθητικού τυλίγματος → ο κινητήρας τείνει να στραφεί αντίθετα και φρενάρει).

Σύνοψη: (ενδεικτική) Στροφές: μεταβολή συχνότητας, αριθμού πόλων ή (συνηθέστερα) τάσης τροφοδοσίας — αυτομετασχηματιστής, αντίσταση σε σειρά, ηλεκτρονικό κύκλωμα· πέδηση όπως Α.Τ.Κ., π.χ. ηλεκτρομαγνητική με αναστροφή του στρεφόμενου Μ.Π. (αντιμετάθεση βοηθητικού).

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Τρεις τρόποι + τάση + πέδηση.

Ερώτηση 7 — Τυπικές τάσεις λειτουργίας Α.Μ.Κ.

Ερώτηση: Ποιες οι τυπικές τάσεις λειτουργίας των Α.Μ.Κ.;

Απάντηση:

• Η τάση λειτουργίας των Α.Μ.Κ. εξαρτάται από την τυποποιημένη τιμή της τάσης του μονοφασικού δικτύου για το οποίο προορίζονται· στην πράξη κατασκευάζονται για 100 V, 115 V, 200 V, 220 V, 230 V και 240 V (σελ. 293). Στην Ελλάδα: 220 V (παλιό δίκτυο 220/380 V) και 230 V (νέα τυποποίηση 230/400 V), 50 Hz — βλ. πίνακα 5.2 (ρεύμα για 220 V). Οι πυκνωτές τους έχουν τάση 280 V (εκκίνησης) ή 400-500 V (λειτουργίας).

Σύνοψη: (ενδεικτική) 100, 115, 200, 220, 230, 240 V (ανάλογα με το τυποποιημένο δίκτυο)· στην Ελλάδα 220/230 V, 50 Hz.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Τιμές τάσεων.

Ερώτηση 8 — Ποιος Α.Μ.Κ. είναι καλύτερος και γιατί

Ερώτηση: Ποιος Α.Μ.Κ. είναι καλύτερος και γιατί;

Απάντηση:

• Με βάση τα χαρακτηριστικά εκκίνησης και λειτουργίας οι Α.Μ.Κ. κατατάσσονται από τον καλύτερο προς τον χειρότερο (σελ. 292): 1. κινητήρες με πυκνωτή εκκίνησης και πυκνωτή λειτουργίας (C1 + C2), 2. με μόνιμο πυκνωτή, 3. με πυκνωτή εκκίνησης, 4. με αντίσταση, 5. με βραχυκυκλωμένες σπείρες. Καλύτερος είναι λοιπόν ο Α.Μ.Κ. με δύο πυκνωτές (εκκίνησης C1 και λειτουργίας C2), γιατί: ο C1 (μεγάλη χωρητικότητα, ηλεκτρολυτικός) δίνει διαφορά φάσης ≈ 90° στην εκκίνηση → πολύ μεγάλη ροπή εκκίνησης με σχετικά μικρό ρεύμα, ενώ ο C2 (μικρότερος, χαρτιού) μένει μόνιμα στο κύκλωμα, ώστε ο κινητήρας να λειτουργεί ως «διφασικός» με πραγματικά στρεφόμενο πεδίο → καλύτερος βαθμός απόδοσης, καλύτερος συντελεστής ισχύος, μεγαλύτερη ροπή ανατροπής, ομαλή και αθόρυβη λειτουργία (πίνακας 5.2: τύποι -SO με η ≈ 72-75 % και συνφ 0,92-0,98 έναντι 55-64 %/0,7-0,85 των -S). Φυσικά είναι και ο ακριβότερος· ο χειρότερος (βραχυκυκλωμένες σπείρες) είναι ο φθηνότερος — για κάθε εφαρμογή επιλέγουμε τον φθηνότερο διαθέσιμο κινητήρα που μπορεί να κάνει τη συγκεκριμένη εργασία.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Ο κινητήρας με πυκνωτή εκκίνησης + πυκνωτή λειτουργίας (C1 + C2): μεγάλη ροπή εκκίνησης (C1, ~90°) και, με τον μόνιμο C2, στρεφόμενο πεδίο σε λειτουργία → καλύτερη απόδοση, συνφ, ροπή, αθόρυβος· ακριβότερος. Κατάταξη: C1+C2 > μόνιμος C > C εκκίνησης > αντίσταση > σπείρες.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Ποιος + αιτιολόγηση + κατάταξη.

Ερώτηση 9 (πολλαπλής επιλογής) — Αρχή λειτουργίας Α.Μ.Κ.

Ερώτηση: Η αρχή λειτουργίας των Α.Μ.Κ. βασίζεται στο φαινόμενο της δημιουργίας: α. αντίστασης. β. χωρητικότητας. γ. στρεφόμενου Μ.Π. δ. φυγόκεντρης δύναμης.

Απάντηση:

• Σωστή απάντηση: γ. στρεφόμενου Μ.Π. — «η αρχή λειτουργίας των Α.Μ.Κ. βασίζεται στη δημιουργία στρεφόμενου Μ.Π. από δύο τυλίγματα, κατάλληλα μετατοπισμένα μεταξύ τους» (σελ. 287).

Σύνοψη: γ.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Σωστό γράμμα.

Ερώτηση 10 (πολλαπλής επιλογής) — Διάκριση Α.Μ.Κ.

Ερώτηση: Οι Α.Μ.Κ. ανάλογα με τη διάταξη που προκαλεί το στρεφόμενο Μ.Π. διακρίνονται σε: α. Α.Μ.Κ. με αντίσταση. β. Α.Μ.Κ. με πυκνωτή. γ. Α.Μ.Κ. με βραχυκυκλωμένες σπείρες. δ. όλα τα παραπάνω είδη.

Απάντηση:

• Σωστή απάντηση: δ. όλα τα παραπάνω είδη — τα τρία βασικά είδη Α.Μ.Κ. (σελ. 288).

Σύνοψη: δ.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Σωστό γράμμα.

Ερώτηση 11 (πολλαπλής επιλογής) — Εξάρτημα που αποσυνδέει το βοηθητικό τύλιγμα

Ερώτηση: Το ειδικό εξάρτημα, με το οποίο το βοηθητικό τύλιγμα των Α.Μ.Κ. (με αντίσταση ή πυκνωτή), βγαίνει «εκτός λειτουργίας», ονομάζεται: α. φυγοκεντρικός ηλεκτρονόμος. β. φυγοκεντρικός διακόπτης. γ. πυκνωτής εκκίνησης. δ. πυκνωτής λειτουργίας.

Απάντηση:

• Σωστή απάντηση: β. φυγοκεντρικός διακόπτης — ο φυγοκεντρικός διακόπτης Fs, στερεωμένος στον άξονα, θέτει εκτός κυκλώματος το βοηθητικό τύλιγμα στο 80 % των στροφών (σελ. 289).

Σύνοψη: β.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Σωστό γράμμα.

Ερώτηση 12 (πολλαπλής επιλογής) — Ρύθμιση στροφών Α.Μ.Κ.

Ερώτηση: Οι στροφές των Α.Μ.Κ. μπορούν να ρυθμιστούν γενικά με μεταβολή: α. της συχνότητας τροφοδοσίας. β. της τάσης τροφοδοσίας. γ. του αριθμού των πόλων. δ. όλων των παραπάνω μεγεθών.

Απάντηση:

• Σωστή απάντηση: δ. όλων των παραπάνω μεγεθών — συχνότητα, αριθμός πόλων, τάση — όπως στους Α.Τ.Κ.· συνηθέστερα η τάση (σελ. 292).

Σύνοψη: δ.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Σωστό γράμμα.

Ερώτηση 13 (πολλαπλής επιλογής) — Ο καλύτερος Α.Μ.Κ.

Ερώτηση: Ο καλύτερος Α.Μ.Κ., δηλ. αυτός με τα καλύτερα χαρακτηριστικά, είναι: α. ο κινητήρας με αντίσταση. β. ο κινητήρας με πυκνωτή εκκίνησης. γ. ο κινητήρας με μόνιμο πυκνωτή. δ. ο κινητήρας με δύο πυκνωτές (C1 και C2). ε. ο κινητήρας με βραχυκυκλωμένες σπείρες.

Απάντηση:

• Σωστή απάντηση: δ. ο κινητήρας με δύο πυκνωτές (C1 και C2) — πρώτος στην κατάταξη «κινητήρες με πυκνωτή εκκίνησης και πυκνωτή λειτουργίας» (σελ. 292).

Σύνοψη: δ.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Σωστό γράμμα.