Λύσεις — Ενότητα 2.6: Εκκίνηση – πέδηση κινητήρων Σ.Ρ. (σελ. 143) – ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Γ΄ ΕΠΑΛ

Λύσεις — Ενότητα 2.6: Εκκίνηση - πέδηση κινητήρων Σ.Ρ. (σελ. 143)

Λύσεις των 9 ερωτήσεων της ενότητας 2.6: 7 ανοιχτές (μία σχεδιαστική, περιγραφικά) και 2 πολλαπλής επιλογής.

Ερώτηση 1 — Τρόποι μεταβολής της ταχύτητας των κινητήρων Σ.Ρ.

Ερώτηση: Αναφέρετε τους τρόπους μεταβολής της ταχύτητας περιστροφής των κινητήρων Σ.Ρ.

Απάντηση:

• Η ταχύτητα περιστροφής των κινητήρων Σ.Ρ. μεταβάλλεται με έναν από τους τρεις παρακάτω τρόπους (σελ. 137): α. με ρύθμιση της αντίστασης διέγερσης (ροοστάτης διέγερσης → μεταβολή του ρεύματος διέγερσης/ροής: Iδ ↓ → n ↑)· β. με ρύθμιση της τάσης στα άκρα του οπλισμού (U ↑ → n ↑)· γ. με ρύθμιση της αντίστασης του οπλισμού (αντίσταση σε σειρά με το τύμπανο → μεγαλύτερη πτώση τάσης → n ↓, με απώλειες). Η αποτελεσματικότερη τεχνική είναι η ρύθμιση της τάσης οπλισμού, με την οποία επιτυγχάνεται μεγάλο εύρος ταχυτήτων χωρίς να επηρεάζεται η μέγιστη ροπή του κινητήρα· με ηλεκτρονικούς διακόπτες (SCR, θυρίστορ) παράγεται εύκολα συνεχής τάση μεταβλητής τιμής (παλιότερα με το σύστημα Ward-Leonard). Όλα προκύπτουν από n = (U − IT·RT)/(κ·Φ).

Σύνοψη: (ενδεικτική) Ρύθμιση της αντίστασης διέγερσης, ρύθμιση της τάσης οπλισμού (η αποτελεσματικότερη — μεγάλο εύρος χωρίς μείωση μέγιστης ροπής, με ηλεκτρονικούς διακόπτες), ρύθμιση της αντίστασης του οπλισμού.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Οι τρεις τρόποι + ποιος είναι αποτελεσματικότερος και γιατί.

Ερώτηση 2 — Στοιχεία των κυκλωμάτων ελέγχου εκκίνησης

Ερώτηση: Αναφέρετε τα πιο συνηθισμένα στοιχεία που χρησιμοποιούνται στα κυκλώματα ελέγχου για την εκκίνηση των κινητήρων Σ.Ρ.

Απάντηση:

• Τα πιο συνηθισμένα στοιχεία (σελ. 137-139): ① Ασφάλειες — προστατεύουν τον κινητήρα από βραχυκυκλώματα, στις γραμμές τροφοδοσίας πριν από τον κινητήρα. ② Διακόπτες επαφής (μπουτόν) — κανονικά ανοιχτοί (επαφές ανοιχτές πριν το πάτημα, κλειστές μετά — π.χ. start) και κανονικά κλειστοί (κλειστές αρχικά, ανοίγουν με το πάτημα — π.χ. stop). ③ Ρελέ — πηνίο (κύκλος) και επαφές (δύο παράλληλες γραμμές)· κανονικά ανοιχτή επαφή ανοιχτή όταν το ρελέ είναι απενεργοποιημένο, κανονικά κλειστή κλειστή όταν είναι απενεργοποιημένο. ④ Ρελέ με χρονική καθυστέρηση (TD) — οι επαφές του αλλάζουν κατάσταση μετά από ρυθμιζόμενη καθυστέρηση από την ενεργοποίηση. ⑤ Θερμικός διακόπτης υπερφόρτισης (OL) — θερμικό πηνίο διαρρεόμενο από το ρεύμα του κινητήρα και κανονικά κλειστές επαφές που ανοίγουν όταν το πηνίο θερμανθεί από υπερβολικό φορτίο. Επιπλέον, στα κυκλώματα των σχ. 2.36-2.37: η αντίσταση εκκίνησης σε τμήματα, το ρελέ FL (field loss) που αποσυνδέει τον κινητήρα αν διακοπεί η διέγερση, και ρελέ που ανταποκρίνονται στην τάση ΕΑ (1AR-3AR).

Σύνοψη: (ενδεικτική) Ασφάλειες (βραχυκύκλωμα), διακόπτες επαφής κανονικά ανοιχτοί/κλειστοί, ρελέ (πηνίο + επαφές NO/NC), ρελέ χρονικής καθυστέρησης, θερμικός διακόπτης υπερφόρτισης — και αντίσταση εκκίνησης, ρελέ FL, ρελέ τάσης.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Τα πέντε στοιχεία με τον ρόλο τους.

Ερώτηση 3 — Το ρελέ με χρονική καθυστέρηση

Ερώτηση: Τι είναι το ρελέ με χρονική καθυστέρηση;

Απάντηση:

• Το ρελέ με χρονική καθυστέρηση (TD, time delay) είναι ρελέ που λειτουργεί όπως ακριβώς τα κανονικά — πηνίο και επαφές (κανονικά ανοιχτή / κανονικά κλειστή) — με τη διαφορά ότι, όταν ενεργοποιείται, οι επαφές του δεν αλλάζουν αμέσως κατάσταση: η αλλαγή γίνεται μετά από μια χρονική καθυστέρηση, που μπορεί να ρυθμιστεί (σελ. 138). Στους αυτόματους εκκινητές (σχ. 2.36) χρησιμοποιούνται διαδοχικά ρελέ 1TD, 2TD, 3TD: το καθένα, μετά τον δικό του χρόνο, κλείνει τις επαφές του και βραχυκυκλώνει ένα τμήμα της αντίστασης εκκίνησης, ώστε η αντίσταση να αφαιρείται βαθμιαία καθώς ο κινητήρας επιταχύνει — ομαλή εκκίνηση με περιορισμένο ρεύμα χωρίς χειροκίνητη επέμβαση.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Ρελέ που, όταν ενεργοποιείται, αλλάζει την κατάσταση των επαφών του μετά από ρυθμιζόμενη χρονική καθυστέρηση· στους εκκινητές (1TD-2TD-3TD) αφαιρεί βαθμιαία τα τμήματα της αντίστασης εκκίνησης.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Ορισμός + χρήση στον εκκινητή.

Ερώτηση 4 — Η χρήση του θερμικού διακόπτη υπερφόρτισης

Ερώτηση: Ποια είναι η χρήση του θερμικού διακόπτη υπερφόρτισης;

Απάντηση:

• Ο θερμικός διακόπτης υπερφόρτισης (OL) προστατεύει τον κινητήρα από υπερφόρτιση (σελ. 138-139). Αποτελείται από ένα θερμικό πηνίο, μέσα από το οποίο περνά το ρεύμα του κινητήρα, και από κανονικά κλειστές επαφές στο κύκλωμα ελέγχου. Αν το φορτίο του κινητήρα αυξηθεί πάρα πολύ (άρα και το ρεύμα, που στους κινητήρες Σ.Ρ. ακολουθεί το φορτίο), το πηνίο θερμαίνεται και ανοίγουν οι επαφές του, οπότε διακόπτεται η τροφοδοσία (πέφτει το ρελέ M) και ο κινητήρας σταματά, πριν υπερθερμανθούν και καταστραφούν τα τυλίγματά του. Διαφέρει από τις ασφάλειες, που προστατεύουν από βραχυκυκλώματα (πολύ μεγάλα ρεύματα, ακαριαία)· ο θερμικός αντιδρά σε παρατεταμένη μέτρια υπέρβαση του ρεύματος. Υπάρχει και στα δύο κυκλώματα εκκίνησης (σχ. 2.36, 2.37).

Σύνοψη: (ενδεικτική) Προστασία του κινητήρα από υπερφόρτιση: θερμικό πηνίο στο ρεύμα του κινητήρα + κανονικά κλειστές επαφές που ανοίγουν όταν το πηνίο θερμανθεί από υπερβολικό ρεύμα, διακόπτοντας τον κινητήρα (οι ασφάλειες για βραχυκύκλωμα).

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Λειτουργία + διάκριση από ασφάλειες.

Ερώτηση 5 — Σχέδιο απλού συστήματος ελέγχου ταχύτητας με ηλεκτρονικούς διακόπτες

Ερώτηση: Να σχεδιαστεί απλό σύστημα ελέγχου ταχύτητας ενός κινητήρα Σ.Ρ. με τη χρήση ηλεκτρονικών διακοπτών.

Απάντηση:

• Σχέδιο (κατά το σχ. 2.38, σελ. 141): τριφασική είσοδος L1 (R), L2 (S), L3 (T) που τροφοδοτεί μια ανορθωτική γέφυρα έξι θυρίστορ (SCR1-SCR6) — τρία στην πάνω σειρά (άνοδοι στις φάσεις, κάθοδοι ενωμένες στη θετική έξοδο) και τρία στην κάτω (άνοδοι ενωμένες στην αρνητική έξοδο). Στην έξοδο της γέφυρας συνδέεται το επαγωγικό τύμπανο του κινητήρα (τάση VA, ΑΗΕΔ ΕΑ, ρεύμα IA) και παράλληλα σε αυτό μια δίοδος ελεύθερης ροής D1 (ανάστροφα πολωμένη ως προς την τάση εξόδου), που δίνει δρόμο στο ρεύμα του επαγωγικού φορτίου όταν σβήνουν τα SCR. Το τύλιγμα διέγερσης τροφοδοτείται χωριστά (σταθερή διέγερση). Λειτουργία: τα SCR διεγείρονται (πυροδοτούνται) από ένα κύκλωμα ελέγχου με ρυθμιζόμενη γωνία φάσης· όσο αργότερα μέσα στην ημιπερίοδο πυροδοτούνται, τόσο μικρότερη η μέση τιμή της ανορθωμένης τάσης. Επειδή η μέση τιμή της ταχύτητας εξαρτάται από τη μέση τιμή της τάσης που εφαρμόζεται στον κινητήρα (n ∝ U − IT·RT), ρυθμίζοντας τη φάση πυροδότησης ρυθμίζουμε τις στροφές — ρύθμιση τάσης οπλισμού, η αποτελεσματικότερη μέθοδος. Το κύκλωμα αυτό δίνει τάση μίας πολικότητας· για οποιαδήποτε πολικότητα (και αναστροφή/αναγεννητική πέδηση) χρησιμοποιούνται δύο αντιπαράλληλες γέφυρες (σχ. 2.39).

Σύνοψη: (ενδεικτική) Τριφασική γέφυρα 6 SCR (3 πάνω, 3 κάτω) από L1-L2-L3 → έξοδος στο τύμπανο (VA, EA, IA) με δίοδο ελεύθερης ροής D1 παράλληλα· ρύθμιση της γωνίας πυροδότησης των SCR → μέση τάση → ταχύτητα· μία πολικότητα (δύο γέφυρες για οποιαδήποτε).

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Περιγραφή γέφυρας + δίοδος + αρχή ρύθμισης με τη φάση.

Ερώτηση 6 — Γιατί χρησιμοποιούμε ηλεκτρική πέδηση

Ερώτηση: Γιατί χρησιμοποιούμε την ηλεκτρική πέδηση στους κινητήρες Σ.Ρ.;

Απάντηση:

• Από τη στιγμή που ο κινητήρας αποσυνδέεται από το δίκτυο μέχρι να σταματήσει μεσολαβεί χρονικό διάστημα, γιατί εξακολουθεί να στρέφεται λόγω της κινητικής ενέργειας του ίδιου και του μηχανήματος που κινεί. Το διάστημα αυτό, ιδίως στους μεγάλους κινητήρες, είναι σημαντικό και σε ορισμένες εφαρμογές ανεπιθύμητο — π.χ. ανυψωτικά μηχανήματα, ανελκυστήρες Σ.Ρ., έλξη — όπου χρειάζεται γρήγορη και ελεγχόμενη στάση ή συνεχής συγκράτηση της ταχύτητας (σελ. 142). Γι' αυτό εφαρμόζουμε ηλεκτρική πέδηση: μετατρέπουμε προσωρινά τον κινητήρα σε γεννήτρια με κατανάλωση, ώστε η κινητική ενέργεια να μετατραπεί σε ηλεκτρική και να καταναλωθεί — είτε ως θερμότητα σε ωμική αντίσταση (δυναμική πέδηση, με μηχανικό φρένο για την τελική στάση), είτε επιστρέφοντας στο δίκτυο όταν η Η.Ε.Δ. γίνει μεγαλύτερη από την τάση του (αναγεννητική — π.χ. τρένο σε κατωφέρεια, χωρίς απώλειες ενέργειας και χωρίς φθορά μηχανικών φρένων).

Σύνοψη: (ενδεικτική) Για να μειώσουμε τον χρόνο μέχρι τη στάση μετά την αποσύνδεση (κινητική ενέργεια κινητήρα + μηχανήματος), που είναι ανεπιθύμητος σε ανυψωτικά, ανελκυστήρες, έλξη· ο κινητήρας γίνεται προσωρινά γεννήτρια που καταναλώνει την ενέργεια σε αντίσταση ή την επιστρέφει στο δίκτυο.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Αιτία (χρόνος στάσης, εφαρμογές) + αρχή (κινητήρας → γεννήτρια).

Ερώτηση 7 — Γιατί χρησιμοποιούμε αντιστάσεις εκκίνησης

Ερώτηση: Γιατί χρησιμοποιούμε αντιστάσεις εκκίνησης στους κινητήρες Σ.Ρ.;

Απάντηση:

• Κατά τη στιγμή της εκκίνησης ο δρομέας είναι ακίνητος και δεν αναπτύσσεται ΑΗΕΔ (Εα = 0)· το μόνο εμπόδιο στο ρεύμα είναι η αντίσταση του τυλίγματος RT, που είναι πολύ μικρή (< 1 Ω), οπότε το ρεύμα εκκίνησης Iε = U/RT παίρνει επικίνδυνα μεγάλες τιμές (π.χ. 22 φορές το ονομαστικό — 880 A για 220 V/0,25 Ω) που μπορούν να βλάψουν τον κινητήρα (τύλιγμα, συλλέκτη, ψήκτρες, απότομη ροπή) και την εγκατάσταση (σελ. 114-115). Γι' αυτό τοποθετούμε σε σειρά με το επαγωγικό τύμπανο μια αντίσταση εκκίνησης (ροοστάτη/εκκινητή Rε), που μειώνει προσωρινά την τάση στους ακροδέκτες του τυμπάνου: Iε = U/(RT + Rε) — το ρεύμα περιορίζεται σε ασφαλή τιμή (π.χ. 150 % του ονομαστικού) και η εκκίνηση γίνεται ομαλά. Καθώς ο κινητήρας επιταχύνει και η ΑΗΕΔ αυξάνει, η αντίσταση αφαιρείται βαθμιαία (χειροκίνητα ή αυτόματα, σε τμήματα, με ρελέ χρόνου ή τάσης) μέχρι να βγει τελείως εκτός στην κανονική ταχύτητα — αν έμενε, θα προκαλούσε συνεχείς απώλειες I²·R και πτώση στροφών.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Στην εκκίνηση Εα = 0 → Iε = U/RT τεράστιο (RT < 1 Ω) → κίνδυνος για κινητήρα και εγκατάσταση· η αντίσταση εκκίνησης σε σειρά περιορίζει το ρεύμα (Iε = U/(RT + Rε)) για ομαλή εκκίνηση και αφαιρείται βαθμιαία καθώς αυξάνει η ΑΗΕΔ.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Αιτία (Εα = 0, μικρή RT) + ρόλος και βαθμιαία αφαίρεση.

Ερώτηση 8 (πολλαπλής επιλογής) — Από τι προστατεύουν οι ασφάλειες

Ερώτηση: Οι ασφάλειες προστατεύουν τον κινητήρα από: α. βραχυκύκλωμα. β. διαρροή ηλεκτρικού ρεύματος. γ. υπέρταση.

Απάντηση:

• Σωστή απάντηση: α. βραχυκύκλωμα — «οι ασφάλειες προστατεύουν τον κινητήρα από βραχυκυκλώματα και συνδέονται στις γραμμές της τροφοδοσίας πριν από τον κινητήρα» (σελ. 137)· η υπερφόρτιση καλύπτεται από τον θερμικό διακόπτη.

Σύνοψη: α — βραχυκύκλωμα.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Σωστό γράμμα.

Ερώτηση 9 (πολλαπλής επιλογής) — Μειονέκτημα του συστήματος Ward-Leonard

Ερώτηση: Ένα μειονέκτημα του συστήματος Ward - Leonard (Βαρτ-Λέοναρντ) είναι: α. ο μεγάλος βαθμός απόδοσης. β. ο μεγάλος όγκος. γ. το υψηλό κόστος.

Απάντηση:

• Σωστή απάντηση: γ. το υψηλό κόστος — τα μειονεκτήματα του Ward-Leonard είναι το υψηλό κόστος (αγορά τριών μηχανών) και η πολύ χαμηλή απόδοση (σελ. 141)· ο μεγάλος βαθμός απόδοσης δεν είναι μειονέκτημα (και δεν ισχύει), ο όγκος δεν αναφέρεται ρητά.

Σύνοψη: γ — το υψηλό κόστος (τρεις μηχανές· επίσης χαμηλή απόδοση).

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Σωστό γράμμα + το δεύτερο μειονέκτημα.