Λύσεις — Ενότητα 5.2: Μονοφασικοί κινητήρες με συλλέκτη (σελ. 301) – ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Γ΄ ΕΠΑΛ

Λύσεις — Ενότητα 5.2: Μονοφασικοί κινητήρες με συλλέκτη (σελ. 301)

Λύσεις των 10 ερωτήσεων της ενότητας 5.2: 6 θεωρίας και 4 πολλαπλής επιλογής.

Ερώτηση 1 — Κινητήρας Σ.Ρ. σειράς στο Ε.Ρ.

Ερώτηση: Τι θα συμβεί, αν συνδέσουμε ένα κινητήρα Σ.Ρ. με διέγερση σειράς στο Ε.Ρ.;

Απάντηση:

• Σε κινητήρα Σ.Ρ. η φορά περιστροφής αλλάζει αν αλλάξουμε τη φορά του ρεύματος μόνο στο τύμπανο ή μόνο στους πόλους. Στον κινητήρα σειράς τύμπανο και διέγερση είναι σε σειρά, οπότε με μονοφασικό Ε.Ρ. η φορά του ρεύματος αλλάζει σε κάθε ημιπερίοδο ταυτόχρονα και στα δύο → η ροπή (Laplace) διατηρεί πάντα την ίδια φορά και ο κινητήρας περιστρέφεται κανονικά προς την ίδια κατεύθυνση — λειτουργεί «σχεδόν κανονικά» (σελ. 295). Προβλήματα που εμφανίζονται: ① υπερθέρμανση των πυρήνων των πόλων (και του ζυγώματος) από δινορρεύματα, που αυξάνονται με το τετράγωνο της συχνότητας και τον όγκο του υλικού — αν οι πόλοι είναι συμπαγείς· ② μεγάλοι σπινθηρισμοί στον συλλέκτη, γιατί οι σπείρες που βραχυκυκλώνονται από τις ψήκτρες αποτελούν δευτερεύον κύκλωμα (μετασχηματιστή) με επαγωγικά ρεύματα· ③ μείωση του συντελεστή ισχύος συνφ (επαγωγική αντίδραση των τυλιγμάτων), μεγαλύτερος θόρυβος, μικρότερο ρεύμα/λιγότερες στροφές/μικρότερη ροπή από ό,τι στο Σ.Ρ. Με τροποποιήσεις (ελασματοποιημένος στάτης, τυλίγματα αντιστάθμισης-βοηθητικά, καλύτερα σιδηροελάσματα) προέκυψαν οι σημερινοί μονοφασικοί κινητήρες με συλλέκτη.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Θα στρέφεται κανονικά προς την ίδια φορά (το ρεύμα αλλάζει ταυτόχρονα σε τύμπανο και πόλους), αλλά με υπερθέρμανση πόλων (δινορρεύματα), μεγάλους σπινθηρισμούς στον συλλέκτη, χαμηλό συνφ, θόρυβο, μικρότερη ροπή/στροφές — γι' αυτό οι τροποποιημένοι κινητήρες Ε.Ρ. με συλλέκτη.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Ίδια φορά + τέσσερα προβλήματα.

Ερώτηση 2 — Αρχή λειτουργίας μονοφασικών κινητήρων με συλλέκτη

Ερώτηση: Ποια είνα η αρχή λειτουργίας των μονοφασικών κινητήρων με συλλέκτη;

Απάντηση:

• Είναι βασικά ίδια με των κινητήρων Σ.Ρ.: βασίζεται στις δυνάμεις Laplace που ασκούνται στους ρευματοφόρους αγωγούς του δρομέα (τύμπανο με συλλέκτη-ψήκτρες) μέσα στο μαγνητικό πεδίο του στάτη (σελ. 296). Επειδή τύλιγμα διέγερσης και τύμπανο είναι σε σειρά και τροφοδοτούνται από το ίδιο εναλλασσόμενο ρεύμα, πεδίο και ρεύμα τυμπάνου αλλάζουν φορά ταυτόχρονα σε κάθε ημιπερίοδο, οπότε το γινόμενό τους — η ροπή — έχει σταθερή φορά (παλλόμενη αλλά μονόσημη). Για αποτελεσματική λειτουργία αντιμετωπίζονται τα προβλήματα του Ε.Ρ. (θέρμανση, σπινθηρισμοί, συνφ) με καλύτερη κατασκευή (κατάλληλα σιδηροελάσματα, τυλίγματα αντιστάθμισης και βοηθητικά σε σειρά) και επιπλέον εξαρτήματα, όπως ο μηχανισμός μετάθεσης ψηκτρών (κινητήρες αντίδρασης — ειδικός συλλέκτης με ψήκτρες βραχυκυκλωμένες μεταξύ τους που μετακινούνται μαζί), ο οποίος επιτρέπει μεταβολή της ταχύτητας σε πολύ μεγάλα όρια.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Όπως στους κινητήρες Σ.Ρ.: δυνάμεις Laplace στο τύμπανο· με διέγερση και τύμπανο σε σειρά, πεδίο και ρεύμα αλλάζουν φορά μαζί → ροπή σταθερής φοράς· προβλήματα του Ε.Ρ. αντιμετωπίζονται με κατάλληλα ελάσματα, τυλίγματα αντιστάθμισης και μηχανισμό μετάθεσης ψηκτρών.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Laplace + σειρά → σταθερή ροπή.

Ερώτηση 3 — Αρχή λειτουργίας κινητήρων με μηχανισμό μετάθεσης ψηκτρών

Ερώτηση: Ποια είναι η αρχή λειτουργίας των κινητήρων με μηχανισμό μετάθεσης των ψηκτρών;

Απάντηση:

• Ο συλλέκτης είναι ειδικής κατασκευής και οι ψήκτρες είναι βραχυκυκλωμένες μεταξύ τους και μετακινούνται ταυτόχρονα (σχ. 5.10, σελ. 296-297). Όταν τα τυλίγματα των πόλων τροφοδοτηθούν με 1~ Ε.Ρ., στο τύλιγμα του δρομέα επάγονται ρεύματα (όπως σε δευτερεύον μετασχηματιστή) με φορά τέτοια ώστε απέναντι από τον Β πόλο του στάτη να δημιουργείται Β πόλος στον δρομέα. Θέση α — ψήκτρες στην ουδέτερη ζώνη: το τύλιγμα του τυμπάνου δεν διαρρέεται από ρεύμα, γιατί στους μισούς αγωγούς επάγεται Η.Ε.Δ. αντίθετη από τους άλλους μισούς και, λόγω της βραχυκύκλωσης, αλληλοεξουδετερώνονται· μόνο το Μ.Π. του στάτη → καμία κίνηση. Θέση β — μετατόπιση κατά γωνία α: στο τύμπανο κυκλοφορεί ρεύμα και ασκείται δύναμη μεταξύ του Μ.Π. των πόλων και του Μ.Π. του δρομέα, που σχηματίζουν γωνία α· η δύναμη μένει πάντα με την ίδια φορά, γιατί σε κάθε εναλλαγή του ρεύματος του στάτη αλλάζει φορά και το επαγωγικό ρεύμα του δρομέα → ο κινητήρας στρέφεται. Θέση γ — θέση βραχυκύκλωσης (90°): μέγιστο ρεύμα στο επαγώγιμο, αλλά καμία ροπή, γιατί τα Μ.Π. στάτη και δρομέα είναι αντίθετα (συνευθειακά). Θέση δ — αντίθετη μετατόπιση: αντίθετη φορά εκκίνησης. Η φορά εξαρτάται από τη φορά της αρχικής μετατόπισης των ψηκτρών ως προς τον άξονα των πόλων και η ταχύτητα μεταβάλλεται από μηδέν μέχρι τις μέγιστες στροφές κοντά στη θέση βραχυκύκλωσης, όπου έχουμε και τη μέγιστη ροπή στρέψης — όλα με τον χειροστρόφαλο.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Ψήκτρες βραχυκυκλωμένες που μετατίθενται μαζί· Ε.Ρ. στους πόλους → επαγωγικά ρεύματα δρομέα· ουδέτερη ζώνη (α): Η.Ε.Δ. αλληλοαναιρούνται, καμία ροπή· γωνία α (β): ρεύμα και δύναμη σταθερής φοράς → περιστροφή· βραχυκύκλωση (γ): max ρεύμα, 0 ροπή· αντίθετη μετατόπιση (δ): αντίθετη φορά· ταχύτητα 0 → max κοντά στη βραχυκύκλωση.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Τέσσερις θέσεις + φορά/ταχύτητα.

Ερώτηση 4 — Είδη μονοφασικών κινητήρων με συλλέκτη

Ερώτηση: Ποια είναι τα κυριότερα είδη των μονοφασικών κινητήρων με συλλέκτη;

Απάντηση:

• Διακρίνονται βασικά σε (σελ. 297-298): α) Κινητήρες σειράς — για σχετικά μεγάλες ισχείς και τάσεις (μέχρι 800 V), καλή προσαρμογή στο φορτίο, συνήθως με μικρότερες συχνότητες (16⅔ Hz Ευρώπη, 25 Hz Αμερική — καλύτερη απόδοση και ροπή εκκίνησης)· ηλεκτρικά οχήματα (έλξη), βαρούλκα, ανυψωτικά. β) Κινητήρες Universal (Γιουνιβέρσαλ) — παραλλαγή των σειράς με προεξέχοντες πόλους, ≤ 1/2 kW, λειτουργούν το ίδιο καλά σε Ε.Ρ. και Σ.Ρ. (στο Σ.Ρ. +15 % ταχύτητα), 3000-8000 στρ/min, μεγάλη ροπή με μικρό βάρος· ηλεκτρικές σκούπες, τρυπάνια, δισκοπρίονα, μηχανές προβολείς, ραπτομηχανές, βιομηχανία-υφαντουργία. γ) Κινητήρες αντίδρασης — 1/2 έως 15 HP, με μηχανισμό μετάθεσης ψηκτρών· πλεονέκτημα η μεγάλη ρύθμιση στροφών, μειονεκτήματα θόρυβος, συχνή συντήρηση, εξάρτηση στροφών από το φορτίο· μηχανικά εργαλεία, αεροσυμπιεστές, αντλίες βενζίνης/βαθέων φρεάτων, εργαλειομηχανές.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Κινητήρες σειράς (μεγάλες ισχείς/τάσεις, έλξη 16⅔ Hz), Universal (≤ 1/2 kW, Ε.Ρ.-Σ.Ρ., 3000-8000 rpm — σκούπες, τρυπάνια) και αντίδρασης (1/2-15 HP, μετάθεση ψηκτρών, μεγάλη ρύθμιση στροφών — εργαλεία, αντλίες).

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Τρία είδη με χαρακτηριστικά.

Ερώτηση 5 — Σύνδεση στο δίκτυο· συμβολισμός ακροδεκτών

Ερώτηση: Πώς συνδέονται οι μονοφασικοί κινητήρες με συλλέκτη στο δίκτυο; Πώς συμβολίζονται οι ακροδέκτες τους;

Απάντηση:

• Συνδέονται στο μονοφασικό δίκτυο L1-N (R-Mp) (σχ. 5.14, σελ. 300) ως κινητήρες σειράς: τύλιγμα διέγερσης (πεδίου) — τύμπανο (μέσω ψηκτρών) — τυχόν βοηθητικό και τύλιγμα αντιστάθμισης, όλα σε σειρά μεταξύ φάσης και ουδετέρου· οι κινητήρες σειράς μεγάλης ισχύος μέσω αυτομετασχηματιστή με λήψεις για ομαλή εκκίνηση/ρύθμιση (σχ. 5.11), οι Universal απευθείας (με διακόπτη/ηλεκτρονικό ρυθμιστή), οι αντίδρασης με τον στάτη στο δίκτυο και τον δρομέα βραχυκυκλωμένο μέσω των ψηκτρών. Συμβολισμός ακροδεκτών: όπως στις μηχανές Σ.Ρ. — A-B για το τύλιγμα τυμπάνου (ψήκτρες), E-F για το τύλιγμα διέγερσης (πεδίου) σειράς· στην πινακίδα ακροδεκτών του Universal σημειώνονται τα σύμβολα ~ και − (λειτουργία σε Ε.Ρ. και Σ.Ρ.)· οι ακροδέκτες του στάτη των κινητήρων αντίδρασης U-V όπως των Α.Μ.Κ.· τα βοηθητικά/αντιστάθμισης με τα δικά τους γράμματα (π.χ. C-D, G-H). Αλλαγή φοράς: αντιμετάθεση των άκρων του τυμπάνου ή της διέγερσης (όχι και των δύο).

Σύνοψη: (ενδεικτική) Σε σειρά διέγερση-τύμπανο(-Β.Τ.-Τ.Α.) μεταξύ L1 και N, οι μεγάλοι μέσω αυτομετασχηματιστή, οι Universal απευθείας, οι αντίδρασης με στάτη στο δίκτυο· ακροδέκτες A-B τύμπανο, E-F διέγερση, U-V στάτης, σύμβολα ~/− στον Universal.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Σύνδεση + συμβολισμοί.

Ερώτηση 6 — Ρύθμιση στροφών, πέδηση και τάσεις κατασκευής

Ερώτηση: Με ποιους τρόπους ρυθμίζονται οι στροφές των μονοφασικών κινητήρων με συλλέκτη και πώς πετυχαίνεται η πέδησή τους; Για ποιες τάσεις κατασκευάζονται;

Απάντηση:

• Ρύθμιση στροφών (σελ. 300): στους κινητήρες σειράς με μεταβολή της τάσης εισόδου (όπως στους Σ.Ρ. σειράς), ανάλογα και με τον τρόπο εκκίνησης — μέσω ρυθμιζόμενου Μ/Σ (αυτομετασχηματιστή με λήψεις), ρυθμιστικών αντιστάσεων (εκκινητή) ή ηλεκτρονικών κυκλωμάτων (TRIAC/θυρίστορ)· στους Universal, όπου απαιτούνται σταθερές στροφές, με φυγοκεντρικούς ρυθμιστές ή φυγοκεντρική πέδη (προστασία και από έλλειψη φορτίου — χωρίς φορτίο υπερταχύνονται με κίνδυνο καταστροφής)· στους κινητήρες αντίδρασης η ρύθμιση (από μηδέν μέχρι τη μέγιστη ταχύτητα), η αλλαγή φοράς και η πέδηση γίνονται εύκολα με τον χειροστρόφαλο του μηχανισμού μετάθεσης των ψηκτρών.
• Πέδηση: ο κινητήρας σειράς έχει θεωρητικά δυνατότητα ωφέλιμης ηλεκτρικής πέδησης (λειτουργία ως γεννήτρια που αποδίδει ενέργεια στο δίκτυο), αλλά επειδή το δίκτυο έχει σταθερή συχνότητα και το παραγόμενο ρεύμα είναι συνεχές, αυτό είναι πρακτικά πολύ δύσκολο (μόνο με ειδικές διατάξεις)· έτσι, όταν λειτουργεί ως γεννήτρια, κλείνει κύκλωμα σε αντιστάσεις όπου καταναλώνεται η ενέργεια πέδησης (δυναμική/ρεοστατική πέδηση)· στους Universal φυγοκεντρική πέδη, στους αντίδρασης με μετάθεση ψηκτρών (προς την ουδέτερη ή αντίθετη θέση). Τάσεις: οι κινητήρες σειράς μέχρι και 800 V, ενώ οι Universal και οι αντίδρασης για μικρότερες τάσεις, προσαρμοσμένες στις τυποποιημένες τιμές του δικτύου Χ.Τ. (220/230 V).

Σύνοψη: (ενδεικτική) Στροφές: σειράς με μεταβολή τάσης (αυτομετασχηματιστής, ρυθμιστικές αντιστάσεις, ηλεκτρονικά), Universal με φυγοκεντρικούς ρυθμιστές/πέδη, αντίδρασης με χειροστρόφαλο (0 → max)· πέδηση: ως γεννήτρια σε αντιστάσεις (ωφέλιμη μόνο με ειδικές διατάξεις), φυγοκεντρική πέδη, μετάθεση ψηκτρών· τάσεις: σειράς ≤ 800 V, Universal/αντίδρασης Χ.Τ. δικτύου.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Τρεις τύποι × ρύθμιση + πέδηση + τάσεις.

Ερώτηση 7 (πολλαπλής επιλογής) — Κινητήρας Σ.Ρ. σειράς με Ε.Ρ.

Ερώτηση: Αν ένας κινητήρας Σ.Ρ. σειράς τροφοδοτηθεί με Ε.Ρ., τότε θα: α. υπερθερμαίνονται οι πυρήνες των πόλων του. β. έχουμε μεγάλους σπινθηρισμούς στο συλλέκτη. γ. έχει μειωμένο συντελεστή ισχύος και μεγάλο θόρυβο. δ. παρουσιάζει όλα τα παραπάνω προβλήματα. ε. καταστραφεί, γιατί δεν θα μπορεί να κινηθεί.

Απάντηση:

• Σωστή απάντηση: δ. παρουσιάζει όλα τα παραπάνω προβλήματα — κινείται κανονικά (ίδια φορά) αλλά με υπερθέρμανση πόλων, σπινθηρισμούς, χαμηλό συνφ και θόρυβο (σελ. 295-296)· το ε είναι λάθος.

Σύνοψη: δ.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Σωστό γράμμα.

Ερώτηση 8 (πολλαπλής επιλογής) — Κινητήρες με μηχανισμό μετάθεσης ψηκτρών

Ερώτηση: Οι κινητήρες Ε.Ρ. με συλλέκτη, στους οποίους η αρχή λειτουργίας, η αλλαγή φοράς περιστροφής και η απεριόριστη ρύθμιση των στροφών τους γίνεται μ' ένα μηχανισμό μετάθεσης των ψηκτρών, ονομάζονται: α. κινητήρες αντίδρασης. β. κινητήρες Universal. γ. φυγοκεντρικοί κινητήρες. δ. κινητήρες με αντίσταση.

Απάντηση:

• Σωστή απάντηση: α. κινητήρες αντίδρασης — ο κινητήρας αντίδρασης έχει ψήκτρες βραχυκυκλωμένες σε μηχανισμό με χειροστρόφαλο για μετάθεση — φορά, πέδηση και ρύθμιση από 0 έως μέγιστη ταχύτητα (σελ. 299-300).

Σύνοψη: α.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Σωστό γράμμα.

Ερώτηση 9 (πολλαπλής επιλογής) — Ρύθμιση στροφών κινητήρων σειράς

Ερώτηση: Οι στροφές των μονοφασικών κινητήρων συλλέκτη σειράς, ρυθμίζονται με: α. τον εκκινητή (ρυθμ. αντίσταση). β. τον αυτομετασχηματιστή (αν έχει). γ. ειδικά ηλεκτρονικά κυκλώματα. δ. όλους τους πιο πάνω τρόπους.

Απάντηση:

• Σωστή απάντηση: δ. όλους τους πιο πάνω τρόπους — μεταβολή τάσης εισόδου μέσω ρυθμιζόμενου Μ/Σ, ρυθμιστικών αντιστάσεων και ηλεκτρονικών κυκλωμάτων (σελ. 300).

Σύνοψη: δ.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Σωστό γράμμα.

Ερώτηση 10 (πολλαπλής επιλογής) — Είδη κατασκευαζόμενων 1~ κινητήρων με συλλέκτη

Ερώτηση: Οι μονοφασικοί κινητήρες με συλλέκτη που κατασκευάζονται στην πράξη είναι: α. κινητήρες σειράς. β. κινητήρες Universal. γ. κινητήρες αντίδρασης. δ. όλων των παραπάνω ειδών.

Απάντηση:

• Σωστή απάντηση: δ. όλων των παραπάνω ειδών — τα τρία βασικά είδη (σελ. 297).

Σύνοψη: δ.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Σωστό γράμμα.