Λύσεις — Ενότητα 6.3: Έλεγχος ταχύτητας κινητήρων Σ.Ρ. (σελ. 360) – ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Γ΄ ΕΠΑΛ

Λύσεις — Ενότητα 6.3: Έλεγχος ταχύτητας κινητήρων Σ.Ρ. (σελ. 360)

Λύσεις των 10 ερωτήσεων της ενότητας 6.3: 6 θεωρίας και 4 πολλαπλής επιλογής.

Ερώτηση 1 — Έλεγχος ταχύτητας Σ.Ρ. με έλεγχο τυμπάνου και πεδίου (διπλή ρύθμιση)

Ερώτηση: Περιγράψτε τον έλεγχο ταχύτητας κινητήρα συνεχούς ρεύματος με έλεγχο τυμπάνου και πεδίου.

Απάντηση:

• Με δύο κατατμητές ρυθμίζουμε ανεξάρτητα την τάση τυμπάνου UT και την τάση/ρεύμα διέγερσης UF — διπλή ρύθμιση των δύο μαγνητικών πεδίων (στάτη-δρομέα), συχνή στους κινητήρες Σ.Ρ. αυτοκινήτων (σελ. 358-359, σχ. 6.47). I. Έλεγχος τυμπάνου (περιοχή n < nον): ο κατατμητής μεταβάλλει την τάση UT του τυμπάνου, ενώ η μαγνητική ροή Φ διατηρείται σταθερή (πλήρης διέγερση). Από n = (U − IτRτ)/KΦ η ταχύτητα είναι ανάλογη της τάσης· αν και το ρεύμα τυμπάνου διατηρηθεί σταθερό, η ροπή T = K₁ΦIτ μένει σταθερή και η ισχύς P = T·ω είναι ανάλογη της ταχύτητας — περιοχή σταθερής ροπής, από nmin μέχρι nον. II. Έλεγχος πεδίου (περιοχή n > nον): με δεύτερο κατατμητή μεταβάλλουμε το ρεύμα διέγερσης, άρα τη Φ, με το ρεύμα τυμπάνου σταθερό και την UT στην ονομαστική· η μείωση της ροής ανεβάζει την ταχύτητα αλλά ελαττώνει τη ροπή, ώστε η ισχύς διατηρείται σταθερή — περιοχή σταθερής ισχύος (εξασθένηση πεδίου). Όρια: για αξιόπιστο έλεγχο και σταθερή λειτουργία nmin = (10/100)·nον και nmax = 4·nον. Το διάγραμμα 6.47 δείχνει T σταθερή και P αύξουσα μέχρι nον (τύμπανο), κατόπιν P σταθερή και T φθίνουσα μέχρι nmax (πεδίο).

Σύνοψη: (ενδεικτική) Δύο κατατμητές: (I) έλεγχος τυμπάνου — μεταβολή UT με Φ σταθερή, n < nον, ροπή σταθερή, P ∝ n· (II) έλεγχος πεδίου — μεταβολή Iδ/Φ με Iτ σταθερό, n > nον, Φ ↓ → n ↑ T ↓, ισχύς σταθερή· όρια 0,1·nον έως 4·nον.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Δύο περιοχές + όρια.

Ερώτηση 2 — Κύκλωμα και λειτουργία κατατμητή Σ.Ρ.

Ερώτηση: Σχεδιάστε το κύκλωμα και εξηγείστε τη λειτουργία κατατμητή συνεχούς ρεύματος.

Απάντηση:

• Κύκλωμα (σχ. 6.45β, σελ. 357): πηγή συνεχούς τάσης Ui (συσσωρευτής) → θυρίστορ TH (ηλεκτρονικός διακόπτης, με το κύκλωμα ελέγχου/σβέσης του — «κατατμητής») σε σειρά → φορτίο Φ (τύμπανο κινητήρα, επαγωγικό) · παράλληλα στο φορτίο η δίοδος ελεύθερης ροής D (ανάστροφα πολωμένη ως προς την Ui). Μηχανικό ισοδύναμο: κινητή επαφή δ που ανοιγοκλείνει (σχ. 6.45α). Λειτουργία: ο κατατμητής είναι διακόπτης ON/OFF. Κατά τον χρόνο αγωγής tON το θυρίστορ άγει και στο φορτίο εφαρμόζεται όλη η τάση Ui· κατά τον χρόνο αποκοπής tOFF το θυρίστορ σβήνει, αποκόπτει την πηγή και η δίοδος D βραχυκυκλώνει το φορτίο, ώστε το ρεύμα του επαγωγικού φορτίου να συνεχίζει να ρέει (χωρίς υπερτάσεις). Το φορτίο «βλέπει» παλμούς πλάτους Ui και η μέση τιμή της τάσης είναι \( U_o = U_i \frac{t_{ON}}{t_{ON} + t_{OFF}} = U_i \frac{t_{ON}}{T} = α U_i \) (6.4), με α = tON/T τη σχετική διάρκεια παλμού (0-1). Άρα ο κατατμητής μετατρέπει τη συνεχή τάση Ui σε συνεχή τάση Uo άλλης, ρυθμιζόμενης τιμής — μετατροπέας ΣΡ/ΣΡ (σχ. 6.44). Η ρύθμιση γίνεται με PWM (σταθερή περίοδος, μεταβλητό tON — π.χ. α = 2/3 → Uo = 2Ui/3, α = 1/3 → Ui/3, σχ. 6.46) ή FM (μεταβλητή περίοδος). Με αντιστροφή πολικότητας επιτρέπει πέδηση με ανάκτηση.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Ui → θυρίστορ TH (διακόπτης ON/OFF) → φορτίο, με δίοδο ελεύθερης ροής D παράλληλα· tON: Ui στο φορτίο, tOFF: αποκοπή, η D βραχυκυκλώνει το φορτίο· Uo = Ui·tON/T = α·Ui → μετατροπέας ΣΡ/ΣΡ, ρύθμιση με PWM/FM.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Κύκλωμα + tON/tOFF + τύπος.

Ερώτηση 3 — Έλεγχος ταχύτητας Σ.Ρ.: πεδίου, οπλισμού, τάσης τυμπάνου

Ερώτηση: Αναπτύξτε τη μέθοδο ελέγχου ταχύτητας κινητήρα συνεχούς ρεύματος με: α) έλεγχο πεδίου, β) έλεγχο οπλισμού, γ) έλεγχο τάσης τυμπάνου.

Απάντηση:

• Από n = (U − IτRτ)/(KΦ) η ταχύτητα ρυθμίζεται μέσω Φ, Rτ ή U (σελ. 349-350): α) Έλεγχος πεδίου: συνδέεται μεταβλητή αντίσταση σε σειρά με το τύλιγμα διέγερσης → μειώνεται το ρεύμα διέγερσης και η ροή Φ → αυξάνεται η ταχύτητα (n ∝ 1/Φ) και μειώνεται η ροπή (T = K₁ΦIτ)· ρύθμιση πάνω από την ονομαστική ταχύτητα, με σταθερή ισχύ (σχ. 6.27 — παράλληλης και σειράς)· οικονομική (μικρό ρεύμα διέγερσης) αλλά περιορισμένη. β) Έλεγχος οπλισμού (τυμπάνου): μεταβλητή αντίσταση σε σειρά ή παράλληλα με το τύμπανο → αυξάνεται η πτώση τάσης IτRτ → μειώνεται η ταχύτητα για δεδομένο φορτίο (σχ. 6.28)· ρύθμιση κάτω από την ονομαστική· περιορισμένη ικανότητα ρύθμισης και κατανάλωση ισχύος στις αντιστάσεις (μειώνει τον βαθμό απόδοσης, εξαρτάται από το φορτίο). γ) Έλεγχος τάσης τυμπάνου: αυξάνοντας την τάση τυμπάνου αυξάνουμε την ταχύτητα (n ∝ U με Φ σταθερή)· η χαρακτηριστική ροπής-στροφών μετατοπίζεται παράλληλα προς τα πάνω (σχ. 6.29) — σταθερή ροπή, ρύθμιση από 0 μέχρι nον· παλιά με ποτενσιόμετρο (απώλειες) ή βηματική ρευματοληψία από τον συσσωρευτή (σύνδεση-αποσύνδεση στοιχείων με πολύπλοκη διάταξη)· σήμερα με κατατμητή ΣΡ/ΣΡ (ή ελεγχόμενο ανορθωτή ΕΡ/ΣΡ) χωρίς απώλειες, απόδοση > 90 % — η κύρια μέθοδος στα ηλεκτρικά αυτοκίνητα (συνδυασμένη με έλεγχο πεδίου = διπλή ρύθμιση).

Σύνοψη: (ενδεικτική) α) Πεδίο: αντίσταση στη διέγερση → Φ ↓ → n ↑, T ↓ (πάνω από nον)· β) οπλισμός: αντίσταση σε σειρά/παράλληλα με το τύμπανο → n ↓, περιορισμένη ρύθμιση, απώλειες· γ) τάση τυμπάνου: U ↑ → n ↑, Τ-n παράλληλα προς τα πάνω· παλιά ποτενσιόμετρο/βηματική ρευματοληψία, σήμερα κατατμητής (> 90 %).

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Τρεις μέθοδοι με επίδραση σε n, T και μειονεκτήματα.

Ερώτηση 4 — Έλεγχος τάσης με θυρίστορ

Ερώτηση: Εξηγείστε πώς γίνεται έλεγχος της τάσης με το θυρίστορ.

Απάντηση:

• Το θυρίστορ (ελεγχόμενος ανορθωτής πυριτίου, SCR) έχει τρεις επαφές pn-np-pn και ακροδέκτες άνοδο A, κάθοδο K, πύλη G (σχ. 6.36). Άγει μόνο όταν είναι ορθά πολωμένο (UAK > 0) και δοθεί στην πύλη παλμός ρεύματος σκανδαλισμού IG· μόλις ανάψει, παραμένει αγώγιμο (η πύλη χάνει τον έλεγχο) μέχρι το ρεύμα του να μηδενιστεί — στο Ε.Ρ. στο τέλος της θετικής ημιπεριόδου. Έλεγχος τάσης (σχ. 6.37, σελ. 354): τροφοδοτούμε το φορτίο R μέσω θυρίστορ από εναλλασσόμενη τάση Ui· μια παλμογεννήτρια έναυσης, συγχρονισμένη με το δίκτυο, δίνει τον παλμό IG σε γωνία έναυσης α μετά το πέρασμα της τάσης από το μηδέν. Το θυρίστορ άγει από α μέχρι 180° και στο φορτίο εμφανίζεται μόνο το αντίστοιχο τμήμα της ημιπεριόδου (ανορθωμένο). Ρυθμίζοντας τη γωνία α (0° → 180°) ελέγχουμε τη μέση τιμή της τάσης Uo στο φορτίο: μικρή α → σχεδόν πλήρης τάση, μεγάλη α → μικρή μέση τάση (έλεγχος φάσης). Με τέσσερα ή έξι θυρίστορ σε γέφυρα προκύπτει ελεγχόμενος ανορθωτής ΕΡ/ΣΡ για κινητήρες Σ.Ρ.· με δύο αντιπαράλληλα (TRIAC) ελέγχεται Ε.Ρ. (έναυση σε α και 180° + α, σχ. 6.39)· στον κατατμητή το θυρίστορ λειτουργεί ως διακόπτης ON/OFF (με κύκλωμα σβέσης) και η μέση τάση ρυθμίζεται από tON/T.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Το θυρίστορ άγει με UAK > 0 και παλμό πύλης IG· παλμογεννήτρια δίνει τον παλμό σε γωνία έναυσης α· άγει από α έως 180°· μεταβάλλοντας το α ρυθμίζεται η μέση τιμή της τάσης στο φορτίο (έλεγχος φάσης)· σε γέφυρα → ελεγχόμενος ανορθωτής, αντιπαράλληλα → TRIAC για Ε.Ρ., ON/OFF → κατατμητής.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Συνθήκες αγωγής + γωνία έναυσης → μέση τάση.

Ερώτηση 5 — Δομικό διάγραμμα ΣΑΕ και λειτουργία κλειστού βρόχου

Ερώτηση: Σχεδιάστε ένα δομικό διάγραμμα ΣΑΕ και εξηγείστε τη λειτουργία του κλειστού βρόχου.

Απάντηση:

• Σ.Α.Ε. = σύνολο αλληλοεξαρτόμενων μηχανισμών που εξασφαλίζει ένα επιθυμητό αποτέλεσμα· ανοικτού βρόχου όταν η έξοδος δεν ανατροφοδοτεί την είσοδο, κλειστού βρόχου όταν η έξοδος μεταφέρεται στην είσοδο, σε συγκριτή, και συγκρίνεται με την επιθυμητή (σελ. 356). Δομικό διάγραμμα (σχ. 6.42 — ρύθμιση τάσης φορτίου): [επιθυμητή έξοδος Ui — ποτενσιόμετρο] → [συγκριτής: Uσφ = Ui − Uo] → [ενισχυτής] → [ηλεκτρικός κινητήρας] → [οδοντωτοί τροχοί] → [κινητή λήψη αυτομετασχηματιστή] → [φορτίο, έξοδος Uo] → [μηχανισμός ανάδρασης] → πίσω στον συγκριτή. Λειτουργία κλειστού βρόχου: το φορτίο μεταβάλλεται συνεχώς και πρέπει να εξασφαλιστεί σταθερή τροφοδότηση Uo. Η πραγματική έξοδος Uo επιστρέφει μέσω ανάδρασης στον συγκριτή, που τη συγκρίνει με την επιθυμητή Ui· παράγεται σήμα σφάλματος Uσφ = Ui − Uo, που ενισχύεται και τροφοδοτεί τον κινητήρα· αυτός στρέφει τον άξονά του και, μέσω των οδοντωτών τροχών (υποβιβασμός), μετακινεί τη λήψη του Α/Σ προς την κατεύθυνση που διορθώνει την έξοδο. Η διαδικασία επαναλαμβάνεται συνεχώς· ο κινητήρας και η λήψη σταματούν όταν μηδενιστεί το σφάλμα, δηλαδή Uo = Ui. Στο ηλεκτρικό αυτοκίνητο (σχ. 6.43): είσοδος Ui από το γκάζι → διαφορικό (συγκριτής) → ενισχυτής → ηλεκτρικός κινητήρας → ταχύτητα n· ανάδραση από αισθητήρα ταχύτητας ή ταχογεννήτρια που δίνει Un ∝ n· ο ηλεκτρονικός ρυθμιστής εκτελεί συνεχώς τον βρόχο ώστε η ταχύτητα να ακολουθεί το γκάζι ανεξάρτητα από φορτίο/κλίση.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Ui (επιθυμητή) → συγκριτής (σφάλμα Ui − Uo) → ενισχυτής → κινητήρας → οδοντωτοί τροχοί → λήψη Α/Σ → φορτίο Uo → ανάδραση → συγκριτής· το σφάλμα ενισχύεται και κινεί τον διορθωτή μέχρι Uo = Ui (σφάλμα 0)· στο αυτοκίνητο: γκάζι → διαφορικό → ενισχυτής → κινητήρας, ανάδραση ταχογεννήτριας Un ∝ n.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Μπλοκ + λειτουργία σφάλματος-ανάδρασης.

Ερώτηση 6 — Διπλή ανόρθωση με γέφυρα τεσσάρων διόδων

Ερώτηση: Σχεδιάστε και εξηγείστε κύκλωμα διπλής ανόρθωσης με γέφυρα τεσσάρων διόδων.

Απάντηση:

• Κύκλωμα (σχ. 6.33, σελ. 352): η εναλλασσόμενη τάση Ui (π.χ. δευτερεύον Μ/Σ, ακροδέκτες R-N) εφαρμόζεται στις δύο διαγώνιες κορυφές μιας γέφυρας από τέσσερις διόδους D1-D4 (D1 και D2 με την κάθοδο στην ίδια κορυφή «+», D3 και D4 με την άνοδο στην κορυφή «−»)· το φορτίο R συνδέεται στις άλλες δύο κορυφές (+, −) και η τάση εξόδου Uo μετριέται σε αυτό. Λειτουργία: κατά τη θετική ημιπερίοδο (R θετικό ως προς N) είναι ορθά πολωμένες οι D1 και D3 (π.χ.): το ρεύμα ρέει R → D1 → φορτίο (από + προς −) → D3 → N. Κατά την αρνητική ημιπερίοδο (N θετικό) άγουν οι D2 και D4: N → D2 → φορτίο με την ίδια φορά → D4 → R. Έτσι και οι δύο ημιπερίοδοι περνούν από το φορτίο με την ίδια πολικότητα — η Uo είναι μια σειρά θετικών ημιτονικών «καμπούρων» (διπλή ανόρθωση, 100 παλμοί/s για 50 Hz), αντίθετα με την απλή ανόρθωση (μία δίοδος, μόνο οι θετικές ημιπερίοδοι, σχ. 6.32). Μέση τιμή Uo = 0,9·Uεν (2Um/π)· με φίλτρο πυκνωτή/πηνίου εξομαλύνεται σε σχεδόν σταθερή συνεχή τάση. Χρήση: φορτιστές συσσωρευτών, τροφοδοσία κινητήρων Σ.Ρ. από Ε.Ρ.· με θυρίστορ αντί διόδων → ελεγχόμενη ανόρθωση.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Γέφυρα D1-D4: Ε.Τ. στις διαγώνιες κορυφές, φορτίο στις άλλες δύο· θετική ημιπερίοδος → D1-D3, αρνητική → D2-D4, ρεύμα πάντα ίδιας φοράς στο φορτίο → και οι δύο ημιπερίοδοι ανορθωμένες (Uo ≈ 0,9·Uεν, εξομάλυνση με φίλτρο).

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Κύκλωμα + δύο ημιπερίοδοι.

Ερώτηση 7 (πολλαπλής επιλογής) — Αμφίπλευρος ανορθωτής πυριτίου (TRIAC)

Ερώτηση: Ο Αμφίπλευρος ανορθωτής πυριτίου: α. άγει προς μία κατεύθυνση. β. χρειάζεται μεγάλο ρεύμα για διέγερση της πύλης. γ. χρησιμοποιείται για έλεγχο ΕΡ.

Απάντηση:

• Σωστή απάντηση: γ. χρησιμοποιείται για έλεγχο Ε.Ρ. — το TRIAC (δύο αντιπαράλληλα θυρίστορ) άγει και προς τις δύο κατευθύνσεις με κατάλληλο ρεύμα πύλης και χρησιμοποιείται για έλεγχο εναλλασσόμενου ρεύματος (σελ. 354).

Σύνοψη: γ.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Σωστό γράμμα.

Ερώτηση 8 (πολλαπλής επιλογής) — Τι ρυθμίζουμε με το θυρίστορ

Ερώτηση: Με το θυρίστορ: α. ρυθμίζουμε την τάση ενός φορτίου, ρυθμίζοντας το ρεύμα διέγερσης, β. ρυθμίζουμε την τάση ενός φορτίου, ρυθμίζοντας τη γωνία έναυσης. γ. ρυθμίζουμε την πολικότητα του φορτίου.

Απάντηση:

• Σωστή απάντηση: β. ρυθμίζουμε την τάση ενός φορτίου, ρυθμίζοντας τη γωνία έναυσης — «ρυθμίζοντας τη γωνία έναυσης α του θυρίστορ, ελέγχουμε τη μέση τιμή της τάσης που εφαρμόζεται στο φορτίο» (σελ. 354, σχ. 6.37).

Σύνοψη: β.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Σωστό γράμμα.

Ερώτηση 9 (πολλαπλής επιλογής) — Ο κατατμητής είναι μετατροπέας

Ερώτηση: Ο κατατμητής είναι μετατροπέας: α. ΕΡ-ΣΡ β. ΣΡ-ΣΡ γ. ΣΡ-ΕΡ

Απάντηση:

• Σωστή απάντηση: β. ΣΡ-ΣΡ — «ο κατατμητής … μετατρέπει μία συνεχή τάση σε συνεχή άλλης τιμής, είναι δηλαδή ένας μετατροπέας ΣΡ/ΣΡ» (σελ. 357)· ΕΡ-ΣΡ = ανορθωτής, ΣΡ-ΕΡ = αντιστροφέας.

Σύνοψη: β.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Σωστό γράμμα.

Ερώτηση 10 (πολλαπλής επιλογής) — Τι μεταβάλλεται στην PWM

Ερώτηση: Με τη διαμόρφωση πλάτους παλμών κατατμητή μεταβάλλεται: α. ο χρόνος αγωγής tON του κατατμητή. β. η περίοδος Τ του κατατμητή. γ. η συχνότητα αγωγής f.

Απάντηση:

• Σωστή απάντηση: α. ο χρόνος αγωγής tON του κατατμητή — στην PWM η περίοδος T και η συχνότητα f = 1/T παραμένουν σταθερές και μεταβάλλεται ο χρόνος αγωγής tON (σελ. 358)· στην FM μεταβάλλεται η T.

Σύνοψη: α.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Σωστό γράμμα.