Λύσεις — Ενότητα 6.4: Έλεγχος ταχύτητας κινητήρων Ε.Ρ. (σελ. 368-369) – ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Γ΄ ΕΠΑΛ

Λύσεις — Ενότητα 6.4: Έλεγχος ταχύτητας κινητήρων Ε.Ρ. (σελ. 368-369)

Λύσεις των 12 ερωτήσεων της ενότητας 6.4: 3 θεωρίας, 5 πολλαπλής επιλογής και 4 αντιστοίχισης.

Ερώτηση 1 — Μέθοδος ελέγχου V/f = σταθερό

Ερώτηση: Τι γνωρίζετε για τη μέθοδο ελέγχου V/f =σταθερό κινητήρα εναλλασσόμενου ρεύματος;

Απάντηση:

• Είναι ο βαθμωτός έλεγχος με μεταβολή τάσης και συχνότητας (σελ. 361-362): αυξάνοντας τη συχνότητα τροφοδοσίας (n ∝ f) αυξάνουμε αντίστοιχα και την τάση, ώστε ο λόγος V/f να μένει σταθερός — έτσι η μαγνητική ροή στο διάκενο διατηρείται σταθερή και κοντά στη μέγιστη (η ροή ∝ V/f). Αποτέλεσμα: η καμπύλη ροπής-στροφών μετατοπίζεται σχεδόν παράλληλα προς μεγαλύτερη ή μικρότερη ταχύτητα, με σταθερή μέγιστη ροπή (σχ. 6.48β: V1/f1 = V2/f2 = …), δηλαδή ικανοποιητική ροπή σε κάθε ταχύτητα — σε αντίθεση με τη μεταβολή μόνο της τάσης (ίδια ταχύτητα Tmax) ή μόνο της συχνότητας (μείωση Tmax). Περιορισμοί: ① στις πολύ μικρές συχνότητες (< 10 Hz) η ωμική πτώση του στάτη μειώνει τη ροή του διακένου → μείωση Tmax, υπερθέρμανση στάτη — αντιμετωπίζεται με μικρή αύξηση της τάσης (boost) και κλειστό βρόχο ελέγχου της ροής, που μετριέται με αισθητήρες Hall μέσα στον κινητήρα· ② στις μεγάλες συχνότητες η τάση δεν μπορεί να ακολουθεί πέρα από μια τιμή που καθορίζουν τα θυρίστορ → πάνω από τη μέγιστη συχνότητα η τάση μένει σταθερή και ο κινητήρας λειτουργεί με σταθερή ισχύ (φθίνουσα ροπή). Στο ηλεκτρικό αυτοκίνητο υλοποιείται με τον αντιστροφέα ΣΡ/ΕΡ από τον συσσωρευτή· επειδή η παρακολούθηση του V/f είναι δύσκολη (κορεσμός/ασθενής ροή), χρειάζεται βρόχος ροής με μικροεπεξεργαστή ή αντικατάσταση από τον διανυσματικό έλεγχο.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Μεταβάλλουμε τάση και συχνότητα μαζί ώστε V/f = σταθερό → σταθερή ροή διακένου, παράλληλη μετατόπιση της Τ-n με σταθερή Tmax· < 10 Hz μείωση ροής → αύξηση τάσης + βρόχος ροής (Hall)· > fmax σταθερή τάση = σταθερή ισχύς· υλοποίηση με αντιστροφέα, εναλλακτικά διανυσματικός έλεγχος.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Αρχή + δύο περιορισμοί + υλοποίηση.

Ερώτηση 2 — Τριφασικός αντιστροφέας: σχέδιο και λειτουργία

Ερώτηση: Σχεδιάστε τριφασικό αντιστροφέα και εξηγείστε τη λειτουργία του.

Απάντηση:

• Σχέδιο (σχ. 6.51-6.52, σελ. 365-366): πηγή συνεχούς τάσης Ui (συσσωρευτής) με ηλεκτρολυτικό πυκνωτή C παράλληλα (σταθεροποίηση Ui)· τρεις κατακόρυφοι κλάδοι (ομάδες) μεταξύ + και −, καθένας με δύο θυρίστορ σε σειρά — TH1/TH4, TH3/TH6, TH5/TH2 — και αντιπαράλληλη δίοδο D1-D6 σε κάθε θυρίστορ· τα μεσαία σημεία των κλάδων είναι οι έξοδοι a, b, c προς τον ασύγχρονο τριφασικό κινητήρα (αστέρας, κόμβος n). Λειτουργία: οι έξι διακόπτες οδηγούνται σε τρεις ομάδες με 120° διαφορά γωνίας έναυσης, και μέσα σε κάθε ομάδα οι δύο διακόπτες με 180° διαφορά (ποτέ ταυτόχρονα). Αναλύοντας την περίοδο σε βήματα των 60°: βήματα 1-2: Δ1 και Δ6 κλειστοί → Vab θετική (a στο +, b στο −)· βήμα 3: Δ1 και Δ3 → Vab = 0· βήματα 4-5: Δ4 και Δ3 → Vab αρνητική· ομοίως προκύπτουν Vbc, Vca με μετατόπιση 120° → στην έξοδο ένα τριφασικό σύστημα πολικών τάσεων τετραγωνικής μορφής με πλήθος αρμονικών. Με διαμόρφωση εύρους παλμών (PWM) — γρήγορη ON/OFF εναλλαγή με μεταβλητό εύρος μέσα σε κάθε ημιπερίοδο — η τάση προσεγγίζει την ημιτονοειδή μορφή. Η συχνότητα εξόδου ορίζεται από τον ρυθμό παλμοδότησης (2 Hz έως μερικές δεκάδες Hz) και το πλάτος από τον λόγο PWM → έλεγχος V/f. Οι αντιπαράλληλες δίοδοι επιτρέπουν ρεύμα αντίθετο της τάσης → άεργη ισχύς για το επαγωγικό φορτίο και ανάστροφη λειτουργία (πέδηση με ανάκτηση). Διακοπτικά στοιχεία: θυρίστορ, GTO, BJT, MOSFET, IGBT. Όταν η πηγή είναι Ε.Ρ.: ανορθωτής ΕΡ/ΣΡ + ενδιάμεσο κύκλωμα C + αντιστροφέας (σχ. 6.53). Η όπισθεν επιτυγχάνεται με αλλαγή της διαδοχής φάσεων.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Ui + C → 3 κλάδοι με 6 θυρίστορ (TH1-TH6) + 6 αντιπαράλληλες δίοδοι → έξοδοι a-b-c στον κινητήρα· ομάδες 120°, 180° ανά κλάδο, βήματα 60° (Δ1-Δ6: Vab > 0, Δ1-Δ3: 0, Δ4-Δ3: < 0) → τριφασικό τετραγωνικό, με PWM ημιτονοειδές μεταβλητής V και f· δίοδοι για άεργη ισχύ/πέδηση.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Σχέδιο + βήματα + PWM + δίοδοι.

Ερώτηση 3 — Κινητήρας Ε.Ρ. με συμπεριφορά κινητήρα Σ.Ρ.

Ερώτηση: Πώς μπορούμε να επιτύχουμε, ώστε ένας κινητήρας εναλλασσόμενου ρεύματος να παρουσιάζει συμπεριφορά κινητήρα συνεχούς ρεύματος;

Απάντηση:

• Με τον διανυσματικό έλεγχο (vector control) (σελ. 367). Στον κινητήρα Σ.Ρ. ξένης διέγερσης η ροή (ρεύμα διέγερσης) και η ροπή (ρεύμα τυμπάνου) ελέγχονται ανεξάρτητα· στον ασύγχρονο κινητήρα και τα δύο εξαρτώνται από το ίδιο ρεύμα στάτη. Στον διανυσματικό έλεγχο ένας μικροεπεξεργαστής επεξεργάζεται τις πληροφορίες μαγνητικής ροής, ταχύτητας, ροπής, τάσης και ρεύματος του στάτη (αισθητήρες Hall, ταχύτητας) και, με ειδικό μαθηματικό μετασχηματισμό (σε στρεφόμενο σύστημα αξόνων προσανατολισμένο στη ροή), χωρίζει το ρεύμα του στάτη σε δύο συνιστώσες: μία παράγουσα τη ροή (αντίστοιχη του ρεύματος διέγερσης) και μία παράγουσα τη ροπή (αντίστοιχη του ρεύματος τυμπάνου). Με διάφορες τεχνικές γίνεται ανεξάρτητος έλεγχος κάθε συνιστώσας μέσω των παλμών έναυσης του αντιστροφέα, οπότε ο κινητήρας Ε.Ρ. συμπεριφέρεται σαν κινητήρας Σ.Ρ. ξένης διέγερσης — άμεσος έλεγχος ροπής με σταθερή ροή. Είναι ταχύτερος και αποτελεσματικότερος από το V/f = σταθερό σε στατικές και μεταβατικές συνθήκες· επιτυγχάνει αύξηση ροπής εκκίνησης μέχρι 80 %, ελεγχόμενη ταχύτητα και εξοικονόμηση ενέργειας.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Με διανυσματικό έλεγχο: μικροεπεξεργαστής μετρά ροή-ταχύτητα-ροπή-τάση-ρεύμα, χωρίζει με μετασχηματισμό το ρεύμα στάτη σε συνιστώσα ροής και συνιστώσα ροπής και τις ελέγχει ανεξάρτητα → συμπεριφορά Σ.Ρ. ξένης διέγερσης· +80 % Τεκ, ελεγχόμενη ταχύτητα, εξοικονόμηση.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Διανυσματικός έλεγχος + δύο συνιστώσες + αποτελέσματα.

Ερώτηση 4 (πολλαπλής επιλογής) — Βαθμωτός έλεγχος V/f

Ερώτηση: Στον έλεγχο κινητήρα εναλλασσόμενου ρεύματος με τη μέθοδο βαθμωτού ελέγχου V/f: α. μεταβάλλεται μόνο η τάση τροφοδότησης V. β. μεταβάλλεται μόνο η συχνότητα τροφοδότησης f. γ. μεταβάλλεται και η τάση και η συχνότητα ώστε ο λόγος V/f να παραμένει σταθερός.

Απάντηση:

• Σωστή απάντηση: γ. μεταβάλλεται και η τάση και η συχνότητα ώστε ο λόγος V/f να παραμένει σταθερός — σελ. 361 — σταθερή ροή διακένου.

Σύνοψη: γ.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Σωστό γράμμα.

Ερώτηση 5 (πολλαπλής επιλογής) — Ο αντιστροφέας είναι μετατροπέας

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

Απάντηση:

• Σωστή απάντηση: β. ΣΡ-ΕΡ — «ο ηλεκτρονικός ρυθμιστής που πραγματοποιεί αυτή τη λειτουργία λέγεται αντιστροφέας ή μετατροπέας ΣΡ/ΕΡ» (σελ. 362).

Σύνοψη: β.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Σωστό γράμμα.

Ερώτηση 6 (πολλαπλής επιλογής) — Αντιπαράλληλες δίοδοι στον αντιστροφέα

Ερώτηση: Στο κύκλωμα του αντιστροφέα τοποθετούνται αντιπαράλληλα δίοδοι: α. για ταχύτητα ελέγχου. β. για δημιουργία αέργου ισχύος. γ. για ανόρθωση του ρεύματος.

Απάντηση:

• Σωστή απάντηση: β. για δημιουργία αέργου ισχύος — με θυρίστορ + αντιπαράλληλη δίοδο «είναι δυνατή η δημιουργία αέργου ισχύος (διαφοράς φάσης μεταξύ ρεύματος και τάσης), ώστε να τροφοδοτούνται και φορτία με επαγωγικό μέρος και … η ανάστροφη λειτουργία κατά την πέδηση» (σελ. 364).

Σύνοψη: β.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Σωστό γράμμα.

Ερώτηση 7 (πολλαπλής επιλογής) — Χωριστός έλεγχος δύο συνιστωσών ρεύματος

Ερώτηση: Για βελτιστοποίηση ελέγχου κινητήρα εναλλασσόμενου ρεύματος ελέγχουμε χωριστά τις δύο συνιστώσες του ρεύματος στον: α. έλεγχο V/f=σταθερό. β. στον διανυσματικό έλεγχο. γ. στον έλεγχο συχνότητας.

Απάντηση:

• Σωστή απάντηση: β. στον διανυσματικό έλεγχο — σελ. 367.

Σύνοψη: β.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Σωστό γράμμα.

Ερώτηση 8 (πολλαπλής επιλογής) — Ηλεκτρολυτικός πυκνωτής στην είσοδο του αντιστροφέα

Ερώτηση: Στην είσοδο του αντιστροφέα υπάρχει ηλεκτρολυτικός πυκνωτής για: α. σταθεροποίηση τάσης. β. ανάστροφη λειτουργία. γ. έλεγχο παλμών θυρίστορ.

Απάντηση:

• Σωστή απάντηση: α. σταθεροποίηση τάσης — «ο ηλεκτρολυτικός πυκνωτής C σταθεροποιεί την τάση εισόδου Ui» (σελ. 366).

Σύνοψη: α.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Σωστό γράμμα.

Ερώτηση 9 (αντιστοίχιση) — Μετατροπείς και ονομασίες

Ερώτηση: Συνδέστε με γραμμή τα αντίστοιχα: Μετατροπέας ΣΡ-ΣΡ, Μετατροπέας ΕΡ-ΣΡ, Μετατροπέας ΣΡ-ΕΡ — Κατατμητής, Αντιστροφέας, Ανορθωτής.

Απάντηση:

• Μετατροπέας ΣΡ-ΣΡ → Κατατμητής (chopper) — συνεχή τάση σε συνεχή άλλης τιμής (σελ. 357).
• Μετατροπέας ΕΡ-ΣΡ → Ανορθωτής — εναλλασσόμενη σε συνεχή (δίοδοι/θυρίστορ, σελ. 349, 352).
• Μετατροπέας ΣΡ-ΕΡ → Αντιστροφέας (inverter) — συνεχή σε εναλλασσόμενη μεταβλητής τάσης-συχνότητας (σελ. 362).

Σύνοψη: ΣΡ-ΣΡ = κατατμητής· ΕΡ-ΣΡ = ανορθωτής· ΣΡ-ΕΡ = αντιστροφέας.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Τρεις σωστές αντιστοιχίσεις.

Ερώτηση 10 (αντιστοίχιση) — Μέθοδοι ελέγχου και χαρακτηριστικά

Ερώτηση: Συνδέστε με γραμμή τα αντίστοιχα: Έλεγχος V/f=σταθερό, Διανυσματικός έλεγχος, Κλειστός βρόχος ελέγχου ταχύτητας — Χωριστή ρύθμιση δύο συνιστωσών, Πρόβλημα στις μικρές συχνότητες χρειάζεται διόρθωση, αντίδραση (feedback).

Απάντηση:

• Έλεγχος V/f = σταθερό → Πρόβλημα στις μικρές συχνότητες, χρειάζεται διόρθωση — κάτω από 10 Hz μειώνεται η ροή και απαιτείται μικρή αύξηση τάσης/βρόχος ροής (σελ. 361).
• Διανυσματικός έλεγχος → Χωριστή ρύθμιση δύο συνιστωσών — του ρεύματος στάτη (ροής και ροπής) (σελ. 367).
• Κλειστός βρόχος ελέγχου ταχύτητας → αντίδραση (feedback) — η έξοδος (ταχύτητα, μέσω ταχογεννήτριας/αισθητήρα) ανατροφοδοτεί τον συγκριτή (σελ. 356).

Σύνοψη: V/f σταθερό = πρόβλημα στις μικρές συχνότητες (διόρθωση)· διανυσματικός = χωριστή ρύθμιση δύο συνιστωσών· κλειστός βρόχος = αντίδραση (feedback).

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Τρεις αντιστοιχίσεις.

Ερώτηση 11 (αντιστοίχιση) — Μετατροπείς και πλήθος στοιχείων

Ερώτηση: Συνδέστε με γραμμή τα αντίστοιχα: Μονοφασικός αντιστροφέας, Τριφασικός αντιστροφέας, Κατατμητής — 6 θυρίστορς και 6 δίοδοι, 4 θυρίστορς και 4 δίοδοι, 1 θυρίστορ και 1 δίοδος.

Απάντηση:

• Μονοφασικός αντιστροφέας → 4 θυρίστορ και 4 δίοδοι — γέφυρα TH1-TH4 με αντιπαράλληλες D1-D4 (σχ. 6.50).
• Τριφασικός αντιστροφέας → 6 θυρίστορ και 6 δίοδοι — TH1-TH6, D1-D6 σε τρεις κλάδους (σχ. 6.52).
• Κατατμητής → 1 θυρίστορ και 1 δίοδος — θυρίστορ TH (διακόπτης) και δίοδος ελεύθερης ροής D (σχ. 6.45).

Σύνοψη: 1~ αντιστροφέας = 4 TH + 4 D· 3~ αντιστροφέας = 6 TH + 6 D· κατατμητής = 1 TH + 1 D.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Τρεις αντιστοιχίσεις.

Ερώτηση 12 (αντιστοίχιση) — Μετατροπείς και μορφή εξόδου

Ερώτηση: Συνδέστε με γραμμή τα αντίστοιχα: Αντιστροφέας, Διαμορφωτής εύρους παλμών (PWM), Κατατμητής — η έξοδος είναι: παλμοί σταθερής πολικότητας, παλμοί εναλλασσόμενης πολικότητας, προσεγγιστική ημιτονοειδής καμπύλη.

Απάντηση:

• Αντιστροφέας → παλμοί εναλλασσόμενης πολικότητας — τετραγωνική κυματομορφή που αλλάζει πρόσημο κάθε ημιπερίοδο (σχ. 6.49-6.51).
• Διαμορφωτής εύρους παλμών (PWM) → προσεγγιστική ημιτονοειδής καμπύλη — με μεταβλητό εύρος παλμών η έξοδος προσεγγίζει το ημίτονο (σελ. 365-366).
• Κατατμητής → παλμοί σταθερής πολικότητας — συνεχής τάση κατατμημένη σε παλμούς ίδιου προσήμου με μέση τιμή α·Ui (σχ. 6.45-6.46).

Σύνοψη: Αντιστροφέας = παλμοί εναλλασσόμενης πολικότητας· PWM = προσεγγιστική ημιτονοειδής· κατατμητής = παλμοί σταθερής πολικότητας.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Τρεις αντιστοιχίσεις.