Λύσεις — Παραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας (σελ. 224) – ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΟΥ Γ΄ ΕΠΑΛ

Λύσεις — Παραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας

Λύσεις στις 11 ερωτήσεις του κεφαλαίου (εξαιρείται η άσκηση σχεδίασης εσωτερικής συνδεσμολογίας εναλλακτήρα): αρχή λειτουργίας γεννητριών Σ.Ρ./Ε.Ρ., δυναμό, εναλλακτήρας, κρυσταλλοδίοδοι, τριφασικό ρεύμα, ανορθωτική γέφυρα, λόγοι χρήσης εναλλακτήρα.

Αρχή λειτουργίας γεννήτριας

Ερώτηση: Ποια είναι η αρχή λειτουργίας της γεννήτριας;

Απάντηση:

• Ποια είναι η αρχή λειτουργίας της γεννήτριας;

Σύνοψη: (ενδεικτική) Η αρχή λειτουργίας κάθε γεννήτριας στηρίζεται στο φαινόμενο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής: αν σε έναν αγωγό που βρίσκεται μέσα σε μαγνητικό πεδίο δώσουμε κίνηση, με τρόπο ώστε αυτός να κόβει τις μαγνητικές γραμμές του πεδίου, τότε στα άκρα του αγωγού αναπτύσσεται μια διαφορά δυναμικού (τάση). Το ίδιο φαινόμενο και αποτέλεσμα προκύπτει και αν, αντί για έναν απλό αγωγό, περιστρέψουμε ένα πλαίσιο (πηνίο) μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο. Στην πράξη, στη γεννήτρια της γεωμηχανικής, ή κρατάμε ακίνητο τον αγωγό/πηνίο και περιστρέφουμε το μαγνητικό πεδίο γύρω του (όπως στον εναλλακτήρα) ή κρατάμε ακίνητο το μαγνητικό πεδίο και περιστρέφουμε τον αγωγό/πηνίο μέσα σε αυτό (όπως στο δυναμό) — και στις δύο περιπτώσεις, το αποτέλεσμα είναι η ανάπτυξη μιας εναλλασσόμενης τάσης εξ επαγωγής.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Ηλεκτρομαγνητική επαγωγή: όταν αγωγός (ή μαγνητικό πεδίο) κινείται έτσι ώστε ο αγωγός να κόβει τις μαγνητικές γραμμές, αναπτύσσεται τάση στα άκρα του

Μεγέθη από τα οποία εξαρτάται η παραγόμενη τάση

Ερώτηση: Από ποια μεγέθη εξαρτάται το μέγεθος της παραγόμενης τάσης;

Απάντηση:

• Από ποια μεγέθη εξαρτάται το μέγεθος της παραγόμενης τάσης;

Σύνοψη: (ενδεικτική) Η διαφορά δυναμικού (τάση) που αναπτύσσεται σε μια γεννήτρια είναι ανάλογη δύο βασικών μεγεθών: πρώτον, της ταχύτητας κίνησης του πλαισίου/αγωγού, δηλαδή των στροφών περιστροφής της γεννήτριας — όσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα περιστροφής, τόσο μεγαλύτερη είναι η παραγόμενη τάση· και δεύτερον, της έντασης του μαγνητικού πεδίου μέσα στο οποίο γίνεται η κίνηση/περιστροφή — όσο ισχυρότερο είναι το μαγνητικό πεδίο (π.χ. μεγαλύτερο ρεύμα διέγερσης στους ηλεκτρομαγνήτες), τόσο μεγαλύτερη είναι η τάση που αναπτύσσεται.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Από την ταχύτητα περιστροφής της γεννήτριας και από την ένταση του μαγνητικού πεδίου (ρεύμα διέγερσης)

Ρόλος δακτυλιδιών και ψηκτρών

Ερώτηση: Ποιος ο ρόλος των δακτυλιδιών και των εφαπτόμενων σ' αυτά ψηκτρών;

Απάντηση:

• Ποιος ο ρόλος των δακτυλιδιών και των εφαπτόμενων σ' αυτά ψηκτρών;

Σύνοψη: (ενδεικτική) Στο στρεφόμενο πλαίσιο μιας γεννήτριας, το εναλλασσόμενο ρεύμα (Ε.Ρ.) που παράγεται στα άκρα του πρέπει να μεταφερθεί προς το εξωτερικό (ακίνητο) κύκλωμα, χωρίς όμως να μπλέκονται τα καλώδια, αφού το πλαίσιο περιστρέφεται συνεχώς. Αυτό επιτυγχάνεται με δύο περιστρεφόμενα δακτυλίδια, τα οποία είναι στερεωμένα στον άξονα του πλαισίου/δρομέα και γυρίζουν μαζί του, με το καθένα συνδεδεμένο μόνιμα με το ένα άκρο του πλαισίου. Πάνω σε αυτά τα δακτυλίδια εφάπτονται δύο ακίνητες ψήκτρες (καρβουνάκια), οι οποίες μεταφέρουν το ρεύμα από τα περιστρεφόμενα δακτυλίδια προς το ακίνητο εξωτερικό κύκλωμα. Έτσι, μέσω δακτυλιδιών και ψηκτρών, «παίρνουμε» προς τα έξω το εναλλασσόμενο ρεύμα (Ε.Ρ.) που παράγεται στο περιστρεφόμενο πλαίσιο, διατηρώντας τη διηνεκή ηλεκτρική επαφή παρά την περιστροφή.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Μεταφέρουν το παραγόμενο ρεύμα από το περιστρεφόμενο πλαίσιο στο ακίνητο εξωτερικό κύκλωμα, ως εναλλασσόμενο ρεύμα (Ε.Ρ.)

Τι εξυπηρετεί ο συλλέκτης

Ερώτηση: Τι εξυπηρετεί ο συλλέκτης;

Απάντηση:

• Τι εξυπηρετεί ο συλλέκτης;

Σύνοψη: (ενδεικτική) Ο συλλέκτης, στη θέση των απλών δακτυλιδιών, αποτελείται από τομείς ενός δακτυλιδιού (π.χ. δύο τομείς σε μια απλή γεννήτρια Σ.Ρ.), μονωμένους μεταξύ τους. Ο σκοπός του είναι να αναστρέφει αυτόματα τις συνδέσεις του περιστρεφόμενου πλαισίου με το εξωτερικό ακίνητο κύκλωμα, ακριβώς τη στιγμή που το ρεύμα στο πλαίσιο αλλάζει φορά (κάθε μισή περιστροφή), έτσι ώστε το ρεύμα που τελικά παραλαμβάνεται από τις ψήκτρες προς το εξωτερικό κύκλωμα να έχει πάντα την ίδια διεύθυνση/φορά, δηλαδή να είναι συνεχές ρεύμα (Σ.Ρ.), αντί για εναλλασσόμενο. Με άλλα λόγια, ο συλλέκτης λειτουργεί ως μηχανικός ανορθωτής, μετατρέποντας το εγγενώς εναλλασσόμενο ρεύμα του περιστρεφόμενου πλαισίου σε συνεχές ρεύμα στην έξοδο της γεννήτριας.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Μετατρέπει (ανορθώνει μηχανικά) το εγγενώς εναλλασσόμενο ρεύμα του περιστρεφόμενου πλαισίου σε συνεχές ρεύμα, αναστρέφοντας τις συνδέσεις με το εξωτερικό κύκλωμα

Ελάχιστη απαιτούμενη ισχύς γεννήτριας

Ερώτηση: Από ποιους παράγοντες καθορίζεται η ελάχιστη απαιτούμενη ισχύς μιας γεννήτριας;

Απάντηση:

• Από ποιους παράγοντες καθορίζεται η ελάχιστη απαιτούμενη ισχύς μιας γεννήτριας;

Σύνοψη: (ενδεικτική) Η ελάχιστη απαιτούμενη ισχύς μιας γεννήτριας αυτοκινήτου καθορίζεται από το άθροισμα των απαιτήσεων σε ηλεκτρική ισχύ όλων των βασικών καταναλωτών του οχήματος, οι οποίοι πρέπει να τροφοδοτούνται ικανοποιητικά ακόμη και στις ελάχιστες στροφές λειτουργίας του κινητήρα (στο ρελαντί), όπου η γεννήτρια δίνει τη χαμηλότερη δυνατή τάση/ισχύ, όσο κι αν αυξηθεί το ρεύμα διέγερσής της. Στους βασικούς αυτούς καταναλωτές περιλαμβάνονται: το σύστημα ανάφλεξης, τα φώτα πορείας, τα όργανα του ταμπλό και οι προβολείς, καθώς και άλλοι βασικοί καταναλωτές του αυτοκινήτου. Η γεννήτρια πρέπει να μπορεί να ανταποκριθεί ικανοποιητικά σε αυτές τις απαιτήσεις ακόμη και σε καταστάσεις έντονης κυκλοφοριακής συμφόρησης (π.χ. στις μεγαλουπόλεις), όπου ο κινητήρας παραμένει συχνά σε χαμηλές στροφές για μεγάλα χρονικά διαστήματα.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Από το άθροισμα των απαιτήσεων ισχύος των βασικών καταναλωτών (ανάφλεξη, φώτα πορείας, όργανα, προβολείς κ.λπ.), που πρέπει να καλύπτονται ακόμη και στο ρελαντί

Ηλεκτρονικό στοιχείο μετατροπής Ε.Ρ. σε Σ.Ρ.

Ερώτηση: Με ποιο ηλεκτρονικό στοιχείο γίνεται η μετατροπή του Ε.Ρ. σε Σ.Ρ.; Να επεξηγήσετε τη συμπεριφορά του, να δώσετε το σύμβολό του.

Απάντηση:

• Με ποιο ηλεκτρονικό στοιχείο γίνεται η μετατροπή του Ε.Ρ. σε Σ.Ρ.; Να επεξηγήσετε τη συμπεριφορά του, να δώσετε το σύμβολό του.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Η μετατροπή του εναλλασσόμενου ρεύματος (Ε.Ρ.) σε συνεχές (Σ.Ρ.), δηλαδή η ανόρθωση, γίνεται με τη χρήση κρυσταλλοδιόδων, δηλαδή διόδων ημιαγωγού (γνωστές και ως «επαφές Ρ-Ν»). Μια κρυσταλλοδίοδος προκύπτει όταν ένας ημιαγωγός τύπου «Ρ» και ένας τύπου «Ν» έρθουν σε επαφή μεταξύ τους. Η συμπεριφορά της είναι μονόδρομη: η επαφή Ρ-Ν είναι αγώγιμη (επιτρέπει τη διέλευση ρεύματος) μόνο όταν στον ακροδέκτη της πρόσμιξης «Ρ» συνδέσουμε τον θετικό πόλο της πηγής και στον ακροδέκτη της πρόσμιξης «Ν» τον αρνητικό πόλο — αυτή η σύνδεση λέγεται «ορθή πόλωση». Αν η δίοδος συνδεθεί ανάστροφα («ανάστροφη πόλωση»), δεν επιτρέπει καθόλου τη διέλευση ρεύματος. Χάρη σε αυτή τη μονόδρομη συμπεριφορά, χρησιμοποιώντας μία δίοδο (ανόρθωση μισού κύματος) ή, συνηθέστερα, μια γέφυρα κρυσταλλοδιόδων (ανόρθωση πλήρους κύματος), το εναλλασσόμενο ρεύμα του εναλλακτήρα μετατρέπεται σε συνεχές, κατάλληλο για τη φόρτιση του συσσωρευτή και τη λειτουργία των καταναλωτών του αυτοκινήτου. Το σύμβολο μιας διόδου είναι ένα τρίγωνο που δείχνει την κατεύθυνση της «εύκολης» ροής του ρεύματος (από το Ρ προς το Ν), με μια κάθετη γραμμή στην κορυφή του που αντιπροσωπεύει την «άνοδο» εμπόδισης προς την αντίθετη φορά.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Με κρυσταλλοδιόδους (επαφές Ρ-Ν): αγώγιμες σε ορθή πόλωση (+ στο Ρ, - στο Ν), μη αγώγιμες σε ανάστροφη — σύμβολο: τρίγωνο με κάθετη γραμμή στην κορυφή, δείχνει τη φορά ροής

Κύρια μέρη εναλλακτήρα

Ερώτηση: Ποια είναι τα κύρια μέρη ενός εναλλακτήρα;

Απάντηση:

• Ποια είναι τα κύρια μέρη ενός εναλλακτήρα;

Σύνοψη: (ενδεικτική) Τα κύρια μέρη ενός εναλλακτήρα (γεννήτριας εναλλασσόμενου ρεύματος) είναι: ο στάτης ή ακίνητο μέρος, στα αυλάκια του οποίου τοποθετούνται περισσότερα από ένα πηνία, κατανεμημένα σε τρεις ομάδες (φάσεις) που σχηματίζουν μεταξύ τους γωνία 120° (στους τριφασικούς εναλλακτήρες αυτοκινήτου)· ο δρομέας ή ρότορας, στον οποίο δημιουργείται το στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο, μέσω ενός τυλίγματος διέγερσης στερεωμένου στον άξονα, που τροφοδοτείται από το συσσωρευτή μέσω δύο μονωμένων δακτυλιδιών και δύο σταθερών ψηκτρών· και η ανορθωτική διάταξη με έξι διόδους (ανορθωτική γέφυρα), η οποία μετατρέπει το τριφασικό εναλλασσόμενο ρεύμα, που παράγεται στο στάτη, σε συνεχές ρεύμα στην έξοδο του εναλλακτήρα. Επιπρόσθετα, σε πολλούς εναλλακτήρες υπάρχουν και ειδικές δίοδοι διέγερσης, που τροφοδοτούν κυκλώματα προδιέγερσης του τυλίγματος του δρομέα.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Στάτης (με τα τρία πηνία/φάσεις), δρομέας/ρότορας (τύλιγμα διέγερσης, δακτυλίδια+ψήκτρες), ανορθωτική γέφυρα με έξι διόδους

Ρύθμιση τάσης/ρεύματος εξόδου εναλλακτήρα

Ερώτηση: Με ποιο τρόπο επεμβαίνουμε, ώστε η τάση εξόδου και το ρεύμα του εναλλακτήρα να μεταβάλλονται μέσα σε επιθυμητά όρια;

Απάντηση:

• Με ποιο τρόπο επεμβαίνουμε, ώστε η τάση εξόδου και το ρεύμα του εναλλακτήρα να μεταβάλλονται μέσα σε επιθυμητά όρια;

Σύνοψη: (ενδεικτική) Επειδή στην πράξη οι στροφές του εναλλακτήρα δεν μπορούν να ρυθμιστούν και αυξομειώνονται συνεχώς (καθώς εξαρτώνται από τις στροφές του κινητήρα), η παραγόμενη τάση δεν μπορεί να σταθεροποιηθεί μεταβάλλοντας τις στροφές. Για να επιτευχθεί μια σταθερή τάση εξόδου, επεμβαίνουμε στον δεύτερο παράγοντα από τον οποίο εξαρτάται η παραγόμενη τάση: το ρεύμα διέγερσης των πόλων του δρομέα, δηλαδή τη μαγνητική τους ροή (Φ). Αυτό γίνεται μέσω ενός αυτόματου ρυθμιστή, ο οποίος παρακολουθεί συνεχώς την τάση εξόδου του εναλλακτήρα και παρεμβαίνει, αυξομειώνοντας κατάλληλα το ρεύμα διέγερσης του τυλίγματος του δρομέα, ώστε η τάση εξόδου (και επομένως το ρεύμα φόρτισης) να παραμένουν πάντα μέσα στα επιθυμητά όρια, ανεξάρτητα από τις μεταβολές των στροφών του κινητήρα.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Με τη μεταβολή του ρεύματος διέγερσης των πόλων του δρομέα, μέσω αυτόματου ρυθμιστή τάσης — αφού οι στροφές δεν μπορούν να ελεγχθούν

Μετατροπή τριφασικού ρεύματος σε Σ.Ρ. στον εναλλακτήρα

Ερώτηση: Με ποιο τρόπο το παραγόμενο τριφασικό ρεύμα του εναλλακτήρα μετατρέπεται σε Σ.Ρ. για την κάλυψη των αναγκών των καταναλωτών του αυτοκινήτου;

Απάντηση:

• Με ποιο τρόπο το παραγόμενο τριφασικό ρεύμα του εναλλακτήρα μετατρέπεται σε Σ.Ρ. για την κάλυψη των αναγκών των καταναλωτών του αυτοκινήτου;

Σύνοψη: (ενδεικτική) Το τριφασικό εναλλασσόμενο ρεύμα, που παράγεται στα τρία πηνία (φάσεις) του στάτη του εναλλακτήρα, οδηγείται σε μια ανορθωτική διάταξη αποτελούμενη από έξι διόδους ισχύος (γέφυρα ανόρθωσης), χωρισμένες σε δύο ομάδες τριών διόδων η καθεμία: τις «θετικές διόδους» και τις «αρνητικές διόδους», ανάλογα με τον τρόπο σύνδεσής τους στο κύκλωμα. Χάρη στη μονόδρομη αγωγιμότητα κάθε διόδου (άγει ρεύμα μόνο προς μία κατεύθυνση), η γέφυρα αυτή εκτελεί ανόρθωση πλήρους κύματος και στις τρεις φάσεις ταυτόχρονα, με αποτέλεσμα στην έξοδο του εναλλακτήρα να προκύπτει, σε κάθε χρονική στιγμή, συνεχές ρεύμα (χωρίς σημαντική διακύμανση, χάρη ακριβώς στην αλληλοεπικάλυψη των τριών φάσεων). Το συνεχές αυτό ρεύμα χρησιμοποιείται τόσο για τη φόρτιση του συσσωρευτή όσο και για την απευθείας τροφοδότηση των διαφόρων καταναλωτών του αυτοκινήτου.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Μέσω ανορθωτικής γέφυρας έξι διόδων (θετικές+αρνητικές), που ανορθώνουν πλήρους κύματος το τριφασικό ρεύμα σε συνεχές, για φόρτιση μπαταρίας+τροφοδοσία καταναλωτών

Ψύξη διόδων ανορθωτικής γέφυρας

Ερώτηση: Πώς εξασφαλίζεται η ψύξη των διόδων της ανορθωτικής γέφυρας του εναλλακτήρα;

Απάντηση:

• Πώς εξασφαλίζεται η ψύξη των διόδων της ανορθωτικής γέφυρας του εναλλακτήρα;

Σύνοψη: (ενδεικτική) Κατά τη λειτουργία τους, οι δίοδοι ισχύος της ανορθωτικής γέφυρας παράγουν θερμότητα, η οποία πρέπει οπωσδήποτε να αποβάλλεται στο περιβάλλον, διαφορετικά οι δίοδοι θα υπερθερμαίνονταν και θα καταστρέφονταν. Για την ψύξη τους, οι δίοδοι δεν τοποθετούνται μεμονωμένες αλλά με πίεση μέσα σε ειδικές υποδοχές πάνω σε μεταλλικές πλάκες (ψύκτρες) μεγάλης επιφάνειας. Η μεγάλη επιφάνεια αυτών των μεταλλικών πλακών λειτουργεί σαν ψύκτρα: απορροφά τη θερμότητα που παράγεται στο εσωτερικό κάθε διόδου και τη διοχετεύει, με φυσική μεταφορά, προς τον περιβάλλοντα αέρα μέσα στο κέλυφος του εναλλακτήρα (το οποίο, με τη σειρά του, αερίζεται από τον ανεμιστήρα που συνήθως είναι προσαρμοσμένος στον άξονα του δρομέα), εξασφαλίζοντας έτσι ότι η θερμοκρασία λειτουργίας τους παραμένει μέσα σε ασφαλή όρια.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Με τοποθέτηση των διόδων υπό πίεση σε μεταλλικές πλάκες (ψύκτρες) μεγάλης επιφάνειας, που αποβάλλουν τη θερμότητά τους στο περιβάλλον

Λόγοι χρήσης εναλλακτήρα αντί δυναμό

Ερώτηση: Ποιοι λόγοι επέβαλαν στα αυτοκίνητα τη χρήση του εναλλακτήρα, αντί της γεννήτριας;

Απάντηση:

• Ποιοι λόγοι επέβαλαν στα αυτοκίνητα τη χρήση του εναλλακτήρα, αντί της γεννήτριας;

Σύνοψη: (ενδεικτική) Ο εναλλακτήρας αντικατέστησε πλήρως το δυναμό (γεννήτρια Σ.Ρ.) στα αυτοκίνητα για τέσσερις κυρίως λόγους: πρώτον, σε ίσο βάρος και μέγεθος με ένα δυναμό, ο εναλλακτήρας παράγει πολύ περισσότερη ηλεκτρική ενέργεια. Δεύτερον, δίνει ικανοποιητικό ρεύμα ακόμη και στις χαμηλές στροφές λειτουργίας του κινητήρα (στο ρελαντί), κάτι που δεν εξασφάλιζε το δυναμό — πολύ σημαντικό πλεονέκτημα για την κυκλοφορία στις μεγαλουπόλεις, με τα γνωστά κυκλοφοριακά προβλήματα, όπου το όχημα μένει συχνά σε χαμηλές στροφές. Τρίτον, ο εναλλακτήρας δεν έχει συλλέκτη (χρησιμοποιεί απλά δακτυλίδια για την τροφοδότηση του δρομέα), οπότε μπορεί να πάρει σημαντικά μεγαλύτερο αριθμό περιστροφών χωρίς κίνδυνο καταστροφής, κάτι που δεν ίσχυε για το δυναμό, όπου ο συλλέκτης με τις ψήκτρες περιόριζε τις μέγιστες στροφές λειτουργίας. Τέταρτον, ο εναλλακτήρας είναι απλούστερος στην κατασκευή και χρειάζεται λιγότερη συντήρηση απ' ό,τι το δυναμό.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Παράγει περισσότερη ενέργεια σε ίσο βάρος, δίνει ρεύμα και στο ρελαντί, δεν έχει συλλέκτη (αντέχει περισσότερες στροφές), είναι απλούστερος και χρειάζεται λιγότερη συντήρηση