Εναλλασσόμενο ρεύμα στο σκάφος. Μέρος Β.

Μια σε βάθος ανάλυση του εναλλασσόμενου ρεύματος.

Μέρος Β.

Στην καθημερινή μας ζωή, περιστοιχιζόμαστε από χιλιάδες είδη οικιακών συσκευών για τάση 220 Volt AC και είναι επόμενο να θέλουμε να χρησιμοποιούμε κάποιες απ’ αυτές και στο σκάφος. Τις συσκευές των 220 Volt τις βρίσκουμε σε τεράστια ποικιλία και χαμηλές τιμές, ενώ για τις συσκευές των 12 ή 24 Volt DC, έχουμε πολύ περιορισμένη επιλογή και   σχετικά ψηλές τιμές.

Συνεχίζουμε λοιπόν την ανάλυσή μας από το πρώτο μέρος :

Σημειώνεται ότι η ενέργεια που «διακινείται» μέσα από ένα κινητήρα εναλλασσομένου, παρίσταται στα διαγράμματα με την επιφάνεια που περιβάλλεται από την καμπύλη και τον άξονα (πράσινη επιφάνεια).

Η διαφορά φάσης μεταξύ «άεργου επαγωγικού ρεύματος» ως προς την τάση (καθυστέρηση) και του «άεργου χωρητικού ρεύματος» πάλι ως προς την τάση (προπορεία), είναι προς την αντίθετη κατεύθυνση. Όταν τα δύο ρεύματα αφαιρεθούν μεταξύ τους, θα έχουμε τη «συνισταμένη» διαφορά φάσης φ που θα είναι μικρότερη από 90°. Η διαφορά φ που προκύπτει απ’ αυτή την αφαίρεση, είναι η εμφανιζόμενη προς τα έξω. Με αυτή τη διαφορά «φ» υπολογίζεται και το συν φ, όπως θα δούμε παρακάτω.

Ανάλογα με το άεργο ρεύμα που θα υπερισχύσει, θα εξαρτηθεί αν θα έχουμε καθυστέρηση του ρεύματος ή προπορεία έναντι της τάσης (εικόνα 7).

Έτσι μπορούμε να καταλάβουμε γιατί σε πολλές εγκαταστάσεις χρησιμοποιούνται πυκνωτές για την «εξουδετέρωση» ή μείωση της διαφοράς φ, δηλαδή μείωση ενός «επαγωγικού» συν φ.

Σαν μια παρένθεση, αξίζει να αναφέρουμε το εξής παράδειγμα, στο οποίο έχουν εφαρμογή τα προαναφερθέντα και το γνωρίζουν όσοι έχουν καταπιαστεί με «μονοφασικούς ηλεκτροκινητήρες εναλλασσομένου» όπως π.χ. αυτοί των ψυγείων ή των κλιματιστικών: Πρόκειται για τον πυκνωτή που συνοδεύει συνήθως τους κινητήρες αυτούς. Ο πυκνωτής αυτός, έχει την ιδιότητα να προκαλεί μία «προπορεία» του ρεύματος έναντι της τάσης (όπως ήδη έχουμε περιγράψει). Οι κατασκευαστές αυτών των κινητήρων, τοποθετούν τουλάχιστον δυο πηνία, ένα «κύριο» και ένα «βοηθητικό» (οι ηλεκτρολόγοι μιλούν για κύρια και βοηθητική περιέλιξη) στο «στάτορα» (= σώμα ή περίβλημα) του κινητήρα. Το βοηθητικό πηνίο είναι τοποθετημένο κατά 90° γωνία ως προς το κύριο πηνίο και έχει συνδεθεί «σε σειρά» (εικόνα 5) με ένα πυκνωτή κατάλληλης χωρητικότητας.

Μόλις δώσουμε τάση, τροφοδοτείται παράλληλα το βοηθητικό πηνίο μέσω του πυκνωτή που είναι στη σειρά μ’ αυτό καθώς και το κυρίως πηνίο συγχρόνως. Επειδή ο πυκνωτής θα έχει δώσει «προπορεία» στο ρεύμα, προκαλείται μία χρονική διαφορά στη δράση των δύο ηλεκτρομαγνητών (κυρίου και βοηθητικού). Κατ’ αυτό τον τρόπο, το τύμπανο του κινητήρα δέχεται «έλξη» διαδοχικά από δύο κατευθύνσεις (γωνία 90°) με χρονική διαφορά. Έτσι μπορεί να ξεκινήσει. Χωρίς αυτό το «τρικ» θα είχαμε έλξη μόνο από μία κατεύθυνση και το τύμπανο δεν θα μπορούσε να περιστραφεί. Προσθέτοντας και τονίζοντας ότι όσο πιο σωστά είναι «υπολογισμένο το μέγεθος» της χωρητικότητας του πυκνωτή που περιγράψαμε (ούτε μεγαλύτερη ούτε μικρότερη) τόσο πιο ομαλή θα είναι η λειτουργία του κινητήρα.

Ισχύς εναλλασσόμενου

Παρατηρώντας τις καμπύλες της τάσης και της έντασης στον παλμογράφο μπορούμε να διαπιστώσουμε τα εξής:

1) Εάν οι δύο καμπύλες τάσης και έντασης δεν έχουν διαφορά φάσης (δηλαδή φ = 0°), τότε στην περίπτωση αυτή, όλη η ισχύς είναι «ενεργός» (εικόνα 6).

2) Εάν οι καμπύλες δεν συναντώνται, τότε υπάρχει διαφορά φάσης φ. Στην περίπτωση αυτή έχουμε «ενεργό» ρεύμα, το οποίο εμφανίζεται με διαφορά
φάσης φ, ως προς την τάση, ενώ το «άεργο» ρεύμα που προκάλεσε τη μετατόπιση και μείωση του ενεργού υποδηλώνεται έμμεσα, χωρίς να φαίνεται
στις καμπύλες τάσης και έντασης. Η προκύπτουσα ενεργός ισχύς, συνοδεύεται συνήθως και από μία άεργο που έμμεσα εκφράζεται με ύπαρξη ενός αρνητικού σκέλους ενεργού ισχύος (εικόνα 7). Για να υπολογίσουμε την ενεργό ισχύ που τη μετράμε σε ννδΐτ, χρησιμοποιούμε τον ακόλουθο τύπο:

Ενεργός ισχύς [Watt] = τάση [Volt] x ένταση [Ampere] x (συν φ)

Το «άεργο» ρεύμα εκφράζεται έμμεσα με το συν φ. Είναι προφανές ότι αν η ενεργός ισχύς καλύπτει τις ανάγκες μας, δεν υπάρχει λόγος να ψάξουμε για το άεργο ρεύμα (ας το θεωρούμε κατά κάποιο τρόπο σαν ένα «φάντασμα») αφού, έτσι ή αλλιώς, δεν μπορούμε να το αξιοποιήσουμε. Γνωρίζουμε ήδη ότι αυτό ασχολείται με το «μαγνητισμό» των πηνίων κινητήρα και γεννήτριας, χωρίς να συνεισφέρει στην παραγωγή πραγματικού έργου. Είναι όμως γνωστό ότι σε κάθε γεννήτρια εισάγεται μία ισχύς για να την περιστρέψει και ότι η ισχύς που στο τέλος εκμεταλλευόμαστε, είναι μικρότερη απ’ αυτή που «εισέπραξε» η γεννήτρια. Ένα μέρος της ισχύος αυτής κάπου χάνεται. Το εύλογο ερώτημα που προκύπτει είναι, πού ή πώς χάνεται; Η απάντηση σ’ αυτό είναι η εξής:

1. Μέρος από την ισχύ   (συνήθως το μεγαλύτερο) θα καλύψει το ωφέλιμο έργο που θα μας δώσει(ουν) ο κινητήρας(ες) και οι άλλες χρήσιμες καταναλώσεις, με το «ενεργό» ρεύμα.

2. Ένα δεύτερο μέρος της «ενεργού» ισχύος, θα χαθεί σε ενέργεια με μορφή
θερμότητας, ανάλογα με τις αντιστάσεις των αγωγών και τις αντιστάσεις των
πηνίων.

3. Ένα τρίτο μέρος, ανάλογα με το μέγεθος του συν φ (διαφορά φάσης φ),
θα είναι η άεργος ισχύς (εικόνα 7), που χάθηκε ως εξής:

– Έγινε θερμότητα μέσα από τις προαναφερθείσες αντιστάσεις των αγωγών και των πηνίων λόγω της «παλινδρόμησης» του άεργου ρεύματος από γεννήτρια σε κινητήρα και αντίστροφα.

– Έγινε θερμότητα μέσα στους πυρήνες των ηλεκτρομαγνητών από τις «μαγνητικές αντιστάσεις» (τα δινορεύματα) κατά τη διαδικασία «μαγνητισμού» και «απομαγνητισμού».

Εκείνο όμως που ενδιαφέρει εμάς, είναι η ισχύς που χάνεται σαν θερμότητα στις δικές μας εγκαταστάσεις, τις οποίες και θερμαίνει. Δεν μας αφορά αυτή που χάνεται στο δρόμο και ενδιαφέρει μόνο το δίκτυο, δηλαδή τη ΔΕΗ. Για γενική πληροφόρηση μόνο, αναφέρουμε ότι η «άεργος» «ενέργεια» που ακούγεται και οξύμωρα, δεν χρεώνεται στις οικιακές καταναλώσεις εκ μέρους της ΔΕΗ ούτε την καταγράφουν οι μετρητές. Ξοδεύεται βέβαια με μορφή θερμικής ενέργειας μέσα   από τα καλώδια γενικά και από τις «μαγνητικές» αντιστάσεις κινητήρων και γεννήτριας. Δηλαδή η ΔΕΗ επιβαρύνεται με την άεργο ισχύ χωρίς να την «πληρώνεται»

Χρήσιμη σημείωση

Συνήθως, η ωμική αντίσταση των πηνίων στους κινητήρες, είναι πολύ μικρή. Όσο έχουμε εναλλασσόμενο ρεύμα, δρα η «φαινόμενη αντίσταση» που είναι και αρκετά ψηλή στα 50 Hz. Αν όμως κατά λάθος, τροφοδοτήσουμε ένα κινητήρα εναλλασσομένου με συνεχές, τότε θα τον «κάψουμε». Αυτό θα συμβεί επειδή η «φαινόμενη» αντίσταση του, που θα έχει εκφυλιστεί μόνο σε «ωμική», (εικόνα 2), θα είναι πολύ μικρή. Η επαγωγική και χωρητική αντίσταση θα έχουν μηδενιστεί λόγω μηδενισμού της συχνότητας (ω). Στην ουσία θα έχουμε «βραχυκύκλωμα». Προσέχουμε, λοιπόν, όταν τροφοδοτούμε ένα κινητήρα εναλλασσομένου ρεύματος. Υπάρχουν βέβαια και κινητήρες μικτής χρήσης, αλλά αυτό είναι ένα άλλο κεφάλαιο.

Η «επαγωγική» ή η «χωρητική»   αντίσταση όπως είδαμε, έχουν την ιδιομορφία, σε σχέση με την ωμική, όχι μόνο να εμποδίζουν τη ροή του ενεργού ρεύματος, αλλά και να το «καθυστερούν» ή να του δίνουν «προπορεία». Όλα αυτά γίνονται ίσως πιο κατανοητά, αν παρατηρήσουμε τις εικόνες με τα διαγράμματα. Να επαναλάβουμε ότι το συν φ έχει εφαρμογή μόνο στο εναλλασσόμενο και επηρεάζει την ισχύ, μόνο εφόσον η «φαινόμενη αντίσταση» δεν έχει εκφυλισθεί σε απλή «ωμική», είτε από αλληλεξουδετέρωση της «επαγωγικής» από τη «χωρητική» και αντίστροφα, είτε από μηδενισμό της συχνότητας (ω). Για τον υπολογισμό των εγκαταστάσεων ή κινητήρων ή γεννητριών, λαβαίνουμε πάντα υπόψη όλο το ρεύμα που ρέει στους αγωγούς συνολικά. Αυτό επειδή, είτε ενεργό είναι το ρεύμα είτε άεργο, δεν παύει να «θερμαίνει». Η θέρμανση των ηλεκτρικών αγωγών, όπως ήδη προαναφέραμε, προκαλείται και από τα δύο είδη, δηλαδή και το ενεργό και το άεργο. Υπολογίζουμε επομένως με τη «φαινόμενη» αντίσταση που εκπροσωπεί το μέγιστο των αντιστάσεων και έχουμε την ονομαζόμενη “φαινόμενη ισχύ”, η οποία είναι πάντα η «μέγιστη» και μετριέται σε VoltAmpere [VA] ή kVA. Θεωρούμε δηλαδή ότι δεν υπάρχει διαφορά φάσης φ, οπότε όλο το ρεύμα είναι ενεργό (εικόνα 6), οπότε η μαθηματική έκφραση είναι:

Φαινόμενη ισχύς [VA] = τάση [V] x ένταση [Α]

(ή κιλοβολταμπέρ[κνΑ], δηλαδή τα γνωστά “κα-βε-ά” ). Αυτή την ονομασία για την ισχύ, την συναντάμε συνήθως όταν γίνεται λόγος για γεννήτριες ή για μετασχηματιστές.

Πληροφοριακά:

Η άεργος ισχύς δεν μπορεί από τη φύση της να προστεθεί «αλγεβρικά» (βρίσκεται σε άλλη διάσταση) με την ενεργό και γι αυτό λογαριάζεται με άλλο τρόπο χωριστά και ονομάζεται με δικό της συμβολισμό που είναι:

Var ή kVAr (kilovolt Ampere reactance)

Στο σκάφος, το συν φ δεν θα έπρεπε να μας απασχολεί άμεσα. Η υπερθέρμανση όμως των καλωδίων και των κινητήρων (π.χ. ψυγεία) είναι σημαντική όταν χαμηλώνει το συν φ που πολλές φορές φθάνει στο 0,5.

Τότε πλέον ενδιαφέρει τον πλοιοκτήτη άμεσα, επειδή υποφέρουν από υπερθέρμανση όλα τα τμήματα της ηλεκτρικής εγκατάστασης. Ανάλογο φαινόμενο μπορεί να δημιουργηθεί και με τη γεννήτρια του σκάφους ή με το Inverter, που σε μια τέτοια περίπτωση, προκαλεί και «σπατάλη μπαταρίας» λόγω χαμηλού βαθμού απόδοσης.

Μία τελευταία παρατήρηση

Όσα είπαμε αναφέρονται στο μονοφασικό εναλλασσόμενο ρεύμα. Στο δίκτυο υπάρχει τριφασικό ρεύμα. Ας μη θεωρηθεί ότι πρόκειται για τρεις διαφορές φάσης ρεύματος έναντι της τάσης. Απλά είναι τρείς (3) “εναλλασσόμενες” τάσεις που ενεργούν διαδοχικά με χρονική διαφορά “έναρξης” κατά γωνία 120° η μία από την άλλη. Για το ρεύμα που η κάθε μία απ’ αυτές παράγει, ισχύουν κι εδώ όσα ήδη προαναφέραμε για κάθε τάση και ένταση ενός απλού εναλλασσόμενου. Αυτό όμως, είναι ένα άλλο κεφάλαιο που δεν θα μας απασχολήσει εδώ.

Δεν θα επεκταθούμε άλλο στο θέμα αυτό, διότι έτσι οδηγούμεθα στα βαθύτερα της ηλεκτρολογίας και δεν είναι στις προθέσεις του θέματος αυτού. Όσα απ’ αυτά που είπαμε, για κάποιους φάνηκαν σχολαστική θεωρία ή δυσνόητα, ας τα προσπεράσουν, δεν θα χρειαστεί να δώσουν «εξετάσεις». Απλώς όταν τα συναντούν σε τεχνικά φυλλάδια, θα θυμούνται ότι κάπου τα έχουν ξαναδεί. Σε ορισμένους πιθανόν να δώσουν απαντήσεις σε χρονίζοντα ερωτηματικά τους, ενώ άλλοι ίσως ανατρέξουν σ’ αυτά κατά περίπτωση.

Εξηγούμε όμως, ότι δεν στοχεύουν στο να ζαλίσουν τον αναγνώστη με άχρηστη θεωρία, αλλά στο να απαντήσουν σε ερωτηματικά γύρω από ανάλογα φαινόμενα μέσα σ’ ένα σκάφος. Δηλαδή στο σκάφος, εκτός από δίκτυο της ΔΕΗ, με το οποίο μπορεί να έχουμε συνδεθεί, ίσως υπάρχει και γεννήτρια ή και κάποιο inverter για παροχή 220 V/50Hz από μπαταρίες. Στο σκάφος επίσης συναντούμε και τα άλλα στοιχεία που αναπτύξαμε ήδη. Εξ άλλου συχνά υπάρχουν κινητήρες εναλλασσομένου με καλωδιώσεις μεγάλης ή μικρής έκτασης. Όταν μιλάμε για σκάφος, ας μην πάει το μυαλό μας μόνο σε μικρά σκάφη. Υπάρχουν και μεγαλύτερα που έχουν εκτεταμένη ηλεκτρική εγκατάσταση με γεννήτριες, κινητήρες, κλιματισμό κ.λπ. Αν κατανοήσουμε αυτά τα φαινόμενα, που είναι και τα πιο δύσκολα, θα μπορέσουμε να αποκτήσουμε άποψη για ό,τι έχει σχέση με το εναλλασσόμενο γενικά, αλλά και ειδικά στο σκάφος. Δηλαδή θα μας διευκολύνουν στην επιλογή καταλλήλων συσκευών εναλλασσομένου ρεύματος και στην αποφυγή λαθών στην εγκατάσταση των συσκευών αυτών γενικότερα, επειδή θα μπορούμε να αξιολογήσουμε τα φαινόμενα που προκαλούνται απ’ αυτά. Επίσης βοηθούν στην αξιολόγηση εκ μέρους του ιδιοκτήτη του σκάφους, εκείνων των   απόψεων ή συμβουλών που ακούγονται «από τρίτους».

Close