Το τριφασικό εναλλασσόμενο ρεύμα στον κλιματισμό. Γράφει ο Παύλος Παπαδόπουλος

     Η ψυκτική τεχνολογία και ο κλιματισμός αποτελούν σήμερα αναπόσπαστο κομμάτι της καθημερινότητας και της σύγχρονης βιομηχανίας. Από τη συντήρηση τροφίμων σε οικιακά ψυγεία και υπεραγορές, μέχρι τη δημιουργία κατάλληλων συνθηκών άνεσης σε κτίρια γραφείων, νοσοκομεία και βιομηχανικές εγκαταστάσεις, η λειτουργία των συστημάτων ψύξης και κλιματισμού είναι άρρηκτα συνδεδεμένη με την ύπαρξη αξιόπιστης και αποδοτικής ηλεκτρικής ενέργειας. Χωρίς αυτήν, δεν θα ήταν δυνατή ούτε η συντήρηση των τροφίμων για μεγάλα χρονικά διαστήματα, ούτε η διαμόρφωση ελεγχόμενων συνθηκών σε χώρους όπως νοσοκομεία, Data Centers ή βιομηχανικές μονάδες παραγωγής, όπου η θερμοκρασία και η υγρασία πρέπει να διατηρούνται σταθερές ανεξαρτήτως εξωτερικών συνθηκών.

Η ηλεκτρική ενέργεια αποτελεί την "καρδιά" κάθε ψυκτικής εγκατάστασης. Είναι η μορφή ενέργειας που θέτει σε λειτουργία τους ηλεκτροκινητήρες, οι οποίοι με τη σειρά τους κινούν τους συμπιεστές (την κύρια μονάδα παραγωγής ψύξης) και τους ανεμιστήρες (για την εναλλαγή αέρα στους συμπυκνωτές και τους εξατμιστές). Χωρίς ηλεκτρική τροφοδοσία, ένα σύγχρονο ψυκτικό σύστημα καθίσταται ανενεργό, τονίζοντας τον ζωτικό ρόλο που διαδραματίζει η ηλεκτρολογία στον κλάδο αυτό. Ακόμη και τα σύγχρονα συστήματα αυτοματισμού, οι ηλεκτρονικές βαλβίδες εκτόνωσης και οι ρυθμιστές στροφών (inverters), που βελτιστοποιούν την απόδοση και εξοικονομούν ενέργεια, εξαρτώνται πλήρως από τη σταθερότητα και την ποιότητα της παρεχόμενης ηλεκτρικής ισχύος.

Στα πρώτα βήματα της ηλεκτροδότησης, οι περισσότερες οικιακές και μικρές επαγγελματικές εφαρμογές βασίζονταν στο μονοφασικό σύστημα εναλλασσόμενου ρεύματος. Το σύστημα αυτό, με τάση 230V και δύο αγωγούς (φάση και ουδέτερο), ήταν επαρκές για μικρούς κινητήρες ψυγείων ή μικρές μονάδες κλιματισμού. Ωστόσο, η εξέλιξη της τεχνολογίας και η ανάγκη για κάλυψη μεγαλύτερων αναγκών (π.χ. ψύξη μεγάλων αποθηκών, κεντρικοί κλιματισμοί πολυκατοικιών, βιομηχανική ψύξη) οδήγησαν στην απαίτηση για ολοένα και μεγαλύτερη ισχύς. Είναι χαρακτηριστικό ότι ένας τυπικός οικιακός συμπιεστής μπορεί να έχει ισχύ 0,5 έως 1 ίππο, ενώ ένας βιομηχανικός συμπιεστής για ψυκτικούς θαλάμους μπορεί να φτάσει ή και να ξεπεράσει τους 100 ίππους, καθιστώντας αδύνατη την τροφοδοσία του από μονοφασικό δίκτυο λόγω των τεράστιων ρευμάτων που θα απαιτούνταν.

Η χρήση μονοφασικών κινητήρων για μεγάλη ισχύς παρουσιάζει σημαντικά μειονεκτήματα. Οι κινητήρες αυτοί γίνονται ογκώδεις, έχουν χαμηλότερη απόδοση, μεγάλο ρεύμα εκκίνησης που προκαλεί προβλήματα στο δίκτυο (πτώσεις τάσης) και απαιτούν πρόσθετα εξαρτήματα (όπως πυκνωτές μόνιμης λειτουργίας ή πυκνωτές εκκίνησης) για την εκκίνηση και λειτουργία τους, αυξάνοντας το κόστος και τα πιθανά σημεία βλάβης. Για να καλυφθούν οι ανάγκες των ισχυρών συμπιεστών και των πολλών ανεμιστήρων που απαιτούνται για την απαγωγή θερμότητας (π.χ. σε αερόψυκτους πύργους ψύξης ή σε μεγάλες κλιματιστικές μονάδες), ήταν επιτακτική η ανάγκη υιοθέτησης ενός αποδοτικότερου ηλεκτρικού συστήματος, ικανού να μεταφέρει μεγάλη ισχύ με μικρότερες διατομές καλωδίων και λιγότερες απώλειες ενέργειας υπό μορφή θερμότητας.

Τη λύση σε αυτή την ανάγκη έδωσε το τριφασικό σύστημα εναλλασσόμενου ρεύματος. Πρόκειται για ένα σύστημα παραγωγής, μεταφοράς και χρήσης ηλεκτρικής ενέργειας που βασίζεται σε τρία εναλλασσόμενα ρεύματα, μετατοπισμένα χρονικά μεταξύ τους κατά 120 μοίρες. Το τριφασικό σύστημα επέτρεψε την κατασκευή πιο απλών, ανθεκτικών και αποδοτικών ηλεκτροκινητήρων, ικανών να αποδώσουν μεγάλη ισχύ με μικρότερες διαστάσεις και λιγότερες απώλειες. Η υιοθέτησή του υπήρξε καθοριστική για την ανάπτυξη του κλάδου της ψύξης και του κλιματισμού, καθώς κατέστησε εφικτή τη λειτουργία μεγάλων εγκαταστάσεων με οικονομικό και αξιόπιστο τρόπο, ενώ παράλληλα άνοιξε τον δρόμο για την ανάπτυξη πιο εξελιγμένων τεχνικών ελέγχου, όπως οι διατάξεις εκκίνησης αστέρα-τριγώνου και οι ηλεκτρονικοί ρυθμιστές στροφών για τριφασικούς κινητήρες.

Στην παρούσα εργασία, θα εξετάσουμε αναλυτικά το τριφασικό ρεύμα και τις εφαρμογές του στις εγκαταστάσεις ψύξης και κλιματισμού. Αρχικά, θα αναλυθεί η φύση και ο τρόπος παραγωγής του, ενώ στη συνέχεια θα περιγραφούν οι δύο βασικές συνδεσμολογίες που συναντώνται στην πράξη: η συνδεσμολογία αστέρα (Υ) και τριγώνου (Δ). Ιδιαίτερη έμφαση θα δοθεί στα πλεονεκτήματα που προσφέρει το τριφασικό σύστημα έναντι του μονοφασικού, καθώς και στις πρακτικές εφαρμογές του στους ηλεκτροκινητήρες που χρησιμοποιούνται ευρέως σε συμπιεστές, ανεμιστήρες και άλλα βοηθητικά συστήματα των ψυκτικών εγκαταστάσεων. Μέσα από αυτή την ανάλυση, θα καταστεί σαφές γιατί το τριφασικό ρεύμα αποτελεί τη ραχοκοκαλιά της σύγχρονης ψυκτικής τεχνολογίας, αλλά και γιατί ένας σημερινός τεχνικός ψύξης & κλιματισμού οφείλει να γνωρίζει σε βάθος τις βασικές του αρχές για να μπορεί να ανταποκριθεί στις απαιτήσεις της αγοράς.

 

 

  1. Τι είναι το Τριφασικό Εναλλασσόμενο Ρεύμα. 

1.1. Βασικές Αρχές

Για να κατανοήσουμε σε βάθος τη φύση και τη λειτουργία του τριφασικού εναλλασσόμενου ρεύματος, είναι σκόπιμο να ξεκινήσουμε από τις θεμελιώδεις έννοιες που διέπουν κάθε εναλλασσόμενο ρεύμα και στη συνέχεια να προχωρήσουμε στην ειδική περίπτωση των τριών φάσεων. Η ηλεκτρική ενέργεια που χρησιμοποιείται σήμερα στην πλειονότητα των εφαρμογών παράγεται, μεταφέρεται και καταναλώνεται υπό μορφή εναλλασσόμενου ρεύματος. Σε αντίθεση με το συνεχές ρεύμα, όπου η ροή των ηλεκτρονίων είναι σταθερή και μονόδρομη, στο εναλλασσόμενο ρεύμα η φορά ροής των ηλεκτρονίων αντιστρέφεται περιοδικά, δημιουργώντας ένα κυματοειδές σήμα που περιγράφεται μαθηματικά από την ημιτονική συνάρτηση.

Το μονοφασικό εναλλασσόμενο ρεύμα αποτελεί την απλούστερη μορφή αυτού του φαινομένου. Σε ένα μονοφασικό σύστημα, η τάση μεταβάλλεται μεταξύ μιας μέγιστης θετικής και μιας μέγιστης αρνητικής τιμής, μηδενιζόμενη δύο φορές σε κάθε πλήρη κύκλο. Στην Ελλάδα και σε ολόκληρη σχεδόν την Ευρώπη, η συχνότητα αυτής της εναλλαγής έχει καθοριστεί στα 50 Hertz, που σημαίνει ότι ολοκληρώνονται πενήντα πλήρεις κύκλοι κάθε δευτερόλεπτο. Η τάση μεταξύ φάσης και ουδετέρου, όπως αυτή μετριέται με ένα κοινό πολύμετρο, είναι 230 Volt, τιμή που αντιπροσωπεύει την ενεργό ή RMS τιμή και όχι τη μέγιστη στιγμιαία τάση, η οποία ανέρχεται περίπου στα 325 Volt. Το μονοφασικό σύστημα είναι αυτό που συναντάμε σε κάθε οικιακή πρίζα και επαρκεί για την τροφοδοσία όλων των οικιακών συσκευών, συμπεριλαμβανομένων μικρών ψυγείων και κλιματιστικών μονάδων διαιρούμενου τύπου περιορισμένης ισχύος (Φράγκου & Μαλάμω, 2015: 269).

Ωστόσο, όταν μεταφερόμαστε στο επίπεδο των επαγγελματικών και βιομηχανικών εγκαταστάσεων ψύξης, οι απαιτήσεις σε ισχύ αυξάνονται κατακόρυφα. Ένας μεγάλος συμπιεστής για ψυκτικό θάλαμο ή μια κεντρική κλιματιστική μονάδα που εξυπηρετεί ένα ολόκληρο κτίριο, απαιτεί ισχύ πολλαπλάσια από αυτήν ενός οικιακού ψυγείου (Ενέργειας, 2019:69). Η τροφοδοσία τέτοιων καταναλώσεων από μονοφασικό δίκτυο θα είχε ως αποτέλεσμα τεράστια ρεύματα, με συνέπεια την ανάγκη για καλώδια πολύ μεγάλης διατομής, υπερβολικές απώλειες ενέργειας υπό μορφή θερμότητας και σημαντικές πτώσεις τάσης που θα επηρέαζαν αρνητικά και άλλες καταναλώσεις. Η λύση στο πρόβλημα αυτό δόθηκε από την υιοθέτηση του τριφασικού συστήματος, το οποίο επιτρέπει τη μεταφορά μεγάλων ισχύων με μικρότερες διατομές καλωδίων και υψηλότερη απόδοση.

Εικόνα1. Σύγκριση τροφοδοσίας ισχύος. Αριστερά βλέπουμε τη μονοφασική σύνδεση που απαιτεί μεγάλες εντάσεις για υψηλή ισχύ, ενώ δεξιά την τριφασική διάταξη που επιτρέπει την ομαλή και αποδοτική λειτουργία μεγάλων βιομηχανικών φορτίων με μικρότερες διατομές αγωγών. Πηγή: Google Images / Electrical Engineering Portal

Το τριφασικό σύστημα εναλλασσόμενου ρεύματος βασίζεται σε μια εξαιρετικά έξυπνη σύλληψη. Αντί να χρησιμοποιείται ένα μόνο εναλλασσόμενο ρεύμα, χρησιμοποιούνται τρία διαφορετικά εναλλασσόμενα ρεύματα, τα οποία παράγονται ταυτόχρονα από την ίδια γεννήτρια και διανέμονται μέσω τριών ξεχωριστών αγωγών, τους οποίους ονομάζουμε φάσεις και συμβολίζουμε συνήθως ως L1, L2 και L3. Τα τρία αυτά ρεύματα έχουν ακριβώς τα ίδια χαρακτηριστικά, δηλαδή την ίδια συχνότητα των 50 Hertz και το ίδιο πλάτος τάσης. Το στοιχείο που τα διαφοροποιεί και τους προσδίδει μοναδικές ιδιότητες είναι η χρονική τους μετατόπιση. Το δεύτερο ρεύμα δεν ξεκινά ταυτόχρονα με το πρώτο, αλλά καθυστερεί χρονικά, και το τρίτο καθυστερεί ακόμη περισσότερο. Η καθυστέρηση αυτή είναι απόλυτα καθορισμένη και αντιστοιχεί ακριβώς στο ένα τρίτο μιας πλήρους περιόδου (Σκόπος, 2013: 13-16).

Εικόνα 2 Αναλυτική απεικόνιση (exploded view) ενός τριφασικού επαγωγικού κινητήρα. Διακρίνονται ο Στάτης με τα τυλίγματα χαλκού που δημιουργούν το περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο και ο Δρομέας (τύπου βραχυκυκλωμένου κλωβού) που περιστρέφεται λόγω επαγωγής χωρίς να έρχεται σε ηλεκτρική επαφή με τον στάτη. Πηγή: Electrical Academy / Wikimedia Commons

Δεδομένου ότι μια πλήρης περίοδος αντιστοιχεί σε γωνία 360 μοιρών, το ένα τρίτο αυτής αντιστοιχεί σε γωνία 120 μοιρών. Λέμε, λοιπόν, ότι τα τρία εναλλασσόμενα ρεύματα διαφέρουν μεταξύ τους κατά 120 μοίρες. Αυτή η γωνιακή διαφορά είναι το θεμελιώδες και χαρακτηριστικότερο γνώρισμα του τριφασικού συστήματος. Αν μπορούσαμε με κάποιο μαγικό τρόπο να παγώσουμε τον χρόνο και να κοιτάξουμε ταυτόχρονα και τα τρία καλώδια, θα βλέπαμε ότι η τάση στο καθένα βρίσκεται σε διαφορετικό σημείο της ημιτονικής του καμπύλης. Τη στιγμή ακριβώς που η τάση στην πρώτη φάση κορυφώνεται στη μέγιστη θετική της τιμή, η δεύτερη φάση βρίσκεται 120 μοίρες πίσω, δηλαδή στο σημείο όπου η τάση κατέρχεται και η τρίτη φάση βρίσκεται 240 μοίρες πίσω ή, ισοδύναμα, 120 μοίρες μπροστά, ανάλογα με τη σύμβαση που θα υιοθετήσουμε (Welde, 2024).

Η μαθηματική αποτύπωση αυτής της σχέσης είναι απλή και κομψή. Αν συμβολίσουμε με V1 την τάση της πρώτης φάσης, με V2 της δεύτερης και με V3 της τρίτης, και αν η γωνιακή συχνότητα που αντιστοιχεί στη συχνότητα των 50 Hertz συμβολίζεται με ω, τότε οι τρεις τάσεις περιγράφονται από τις συναρτήσεις V1 ίσον Vmax επί ημίτονο του ωt, V2 ίσον Vmax επί ημίτονο του ωt συν 120 μοίρες, και V3 ίσον Vmax επί ημίτονο του ωt συν 240 μοίρες. Το Vmax αντιπροσωπεύει το μέγιστο πλάτος της τάσης, το οποίο για την ενεργό τιμή των 230 Volt υπολογίζεται στα 325 Volt περίπου. Η γωνία των 120 μοιρών που προστίθεται σε κάθε επόμενη φάση είναι αυτή που διασφαλίζει ότι τα τρία ημιτονικά κύματα είναι ομοιόμορφα κατανεμημένα μέσα στον χρόνο.

Η επιλογή των 120 μοιρών, και όχι οποιασδήποτε άλλης γωνίας, δεν είναι καθόλου τυχαία. Η γωνία αυτή έχει μια μοναδική και εξαιρετικά σημαντική ιδιότητα. Σε ένα συμμετρικό τριφασικό σύστημα, όπου και τα τρία φορτία είναι ίσα, το άθροισμα των τριών τάσεων ή των τριών ρευμάτων είναι μηδέν σε κάθε χρονική στιγμή. Η ιδιότητα αυτή έχει δύο πρακτικές συνέπειες που αλλάζουν ριζικά τον τρόπο λειτουργίας των ηλεκτρικών μηχανών σε σχέση με το μονοφασικό σύστημα. Η πρώτη συνέπεια αφορά την ισχύ. Στο μονοφασικό σύστημα, η ισχύς δεν είναι σταθερή αλλά παλλόμενη. Υπάρχουν στιγμές που η στιγμιαία ισχύς είναι μέγιστη και στιγμές που μηδενίζεται, με αποτέλεσμα οι μονοφασικοί κινητήρες να δέχονται ενέργεια με παλμικό τρόπο και να τείνουν να δονούνται. Στο τριφασικό σύστημα, η συνολική ισχύς που μεταφέρεται και από τις τρεις φάσεις παραμένει σταθερή και αμετάβλητη σε κάθε χρονική στιγμή. Αυτό σημαίνει ότι ένας τριφασικός κινητήρας τροφοδοτείται με μια απολύτως ομαλή και συνεχή ροή ενέργειας, με αποτέλεσμα να λειτουργεί πιο ήσυχα, πιο ομαλά, χωρίς κραδασμούς και να παράγει μεγαλύτερη ροπή σε σχέση με έναν μονοφασικό κινητήρα ίδιας ισχύος (Φράγκου & Μαλάμω, 2015:203 κ.ε.).

Η δεύτερη, και ίσως ακόμη σημαντικότερη συνέπεια, είναι η δημιουργία του περιστρεφόμενου μαγνητικού πεδίου. Γνωρίζουμε ότι γύρω από κάθε αγωγό που διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα δημιουργείται ένα μαγνητικό πεδίο. Όταν τρία εναλλασσόμενα ρεύματα, μετατοπισμένα κατά 120 μοίρες, διαρρέουν τρία τυλίγματα τοποθετημένα γύρω από έναν κοινό άξονα, τα μαγνητικά πεδία που δημιουργούνται δεν είναι σταθερά, αλλά αλληλεπιδρούν και συνδυάζονται. Το αποτέλεσμα αυτής της αλληλεπίδρασης είναι ένα συνολικό μαγνητικό πεδίο, το οποίο δεν πάλλεται απλώς, αλλά περιστρέφεται γύρω από τον άξονα με σταθερή ταχύτητα. Αυτό το περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο είναι η καρδιά του τριφασικού κινητήρα. Είναι σαν να έχουμε έναν φανταστικό μαγνήτη που γυρίζει ασταμάτητα και παρασύρει μαζί του τον περιστρεφόμενο δρομέα του κινητήρα, χωρίς να χρειάζονται ηλεκτρικές ψήκτρες ή περίπλοκες βοηθητικές διατάξεις.

Ας σταθούμε λίγο ακόμη σε αυτό το σημείο, γιατί είναι κομβικής σημασίας για κάθε τεχνικό ψύξης και κλιματισμού. Ένας μονοφασικός κινητήρας, όπως αυτός που κινεί τον συμπιεστή ενός οικιακού ψυγείου, δεν μπορεί από μόνος του να δημιουργήσει περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο. Για να ξεκινήσει να περιστρέφεται, χρειάζεται ένα βοηθητικό κύκλωμα με πυκνωτή, που δημιουργεί μια τεχνητή μετατόπιση φάσης και του δίνει μια αρχική ώθηση προς μια κατεύθυνση. Η κατασκευή του είναι πιο περίπλοκη, έχει περισσότερα εξαρτήματα που μπορούν να χαλάσουν και η απόδοσή του είναι χαμηλότερη. Αντίθετα, ένας τριφασικός κινητήρας, από τη στιγμή που θα του εφαρμόσουμε τριφασική τάση, δημιουργεί μόνος του το περιστρεφόμενο πεδίο και ξεκινά να περιστρέφεται αμέσως, με σταθερή κατεύθυνση και μεγάλη ροπή. Είναι μια απλούστερη, πιο στιβαρή και πιο αποδοτική κατασκευή (Βασιλακόπουλος, 2006:168-170).

Εικόνα 3: Σύγκριση εκκίνησης κινητήρων. Αριστερά, ο μονοφασικός κινητήρας απαιτεί βοηθητικό τύλιγμα και πυκνωτή για να δημιουργήσει τη "ψευδο-φάση" που θα του δώσει την πρώτη σπρωξιά. Δεξιά, ο τριφασικός κινητήρας ξεκινά άμεσα και με μεγάλη δύναμη (ροπή) χάρη στην ήδη υπάρχουσα διαφορά φάσης των 120 μοιρών. Πηγή: Electrical Technology / Learning Resources

Από πρακτική άποψη, αυτό που πρέπει να συγκρατήσει ένας τεχνικός είναι ότι το τριφασικό ρεύμα δεν είναι απλώς τρία μονοφασικά ρεύματα μαζί. Είναι ένα ενιαίο και αδιαίρετο σύστημα, όπου κάθε φάση εξαρτάται από τις άλλες και η αλληλεπίδρασή τους παράγει νέα ποιοτικά χαρακτηριστικά. Η σταθερή στιγμιαία ισχύς και το περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο είναι τα δύο σπουδαιότερα πλεονεκτήματα που καθιστούν το τριφασικό σύστημα απαραίτητο σε κάθε εγκατάσταση ψύξης και κλιματισμού που ξεπερνά το επίπεδο της απλής οικιακής συσκευής. Είτε πρόκειται για έναν συμπιεστή είτε για έναν μεγάλο ανεμιστήρα, η τριφασική τροφοδοσία εγγυάται ομαλότερη λειτουργία, λιγότερες βλάβες και μεγαλύτερη ενεργειακή απόδοση, στοιχεία καθοριστικά για την επαγγελματική βιωσιμότητα κάθε ψυκτικής εγκατάστασης (Evb, 2024).

1.2. Πλεονεκτήματα Τριφασικού Ρεύματος

Η επικράτηση του τριφασικού συστήματος έναντι του μονοφασικού δεν υπήρξε τυχαία ούτε αποτέλεσμα απλής τεχνολογικής σύμβασης. Αντίθετα, βασίζεται σε μια σειρά από θεμελιώδη πλεονεκτήματα, τα οποία καθιστούν το τριφασικό ρεύμα την ιδανική επιλογή για κάθε εφαρμογή που απαιτεί μεγάλη ισχύ, αξιοπιστία και αποδοτικότητα. Ιδιαίτερα στον χώρο της ψύξης και του κλιματισμού, όπου η λειτουργία κινητήρων αποτελεί την πεμπτουσία της εγκατάστασης, η κατανόηση αυτών των πλεονεκτημάτων είναι απολύτως απαραίτητη για κάθε τεχνικό. Στο κεφάλαιο αυτό θα αναπτύξουμε διεξοδικά τα τρία σημαντικότερα πλεονεκτήματα του τριφασικού ρεύματος, ξεκινώντας από εκείνο που σχετίζεται με τη φύση της ισχύος, προχωρώντας στην οικονομία υλικών και καταλήγοντας στο σημαντικότερο όλων για τους επαγγελματίες του κλάδου, τη δημιουργία περιστρεφόμενου μαγνητικού πεδίου.

Το πρώτο και πλέον θεμελιώδες πλεονέκτημα του τριφασικού συστήματος αφορά τη συμπεριφορά της στιγμιαίας ισχύος. Σε κάθε ηλεκτρικό σύστημα, η ισχύς που καταναλώνεται ή μεταφέρεται δεν είναι μια σταθερή και αμετάβλητη ποσότητα, αλλά μια χρονικά μεταβαλλόμενη συνάρτηση. Στην περίπτωση του μονοφασικού εναλλασσόμενου ρεύματος, η στιγμιαία ισχύς ακολουθεί μια παλλόμενη μορφή. Λόγω της ημιτονικής φύσης της τάσης και του ρεύματος, υπάρχουν στιγμές εντός κάθε περιόδου όπου η στιγμιαία ισχύς είναι μηδενική, συγκεκριμένα όταν η τάση ή το ρεύμα μηδενίζονται, και στιγμές όπου η ισχύς φτάνει στη μέγιστη τιμή της. Αυτό σημαίνει ότι η ενέργεια δεν προσφέρεται στο φορτίο με ομαλό και συνεχή τρόπο, αλλά με τη μορφή παλμών, σαν μια διαδοχή από μικρές ενεργειακές εκρήξεις. Η συχνότητα αυτών των παλμών είναι διπλάσια της συχνότητας του δικτύου, δηλαδή 100 παλμοί ανά δευτερόλεπτο για ένα σύστημα 50 Hertz (Τόμπρας, 2015: 106 κ.ε.).

Αντιθέτως, στο τριφασικό σύστημα η εικόνα είναι εντελώς διαφορετική. Παρόλο που η στιγμιαία ισχύς κάθε μιας από τις τρεις φάσεις ξεχωριστά παρουσιάζει την ίδια παλμική συμπεριφορά με το μονοφασικό, η χρονική μετατόπιση των τριών φάσεων κατά 120 μοίρες έχει ως αποτέλεσμα οι παλμοί ισχύος της μιας φάσης να συμπληρώνουν τα κενά ισχύος των άλλων. Όταν η ισχύς της πρώτης φάσης μηδενίζεται, η δεύτερη φάση βρίσκεται σε ένα σημείο όπου η ισχύς της είναι θετική, και όταν και η δεύτερη μηδενίζεται, αναλαμβάνει η τρίτη. Το αποτέλεσμα της υπέρθεσης αυτών των τριών παλμικών ισχύων είναι μια συνολική ισχύς που παραμένει απολύτως σταθερή και αμετάβλητη σε κάθε χρονική στιγμή. Αυτή η ιδιότητα είναι μοναδική και αποκλειστικό γνώρισμα των πολυφασικών συστημάτων και ιδιαίτερα του τριφασικού, που είναι το πιο διαδεδομένο (Πολάκης, 2006:36).

Εικόνα 4 Διάγραμμα στιγμιαίας ισχύος τριφασικού συστήματος. Οι τρεις κυματομορφές (Φάση 1, 2, 3) αλληλοσυμπληρώνονται λόγω της διαφοράς των 120 μοιρών. Αν προσθέσουμε τις τιμές τους σε οποιοδήποτε χρονικό σημείο, το αποτέλεσμα (η συνολική ισχύς) είναι μια ευθεία οριζόντια γραμμή, δηλαδή μια σταθερή ροή ενέργειας χωρίς σκαμπανεβάσματα. Πηγή: Electrical Concepts / Power Systems Engineering

Για έναν ηλεκτροκινητήρα, η σταθερότητα αυτή της παρεχόμενης ισχύος μεταφράζεται άμεσα σε ποιότητα λειτουργίας. Ένας τριφασικός κινητήρας δέχεται μια συνεχή ροή ενέργειας, με αποτέλεσμα να παράγει μια σταθερή και ομαλή ροπή στον άξονά του. Αντίθετα, ένας μονοφασικός κινητήρας, τροφοδοτούμενος από παλμική ισχύ, τείνει να παράγει μια ροπή που επίσης πάλλεται, δημιουργώντας μηχανικούς κραδασμούς και δονήσεις. Στην πράξη, αυτό σημαίνει ότι ένας τριφασικός κινητήρας λειτουργεί πιο ήσυχα, πιο ομαλά και με λιγότερες καταπονήσεις στα μηχανικά του μέρη, όπως είναι τα ρουλεμάν και ο άξονας. Η διαφορά γίνεται ιδιαίτερα αισθητή σε εφαρμογές μεγάλης ισχύος, όπου οι δυνάμεις που αναπτύσσονται είναι σημαντικές. Ένας μεγάλος συμπιεστής ψυκτικού θαλάμου ή ένας ανεμιστήρας κεντρικής κλιματιστικής μονάδας, αν τροφοδοτούνταν από μονοφασικό ρεύμα, θα μετέδιδε συνεχώς κραδασμούς στην υπόλοιπη εγκατάσταση, με κίνδυνο χαλάρωσης συνδέσεων, θορύβου και πρόωρης φθοράς. Με την τριφασική τροφοδοσία, η λειτουργία είναι συγκριτικά αθόρυβη και ομαλή, παρατείνοντας τη διάρκεια ζωής του εξοπλισμού (Ντοκόπουλος, 1987: 348).

Το δεύτερο μείζον πλεονέκτημα του τριφασικού συστήματος είναι η οικονομία υλικού που επιτυγχάνεται κατά τη μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας. Η διαπίστωση αυτή έχει τεράστια πρακτική και οικονομική σημασία, τόσο σε επίπεδο δικτύων διανομής της ΔΕΗ όσο και σε επίπεδο εσωτερικής ηλεκτρολογικής εγκατάστασης ενός εργοστασίου ή μιας επαγγελματικής ψυκτικής μονάδας. Για να γίνει κατανοητό το πλεονέκτημα, ας σκεφτούμε το εξής σενάριο. Ας υποθέσουμε ότι θέλουμε να μεταφέρουμε μια δεδομένη ποσότητα ηλεκτρικής ισχύος από ένα σημείο Α σε ένα σημείο Β, σε μια δεδομένη απόσταση. Αν χρησιμοποιήσουμε μονοφασικό σύστημα, θα χρειαστούμε δύο αγωγούς, μια φάση και έναν ουδέτερο. Αν χρησιμοποιήσουμε τριφασικό σύστημα για να μεταφέρουμε την ίδια ακριβώς ισχύ, θα χρειαστούμε τρεις αγωγούς, τις τρεις φάσεις, χωρίς την υποχρεωτική παρουσία ουδετέρου (Νταμάτης, 2015: 55).

Το αξιοσημείωτο είναι ότι, παρόλο που χρησιμοποιούμε τρεις αγωγούς αντί για δύο, η συνολική ποσότητα του αγώγιμου υλικού, είτε αυτό είναι χαλκός είτε αλουμίνιο, που απαιτείται είναι μικρότερη στο τριφασικό σύστημα (Υφαντής, 2008: 19-24). Αυτό συμβαίνει γιατί, λόγω της ύπαρξης των τριών φάσεων, η ένταση του ρεύματος που διαρρέει κάθε έναν από τους τρεις αγωγούς είναι σημαντικά μικρότερη από την ένταση που θα διέρρεε τους δύο αγωγούς του μονοφασικού συστήματος για την ίδια ισχύ. Και γνωρίζουμε ότι η απαιτούμενη διατομή ενός καλωδίου είναι ανάλογη της έντασης του ρεύματος που το διαρρέει. Μικρότερο ρεύμα σημαίνει μικρότερη διατομή, άρα λιγότερο υλικό. Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι για την ίδια μεταφερόμενη ισχύ και την ίδια απόσταση, το τριφασικό σύστημα απαιτεί μόνο τα τρία τέταρτα του υλικού που απαιτεί το μονοφασικό. Το ποσοστό 75% αποτελεί μια εντυπωσιακή εξοικονόμηση, ιδιαίτερα όταν μιλάμε για μεγάλα μήκη καλωδίων και υψηλές τιμές μετάλλων.

Η οικονομία αυτή δεν περιορίζεται μόνο στο κόστος των καλωδίων. Μικρότερες διατομές σημαίνουν ευκολότερη εγκατάσταση, λιγότερο ογκώδεις σωληνώσεις ή καλωδιογέφυρες για τη διέλευση των καλωδίων και μικρότερες απώλειες ενέργειας λόγω του φαινομένου Τζουλ, δηλαδή της θέρμανσης των αγωγών. Λιγότερες απώλειες σημαίνουν μεγαλύτερη ενεργειακή απόδοση της συνολικής εγκατάστασης και μικρότερο λειτουργικό κόστος. Σε μια βιομηχανική ψυκτική εγκατάσταση, όπου τα καλώδια από τον κεντρικό πίνακα μέχρι τους επιμέρους συμπιεστές και ανεμιστήρες μπορεί να διανύουν αποστάσεις εκατοντάδων μέτρων, η εξοικονόμηση σε χαλκό και η μείωση των απωλειών είναι ένα κρίσιμο οικονομικό και τεχνικό πλεονέκτημα (Πρωτοψάλτης, 2013: 10).

Εικόνα 5. Σχηματικό διάγραμμα που συγκρίνει τη μονοφασική (2-wire) και την τριφασική (3-wire/4-wire) κατανομή ισχύος. Φαίνεται ξεκάθαρα πώς η τριφασική διάταξη επιτρέπει τη μεταφορά πολύ μεγαλύτερου φορτίου με τη χρήση πρόσθετων αγωγών ίδιας διατομής, αποφεύγοντας τα υπερβολικά χοντρά καλώδια που θα απαιτούσε ένα μονοφασικό σύστημα υψηλής ισχύος. Πηγή: Electrical Design and Engineering Resource

Το τρίτο, και για τον τομέα της ψύξης και του κλιματισμού το σημαντικότερο όλων, πλεονέκτημα του τριφασικού ρεύματος είναι η δυνατότητα παραγωγής περιστρεφόμενου μαγνητικού πεδίου. Το φαινόμενο αυτό αποτελεί τον ακρογωνιαίο λίθο πάνω στον οποίο βασίζεται η λειτουργία των τριφασικών κινητήρων, που είναι και οι πλέον διαδεδομένοι σε κάθε επαγγελματική και βιομηχανική εφαρμογή. Για να το κατανοήσουμε, πρέπει πρώτα να θυμηθούμε μια βασική αρχή του ηλεκτρομαγνητισμού. Κάθε χρονικά μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό ρεύμα που διαρρέει ένα πηνίο δημιουργεί γύρω του ένα μαγνητικό πεδίο, του οποίου η ένταση και η φορά μεταβάλλονται ανάλογα με το ρεύμα (Βασιλακόπουλος, 2006: 69 κ.ε.).

Στην περίπτωση του τριφασικού κινητήρα, τρία ξεχωριστά τυλίγματα, τοποθετημένα γύρω από μια κεντρική κυλινδρική επιφάνεια, τον στάτη, διαρρέονται από τα τρία εναλλασσόμενα ρεύματα, μετατοπισμένα κατά 120 μοίρες. Κάθε ένα από αυτά τα τυλίγματα δημιουργεί ένα δικό του μαγνητικό πεδίο, το οποίο πάλλεται. Όμως, λόγω της χωρικής τοποθέτησης των τυλιγμάτων (σε διαφορετικές γωνίες γύρω από τον στάτη) και της χρονικής μετατόπισης των ρευμάτων, τα τρία παλλόμενα πεδία δεν είναι ανεξάρτητα. Αλληλεπιδρούν και συνδυάζονται, σχηματίζοντας ένα ενιαίο μαγνητικό πεδίο, το οποίο έχει την εκπληκτική ιδιότητα να μην πάλλεται, αλλά να περιστρέφεται ομαλά γύρω από τον άξονα του κινητήρα. Η ταχύτητα περιστροφής αυτού του μαγνητικού πεδίου είναι σταθερή και ονομάζεται σύγχρονη ταχύτητα.

Ας φανταστούμε ότι τοποθετούμε έναν μαγνήτη πάνω σε έναν άξονα και τον περιστρέφουμε με το χέρι. Αν φέρουμε κοντά του έναν άλλο μαγνήτη, ο δεύτερος θα παρασυρθεί και θα αρχίσει να περιστρέφεται κι αυτός. Κάτι ανάλογο συμβαίνει και στον τριφασικό κινητήρα. Το περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο του στάτη είναι σαν τον πρώτο μαγνήτη. Μέσα σε αυτό το πεδίο βρίσκεται ο δρομέας, ο οποίος είναι ένα περιστρεφόμενο τμήμα που φέρει αγώγιμες ράβδους. Το περιστρεφόμενο πεδίο επάγει ρεύματα σε αυτές τις ράβδους, και η αλληλεπίδραση των ρευμάτων με το πεδίο δημιουργεί μια δύναμη που θέτει τον δρομέα σε περιστροφή, προσπαθώντας να τον σύρει πίσω από το πεδίο. Αυτός είναι ο λόγος που οι κινητήρες αυτοί ονομάζονται επαγωγικοί ή ασύγχρονοι (Ντοκόπουλος, 1987: 337).

Η πρακτική σημασία αυτού του φαινομένου για τον τεχνικό ψύξης είναι τεράστια. Συγκρίνοντας έναν τριφασικό επαγωγικό κινητήρα με έναν μονοφασικό, οι διαφορές είναι εντυπωσιακές. Ο μονοφασικός κινητήρας, από τη φύση του, δεν μπορεί να δημιουργήσει περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο. Παράγει ένα παλλόμενο πεδίο που δεν έχει προτιμητέα φορά περιστροφής. Για να ξεκινήσει να γυρίζει, χρειάζεται ένα βοηθητικό κύκλωμα, συνήθως έναν πυκνωτή, που δημιουργεί μια τεχνητή μετατόπιση φάσης και του δίνει μια αρχική ώθηση προς μια κατεύθυνση. Αυτό σημαίνει ότι ο μονοφασικός κινητήρας έχει περισσότερα εξαρτήματα που μπορεί να υποστούν βλάβη, είναι πιο περίπλοκος στην κατασκευή του και έχει χαμηλότερη απόδοση. Αντιθέτως, ο τριφασικός κινητήρας είναι μια εξαιρετικά απλή και στιβαρή κατασκευή. Δεν χρειάζεται πυκνωτές, δεν χρειάζεται κανένα βοηθητικό κύκλωμα για να ξεκινήσει. Αρκεί να του εφαρμόσουμε τριφασική τάση και το περιστρεφόμενο πεδίο δημιουργείται αυτόματα, θέτοντάς τον σε λειτουργία με μεγάλη ροπή εκκίνησης.

Η απουσία πυκνωτών και άλλων βοηθητικών διατάξεων καθιστά τον τριφασικό κινητήρα εξαιρετικά αξιόπιστο και ανθεκτικό στον χρόνο. Είναι λιγότερο επιρρεπής σε βλάβες, έχει μεγαλύτερη διάρκεια ζωής και απαιτεί λιγότερη συντήρηση. Ταυτόχρονα, η απόδοσή του, δηλαδή ο λόγος της μηχανικής ισχύος που παράγει προς την ηλεκτρική ισχύ που καταναλώνει, είναι σημαντικά υψηλότερη από αυτήν ενός μονοφασικού κινητήρα. Αυτό σημαίνει ότι για την ίδια μηχανική ισχύ, ο τριφασικός κινητήρας καταναλώνει λιγότερο ηλεκτρικό ρεύμα, συμβάλλοντας στη μείωση του ενεργειακού κόστους λειτουργίας, ένα κρίσιμο πλεονέκτημα σε μια εποχή όπου η ενέργεια είναι ακριβή και η εξοικονόμηση πόρων επιτακτική (Κότου, 2003: 44-56).

Εικόνα 6. Πηγή: HVAC Component Parts / Electronic Spares Λεζάντα: Πυκνωτής λειτουργίας κινητήρα (CBB65). Αυτό το εξάρτημα είναι υπεύθυνο για την εκκίνηση του μονοφασικού συμπιεστή. Πάνω στο περίβλημα αναγράφεται η χωρητικότητα (π.χ. 35μF ή 45μF) και η μέγιστη τάση (π.χ. 450V AC).

Συνδυάζοντας και τα τρία πλεονεκτήματα, γίνεται απολύτως σαφές γιατί το τριφασικό σύστημα είναι η μόνη λογική επιλογή για επαγγελματικές και βιομηχανικές εφαρμογές ψύξης. Η σταθερή ισχύς εξασφαλίζει ομαλή λειτουργία και λιγότερες μηχανικές καταπονήσεις. Η οικονομία υλικού μειώνει το κόστος εγκατάστασης και λειτουργίας. Η δυνατότητα παραγωγής περιστρεφόμενου μαγνητικού πεδίου επιτρέπει τη χρήση απλών, αξιόπιστων και αποδοτικών κινητήρων, που αποτελούν την καρδιά κάθε ψυκτικής μονάδας. Από έναν απλό ανεμιστήρα συμπυκνωτή μέχρι έναν τεράστιο συμπιεστή ψυκτικού θαλάμου, η τριφασική τεχνολογία προσφέρει τη βάση για αξιόπιστη, οικονομική και αποδοτική λειτουργία, καθιστώντας την απαραίτητη γνώση για κάθε σύγχρονο τεχνικό του κλάδου.

Ολοκληρώνοντας το πρώτο κεφάλαιο, έχουμε πλέον μια σαφή εικόνα για το τι είναι το τριφασικό ρεύμα και ποια είναι τα βασικά του πλεονεκτήματα. Είδαμε ότι δεν πρόκειται απλώς για τρία μονοφασικά ρεύματα μαζί, αλλά για ένα ενιαίο σύστημα με μοναδικές ιδιότητες, όπως η σταθερή ισχύς και η δημιουργία περιστρεφόμενου μαγνητικού πεδίου. Τα πλεονεκτήματα αυτά, ιδιαίτερα η οικονομία υλικού και η απλότητα των κινητήρων, είναι που καθιστούν το τριφασικό σύστημα απαραίτητο στις επαγγελματικές εγκαταστάσεις ψύξης και κλιματισμού. Στα επόμενα κεφάλαια, θα δούμε πώς παράγεται το τριφασικό ρεύμα, ποιοι είναι οι τρόποι σύνδεσης των τριφασικών καταναλώσεων και πώς όλα αυτά εφαρμόζονται στην πράξη πάνω στους κινητήρες που συναντάμε καθημερινά στο επάγγελμά μας.  

 

2. Παραγωγή Τριφασικού Ρεύματος

2.1. Η Αρχή Λειτουργίας της Γεννήτριας

Για να κατανοήσουμε σε βάθος την προέλευση και τη φύση του τριφασικού εναλλασσόμενου ρεύματος, είναι απαραίτητο να στραφούμε στην πηγή του, στην ίδια τη γεννήτρια που το παράγει. Η τριφασική γεννήτρια αποτελεί το θεμελιώδες μηχάνημα μετατροπής της μηχανικής ενέργειας σε ηλεκτρική, σε όλους σχεδόν τους σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας παγκοσμίως, είτε πρόκειται για υδροηλεκτρικούς, θερμοηλεκτρικούς, είτε για αιολικούς σταθμούς. Η αρχή λειτουργίας της βασίζεται σε έναν από τους θεμελιώδεις νόμους του ηλεκτρομαγνητισμού, τον νόμο της επαγωγής του Φάραντεϊ, σύμφωνα με τον οποίο οποιαδήποτε μεταβολή της μαγνητικής ροής που διέρχεται μέσα από ένα κλειστό κύκλωμα έχει ως αποτέλεσμα την επαγωγή ηλεκτρεγερτικής δύναμης, δηλαδή τάσης, στα άκρα του κυκλώματος αυτού. Με απλούστερα λόγια, αν μετακινήσουμε έναν μαγνήτη κοντά σε ένα πηνίο ή αν περιστρέψουμε ένα πηνίο μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο, δημιουργείται ηλεκτρική τάση (Κίτσιου, 2007: 4-8).

Στην περίπτωση της τριφασικής γεννήτριας, η βασική διάταξη αποτελείται από δύο θεμελιώδη μέρη, τον στάτη και τον δρομέα. Ο στάτης είναι το ακίνητο, σταθερό τμήμα της γεννήτριας και αποτελείται από έναν κυλινδρικό δακτύλιο από μαγνητικό χάλυβα, ο οποίος φέρει αυλακώσεις στην εσωτερική του επιφάνεια. Μέσα σε αυτές τις αυλακώσεις τοποθετούνται τρία ξεχωριστά τυλίγματα, τα οποία αποτελούνται από πολλές σπείρες αγώγιμου σύρματος, συνήθως χαλκού. Η κρίσιμη λεπτομέρεια στην κατασκευή του στάτη είναι ότι τα τρία αυτά τυλίγματα δεν τοποθετούνται τυχαία, αλλά είναι χωρικά μετατοπισμένα μεταξύ τους κατά 120 μοίρες. Δηλαδή, το δεύτερο τύλιγμα βρίσκεται σε απόσταση 120 μοιρών από το πρώτο, και το τρίτο κατά 120 μοίρες από το δεύτερο, καλύπτοντας έτσι ολόκληρη την περιφέρεια του στάτη. Η γωνιακή αυτή τοποθέτηση είναι που θα δώσει τελικά το χαρακτηριστικό γνώρισμα του τριφασικού ρεύματος, τη διαφορά φάσης των 120 μοιρών μεταξύ των παραγόμενων τάσεων.

Το δεύτερο βασικό μέρος της γεννήτριας είναι ο δρομέας, το περιστρεφόμενο τμήμα που βρίσκεται στο εσωτερικό του στάτη. Ο δρομέας δεν είναι τίποτε άλλο από ένα ηλεκτρομαγνήτη ή ένα σύστημα μόνιμων μαγνητών, ικανό να δημιουργήσει ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο. Στις μεγάλες γεννήτριες των ηλεκτροπαραγωγών σταθμών, ο δρομέας είναι συνήθως ένα ηλεκτρομαγνήτης, που τροφοδοτείται με συνεχές ρεύμα μέσω ειδικών δακτυλίων και ψηκτρών, δημιουργώντας ένα σταθερό μαγνητικό πεδίο με συγκεκριμένη πολικότητα, δηλαδή έναν βόρειο και έναν νότιο πόλο. Σε μικρότερες γεννήτριες, μπορεί να χρησιμοποιούνται και ισχυρά μόνιμα μαγνητικά υλικά. Ο δρομέας είναι συνδεδεμένος μηχανικά με τον άξονα της γεννήτριας, ο οποίος κινείται από μια εξωτερική πηγή μηχανικής ενέργειας. Αυτή η πηγή μπορεί να είναι ένας ατμοστρόβιλος σε ένα θερμοηλεκτρικό εργοστάσιο, ένας υδροστρόβιλος σε ένα φράγμα, ένας ανεμόμυλος σε μια ανεμογεννήτρια, ακόμη και μια μηχανή εσωτερικής καύσης σε ένα εφεδρικό ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος.

Εικόνα 7 Δομή δρομέα (Rotor) ηλεκτρικής γεννήτριας. Διακρίνεται ο κεντρικός άξονας και η διάταξη που δημιουργεί τους μαγνητικούς πόλους (Βόρειο και Νότιο). Στις μεγάλες μονάδες, αυτό το τμήμα περιστρέφεται με υψηλή ταχύτητα από την κινητήριο μηχανή (στρόβιλο) για να επάγει τάση στα ακίνητα πηνία του στάτη. Πηγή: Engineering and Technology Portal

    Η λειτουργία της γεννήτριας ξεκινά όταν η εξωτερική μηχανική πηγή θέσει σε περιστροφή τον άξονα και μαζί του τον δρομέα. Καθώς ο δρομέας περιστρέφεται, το μαγνητικό πεδίο που φέρει περιστρέφεται επίσης με την ίδια ταχύτητα. Αυτό το κινούμενο μαγνητικό πεδίο, καθώς περνά μπροστά από κάθε ένα από τα τρία ακίνητα τυλίγματα του στάτη, προκαλεί μια μεταβολή της μαγνητικής ροής που διέρχεται μέσα από αυτά. Θυμηθείτε ότι η επαγωγή τάσης απαιτεί μεταβολή της μαγνητικής ροής. Αυτή ακριβώς τη μεταβολή προσφέρει η περιστροφή του δρομέα. Κάθε φορά που ένας μαγνητικός πόλος πλησιάζει ένα τύλιγμα, η μαγνητική ροή μέσα στο τύλιγμα αυξάνεται. Όταν ο πόλος βρίσκεται ακριβώς μπροστά από το τύλιγμα, η ροή γίνεται μέγιστη. Καθώς ο πόλος απομακρύνεται, η ροή μειώνεται. Και όταν περάσει ο αντίθετος πόλος, η ροή αντιστρέφεται. Αυτή η συνεχής αυξομείωση και αντιστροφή της μαγνητικής ροής είναι που επάγει στα άκρα κάθε τυλίγματος μια εναλλασσόμενη τάση (Αδαμίδου & Καρατόσιου, 2008: 7-11).

    Το γεγονός ότι τα τρία τυλίγματα είναι τοποθετημένα σε διαφορετικές γωνίες γύρω από την περιφέρεια του στάτη έχει μια καθοριστική συνέπεια για το αποτέλεσμα της επαγωγής. Καθώς ο δρομέας περιστρέφεται, το μαγνητικό του πεδίο δεν περνά μπροστά από όλα τα τυλίγματα ταυτόχρονα, αλλά διαδοχικά. Πρώτα περνά μπροστά από το πρώτο τύλιγμα, λίγο αργότερα μπροστά από το δεύτερο και λίγο αργότερα από το τρίτο. Αυτή η χρονική διαφορά στην αλληλεπίδραση του μαγνητικού πεδίου με τα τυλίγματα έχει ως αποτέλεσμα οι τρεις εναλλασσόμενες τάσεις που παράγονται να μην είναι συγχρονισμένες. Παρουσιάζουν μια σταθερή χρονική υστέρηση μεταξύ τους. Το είδος και το μέγεθος αυτής της υστέρησης καθορίζεται ακριβώς από τη γωνία τοποθέτησης των τυλιγμάτων. Επειδή η γωνία είναι 120 μοίρες, η χρονική υστέρηση αντιστοιχεί στο ένα τρίτο μιας πλήρους περιόδου. Με άλλα λόγια, όταν η τάση στο πρώτο τύλιγμα φτάνει στη μέγιστη θετική της τιμή, η τάση στο δεύτερο τύλιγμα βρίσκεται 120 μοίρες πίσω, και η τάση στο τρίτο βρίσκεται 240 μοίρες πίσω ή, ισοδύναμα, 120 μοίρες μπροστά. Αυτή είναι η γένεση της διαφοράς φάσης, του θεμελιώδους χαρακτηριστικού του τριφασικού ρεύματος.

    Αν παρακολουθούσαμε την κυματομορφή της τάσης στα άκρα και των τριών τυλιγμάτων με τη βοήθεια ενός παλμογράφου, θα βλέπαμε τρία όμορφα ημιτονικά κύματα, πανομοιότυπα σε σχήμα και πλάτος, αλλά μετατοπισμένα χρονικά το ένα ως προς το άλλο. Το κύμα της δεύτερης φάσης θα ξεκινά λίγο αργότερα από το πρώτο, και το τρίτο λίγο αργότερα από το δεύτερο. Η εικόνα αυτή, τριών ημιτόνων σε απόλυτη αρμονία, αποτελεί την οπτική απόδειξη της λειτουργίας της τριφασικής γεννήτριας. Η συχνότητα αυτών των παραγόμενων τάσεων δεν είναι τυχαία, αλλά καθορίζεται άμεσα από δύο παράγοντες: την ταχύτητα περιστροφής του δρομέα και τον αριθμό των μαγνητικών πόλων που διαθέτει. Σε ένα δίπολο δρομέα, με έναν βόρειο και έναν νότιο πόλο, μια πλήρης περιστροφή 360 μοιρών παράγει έναν πλήρη ηλεκτρικό κύκλο για κάθε τύλιγμα. Αν ο δρομέας περιστρέφεται με 50 στροφές το δευτερόλεπτο, η συχνότητα θα είναι 50 Hertz. Στις μεγάλες γεννήτριες, η ταχύτητα περιστροφής ρυθμίζεται με μεγάλη ακρίβεια, ώστε η παραγόμενη συχνότητα να είναι σταθερή στα 50 Hertz, που είναι το πρότυπο για ολόκληρο το ευρωπαϊκό δίκτυο ηλεκτροδότησης (Μάργαρης, 2010: 75 κ.ε.).

    Η σύνδεση των τριών τυλιγμάτων της γεννήτριας με το εξωτερικό κύκλωμα γίνεται μέσω εξωτερικών ακροδεκτών, οι οποίοι οδηγούν τα καλώδια προς τον πίνακα διανομής ή απευθείας προς τα φορτία. Ανάλογα με το πώς θα συνδεθούν μεταξύ τους τα άκρα των τυλιγμάτων, μπορούμε να έχουμε δύο βασικές διαμορφώσεις εξόδου, τη σύνδεση σε αστέρα ή τη σύνδεση σε τρίγωνο. Στην πράξη, οι γεννήτριες των σταθμών παραγωγής είναι συνήθως συνδεδεμένες σε αστέρα, καθώς αυτή η συνδεσμολογία παρέχει τη δυνατότητα ύπαρξης ουδέτερου σημείου και, επομένως, δύο διαφορετικών τάσεων εξόδου, της φασικής και της πολικής. Από εκεί και πέρα, το τριφασικό ρεύμα, με τα τρία του ημιτονικά κύματα σε απόλυτη αρμονία, είναι έτοιμο να ταξιδέψει μέσα από τις γραμμές μεταφοράς υψηλής τάσης, να υποβιβαστεί σε χαμηλότερες τάσεις στους υποσταθμούς διανομής και τελικά να φτάσει στις βιομηχανικές εγκαταστάσεις, στα επαγγελματικά εργαστήρια και φυσικά στις ψυκτικές μονάδες, όπου θα θέσει σε λειτουργία τους ισχυρούς κινητήρες των συμπιεστών και των ανεμιστήρων (Μάργαρης, 2010: 263 κ.ε.).

 

2.2. Διάγραμμα Χρόνου και Διανυσματικό Διάγραμμα

Αφού κατανοήσαμε πώς παράγεται το τριφασικό ρεύμα μέσα στη γεννήτρια, ήρθε η ώρα να το δούμε και να το σχεδιάσουμε. Υπάρχουν δύο πολύ χρήσιμοι τρόποι να αναπαραστήσουμε γραφικά το τριφασικό σύστημα, ώστε να γίνουν πιο κατανοητές οι έννοιες της διαφοράς φάσης και της γωνίας των 120 μοιρών. Ο πρώτος τρόπος είναι το διάγραμμα χρόνου, όπου βλέπουμε πώς μεταβάλλονται οι τάσεις των τριών φάσεων σε σχέση με τον χρόνο. Ο δεύτερος τρόπος είναι το διανυσματικό διάγραμμα, όπου οι τάσεις παριστάνονται ως βέλη ή στροφείς, και βλέπουμε τη σχέση τους σε μια ακίνητη εικόνα. Και τα δύο διαγράμματα είναι απαραίτητα εργαλεία για κάθε τεχνικό, γιατί μας βοηθούν να καταλάβουμε τι συμβαίνει σε ένα τριφασικό κύκλωμα, ιδιαίτερα όταν μιλάμε για συνδεσμολογίες κινητήρων ή για τον έλεγχο της σωστής λειτουργίας μιας εγκατάστασης.

Ξεκινώντας από το διάγραμμα χρόνου, ας φανταστούμε ένα χαρτί μιλιμετρέ. Στον οριζόντιο άξονα σημειώνουμε τον χρόνο, ο οποίος κυλάει συνεχώς από αριστερά προς τα δεξιά. Στον κάθετο άξονα σημειώνουμε την τάση. Στο διάγραμμα αυτό σχεδιάζουμε τρεις ημιτονικές καμπύλες, μία για κάθε φάση. Τις ονομάζουμε L1, L2 και L3. Και οι τρεις καμπύλες έχουν ακριβώς το ίδιο σχήμα, το ίδιο ύψος, δηλαδή το ίδιο πλάτος τάσης, και την ίδια συχνότητα, δηλαδή κάνουν τον ίδιο αριθμό κύκλων σε κάθε δευτερόλεπτο. Αυτό που τις κάνει διαφορετικές είναι η θέση τους πάνω στον άξονα του χρόνου.

Η καμπύλη της πρώτης φάσης, L1, ξεκινάει κανονικά από το μηδέν, ανεβαίνει στη μέγιστη θετική της τιμή, ξανακατεβαίνει στο μηδέν, συνεχίζει στη μέγιστη αρνητική και επιστρέφει στο μηδέν, ολοκληρώνοντας έναν πλήρη κύκλο. Η καμπύλη της δεύτερης φάσης, L2, κάνει ακριβώς τα ίδια, αλλά δεν ξεκινάει μαζί με την πρώτη. Ξεκινάει με καθυστέρηση. Αυτή η καθυστέρηση είναι σταθερή και αντιστοιχεί στο ένα τρίτο της διάρκειας ενός πλήρους κύκλου. Δηλαδή, όταν η L1 έχει ήδη διανύσει το ένα τρίτο της διαδρομής της, τότε ξεκινάει η L2. Το ίδιο συμβαίνει και με την τρίτη φάση, L3. Ξεκινάει με μια καθυστέρηση άλλου ενός τρίτου ως προς την L2, ή, αν προτιμάτε, με καθυστέρηση δύο τρίτων ως προς την L1.

Αυτή η καθυστέρηση, επειδή τη μετράμε σε μοίρες πάνω στον ημιτονικό κύκλο, λέγεται διαφορά φάσης και είναι 120 μοίρες. Για να το καταλάβουμε πιο απλά, σκεφτείτε έναν στίβο 360 μέτρων. Τρεις δρομείς ξεκινούν από διαφορετικές αφετηρίες, έτσι ώστε να απέχουν μεταξύ τους 120 μέτρα. Όλοι τρέχουν με την ίδια ταχύτητα. Αν τραβήξουμε μια φωτογραφία σε μια τυχαία στιγμή, ο ένας θα είναι στο σημείο εκκίνησης, ο άλλος 120 μέτρα πιο μπροστά και ο τρίτος 240 μέτρα πιο μπροστά ή, αν κοιτάξουμε αντίστροφα, 120 μέτρα πίσω. Το ίδιο ακριβώς συμβαίνει και με τις τάσεις. Σε κάθε χρονική στιγμή, η κάθε φάση βρίσκεται σε διαφορετικό σημείο του κύκλου της, 120 μοίρες μακριά από τις άλλες.

Εικόνα 9. Γραφική παράσταση των τριών εναλλασσόμενων τάσεων ενός τριφασικού συστήματος. Οι καμπύλες L1, L2 και L3 ακολουθούν η μία την άλλη με σταθερή διαφορά φάσης 120°, δημιουργώντας τη βάση για τη λειτουργία του περιστρεφόμενου μαγνητικού πεδίου. Πηγή: Electrical Engineering Guides / Power Systems

Αυτή η συνεχής εναλλαγή και η χρονική μετατόπιση είναι που δημιουργεί το περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο για το οποίο μιλήσαμε στα πλεονεκτήματα. Αν ενώσουμε νοερά τις κορυφές των τριών καμπυλών, θα δούμε ότι ποτέ δεν υπάρχει στιγμή που και οι τρεις να είναι στο μηδέν ταυτόχρονα. Πάντα υπάρχει τουλάχιστον μία που έχει θετική ή αρνητική τιμή. Αυτό εξασφαλίζει ότι η συνολική ισχύς είναι σταθερή και δεν μηδενίζεται ποτέ, σε αντίθεση με το μονοφασικό που μηδενίζεται δύο φορές σε κάθε κύκλο (Φράγκου & Μαλάμω, 2015: 51-54).

Περνάμε τώρα στο δεύτερο διάγραμμα, που λέγεται διανυσματικό. Εδώ, αντί να σχεδιάζουμε κύματα, σχεδιάζουμε βέλη. Τα βέλη αυτά ονομάζονται διανύσματα ή στροφείς. Κάθε βέλος αντιστοιχεί σε μία φάση. Το μήκος του βέλους δείχνει το μέγεθος της τάσης, για παράδειγμα τα 230 Volt. Η κατεύθυνση του βέλους δείχνει τη γωνία στην οποία βρίσκεται η φάση εκείνη τη χρονική στιγμή. Επειδή οι τρεις φάσεις έχουν διαφορά 120 μοιρών μεταξύ τους, τα βέλη τα τοποθετούμε πάνω σε έναν κύκλο, με κέντρο το ίδιο σημείο, έτσι ώστε να σχηματίζουν γωνίες 120 μοιρών μεταξύ τους.

Φανταστείτε ένα ρολόι. Αν τοποθετήσουμε το πρώτο βέλος να δείχνει προς τις τρεις η ώρα, δηλαδή εντελώς δεξιά, αυτό είναι η φάση L1 και αντιστοιχεί σε γωνία 0 μοιρών. Το δεύτερο βέλος, για την L2, το τοποθετούμε να δείχνει προς τις έντεκα η ώρα περίπου, δηλαδή πάνω-αριστερά. Αυτή είναι γωνία 120 μοιρών. Το τρίτο βέλος, για την L3, το τοποθετούμε να δείχνει προς τις επτά η ώρα, δηλαδή κάτω-αριστερά. Αυτή είναι γωνία 240 μοιρών. Αν κοιτάξετε προσεκτικά, η γωνία ανάμεσα στο πρώτο και το δεύτερο βέλος είναι 120 μοίρες. Ανάμεσα στο δεύτερο και το τρίτο, άλλες 120 μοίρες. Και ανάμεσα στο τρίτο και πίσω στο πρώτο, οι υπόλοιπες 120 μοίρες, συμπληρώνοντας έτσι τον κύκλο των 360 μοιρών.

Το διανυσματικό διάγραμμα είναι πολύ χρήσιμο για να κάνουμε πράξεις με τις τάσεις. Για παράδειγμα, όταν θέλουμε να υπολογίσουμε την τάση που μετράμε ανάμεσα σε δύο φάσεις, ας πούμε την L1 και την L2, δεν μπορούμε απλά να προσθέσουμε 230 συν 230. Αυτό θα ήταν λάθος, γιατί οι τάσεις δεν είναι συγχρονισμένες. Η μία είναι στο μέγιστο όταν η άλλη δεν είναι. Η πράξη γίνεται με το διανυσματικό διάγραμμα. Παίρνουμε τα δύο βέλη, τα βάζουμε τη μύτη του ενός στην ουρά του άλλου, και το βέλος που ενώνει την αρχή του πρώτου με το τέλος του δεύτερου μάς δίνει την τάση μεταξύ των δύο φάσεων. Αυτό το βέλος είναι μεγαλύτερο, και το μήκος του αντιστοιχεί στα 400 Volt. Αυτή είναι η γνωστή μας πολική τάση, η οποία προκύπτει από τον τύπο 230 επί την τετραγωνική ρίζα του 3, δηλαδή 230 επί 1,73 (Βοβός, Γιαννακόπουλος, & Μήλιας-Αργείτης, 2020: 76-77).

Αυτή η οπτική αναπαράσταση με τα βέλη βοηθάει πάρα πολύ στην κατανόηση του γιατί έχουμε δύο διαφορετικές τάσεις σε ένα τριφασικό σύστημα. Αν μετράμε από μια φάση ως προς τον ουδέτερο, μετράμε το μήκος ενός μόνο βέλους, δηλαδή 230 Volt. Αν μετράμε ανάμεσα σε δύο φάσεις, μετράμε το μήκος της διανυσματικής διαφοράς τους, που είναι μεγαλύτερο και ίσο με 400 Volt. Αυτή η γνώση είναι απαραίτητη όταν συνδέουμε έναν τριφασικό κινητήρα. Πάνω στην πινακίδα του κινητήρα, θα δούμε συνήθως να γράφει 230/400 Volt. Αυτό σημαίνει ότι τα τυλίγματά του είναι κατασκευασμένα για τάση 230 Volt. Αν θέλουμε να τον συνδέσουμε σε δίκτυο με πολική τάση 230 Volt, τότε πρέπει να τον συνδέσουμε σε τρίγωνο. Αν θέλουμε να τον συνδέσουμε σε δίκτυο με πολική τάση 400 Volt, που είναι το συνηθέστερο στην Ελλάδα, πρέπει να τον συνδέσουμε σε αστέρα, ώστε κάθε τύλιγμα να δει μόνο τα 230 Volt που αντέχει (Βοβός, Γιαννακόπουλος, & Μήλιας-Αργείτης, 2020: 76-77).

Εικόνα 10. Λεζάντα: Διανυσματικό διάγραμμα τριφασικής τάσης. Τα τρία διανύσματα (L1, L2, L3) έχουν ίσο μήκος και απέχουν μεταξύ τους ακριβώς 120°, συμβολίζοντας την τέλεια ισορροπία του συστήματος. Πηγή: Electrical Engineering Analysis / Vector Diagrams

Και τα δύο διαγράμματα, λοιπόν, το διάγραμμα χρόνου με τα ημίτονα και το διανυσματικό διάγραμμα με τα βέλη, είναι δύο όψεις του ίδιου νομίσματος. Το πρώτο μας δείχνει πώς εξελίσσονται τα πράγματα στον χρόνο, σαν μια ταινία. Το δεύτερο μας δείχνει μια ακίνητη φωτογραφία της στιγμής, η οποία όμως περιέχει όλες τις απαραίτητες πληροφορίες για τα μεγέθη και τις γωνίες. Για έναν τεχνικό ψύξης, η εξοικείωση με αυτές τις αναπαραστάσεις είναι πολύτιμη. Τον βοηθά να διαβάζει ηλεκτρολογικά σχέδια, να καταλαβαίνει πώς λειτουργούν οι διατάξεις εκκίνησης αστέρα-τριγώνου και να ελέγχει αν μια τριφασική εγκατάσταση λειτουργεί σωστά ή αν υπάρχει πρόβλημα, όπως για παράδειγμα απώλεια μιας φάσης. Και όπως λέμε συχνά στο επάγγελμα, μια εικόνα είναι πραγματικά χίλιες λέξεις, και στην περίπτωση του τριφασικού ρεύματος, τα διαγράμματα είναι η γλώσσα που μιλάει ο εξοπλισμός.

3. Βασικές Συνδεσμολογίες - Αστέρας και Τρίγωνο

3.1. Συνδεσμολογία Αστέρα (Υ)

Αφού κατανοήσαμε την παραγωγή του τριφασικού ρεύματος και τα πλεονεκτήματά του, φτάνουμε σε ένα από τα πιο πρακτικά και χρήσιμα κεφάλαια για κάθε τεχνικό ψύξης και κλιματισμού. Πρόκειται για τους τρόπους με τους οποίους μπορούμε να συνδέσουμε τις τριφασικές καταναλώσεις, και κυρίως τους κινητήρες, στο δίκτυο. Υπάρχουν δύο βασικές συνδεσμολογίες, ο αστέρας και το τρίγωνο. Η καθεμία έχει τα δικά της χαρακτηριστικά, τις δικές της τάσεις και τα δικά της ρεύματα, και η σωστή επιλογή είναι κρίσιμη για την καλή λειτουργία και την προστασία του εξοπλισμού. Ξεκινάμε με τη συνδεσμολογία του αστέρα, που είναι και η πιο συνηθισμένη για την εκκίνηση κινητήρων ή για τη σύνδεσή τους σε δίκτυο υψηλότερης τάσης.

Για να καταλάβουμε πώς φτιάχνεται μια σύνδεση αστέρα, ας φανταστούμε τα τρία τυλίγματα ενός κινητήρα. Κάθε τύλιγμα έχει δύο άκρα. Στη συνδεσμολογία αστέρα, παίρνουμε το ένα άκρο από κάθε τύλιγμα και τα ενώνουμε όλα μαζί σε ένα κοινό σημείο. Αυτό το κοινό σημείο το ονομάζουμε ουδέτερο κόμβο ή απλά ουδέτερο, και συχνά συμβολίζεται με το γράμμα Ν. Από την άλλη πλευρά, τα τρία ελεύθερα άκρα που περίσσεψαν, ένα από κάθε τύλιγμα, είναι αυτά που θα συνδεθούν στην τριφασική τροφοδοσία, δηλαδή στις φάσεις L1, L2 και L3. Αν κοιτάξουμε το σχήμα που σχηματίζεται, μοιάζει με ένα αστέρι με τρεις ακτίνες, ή με ένα Υ, γι' αυτό και η συνδεσμολογία ονομάζεται αστέρας και συμβολίζεται διεθνώς με το γράμμα Υ.

Το βασικό χαρακτηριστικό αυτής της σύνδεσης είναι ότι υπάρχει ένας κοινός κόμβος, ο ουδέτερος. Σε πολλές εγκαταστάσεις, αυτός ο κόμβος μπορεί να συνδεθεί και με το καλώδιο του ουδετέρου που έρχεται από τον πίνακα, αν αυτό υπάρχει. Αυτό έχει μια πολύ σημαντική συνέπεια για τις τάσεις που εμφανίζονται στο κύκλωμα. Σε ένα τριφασικό σύστημα, έχουμε δύο είδη τάσεων. Η πρώτη είναι η φασική τάση, που τη συμβολίζουμε με Uf ή απλά 230V. Αυτή είναι η τάση που μετράμε ανάμεσα σε μία φάση και τον ουδέτερο. Για παράδειγμα, αν βάλουμε το ένα καλώδιο του βολτομέτρου στη φάση L1 και το άλλο στον ουδέτερο, η ένδειξη θα είναι 230 Volt. Η δεύτερη είναι η πολική τάση, που τη συμβολίζουμε με Up ή 400V. Αυτή είναι η τάση που μετράμε ανάμεσα σε δύο φάσεις. Αν βάλουμε το βολτόμετρο μεταξύ L1 και L2, η ένδειξη θα είναι 400 Volt.

Εικόνα 11. Πρακτική απεικόνιση συνδεσμολογίας αστέρα (Y) σε τριφασικό ηλεκτροκινητήρα. Οι τρεις ακροδέκτες (W2, U2, V2) γεφυρώνονται μεταξύ τους με μεταλλικά ελάσματα, δημιουργώντας τον "ουδέτερο κόμβο", ενώ η παροχή των τριών φάσεων συνδέεται στους απέναντι ακροδέκτες (U1, V1, W1). Πηγή: Ηλεκτρολογικά διαγράμματα βιομηχανικών εγκαταστάσεων / Τεχνικά εγχειρίδια ηλεκτροκινητήρων.

    Ποια είναι όμως η σχέση μεταξύ αυτών των δύο τάσεων; Εδώ έρχεται η γνωστή μας τετραγωνική ρίζα του 3, δηλαδή ο αριθμός 1,73 περίπου. Η πολική τάση είναι ίση με την τετραγωνική ρίζα του 3 επί τη φασική τάση. Δηλαδή, Up = √3 * Uf. Αν κάνουμε την πράξη, 230 * 1,73 = 397,9, που το στρογγυλοποιούμε στα 400 Volt. Αυτή η σχέση δεν είναι τυχαία, αλλά προκύπτει από τη διαφορά φάσης των 120 μοιρών μεταξύ των τάσεων. Για να το καταλάβουμε καλύτερα, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε το διανυσματικό διάγραμμα. Αν σχεδιάσουμε τρία βέλη που αντιστοιχούν στις τρεις φασικές τάσεις, με γωνίες 120 μοιρών μεταξύ τους, και πάρουμε τη διαφορά δύο από αυτά, το μήκος του βέλους που προκύπτει είναι ακριβώς 1,73 φορές μεγαλύτερο από το μήκος του αρχικού βέλους. Αυτό το μεγαλύτερο βέλος αντιστοιχεί στην πολική τάση των 400V (Μάργαρης, 2010: 288).

    Ας δούμε τώρα τι συμβαίνει με τα ρεύματα. Και εδώ έχουμε δύο είδη. Το ρεύμα γραμμής είναι αυτό που τραβιέται από το δίκτυο και μετριέται με μια τσιμπίδα πάνω σε ένα από τα καλώδια των φάσεων, π.χ. στην L1. Το ρεύμα φάσης είναι αυτό που κυκλοφορεί μέσα στο τύλιγμα του κινητήρα. Στη συνδεσμολογία του αστέρα, τα πράγματα είναι πολύ απλά. Το ρεύμα που μπαίνει από τη γραμμή στο τύλιγμα είναι το ίδιο ρεύμα που βγαίνει από το άλλο άκρο του τυλίγματος και πάει στον ουδέτερο. Δεν υπάρχει διακλάδωση, δεν υπάρχει μοίρασμα. Επομένως, το ρεύμα που μετράμε στο καλώδιο της φάσης είναι ακριβώς ίσο με το ρεύμα που διαρρέει το τύλιγμα. Ι γραμμής = Ι φασικό. Αυτό είναι ένα πολύ σημαντικό στοιχείο που απλοποιεί τους υπολογισμούς.

    Τι σημαίνουν όλα αυτά στην πράξη για έναν κινητήρα; Ας πάρουμε ένα παράδειγμα. Έχουμε έναν τριφασικό κινητήρα του οποίου τα τυλίγματα είναι κατασκευασμένα για να λειτουργούν με τάση 230 Volt. Αν αυτόν τον κινητήρα τον συνδέσουμε σε αστέρα και τον τροφοδοτήσουμε από το ελληνικό δίκτυο των 400V, τότε, λόγω της συνδεσμολογίας, κάθε τύλιγμα θα δει στα άκρα του τη φασική τάση, δηλαδή 230V. Αυτό είναι ιδανικό, γιατί τα τυλίγματα παίρνουν ακριβώς την τάση για την οποία είναι φτιαγμένα. Αντιθέτως, αν τον ίδιο κινητήρα τον συνδέσουμε σε τρίγωνο, τότε κάθε τύλιγμα θα δεχτεί ολόκληρη την πολική τάση των 400V, με αποτέλεσμα να καεί.

    Αυτή ακριβώς είναι η μαγεία του αστέρα. Μας επιτρέπει να συνδέσουμε έναν κινητήρα, του οποίου τα τυλίγματα είναι για χαμηλή τάση, σε ένα δίκτυο με υψηλότερη πολική τάση, χωρίς να καταστραφεί. Γι' αυτό και η συνδεσμολογία αστέρα χρησιμοποιείται πολύ συχνά κατά την εκκίνηση μεγάλων κινητήρων. Τους ξεκινάμε σε αστέρα, οπότε τα τυλίγματα βλέπουν μειωμένη τάση, το ρεύμα εκκίνησης είναι μικρότερο και η εκκίνηση γίνεται ομαλά, και αφού πάρουν στροφές, τους αλλάζουμε σε τρίγωνο για να λειτουργήσουν με πλήρη ισχύ (Βλαστάρας & Ηλιόπουλος, 2010: 46 κ.ε.). Είναι σημαντικό να θυμόμαστε ότι η ύπαρξη του ουδέτερου κόμβου στον αστέρα δεν σημαίνει ότι πρέπει οπωσδήποτε να συνδέσουμε εκεί και το καλώδιο του ουδετέρου από το δίκτυο. Σε πολλές περιπτώσεις, ειδικά σε κινητήρες, ο ουδέτερος κόμβος μένει ελεύθερος, δεν συνδέεται πουθενά. Η τριφασική τροφοδοσία γίνεται μόνο από τις τρεις φάσεις. Παρόλα αυτά, η τάση στα τυλίγματα εξακολουθεί να είναι η φασική των 230V, γιατί το σημείο του ουδέτερου δημιουργείται τεχνητά από την ίδια τη σύνδεση. 

Εικόνα 12 Διανυσματική απεικόνιση των τάσεων σε τριφασική συνδεσμολογία αστέρα. Τα διανύσματα Uf1, Uf2 και Uf3 αντιπροσωπεύουν τις φασικές τάσεις, οι οποίες έχουν μεταξύ τους διαφορά φάσης 120°. Η διακεκομμένη γραμμή που ενώνει τις κορυφές των Uf1 και Uf2 αναπαριστά την πολική τάση (Up). Όπως προκύπτει από τη γεωμετρία του σχήματος, η πολική τάση είναι η διανυσματική διαφορά δύο φασικών τάσεων και είναι μεγαλύτερη από αυτές κατά συντελεστή ρίζα3 (U_p = ρίζα3 Uf). Πηγή: Προσαρμογή από το εγχειρίδιο «Ηλεκτροτεχνία & Ηλεκτρικές Μηχανές» (Τομέας Ηλεκτρολογίας) και βασικές αρχές Τριφασικής Ανάλυσης Συστημάτων Ισχύος.

Συνοψίζοντας, στη συνδεσμολογία αστέρα έχουμε τρία τυλίγματα ενωμένα σε έναν κοινό κόμβο. Η τάση που εφαρμόζεται σε κάθε τύλιγμα, η φασική τάση, είναι 230 Volt, ενώ η τάση μεταξύ των φάσεων, η πολική, είναι 400 Volt, δηλαδή 1,73 φορές μεγαλύτερη. Το ρεύμα που τραβιέται από το δίκτυο είναι ίσο με το ρεύμα που διαρρέει κάθε τύλιγμα. Η σύνδεση αυτή χρησιμοποιείται είτε για κινητήρες που προορίζονται για δίκτυο υψηλής τάσης είτε, κυρίως, για την εκκίνηση κινητήρων που στη συνέχεια θα λειτουργήσουν σε τρίγωνο. Η κατανόηση της σχέσης των τάσεων, 230 και 400 Volt, και η σύνδεσή της με την πινακίδα του κινητήρα, είναι βασική προϋπόθεση για μια σωστή και ασφαλή ηλεκτρολογική εγκατάταση στο χώρο της ψύξης.

3.2. Συνδεσμολογία Τριγώνου (Δ)

    Αφού εξετάσαμε αναλυτικά τη συνδεσμολογία του αστέρα, σειρά έχει η δεύτερη θεμελιώδης συνδεσμολογία που συναντάμε στα τριφασικά συστήματα, η συνδεσμολογία του τριγώνου. Η σύνδεση αυτή είναι εξίσου σημαντική με τον αστέρα και χρησιμοποιείται ευρύτατα σε κινητήρες, μετασχηματιστές και άλλες τριφασικές καταναλώσεις. Αν στον αστέρα είχαμε μια εικόνα που θύμιζε ακτίνα, εδώ η εικόνα είναι εντελώς διαφορετική και θυμίζει ένα κλειστό σχήμα, ένα τρίγωνο. Για έναν τεχνικό ψύξης, η κατανόηση του τριγώνου είναι απαραίτητη, γιατί πάνω σε αυτή τη συνδεσμολογία βασίζεται η κανονική λειτουργία πολλών κινητήρων και η διάταξη εκκίνησης αστέρα-τριγώνου που αναφέραμε προηγουμένως.

    Για να κατανοήσουμε πώς φτιάχνεται μια σύνδεση σε τρίγωνο, πρέπει να σκεφτούμε τα τρία τυλίγματα του κινητήρα ή της καταναλώσεως. Κάθε τύλιγμα έχει δύο άκρα, μια αρχή και ένα τέλος. Στη συνδεσμολογία του τριγώνου, δεν ενώνουμε όλες τις αρχές ή όλα τα τέλη σε ένα κοινό σημείο, όπως κάναμε στον αστέρα. Αντίθετα, συνδέουμε το τέλος του πρώτου τυλίγματος με την αρχή του δεύτερου, το τέλος του δεύτερου με την αρχή του τρίτου, και το τέλος του τρίτου με την αρχή του πρώτου. Με αυτό τον τρόπο, τα τρία τυλίγματα σχηματίζουν μια κλειστή διαδρομή, έναν βρόχο, που έχει ακριβώς το σχήμα ενός τριγώνου. Από τις τρεις κορυφές αυτού του τριγώνου, εκεί δηλαδή που ενώνονται τα άκρα των τυλιγμάτων, βγαίνουν τα τρία καλώδια που πάνε προς την τροφοδοσία, οι τρεις φάσεις L1, L2 και L3 (Μάργαρης, 2010: 364).

    Το πρώτο και πιο χαρακτηριστικό γνώρισμα της συνδεσμολογίας τριγώνου είναι ότι δεν υπάρχει ουδέτερος κόμβος. Δεν υπάρχει δηλαδή ένα κεντρικό σημείο όπου καταλήγουν όλες οι φάσεις. Αυτό σημαίνει ότι η τριφασική τροφοδοσία που μπαίνει σε έναν κινητήρα συνδεδεμένο σε τρίγωνο γίνεται αποκλειστικά και μόνο με τρία καλώδια, τις τρεις φάσεις. Το καλώδιο του ουδετέρου δεν χρησιμοποιείται και συνήθως δεν υπάρχει καν. Αυτό έχει μια πολύ σημαντική συνέπεια: η μόνη τάση που υπάρχει σε ένα τρίγωνο είναι η πολική τάση, δηλαδή η τάση μεταξύ δύο φάσεων. Δεν μπορούμε να έχουμε φασική τάση, γιατί δεν υπάρχει ουδέτερος ως σημείο αναφοράς (Φράγκου & Μαλάμου, 2015: 261 κ.ε.).

    Ας δούμε τώρα τι συμβαίνει με την τάση σε κάθε τύλιγμα. Στη σύνδεση τριγώνου, κάθε ένα από τα τρία τυλίγματα είναι συνδεδεμένο απευθείας ανάμεσα σε δύο φάσεις. Για παράδειγμα, το πρώτο τύλιγμα είναι συνδεδεμένο μεταξύ της φάσης L1 και της φάσης L2. Αυτό σημαίνει ότι η τάση που εφαρμόζεται στα άκρα αυτού του τυλίγματος είναι η πολική τάση, δηλαδή η διαφορά δυναμικού ανάμεσα στην L1 και την L2. Γνωρίζουμε ότι η πολική τάση στο δίκτυό μας είναι 400 Volt. Άρα, σε μια σύνδεση τριγώνου, κάθε τύλιγμα του κινητήρα δέχεται στα άκρα του 400 Volt. Σε αντίθεση με τον αστέρα, όπου τα τυλίγματα δέχονταν μειωμένη τάση 230 Volt, στο τρίγωνο δέχονται ολόκληρη την πολική τάση. Γι' αυτό λέμε ότι στη σύνδεση τριγώνου, η φασική τάση, δηλαδή η τάση πάνω στο τύλιγμα, είναι ίση με την πολική τάση.

Εικόνα 13. Σχηματική απεικόνιση συνδεσμολογίας Τριγώνου (Δ). Αριστερά φαίνεται ο τρόπος που ενώνονται τα τυλίγματα μεταξύ τους (το τέλος του ενός με την αρχή του επόμενου) και δεξιά η τοποθέτηση των μεταλλικών γεφυρών (λαμάκια) στο κουτί ακροδεκτών του κινητήρα. Πηγή: Industrial Motor Control / Electrical Installation Guide

    Αυτό είναι ένα κρίσιμο σημείο που πρέπει να το θυμόμαστε καλά, γιατί συνδέεται άμεσα με την πινακίδα του κινητήρα. Πάνω σε κάθε τριφασικό κινητήρα υπάρχει μια πινακίδα που γράφει, μεταξύ άλλων, την τάση λειτουργίας. Συχνά βλέπουμε την ένδειξη 230/400 Volt ή 400/690 Volt, ανάλογα με τον κινητήρα. Ο πρώτος αριθμός αναφέρεται στην τάση που αντέχει το τύλιγμα. Αν, λοιπόν, ένας κινητήρας γράφει 230/400 Volt, αυτό σημαίνει ότι κάθε τύλιγμά του είναι κατασκευασμένο για να λειτουργεί με τάση 230 Volt. Αν τον συνδέσουμε σε τρίγωνο, όπως μόλις είπαμε, κάθε τύλιγμα θα δει 400 Volt. Αυτό θα είχε ως αποτέλεσμα να καεί αμέσως, γιατί θα δεχτεί μεγαλύτερη τάση από αυτή που αντέχει. Γι' αυτό, ένας κινητήρας με πινακίδα 230/400 Volt συνδέεται σε τρίγωνο μόνο όταν το δίκτυο έχει πολική τάση 230 Volt, κάτι που δεν ισχύει στην Ελλάδα. Στο δικό μας δίκτυο των 400 Volt, ο ίδιος κινητήρας πρέπει να συνδεθεί σε αστέρα, ώστε κάθε τύλιγμα να δει 230 Volt. Αντίθετα, υπάρχουν και κινητήρες με πινακίδα 400/690 Volt, οι οποίοι στο δίκτυο των 400 Volt συνδέονται κανονικά σε τρίγωνο (Ορφανός, 2017: 25-27).

    Περνάμε τώρα στο θέμα των ρευμάτων, που είναι εξίσου σημαντικό. Σε μια σύνδεση τριγώνου, έχουμε δύο ειδών ρεύματα. Το πρώτο είναι το ρεύμα που διαρρέει το ίδιο το τύλιγμα, το οποίο το ονομάζουμε φασικό ρεύμα και το συμβολίζουμε συνήθως ως Ιf. Αυτό είναι το ρεύμα που κυκλοφορεί μέσα στο πηνίο του κινητήρα. Το δεύτερο είναι το ρεύμα που έρχεται από τον πίνακα και μπαίνει στην κορυφή του τριγώνου, το οποίο το ονομάζουμε ρεύμα γραμμής και το συμβολίζουμε ως Ιgr. Αυτό είναι το ρεύμα που μετράμε με μια τσιμπίδα πάνω σε ένα από τα τρία καλώδια τροφοδοσίας.

Εικόνα 14 Διάγραμμα σύγκρισης ρεύματος γραμμής (IL) και φασικού ρεύματος (Iph). Στον Αστέρα (αριστερά) τα δύο ρεύματα είναι ίσα, ενώ στο Τρίγωνο (δεξιά) το ρεύμα γραμμής διακλαδίζεται στα τυλίγματα, με το φασικό ρεύμα να είναι μικρότερο κατά τη ρίζα του 3 περίπου 1,73). Πηγή: Electrical Academy / Power Electronics Diagrams.

 

Ποια είναι η σχέση μεταξύ αυτών των δύο ρευμάτων; Εδώ τα πράγματα είναι αντίστροφα από ό,τι στον αστέρα. Στον αστέρα, το ρεύμα γραμμής ήταν ίσο με το φασικό. Στο τρίγωνο, το ρεύμα γραμμής είναι μεγαλύτερο από το φασικό. Αυτό συμβαίνει γιατί στην κορυφή του τριγώνου, όπου μπαίνει το καλώδιο από τον πίνακα, συναντώνται δύο ρεύματα: αυτό που έρχεται από το ένα τύλιγμα και αυτό που φεύγει για το άλλο. Λόγω της διαφοράς φάσης που έχουν μεταξύ τους τα ρεύματα των δύο τυλιγμάτων, η συνισταμένη τους, δηλαδή αυτό που τραβάμε από τη γραμμή, δεν είναι το απλό άθροισμα αλλά κάτι μεγαλύτερο. Η μαθηματική σχέση που τα συνδέει είναι ότι το ρεύμα γραμμής ισούται με το φασικό ρεύμα πολλαπλασιασμένο με την τετραγωνική ρίζα του 3, δηλαδή με το 1,73.

Γράφουμε, λοιπόν, τον τύπο: Ιγραμμής = √3 * Ιφασικό. Αυτό σημαίνει ότι αν μετρήσουμε με τσιμπίδι στο καλώδιο μιας φάσης ρεύμα 17,3 Ampere, τότε το ρεύμα που κυκλοφορεί μέσα σε κάθε τύλιγμα του κινητήρα είναι 10 Ampere. Το γεγονός ότι το ρεύμα γραμμής είναι μεγαλύτερο από το φασικό είναι αναμενόμενο, γιατί η ίδια ισχύς που καταναλώνεται μέσα στον κινητήρα πρέπει να έρθει από την τροφοδοσία. Αφού στο τρίγωνο η τάση στα τυλίγματα είναι μεγαλύτερη, το ρεύμα τους είναι μικρότερο για την ίδια ισχύ, αλλά το ρεύμα που τραβιέται από τη γραμμή παραμένει υψηλό (Μάργαρης, 2010: 347 κ.ε.).

Ας δούμε τώρα μια πρακτική σύγκριση ανάμεσα στις δύο συνδεσμολογίες, για να γίνουν ακόμη πιο καθαρά τα πράγματα. Στον αστέρα, τα τυλίγματα βλέπουν μειωμένη τάση, γι' αυτό και ο κινητήρας καταναλώνει μικρότερο ρεύμα και αναπτύσσει μικρότερη ροπή. Στο τρίγωνο, τα τυλίγματα βλέπουν την πλήρη πολική τάση, οπότε ο κινητήρας αποδίδει την πλήρη ισχύ και ροπή για την οποία είναι κατασκευασμένος. Γι' αυτό, όταν ένας κινητήρας λειτουργεί κανονικά, θέλουμε να είναι σε τρίγωνο. Το πρόβλημα είναι ότι κατά την εκκίνηση, το ρεύμα που τραβάει ο κινητήρας είναι τεράστιο, και αν τον ξεκινήσουμε κατευθείαν σε τρίγωνο, μπορεί να προκαλέσει πτώση τάσης στο δίκτυο ή να ρίξει τις ασφάλειες.

Εδώ ακριβώς έρχεται να δώσει λύση η διάταξη εκκίνησης αστέρα-τριγώνου. Όπως είπαμε και σε προηγούμενο κεφάλαιο, αυτή η διάταξη χρησιμοποιείται για κινητήρες μεγάλης ισχύος. Κατά την εκκίνηση, ο κινητήρας συνδέεται προσωρινά σε αστέρα. Έτσι, κάθε τύλιγμα βλέπει μόνο 230 Volt, το ρεύμα εκκίνησης είναι μειωμένο και η εκκίνηση γίνεται ομαλά, χωρίς απότομα τραντάγματα και υπερτάσεις. Μόλις ο κινητήρας αποκτήσει κάποιες στροφές, ένας ειδικός διακόπτης ή ένας χρονοδιακόπτης αλλάζει αυτόματα τη σύνδεση και τον μεταφέρει σε τρίγωνο. Από εκεί και πέρα, λειτουργεί κανονικά με πλήρη τάση, πλήρες ρεύμα και πλήρη ισχύ (Φράγκου & Μαλάμου, 2015: 259-261).

Για έναν τεχνικό ψύξης, η κατανόηση αυτής της διαφοράς είναι ζωτικής σημασίας. Όταν πάμε να συνδέσουμε έναν τριφασικό συμπιεστή ή έναν ανεμιστήρα, πρέπει πρώτα να κοιτάξουμε την πινακίδα του. Εκεί θα δούμε για ποια τάση είναι φτιαγμένα τα τυλίγματά του. Ανάλογα με την τάση του δικτύου μας, 230 ή 400 Volt, θα αποφασίσουμε αν θα τον συνδέσουμε σε αστέρα ή σε τρίγωνο. Σε περίπτωση λάθος σύνδεσης, τα αποτελέσματα μπορεί να είναι καταστροφικά. Αν συνδέσουμε σε τρίγωνο έναν κινητήρα που πρέπει να είναι σε αστέρα, τα τυλίγματά του θα δεχτούν υπερβολική τάση και θα καούν. Αν τον συνδέσουμε σε αστέρα ενώ πρέπει να είναι σε τρίγωνο, ο κινητήρας θα λειτουργεί με μειωμένη ισχύ, δεν θα μπορεί να αποδώσει το έργο του, θα υπερθερμαίνεται και πάλι θα καταστραφεί (Αλέξης, Ψωμόπουλος, & Ναζός, 2011: 31).

Συνοψίζοντας, η συνδεσμολογία τριγώνου είναι εκείνη όπου τα τυλίγματα σχηματίζουν κλειστό βρόχο, δεν υπάρχει ουδέτερος, η τάση στα τυλίγματα είναι ίση με την πολική τάση, και το ρεύμα γραμμής είναι μεγαλύτερο από το φασικό κατά τον παράγοντα 1,73. Είναι η συνδεσμολογία της πλήρους ισχύος και χρησιμοποιείται για την κανονική λειτουργία των κινητήρων, είτε απευθείας είτε μετά από εκκίνηση αστέρα-τριγώνου. Μαζί με τον αστέρα, αποτελούν τα δύο βασικά εργαλεία που πρέπει να γνωρίζει άριστα κάθε τεχνικός που ασχολείται με τριφασικές εγκαταστάσεις ψύξης και κλιματισμού.

3.3. Σύγκριση και Πρακτική Σημασία

Αφού αναλύσαμε διεξοδικά τις δύο βασικές συνδεσμολογίες, τον αστέρα και το τρίγωνο, ήρθε η ώρα να τις συγκρίνουμε και να δούμε την πρακτική τους σημασία στις εγκαταστάσεις ψύξης και κλιματισμού. Η κατανόηση των διαφορών τους δεν είναι μια θεωρητική άσκηση, αλλά απολύτως απαραίτητη για την καθημερινή πράξη. Κάθε φορά που ένας τεχνικός καλείται να συνδέσει έναν τριφασικό συμπιεστή ή έναν ανεμιστήρα, πρέπει να γνωρίζει ποια συνδεσμολογία θα επιλέξει, διαφορετικά κινδυνεύει είτε να μη λειτουργήσει σωστά το μηχάνημα είτε να το καταστρέψει ολοσχερώς.

Ας ξεκινήσουμε συνοψίζοντας τα βασικά χαρακτηριστικά της καθεμίας. Στη συνδεσμολογία αστέρα, τα τρία τυλίγματα ενώνονται σε ένα κοινό σημείο, τον ουδέτερο κόμβο. Η τάση που εφαρμόζεται σε κάθε τύλιγμα είναι η φασική τάση, δηλαδή 230 Volt στο συνηθισμένο μας δίκτυο. Η τάση μεταξύ δύο φάσεων, η πολική, είναι 400 Volt και προκύπτει από τον πολλαπλασιασμό της φασικής με την τετραγωνική ρίζα του 3. Το ρεύμα που διαρρέει το τύλιγμα είναι ίσο με το ρεύμα που μετράμε στη γραμμή. Αντίθετα, στη συνδεσμολογία τριγώνου, τα τυλίγματα συνδέονται σε κλειστό βρόχο, χωρίς ουδέτερο. Η τάση που εφαρμόζεται σε κάθε τύλιγμα είναι η πολική τάση, δηλαδή 400 Volt. Το ρεύμα στη γραμμή είναι μεγαλύτερο από το ρεύμα του τυλίγματος, και συγκεκριμένα 1,73 φορές μεγαλύτερο.

Η πιο σημαντική πρακτική διαφορά τους, όμως, είναι η ισχύς που αποδίδει ο κινητήρας. Όταν ένας κινητήρας συνδέεται σε αστέρα, λειτουργεί με μειωμένη τάση στα τυλίγματά του, άρα καταναλώνει λιγότερο ρεύμα και αποδίδει μειωμένη ροπή και ισχύ. Η ισχύς αυτή είναι περίπου το ένα τρίτο της ονομαστικής του. Όταν συνδέεται σε τρίγωνο, λειτουργεί με πλήρη τάση και αποδίδει την πλήρη ισχύ και ροπή για την οποία είναι κατασκευασμένος. Αυτή η διαφορά είναι που καθορίζει και το πότε χρησιμοποιούμε την κάθε συνδεσμολογία.

Το κριτήριο για την επιλογή δεν είναι η προτίμησή μας, αλλά δύο συγκεκριμένα στοιχεία: η τάση του δικτύου και η ενδεικτική πινακίδα του κινητήρα. Κάθε τριφασικός κινητήρας φέρει μια πινακίδα που αναγράφει την τάση λειτουργίας του, συνήθως με τη μορφή δύο αριθμών, για παράδειγμα 230/400V ή 400/690V. Ο μικρότερος αριθμός είναι η τάση που αντέχει το τύλιγμα. Ο μεγαλύτερος αριθμός είναι η τάση του δικτύου στο οποίο μπορεί να συνδεθεί ο κινητήρας σε αστέρα. Έτσι, για το συνηθέστερο ελληνικό δίκτυο των 400 Volt, αν συναντήσουμε κινητήρα με πινακίδα 230/400V, αυτό σημαίνει ότι το τύλιγμα είναι για 230V, άρα επιβάλλεται να τον συνδέσουμε σε αστέρα. Αν αντιθέτως συναντήσουμε κινητήρα με πινακίδα 400/690V, το τύλιγμά του είναι για 400V, άρα μπορούμε να τον συνδέσουμε σε τρίγωνο, όπου θα αποδώσει πλήρη ισχύ (Φράγκου & Μαλάμου, 2015: 268).

Εικόνα 15. Συσχετισμός πινακίδας κινητήρα και συνδεσμολογίας. Στο ελληνικό δίκτυο (400V μεταξύ φάσεων), ένας κινητήρας 230/400V πρέπει να συνδεθεί οπωσδήποτε σε Αστέρα (Y), ενώ ένας κινητήρας 400/690V μπορεί να συνδεθεί σε Τρίγωνο (Δ) για πλήρη ισχύ. Πηγή: Electrical Control & Maintenance Manuals

 Υπάρχει, ωστόσο, και μια τρίτη, εξαιρετικά διαδεδομένη περίπτωση όπου χρησιμοποιούμε και τις δύο συνδεσμολογίες στον ίδιο κινητήρα. Πρόκειται για την εκκίνηση αστέρα-τριγώνου, που εφαρμόζεται σε κινητήρες μεγάλης ισχύος, συνήθως άνω των 5 έως 7,5 ίππων. Τέτοιους κινητήρες συναντάμε συχνά σε μεγάλους συμπιεστές ψυκτικών θαλάμων ή σε κεντρικές κλιματιστικές μονάδες. Σκοπός αυτής της μεθόδου είναι να μειωθεί το τεράστιο ρεύμα εκκίνησης, το οποίο μπορεί να προκαλέσει πτώση τάσης στο δίκτυο και να επηρεάσει άλλες καταναλώσεις που λειτουργούν παράλληλα (Αλέξης, Ψωμόπουλος, & Ναζός, 2011: 16-19).

Η διαδικασία της εκκίνησης αστέρα-τριγώνου είναι απλή αλλά έξυπνη. Ο κινητήρας ξεκινά συνδεδεμένος σε αστέρα. Λόγω της μειωμένης τάσης στα τυλίγματα, το ρεύμα εκκίνησης πέφτει περίπου στο ένα τρίτο του ρεύματος που θα είχε αν ξεκινούσε κατευθείαν σε τρίγωνο. Η ροπή εκκίνησης είναι επίσης μειωμένη, αλλά επαρκεί για να θέσει τον κινητήρα σε κίνηση. Μόλις ο κινητήρας αποκτήσει περίπου το 75 έως 80 τοις εκατό των κανονικών του στροφών, ένας χρονοδιακόπτης ή ένας ηλεκτρονικός διακόπτης ενεργοποιείται και αλλάζει αυτόματα τη σύνδεση, μεταφέροντάς τον σε τρίγωνο. Από εκείνη τη στιγμή και μετά, ο κινητήρας λειτουργεί κανονικά με πλήρη τάση, πλήρες ρεύμα και πλήρη ισχύ, αποδίδοντας το απαιτούμενο έργο χωρίς πρόβλημα.

Για τον τεχνικό ψύξης και κλιματισμού, η γνώση αυτή είναι πολύτιμη. Κατά την εγκατάσταση μιας νέας μονάδας, πρέπει πάντα να ελέγχει την πινακίδα του κινητήρα, να αναγνωρίζει τον τύπο του και να επιλέγει τη σωστή συνδεσμολογία. Σε περίπτωση βλάβης, η μέτρηση των ρευμάτων λειτουργίας και η σύγκρισή τους με τα ονομαστικά στοιχεία της πινακίδας μπορεί να αποκαλύψει αν ο κινητήρας λειτουργεί σε λάθος συνδεσμολογία ή αν υπάρχει πρόβλημα, όπως απώλεια μιας φάσης. Επιπλέον, η κατανόηση της λειτουργίας της εκκίνησης αστέρα-τριγώνου του επιτρέπει να εντοπίζει βλάβες στα κυκλώματα ισχύος και ελέγχου, όπως σε χρονοδιακόπτες ή επαφές ισχύος (Ροδόπουλος, 2000: 57 κ.ε.).

Συμπερασματικά, αστέρας και τρίγωνο δεν είναι δύο ισοδύναμες και εναλλάξιμες συνδεσμολογίες, αλλά δύο διαφορετικά εργαλεία που εξυπηρετούν διαφορετικούς σκοπούς. Ο αστέρας χρησιμοποιείται είτε για να προσαρμόσουμε έναν κινητήρα σε δίκτυο υψηλότερης τάσης είτε για να μειώσουμε το ρεύμα εκκίνησης. Το τρίγωνο χρησιμοποιείται για την κανονική λειτουργία και την απόδοση πλήρους ισχύος. Η σωστή κατανόηση και εφαρμογή τους είναι θεμελιώδης για την ασφαλή, αξιόπιστη και αποδοτική λειτουργία κάθε ψυκτικής εγκατάστασης.

          Κεφάλαιο 4: Εφαρμογές σε Κινητήρες (Ψύξη & Κλιματισμός)

4.1. Ο Τριφασικός Κινητήρας (Επαγωγικός/Ασύγχρονος)

Φτάνοντας στο κεφάλαιο των εφαρμογών, μπαίνουμε στην καρδιά του θέματος για κάθε τεχνικό ψύξης και κλιματισμού. Όλη η θεωρία που αναπτύξαμε στα προηγούμενα κεφάλαια, οι βασικές αρχές, τα πλεονεκτήματα του τριφασικού συστήματος, ο τρόπος παραγωγής του και οι συνδεσμολογίες, αποκτούν πλέον πρακτική υπόσταση πάνω στους ηλεκτροκινητήρες. Οι κινητήρες αυτοί είναι η κινητήρια δύναμη πίσω από κάθε συμπιεστή, κάθε ανεμιστήρα συμπυκνωτή και εξατμιστή, κάθε αντλία που χρησιμοποιείται σε μια ψυκτική ή κλιματιστική εγκατάσταση. Χωρίς αυτούς, η ψύξη δεν θα μπορούσε να παραχθεί ούτε να διανεμηθεί.

Ο πιο διαδεδομένος τύπος κινητήρα σε αυτές τις εφαρμογές είναι ο τριφασικός επαγωγικός κινητήρας, που ονομάζεται και ασύγχρονος. Η ονομασία του προέρχεται από τον τρόπο λειτουργίας του, ο οποίος βασίζεται σε ένα φαινόμενο που ήδη συναντήσαμε: το περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο. Για να κατανοήσουμε πώς λειτουργεί, πρέπει να γνωρίζουμε τα δύο βασικά του μέρη. Το πρώτο είναι ο στάτης, που είναι το ακίνητο εξωτερικό τμήμα του κινητήρα. Μέσα στον στάτη υπάρχουν αυλακώσεις μέσα στις οποίες τοποθετούνται τρία τυλίγματα, ακριβώς όπως και στη γεννήτρια που περιγράψαμε στο Κεφάλαιο 2. Τα τυλίγματα αυτά είναι τοποθετημένα έτσι ώστε να δημιουργούν ένα μαγνητικό πεδίο όταν διαρρέονται από ρεύμα. Το δεύτερο μέρος είναι ο δρομέας, που βρίσκεται στο εσωτερικό και είναι το περιστρεφόμενο τμήμα. Ο δρομέας σε έναν επαγωγικό κινητήρα δεν έχει καθόλου τυλίγματα ούτε μόνιμους μαγνήτες. Αποτελείται από μια σειρά από αγώγιμες ράβδους, συνήθως αλουμινίου ή χαλκού, οι οποίες είναι βραχυκυκλωμένες στα άκρα τους, σχηματίζοντας ένα σχήμα που μοιάζει με κλουβί σκίουρου. Γι' αυτό, ο κινητήρας αυτός λέγεται και κινητήρας βραχυκυκλωμένου δρομέα ή κινητήρας με κλουβί (Δαλαβούρας, 2014: 27).

Η βασική αρχή λειτουργίας του είναι η εξής. Όταν εφαρμόσουμε τριφασική τάση στα τυλίγματα του στάτη, δημιουργείται, όπως ήδη γνωρίζουμε, ένα περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο. Το πεδίο αυτό περιστρέφεται γύρω από τον άξονα του κινητήρα με μια σταθερή ταχύτητα, η οποία ονομάζεται σύγχρονη ταχύτητα. Η ταχύτητα αυτή εξαρτάται από τη συχνότητα του δικτύου, που είναι 50 Hertz, και από τον αριθμό των πόλων του κινητήρα. Φανταστείτε τώρα ότι μέσα σε αυτό το περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο βρίσκεται ο δρομέας με τις αγώγιμες ράβδους του. Το μαγνητικό πεδίο, καθώς περιστρέφεται, τέμνει τις ακίνητες προς στιγμήν ράβδους του δρομέα. Από το φαινόμενο της επαγωγής, αυτή η τομή μαγνητικών γραμμών έχει ως αποτέλεσμα να δημιουργηθεί μια τάση και, επειδή οι ράβδοι είναι βραχυκυκλωμένες, ένα ισχυρό ρεύμα μέσα στις ράβδους του δρομέα.

Εικόνα 16. Στάτης τριφασικού επαγωγικού κινητήρα. Διακρίνεται ο πυρήνας από ελασματοποιημένο χάλυβα (για μείωση των απωλειών) και τα τρία πακέτα τυλιγμάτων από μονωμένο χαλκό, τοποθετημένα στις εγκοπές του πυρήνα. Πηγή: Electrical Engineering & Motor Repair Manuals

    Το ρεύμα αυτό, που κυκλοφορεί μέσα στις ράβδους, δημιουργεί με τη σειρά του ένα δεύτερο μαγνητικό πεδίο γύρω από τον δρομέα. Σύμφωνα με έναν βασικό νόμο της φυσικής, τα μαγνητικά πεδία αλληλεπιδρούν. Το πεδίο του στάτη και το πεδίο του δρομέα έλκονται μεταξύ τους. Έτσι, ο δρομέας, που αρχικά ήταν ακίνητος, δέχεται μια δύναμη που τον σπρώχνει να περιστραφεί, προσπαθώντας να ακολουθήσει το περιστρεφόμενο πεδίο. Αυτή είναι η ροπή που θέτει σε κίνηση ολόκληρο το μηχάνημα. Εδώ ακριβώς βρίσκεται και η εξήγηση του ονόματος ασύγχρονος. Ο δρομέας προσπαθεί να φτάσει το μαγνητικό πεδίο, αλλά ποτέ δεν τα καταφέρνει. Πάντα θα περιστρέφεται λίγο πιο αργά. Αν περιστρεφόταν με την ίδια ακριβώς ταχύτητα, τότε οι μαγνητικές γραμμές δεν θα έτεμναν τις ράβδους, δεν θα επαγόταν ρεύμα και η ροπή θα μηδενιζόταν. Υπάρχει, λοιπόν, μια μόνιμη διαφορά, μια ολίσθηση, μεταξύ της ταχύτητας του πεδίου και της ταχύτητας του δρομέα. Γι' αυτό λέγεται ασύγχρονος (Μάργαρης, 2010: 347 κ.ε.).

    Αυτή η απλή, έξυπνη και στιβαρή κατασκευή είναι που κάνει τον τριφασικό επαγωγικό κινητήρα ιδανικό για ψυκτικές εφαρμογές. Δεν έχει ψήκτρες που φθείρονται, δεν έχει συλλέκτες, δεν έχει περίπλοκα ηλεκτρονικά κυκλώματα πάνω του. Είναι ουσιαστικά ένα σύνολο από τυλίγματα και ένα περιστρεφόμενο κλουβί, ικανό να δουλεύει ασταμάτητα για χρόνια, κάτω από δύσκολες συνθήκες, με ελάχιστη συντήρηση. Η αξιοπιστία του είναι ο βασικότερος λόγος που τον συναντάμε παντού, από ένα μικρό ψυγείο καταστήματος μέχρι μια τεράστια βιομηχανική ψυκτική μονάδα.

4.2. Σύνδεση Κινητήρα σε Αστέρα ή Τρίγωνο

    Έχοντας κατανοήσει πώς λειτουργεί ο τριφασικός κινητήρας, ερχόμαστε τώρα στο πώς τον συνδέουμε στο δίκτυο. Εδώ ακριβώς εφαρμόζονται όσα μάθαμε στο προηγούμενο κεφάλαιο για τον αστέρα και το τρίγωνο. Ο τρόπος σύνδεσης δεν είναι ένα αυθαίρετο τεχνικό στοιχείο, αλλά καθορίζεται από την κατασκευή του κινητήρα και από την τάση του δικτύου. Κάθε τριφασικός κινητήρας έχει έξι άκρες τυλιγμάτων που βγαίνουν στο κιβώτιο ακροδεκτών του. Συνήθως είναι τα U1-U2, V1-V2, W1-W2. Ανάλογα με το πώς θα τις ζευγαράσουμε, επιτυγχάνουμε τη σύνδεση σε αστέρα ή σε τρίγωνο.

    Στο κεφάλαιο 3 είδαμε αναλυτικά ότι στη σύνδεση αστέρα, τα τυλίγματα δέχονται τη φασική τάση, δηλαδή 230 Volt, ενώ στη σύνδεση τριγώνου δέχονται την πολική τάση, δηλαδή 400 Volt. Η πρακτική σημασία αυτής της διαφοράς φαίνεται καθαρά πάνω στην πινακίδα του κινητήρα. Εκεί αναγράφεται, για παράδειγμα, 230/400 Volt ή 400/690 Volt. Ο πρώτος, μικρότερος αριθμός είναι η τάση που αντέχει το τύλιγμα. Ο δεύτερος, μεγαλύτερος αριθμός είναι η τάση του δικτύου στην οποία ο κινητήρας πρέπει να συνδεθεί σε αστέρα. Για το ελληνικό δίκτυο των 400 Volt, αν η πινακίδα γράφει 230/400V, σημαίνει ότι το τύλιγμα είναι 230V, άρα ο κινητήρας πρέπει να συνδεθεί σε αστέρα. Αν γράφει 400/690V, το τύλιγμα είναι 400V, άρα μπορεί να συνδεθεί σε τρίγωνο και να αποδώσει πλήρη ισχύ.

   Υπάρχει, ωστόσο, μια ειδική περίπτωση όπου χρησιμοποιούμε και τις δύο συνδεσμολογίες διαδοχικά στον ίδιο κινητήρα. Αυτή είναι η πιο σημαντική πρακτική εφαρμογή για έναν τεχνικό ψύξης: η εκκίνηση αστέρα-τριγώνου. Η μέθοδος αυτή εφαρμόζεται σε κινητήρες μεγάλης ισχύος, συνήθως άνω των 5,5 ή 7,5 κιλοβάτ, που συναντάμε σε μεγάλους συμπιεστές ψυκτικών θαλάμων, σε κεντρικές κλιματιστικές μονάδες ή σε αντλίες μεγάλης ισχύος. Ο λόγος που την εφαρμόζουμε είναι για να περιορίσουμε το τεράστιο ρεύμα εκκίνησης, το λεγόμενο ρεύμα κρούσης. Όταν ένας κινητήρας ξεκινά, ο δρομέας είναι ακίνητος και το κύκλωμα συμπεριφέρεται σχεδόν σαν βραχυκύκλωμα, τραβώντας ρεύμα πολλαπλάσιο του κανονικού, που μπορεί να φτάσει και 6 με 8 φορές το ονομαστικό ρεύμα. Αυτό το απότομο τράβηγμα μπορεί να προκαλέσει πτώση τάσης στο δίκτυο, να κάνει τα φώτα να τρεμοσβήσουν και να επηρεάσει άλλες μηχανές που λειτουργούν στην ίδια εγκατάσταση. Σε βιομηχανικό περιβάλλον, μια τέτοια πτώση τάσης μπορεί να είναι ανεπίτρεπτη.

    Η εκκίνηση αστέρα-τριγώνου λύνει αυτό το πρόβλημα με έναν έξυπνο και οικονομικό τρόπο. Η διαδικασία έχει ως εξής. Ο κινητήρας ξεκινά συνδεδεμένος σε αστέρα. Σε αυτή τη συνδεσμολογία, όπως είδαμε, κάθε τύλιγμα δέχεται μειωμένη τάση, 230 Volt αντί για 400. Αυτό έχει ως συνέπεια το ρεύμα εκκίνησης να πέφτει στο ένα τρίτο περίπου του ρεύματος που θα είχε αν ξεκινούσε κατευθείαν σε τρίγωνο. Η ροπή εκκίνησης, δηλαδή η δύναμη που γυρίζει τον άξονα, μειώνεται επίσης, αλλά συνήθως επαρκεί για να ξεκινήσει ο κινητήρας, ειδικά αν δεν είναι πλήρως φορτισμένος από την αρχή. Μόλις ο κινητήρας αποκτήσει κάποιες στροφές, περίπου το 75 με 80 τοις εκατό των ονομαστικών του, ένας χρονοδιακόπτης δίνει εντολή και ένας ειδικός διακόπτης ή μια σειρά από ηλεκτρονόμους αλλάζουν τη συνδεσμολογία. Ο κινητήρας αποσυνδέεται από τον αστέρα και συνδέεται αμέσως σε τρίγωνο. Από εκείνη τη στιγμή, λειτουργεί κανονικά με πλήρη τάση, πλήρες ρεύμα και πλήρη ισχύ (Ξηρός, 2014 81 κ.ε.).

Εικόνα 17. Κύκλωμα ισχύος για εκκίνηση Αστέρα-Τριγώνου. Διακρίνονται ο κεντρικός επαφέας (Line), ο επαφέας Τριγώνου (Δ) και ο επαφέας Αστέρα (Star) που βραχυκυκλώνει τις άκρες των τυλιγμάτων. Πηγή: Electrical Control Systems / Industrial Wiring Diagrams

                                

4.3. Αλλαγή Φοράς Περιστροφής

    Μια άλλη πολύ συνηθισμένη πρακτική εφαρμογή που πρέπει να γνωρίζει κάθε τεχνικός είναι η αλλαγή της φοράς περιστροφής ενός τριφασικού κινητήρα. Υπάρχουν περιπτώσεις όπου ένας ανεμιστήρας μπορεί να φυσάει προς λάθος κατεύθυνση, μια αντλία μπορεί να θέλουμε να λειτουργήσει ανάποδα για να αδειάσει μια δεξαμενή, ή ένας κοχλίας μεταφοράς υλικών μπορεί να γυρίζει ανάποδα. Σε όλες αυτές τις περιπτώσεις, η λύση είναι απλή, άμεση και δεν απαιτεί καμία απολύτως αλλαγή πάνω στον κινητήρα ή στο μηχάνημα.

    Η αρχή είναι η εξής. Η φορά περιστροφής του περιστρεφόμενου μαγνητικού πεδίου, και κατ' επέκταση του δρομέα, καθορίζεται από τη σειρά με την οποία οι τρεις φάσεις φτάνουν στα τυλίγματα του στάτη. Αν η σειρά είναι L1, L2, L3, το πεδίο περιστρέφεται, ας πούμε, δεξιόστροφα. Αν αντιστρέψουμε τη σειρά, το πεδίο περιστρέφεται αριστερόστροφα. Η αλλαγή αυτή γίνεται με έναν εξαιρετικά απλό τρόπο: εναλλάσσουμε δύο από τις τρεις φάσεις τροφοδοσίας. Για παράδειγμα, αν αρχικά η φάση L1 είναι συνδεδεμένη στον ακροδέκτη U του κινητήρα, η L2 στον V και η L3 στον W, για να αλλάξουμε φορά, μπορούμε να βγάλουμε την L1 και να τη βάλουμε στη θέση της L2, και την L2 στη θέση της L1. Δηλαδή, η σύνδεση γίνεται L1 στον V, L2 στον U, και L3 μένει ως έχει στον W. Το ίδιο ακριβώς αποτέλεσμα θα έχουμε αν εναλλάξουμε οποιοδήποτε άλλο ζεύγος φάσεων.

Εικόνα 18. Τριφασικός διακόπτης αντιστροφής φοράς (Reversing Switch). Στη θέση "1" ο κινητήρας περιστρέφεται δεξιόστροφα, ενώ στη θέση "2" ο διακόπτης εναλλάσσει εσωτερικά δύο από τις τρεις φάσεις, αναγκάζοντας τον κινητήρα σε αριστερόστροφη περιστροφή. Πηγή: Industrial Switchgear & Control Components

Στην πράξη, η αλλαγή αυτή γίνεται είτε απευθείας μέσα στον ακροδέκτη του κινητήρα, αλλάζοντας θέσεις στα καλώδια, είτε, πιο επαγγελματικά, στον πίνακα, μέσω ενός διακόπτη ή ενός αντιστροφέα. Υπάρχουν ειδικοί διακόπτες που ονομάζονται αντιστροφείς φοράς και επιτρέπουν την εναλλαγή πατώντας απλά ένα κουμπί. Μέσα σε αυτούς τους διακόπτες, η αλλαγή των δύο φάσεων γίνεται αυτόματα και με ασφάλεια. Πρέπει, ωστόσο, να τονίσουμε μια πολύ σημαντική προσοχή που αφορά τους συμπιεστές. Πολλοί, αν όχι οι περισσότεροι, ερμητικοί και ημιερμητικοί συμπιεστές ψύξης είναι κατασκευασμένοι για να περιστρέφονται προς μία μόνο κατεύθυνση. Η λίπανσή τους εξαρτάται από αυτή τη φορά. Αν τους αναγκάσουμε να περιστραφούν ανάποδα, έστω και για λίγο, είτε δεν θα λιπαίνονται σωστά είτε οι βαλβίδες τους θα λειτουργήσουν λάθος, με αποτέλεσμα σοβαρή και συνήθως ανεπανόρθωτη βλάβη. Γι' αυτό, σε έναν συμπιεστή, ελέγχουμε πάντα τη φορά περιστροφής κατά την πρώτη εκκίνηση και αν χρειαστεί να την αλλάξουμε, το κάνουμε μόνο αν είμαστε απολύτως βέβαιοι ότι επιτρέπεται. Στους ανεμιστήρες, αντίθετα, η αλλαγή φοράς είναι απολύτως ασφαλής και συνηθισμένη πρακτική (Βοβός, Γιαννακόπουλος, & Μήλιας-Αργείτης, 2020: 24-28).

4.4. Πλεονεκτήματα στους Ψυκτικούς Κινητήρες

Κλείνοντας το κεφάλαιο των εφαρμογών, αξίζει να συνοψίσουμε τα πλεονεκτήματα που προσφέρουν οι τριφασικοί κινητήρες στις ψυκτικές εγκαταστάσεις και να καταλάβουμε γιατί κυριαρχούν απόλυτα στον χώρο, όταν οι απαιτήσεις ξεπερνούν ένα ορισμένο όριο ισχύος. Αυτά τα πλεονεκτήματα δεν είναι θεωρητικά, αλλά έχουν άμεση οικονομική και λειτουργική αξία για τον ιδιοκτήτη μιας εγκατάστασης και για τον τεχνικό που την συντηρεί.

Το πρώτο και σημαντικότερο πλεονέκτημα είναι η μεγαλύτερη απόδοση. Απόδοση σημαίνει ο λόγος της μηχανικής ισχύος που παράγει ο κινητήρας στον άξονά του προς την ηλεκτρική ισχύ που καταναλώνει από το δίκτυο. Οι τριφασικοί κινητήρες έχουν σημαντικά υψηλότερη απόδοση από τους μονοφασικούς ίδιας ισχύος. Αυτό συμβαίνει γιατί, όπως είδαμε, το περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο δημιουργείται φυσικά και δεν απαιτεί βοηθητικά κυκλώματα που καταναλώνουν ενέργεια. Επιπλέον, κατασκευάζονται με καλύτερα υλικά και μικρότερα διάκενα. Αυτή η υψηλή απόδοση μεταφράζεται άμεσα σε λιγότερους λογαριασμούς ρεύματος. Για μια μονάδα που λειτουργεί συνεχώς, όπως ένας θάλαμος κατάψυξης, ακόμη και μια μικρή διαφορά στην απόδοση μπορεί να σημαίνει εξοικονόμηση εκατοντάδων ή και χιλιάδων ευρώ ετησίως (Κορακιανίτης, 2020).

Το δεύτερο πλεονέκτημα είναι η μεγαλύτερη διάρκεια ζωής και η αυξημένη αξιοπιστία. Ο τριφασικός κινητήρας είναι μια απλή κατασκευή. Δεν έχει πυκνωτές εκκίνησης ή μόνιμης λειτουργίας, δεν έχει φυγοκεντρικούς διακόπτες, δεν έχει ψήκτρες. Όλα αυτά τα εξαρτήματα, που υπάρχουν στους μονοφασικούς κινητήρες, είναι συχνά τα πρώτα που χαλάνε. Οι πυκνωτές ξηραίνονται και αλλάζουν χωρητικότητα, οι φυγοκεντρικοί διακόπτες καίγονται, οι ψήκτρες φθείρονται. Στον τριφασικό κινητήρα, τα μόνα κινούμενα μέρη που υπόκεινται σε φθορά είναι τα ρουλεμάν. Και αυτά, αν συντηρούνται σωστά και λιπαίνονται, μπορούν να αντέξουν για πολλά χρόνια. Αυτό σημαίνει λιγότερες βλάβες, λιγότερες διακοπές λειτουργίας και μικρότερο κόστος συντήρησης. Για μια επαγγελματική ψυκτική εγκατάσταση, όπου μια βλάβη μπορεί να σημαίνει καταστροφή εμπορευμάτων, η αξιοπιστία είναι ανεκτίμητη.

Εικόνα 19. Πηγή  Εσωτερική άποψη βιομηχανικού ημιερμητικού συμπιεστή. Διακρίνεται ο τριφασικός επαγωγικός κινητήρας (στάτης και δρομέας) που κινεί τα έμβολα. Η απουσία ψηκτρών και πυκνωτών εκκίνησης τον καθιστά ιδανικό για συνεχή λειτουργία κάτω από δύσκολες συνθήκες. : Industrial Refrigeration Systems / Compressor Technology

    Αυτό είναι το τρίτο, και ίσως πιο εντυπωσιακό πλεονέκτημα, είναι η δυνατότητα κατασκευής κινητήρων πολύ μεγάλης ισχύος. Οι μονοφασικοί κινητήρες περιορίζονται σε μερικά κιλοβάτ για πρακτικούς λόγους. Πάνω από ένα όριο, το ρεύμα που απαιτούν γίνεται τεράστιο, οι διατομές των καλωδίων και το μέγεθος του κινητήρα γίνονται απαγορευτικά και η απόδοση πέφτει. Στον αντίποδα, οι τριφασικοί κινητήρες κατασκευάζονται για ισχύες από λίγα κιλοβάτ μέχρι και αρκετά μεγαβάτ. Στον χώρο της ψύξης, αυτό σημαίνει ότι μπορούμε να έχουμε συμπιεστές 50, 100 ή και 500 ίππων για βιομηχανικές εφαρμογές. Τέτοιοι συμπιεστές χρησιμοποιούνται σε μεγάλα σφαγεία, σε ψυκτικές αποθήκες, σε εγκαταστάσεις ταχείας κατάψυξης, σε κεντρικά συστήματα κλιματισμού ολόκληρων συγκροτημάτων γραφείων ή νοσοκομείων. Χωρίς το τριφασικό ρεύμα, η λειτουργία τέτοιων εγκαταστάσεων θα ήταν πρακτικά αδύνατη (Βλάχος & Βόκολος, 2011).

    Συνοψίζοντας, η επιλογή τριφασικών κινητήρων στις ψυκτικές εγκαταστάσεις δεν είναι θέμα τεχνολογικής μόδας, αλλά καθαρής ανάγκης και οικονομικής λογικής. Προσφέρουν καλύτερη απόδοση, που σημαίνει λιγότερα έξοδα λειτουργίας. Είναι πιο αξιόπιστοι, που σημαίνει λιγότερες βλάβες και διακοπές. Και μπορούν να καλύψουν οποιαδήποτε απαίτηση ισχύος, από τη μικρή επαγγελματική μονάδα μέχρι τη βαριά βιομηχανία. Η γνώση της λειτουργίας, της σύνδεσης και των χαρακτηριστικών τους είναι, επομένως, ένα από τα πιο πολύτιμα εφόδια για κάθε τεχνικό που θέλει να σταθεί επάξια στον σύγχρονο κλάδο της ψύξης και του κλιματισμού.

Συμπεράσματα

    Φτάνοντας στο τέλος αυτής της εργασίας, είναι χρήσιμο να σταθούμε και να ανακεφαλαιώσουμε όσα αναπτύχθηκαν στις προηγούμενες ενότητες, συνθέτοντας μια συνολική εικόνα για τη σημασία του τριφασικού ρεύματος στον τομέα της ψύξης και του κλιματισμού. Μέσα από την ανάλυση των βασικών αρχών, των πλεονεκτημάτων, του τρόπου παραγωγής, των συνδεσμολογιών και των εφαρμογών στους κινητήρες, προκύπτει ένα σαφές συμπέρασμα: το τριφασικό σύστημα δεν είναι απλώς μια εναλλακτική λύση έναντι του μονοφασικού, αλλά η θεμελιώδης τεχνολογική βάση πάνω στην οποία στηρίζεται ολόκληρη η σύγχρονη επαγγελματική και βιομηχανική ψύξη.

    Η σημασία του τριφασικού ρεύματος έγκειται πρώτα απ' όλα στην ικανότητά του να μεταφέρει και να διαχειρίζεται μεγάλες ποσότητες ισχύος με αποδοτικό και οικονομικό τρόπο. Είδαμε ότι για την ίδια μεταφερόμενη ισχύ, το τριφασικό σύστημα απαιτεί λιγότερο υλικό αγωγών, γεγονός που μειώνει το κόστος εγκατάστασης και λειτουργίας. Επιπλέον, η σταθερή στιγμιαία ισχύς που το χαρακτηρίζει εξασφαλίζει ομαλή λειτουργία των κινητήρων, χωρίς τους κραδασμούς και τις δονήσεις που είναι αναπόφευκτες στα μονοφασικά συστήματα. Αυτή η ομαλότητα μεταφράζεται σε λιγότερες μηχανικές καταπονήσεις, μεγαλύτερη διάρκεια ζωής των εξαρτημάτων και μειωμένες ανάγκες συντήρησης, παράγοντες κρίσιμοι για κάθε επαγγελματική εγκατάσταση όπου η αξιοπιστία και η συνεχής λειτουργία είναι απαραίτητες.

    Το σημαντικότερο, όμως, πλεονέκτημα που αναδείχθηκε είναι η δυνατότητα παραγωγής περιστρεφόμενου μαγνητικού πεδίου. Αυτή η μοναδική ιδιότητα του τριφασικού συστήματος επέτρεψε την ανάπτυξη των επαγωγικών κινητήρων, οι οποίοι αποτελούν την καρδιά κάθε ψυκτικής μονάδας. Οι κινητήρες αυτοί, με την απλή και στιβαρή κατασκευή τους, χωρίς ψήκτρες, πυκνωτές και περίπλοκα βοηθητικά κυκλώματα, προσφέρουν απαράμιλλη αξιοπιστία και απόδοση. Η ικανότητά τους να κατασκευάζονται σε πολύ μεγάλες ιπποδυνάμεις καθιστά δυνατή τη λειτουργία μεγάλων βιομηχανικών συμπιεστών, ψυκτικών θαλάμων και κεντρικών κλιματιστικών μονάδων, που θα ήταν αδύνατο να τροφοδοτηθούν από μονοφασικό δίκτυο. Από έναν απλό ανεμιστήρα συμπυκνωτή μέχρι έναν τεράστιο συμπιεστή αμμωνίας, η τριφασική τεχνολογία είναι παρούσα και απαραίτητη.

    Γιατί, όμως, το τριφασικό ρεύμα είναι απολύτως απαραίτητο στη σύγχρονη ψύξη και κλιματισμό; Η απάντηση βρίσκεται στην κλίμακα των αναγκών. Η σημερινή κοινωνία απαιτεί τη συντήρηση τεράστιων ποσοτήτων τροφίμων, τη λειτουργία εκτεταμένων δικτύων logistics, την ύπαρξη άνετων συνθηκών σε μεγάλα κτίρια και την ακριβή ρύθμιση της θερμοκρασίας σε βιομηχανικές διεργασίες. Όλες αυτές οι εφαρμογές απαιτούν ισχύ που ξεπερνά κατά πολύ τις δυνατότητες του μονοφασικού συστήματος. Χωρίς το τριφασικό ρεύμα, δεν θα μπορούσαμε να έχουμε τα μεγάλα ψυγεία των σούπερ μάρκετ, τους θαλάμους κατάψυξης των αποθηκών, τα κεντρικά κλιματιστικά νοσοκομείων και αεροδρομίων. Η ανάπτυξη του κλάδου των τροφίμων, του τουρισμού, ακόμα και της σύγχρονης ιατρικής, είναι άρρηκτα συνδεδεμένη με τη δυνατότητα παραγωγής αξιόπιστης και άφθονης ψύξης, που με τη σειρά της στηρίζεται στο τριφασικό ηλεκτρικό δίκτυο.

    Κοιτάζοντας προς το μέλλον, οι τάσεις στην τεχνολογία ψύξης και κλιματισμού όχι μόνο διατηρούν το τριφασικό σύστημα στο επίκεντρο, αλλά το καθιστούν ακόμη πιο σημαντικό. Η πιο χαρακτηριστική εξέλιξη είναι η διάδοση της τεχνολογίας inverter. Στα συστήματα inverter, ο κινητήρας δεν τροφοδοτείται απευθείας από το δίκτυο με σταθερή συχνότητα 50 Hertz, αλλά μέσω μιας ηλεκτρονικής διάταξης που μπορεί να μεταβάλλει τόσο την τάση όσο και τη συχνότητα. Η τροφοδοσία, ωστόσο, παραμένει τριφασική. Αυτό που αλλάζει είναι η συχνότητα, η οποία μπορεί να ανέβει πάνω από τα 50 Hz ή να κατέβει κάτω από αυτά, επιτρέποντας στον κινητήρα να περιστρέφεται με μεταβλητή ταχύτητα. Σε έναν συμπιεστή inverter, αυτό σημαίνει ότι μπορεί να λειτουργεί με μερικό φορτίο όταν η ζήτηση για ψύξη είναι μικρή, καταναλώνοντας λιγότερη ενέργεια, και να ανεβάζει στροφές όταν χρειάζεται περισσότερη ψύξη. Η εξοικονόμηση ενέργειας που επιτυγχάνεται με αυτόν τον τρόπο είναι εντυπωσιακή και αποτελεί πλέον στάνταρ σε όλες τις σύγχρονες κλιματιστικές μονάδες και σε πολλά ψυκτικά συγκροτήματα.

    Η τεχνολογία inverter βασίζεται σε τριφασικούς κινητήρες ειδικής κατασκευής και σε ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος. Αυτό σημαίνει ότι η γνώση των αρχών του τριφασικού ρεύματος είναι πιο απαραίτητη από ποτέ, καθώς ο τεχνικός καλείται πλέον να αντιμετωπίσει όχι μόνο παραδοσιακές συνδεσμολογίες αστέρα-τριγώνου, αλλά και ηλεκτρονικά κυκλώματα ισχύος και ελέγχου. Παράλληλα, η τάση για ενεργειακή αποδοτικότητα και η χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας οδηγεί στην ανάπτυξη συστημάτων που λειτουργούν με συνεχές ρεύμα ή με μεταβλητή συχνότητα, αλλά η ραχοκοκαλιά της διανομής και της ισχύος παραμένει το τριφασικό εναλλασσόμενο ρεύμα.

    Συμπερασματικά, το τριφασικό ρεύμα αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα τεχνολογικά επιτεύγματα που κατέστησαν δυνατή τη σύγχρονη βιομηχανική κοινωνία. Στον τομέα της ψύξης και του κλιματισμού, είναι η ίδια η ουσία της λειτουργίας κάθε σοβαρής εγκατάστασης. Η κατανόηση των βασικών του αρχών, των πλεονεκτημάτων του και των τρόπων εφαρμογής του, όπως αυτές αναπτύχθηκαν στην παρούσα εργασία, δεν είναι μια πολυτέλεια αλλά μια αναγκαιότητα για κάθε τεχνικό που θέλει να ανταποκριθεί στις απαιτήσεις της σύγχρονης αγοράς. Είτε πρόκειται για μια παραδοσιακή εγκατάσταση με απλή εκκίνηση αστέρα-τριγώνου, είτε για ένα υπερσύγχρονο σύστημα inverter μεταβλητής ταχύτητας, η γνώση του τριφασικού ρεύματος είναι και θα παραμείνει το θεμέλιο πάνω στο οποίο χτίζεται η επαγγελματική επάρκεια και η επιτυχημένη σταδιοδρομία στον χώρο.

Ευχαριστώ για την προσοχή σας...

                                           

Βιβλιογραφία



Evb. (2024, Μάιος 23). Evb. Ανάκτηση από Evb: https://www.evb.com/el/1-phase-and-3-phase-difference/

Welde. (2024, Φεβρουάριος 20). Ποια τα είδη των καλωδίων με τη μορφή μετάδοσης ηλεκτρικής ενέργειας. Ανάκτηση από Welde: https://gr.welldecable.com/info/what-are-the-types-of-cables-according-to-the-92557917.html

Αδαμίδου, Φ., & Καρατόσιου, Χ. (2008). Περιγραφή αναλογικού και ψηφιακού συστήματος διέγερσης σύγχρονων γεννητριών. Θεσσαλονίκη: Α.Π.Θ.

Αλέξης, Γ., Ψωμόπουλος, Κ., & Ναζός, Α. (2011). Ηλεκτρικά συστήματα και διατάξεις αυτόματου ελέγχου στις εγκαταστασεις κλιματισμού. Αθήνα: Τεχνικό Επιμελητήριο Ελλάδας.

Ανάλυση Ηλεκτρικών Κυκλωμάτων. (2010). Αθήνα: Τζιόλας.

Βασιλακόπουλος, Σ. (2006). Ηλεκτρικές Μηχανές. Αθήνα: Ίδρυμα Ευγενίδου.

Βλαστάρας, Χ., & Ηλιόπουλος, Α.-Γ. (2010). Μελέτη και κατασκευή πίνακα αυτοματισμού τριφασικού ασύγχρονου κινητήρα. Πάτρα: Τ.Ε.Ι. Πάτρας.

Βλάχος, Β., & Βόκολος, Δ. (2011). Τα ψυκτικά ρευστά. Πάτρα: Τ.Ε.Ι. Πάτρας.

Βοβός, Ν., Γιαννακόπουλος, Γ., & Μήλιας-Αργείτης, Ι. (2020). Ανάλυση κυκλωμάτων ισχύως. Πάτρα: Ζήτη.

Δαλαβούρας, Κ. (2014). Βελτιστοποίηση απόδοσης ψυκτικών συμπιεστών. Αθήνα: Ε.Μ.Π.

Δήμιζας, Γ. (2021). Ανάπτυξη γραφικού περιβάλλοντος εξομοίωσης ηλεκτρικών διατάξεων και συστημάτων στο χώρο της ναυτιλίας. Αθήνα: Ε.Μ.Π.

Ενέργειας, Κ. Α. (2019). Οδηγός Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας σε Συστήματα HVAC. Αθήνα: Υπουργείο Εργασίας.

Κίτσιου, Α. (2007). Γεννήτριες μόνιμου μαγνήτη για ηλεκτροπαραγωγή σε συστήματα ισχύως μικρής/μεσαίας κλίμακας. Ξάνθη: Δ.Π.Θ.

Κορακιανίτης, Ν. (2020, Σεπτέμβριος 4). Μετάδοση Ισχύως. Ανάκτηση από Metadosi-ischios: https://www.metadosi-ischios.gr/leitoyrgia-kai-pleonektimata-ton-ilektrokinitiron-proosis/

Κότου, Β. (2003). Μελέτη μαγνητικού πεδίου μονοφασικού επαγωγικού κινητήρα και προσδιορισμός των βέλτιστων πυκνωτών εκκίνησης και λειτουργίας με τη μέθοδο των πεπερασμ΄΄ενων στοιχείων . Θεσσαλονίκη: Α.Π.Θ.

Μάργαρης, Ν. (2010). Ανάλυση Ηλεκτρικών Κυκλωμάτων. Αθήνα: Τζιολας.

Νταμάτης, Χ. (2015). Συστήματα ελέγχου ασύγχρονου χαρακτήρα και αποτίμηση της ενεργειακής τους αποδοτικότητας . Πάτρα: Τ.Ε.Ι. Δυτικής Ελλάδας.

Ντοκόπουλος, Π. (1987). Ηλεκτρικές εγκαταστάσεις καταναλωτών μέσης και χαμηλής τάσης. Θεσσαλονίκη: Ζήτη.

Ξηρός, Γ. (2014). Διαχείριση ψυκτικών ουσιών θερμοκηπίου. Αθήνα: Γ.Σ.Ε.Β.Ε.Ε.

Ορφανός, Ν. (2017). Εκκίνηση ασύγχρονου τριφασικού κινητήρα με χρήση αυτοματισμού PLC. Αθήνα: 2017.

Πολάκης, Ε. (2006). Μελέτη και προσωμοίωση 12- Παλμική ελεγχόμενης ανορθωτικής διάταξης. Αθήνα : Ε.Μ.Π.

Πρωτοψάλτης, Κ. (2013). Προσομοίωση και βελτίωση απόδοσης θερμοηλεκτρικής διάταξης TEG με χρήση της μεθόδου πεπερασμένων στοιχείων. Κοζάνη: Πανεπιστήμιο Δυτικής Μακεδονίας.

Ροδόπουλος, Χ. (2000). Μελέτη της θερμοδυναμικής συμπεριφοράς του ψυκτικού κύκλου με χρήση διαφορων ψυκτικών υγρών σε μία κλιματιστική εγκατάσταση. Πάτρα: Τ.Ε.Ι. Πάτρας.

Σκόπος, Μ. (2013). Κατασκευή εργαστηριακού μοντέλου διανομής ηλεκτρικής ενέργειας. Θεσσαλονίκη: Α.Π.Θ.

Τόμπρας, Γ. (2015). Εισαγωγικά Θέματα Ηλεκτρονικής. Αθήνα: Κάλλιπος.

Υφαντής, Δ. (2008). Υλικά διάβρωσης και προστασίας. Αθήνα: Ε.Μ.Π.



Φράγκου, Π., & Μαλάμου, Ά. (2015). Ηλεκτρικά Κυκλώματα. Αθήνα: Τσότρας.

-Ο Παύλος Παπαδόπουλος γεννήθηκε το 1978 στη Δράμα, μεγάλωσε στις Σέρρες και έζησε στην Αθήνα και τη Θεσσαλονίκη. Από το 1996 εργάζεται στο δημόσιο σε διάφορες διοικητικές θέσεις. Είναι απόφοιτος της Σχολής Αξιωματικών της Ελληνικής Αστυνομίας, της Σχολής Αστυφυλάκων της Αστυνομικής Ακαδημίας, της Σχολής Επιμόρφωσης και μετεκπαίδευσης ΕΛ.ΑΣ., και της Σχολής Ελληνικού Πολιτισμού, του Τμήματος Ανθρωπιστικών. Σπουδών του Ελληνικού Ανοικτού Πανεπιστημίου. Μιλάει Αγγλικά και Γερμανικά.