ΑΣΚΗΣΗ 6 η ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΠΑΡΑΛΛΗΛΗΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ

Transcript

1 ΑΣΚΗΣΗ 6 η ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΠΑΡΑΛΛΗΛΗΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Σκοπός της Άσκησης: Σκοπός της εργαστηριακής άσκησης είναι α), η κατανόηση της λειτουργίας της γεννήτριας συνεχούς ρεύματος παράλληλης διέγερσης β) η χάραξη των χαρακτηριστικών καμπυλών της γεννήτριας συνεχούς ρεύματος παράλληλης διέγερσης. 1. Εισαγωγή Η βασική διαφορά μεταξύ μιας γεννήτριας συνεχούς ρεύματος με ξένη διέγερση και μιας γεννήτριας συνεχούς ρεύματος με παράλληλη διέγερση εντοπίζεται στον τρόπο τροφοδοσίας του τυλίγματος διέγερσης. Ενώ στην πρώτη περίπτωση το τύλιγμα της διέγερσης τροφοδοτείται από μια ανεξάρτητη πηγή τάσης, στην δεύτερη περίπτωση το τύλιγμα της διέγερσης συνδέεται στην έξοδο της ίδιας της γεννήτριας. Στην περίπτωση αυτή δηλαδή, η ίδια η γεννήτρια τροφοδοτεί την διέγερσή της. Το γεγονός αυτό μπορεί να προκαλέσει προβλήματα κατά την εκκίνηση της γεννήτριας. Η διαδικασία ανάπτυξης της τάσης στα άκρα της γεννήτριας κατά την εκκίνησή της ονομάζεται αυτοδιέγερση. Εκτός από την εκκίνηση η γεννήτρια παρουσιάζει και μια μεγαλύτερη πολυπλοκότητα, σε σύγκριση με την γεννήτρια ξένης διέγερσης, όσον αφορά την αλλαγή της πολικότητας της τάσης στην έξοδό της. 2. Ισοδύναμο κύκλωμα γεννήτριας παράλληλης διέγερσης Το ισοδύναμο κύκλωμα της γεννήτριας παράλληλης φαίνεται στο σχήμα 1. Το τύλιγμα της διέγερσης συνδέεται στην έξοδο της γεννήτριας και αναπαριστάται με ένα πηνίο σε σειρά με μια αντίσταση. Σε σειρά με το τύλιγμα της διέγερσης συνδέεται και ένας ροοστάτης για να επιτύχουμε έλεγχο του ρεύματος διέγερσης. Η πηγή συνεχούς τάσης Εa αντιστοιχεί στην ηλεκτρεγερτική δύναμη που αναπτύσσεται στον δρομέα και η αντίσταση R A αντιστοιχεί στην ωμική αντίσταση των τυλιγμάτων του δρομέα. Όταν η γεννήτρια λειτουργεί χωρίς φορτίο η τάση στην έξοδό της είναι ίση με την ηλεκτρεγερτική δύναμη Εα. Όπως και στην περίπτωση της γεννήτριας ξένης διέγερσης, η ηλεκτρεγερτική δύναμη εξαρτάται από την ταχύτητα περιστροφής του δρομέα και από την μαγνητική ροή στο εσωτερικό της μηχανής, πρακτικά δηλαδή από το ρεύμα διέγερσης I f. Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 42

2 Σχήμα 1. Το ισοδύναμο κύκλωμα μια γεννήτριας συνεχούς ρεύματος παράλληλης διέγερσης. Όταν συνδέσουμε φορτίο στην έξοδο της γεννήτριας τότε, λόγω της πτώσης τάσης στα τυλίγματα του δρομέα, η τάση στην έξοδό της θα είναι ίση με: (6.1) Από την παραπάνω σχέση προκύπτει ότι η τάση εξόδου της γεννήτριας μεταβάλλεται γραμμικά με το φορτίο, αν διατηρήσουμε το ρεύμα διέγερσης άρα και την Εα σταθερή. Ενώ όμως στην γεννήτρια ξένης διέγερσης το ρεύμα της διέγερσης εξαρτάται μόνο από την τάση της πηγής τροφοδοσίας, το ρεύμα διέγερσης μιας γεννήτριας παράλληλης διέγερσης επηρεάζεται από τις μεταβολές του φορτίου. Για τον λόγο αυτό η διακύμανση της τάσης εξόδου μιας γεννήτριας παράλληλης διέγερσης σε συνάρτηση με τις μεταβολές του φορτίου είναι πιο έντονη σε σύγκριση με μια γεννήτρια ξένης διέγερσης. Για παράδειγμα μια αύξηση του φορτίου στην έξοδο της γεννήτριας θα έχει σαν αποτέλεσμα μια μείωση της τάσης εξόδου λόγω της πτώσης τάσης στην αντίσταση των τυλιγμάτων του δρομέα. Ταυτόχρονα όμως η μείωση της τάσης εξόδου θα οδηγήσει σε μείωση του ρεύματος διέγερσης και, σε μείωση της ηλεκτρεγερτικής δύναμης Εa. Αυτό θα έχει ως αποτέλεσμα πιο έντονη βύθιση της τάσης στην έξοδο της γεννήτριας. Η πτώση τάσης λόγω μιας μεγάλης υπερφόρτισης της γεννήτριας μπορεί να ελαττώσει σε τέτοιο βαθμό το ρεύμα διέγερσης ώστε να επέλθει μια ραγδαία κατάρρευση της τάσης μέχρι περίπου μηδέν volts. Το φαινόμενο αυτό φαίνεται στο σχήμα 2 όπου απεικονίζεται η χαρακτηριστική φορτίου μιας γεννήτριας παράλληλης διέγερσης. Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 43

3 Σχήμα 2. Χαρακτηριστική φορτίου γεννήτριας παράλληλης διέγερσης. 3. Αυτοδιέγερση γεννήτριας παράλληλης διέγερσης Η διαδικασία ανάπτυξης της τάσης στην έξοδο μιας γεννήτριας παράλληλης διέγερσης κατά την εκκίνησή της ονομάζεται αυτοδιέγερση. Απαραίτητη προϋπόθεση για την επίτευξη της αυτοδιέγερσης είναι η ύπαρξη στο εσωτερικό της γεννήτριας παραμένουσας μαγνητικής ροής. Η παραμένουσα μαγνητική ροή προέρχεται από την μαγνήτιση του σιδηρομαγνητικού υλικού της μηχανής από προηγούμενες χρήσεις. Αν δεν υπάρχει παραμένουσα μαγνητική ροή θα πρέπει να δημιουργήσουμε εμείς, με την βοήθεια μιας πηγής συνεχούς τάσης η οποία θα συνδεθεί στο τύλιγμα της διέγερσης πριν την εκκίνηση της γεννήτριας, ακριβώς για τον σκοπό αυτό. Η παραμένουσα μαγνητική ροή σε συνδυασμό φυσικά με την περιστροφή του δρομέα, θα οδηγήσει στην εμφάνιση μιας μικρής τάσης στην έξοδο της γεννήτριας και κατά συνέπεια στην δημιουργία ενός αρχικού ρεύματος διέγερσης. Υπό προϋποθέσεις, το αρχικό ρεύμα διέγερσης θα οδηγήσει σε αύξηση της ηλεκτρεγερτικής δύναμης Εa που επάγεται στον δρομέα της γεννήτριας και σε συνακόλουθη αύξηση της τάσης εξόδου. Η αύξηση της τάσης εξόδου θα έχει ως αποτέλεσμα την περαιτέρω αύξηση του ρεύματος διέγερσης η οποία θα αυξήσει και άλλο την Εa κ.ο.κ. Η διαδικασία αυτής της θετικής ανατροφοδότησης θα σταματήσει όταν η γεννήτρια φτάσει στον κορεσμό. Η ύπαρξη παραμένουσας μαγνητικής ροής δεν αποτελεί την μοναδική προϋπόθεση για την επίτευξη της αυτοδιέγερσης. Σημαντική παράμετρος είναι η φορά του ρεύματος που θα περάσει μέσα από το τύλιγμα της διέγερσης και η οποία θα πρέπει να είναι τέτοια ώστε το μαγνητικό πεδίο που δημιουργεί να ενισχύει την παραμένουσα μαγνητική ροή. Αν το ρεύμα διέγερσης παράγει Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 44

4 μαγνητική ροή αντίθετη από την παραμένουσα τότε δεν θα αναπτυχθεί τάση στα άκρα της γεννήτριας. Η τελευταία παράμετρος που μπορεί να επηρεάσει την έναρξη της αυτοδιέγερσης είναι η τιμή της αντίστασης του ροοστάτη που συνδέεται σε σειρά με το τύλιγμα της διέγερσης. Πάνω από μια κρίσιμη τιμή το ρεύμα διέγερσης που δημιουργείται από την αρχική τάση της γεννήτριας είναι πολύ μικρό για να ξεκινήσει η αυτοδιέγερση. Συνοψίζοντας, τα βήματα που ακολουθούμε προκειμένου να έχουμε αυτοδιέγερση είναι τα εξής: 1. Έλεγχος για την ύπαρξη παραμένουσας μαγνητικής ροής. Αν στην έξοδο της γεννήτριας έχουμε τάση καθώς την περιστρέφουμε, (πριν συνδέσουμε παράλληλα το τύλιγμα της διέγερσης) τότε έχουμε παραμένουσα μαγνητική ροή. 2. Σωστή πολικότητα του τυλίγματος διέγερσης. Αρχικά συνδέουμε το τύλιγμα της διέγερσης στην έξοδο της γεννήτριας και αν η πολικότητα είναι λάθος η τάση στην έξοδο της γεννήτριας θα μηδενιστεί. Στην περίπτωση αυτή αλλάζουμε την πολικότητα της συνδεσμολογίας. Αν και πάλι δεν έχουμε αυτοδιέγερση τότε πρέπει να ελέγξουμε την τιμή του ροοστάτη (βήμα 3). 3. Φροντίζουμε ώστε ο ροοστάτης στο τύλιγμα της διέγερσης να έχει μια μέση τιμή. Ούτε πολύ μικρή, για να αποφύγουμε ένα μεγάλο ρεύμα διέγερσης, ούτε πολύ μεγάλη, γιατί υπάρχει κίνδυνος να μην ξεκινήσει η αυτοδιέγερση. 4. Αλλαγή Πολικότητας της Τάσης Εξόδου Η αλλαγή της πολικότητας της τάσης εξόδου μιας γεννήτριας παράλληλης διέγερσης δεν μπορεί να γίνει με την απλή αλλαγή φορά περιστροφής του δρομέα ή με την αντιμετάθεση των ακροδεκτών του τυλίγματος διέγερσης. Πρέπει να γίνουν και τα δυο ταυτόχρονα. Με αυτόν τον τρόπο πετυχαίνουμε αλλαγή της πολικότητας λόγω αλλαγής της φοράς περιστροφής και ταυτόχρονα, εξασφαλίζουμε την δυνατότητα αυτοδιέγερσης της γεννήτριας γιατί η φορά του ρεύματος στο τύλιγμα της διέγερσης δεν αλλάζει και έτσι το μαγνητικό πεδίο που θα δημιουργήσει η διέγερση θα ενισχύσει τον παραμένοντα μαγνητισμό της μηχανής. Η διαδικασία αλλαγής της πολικότητας φαίνεται στο σχήμα 3. Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 45

5 + A1 - A1 G Ε2 I Ε1 Vout G Ε1 I Ε2 Vout - A2 + A2 Σχήμα 3. Αλλαγή πολικότητας γεννήτριας παράλληλης διέγερσης. Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 46

6 Πειραματικό Μέρος Α. ΕΣΩΤΕΡΙΚΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗ Για την πραγματοποίηση της άσκησης θα υλοποιήσετε την παρακάτω συνδεσμολογία: Θα ξεκινήσετε δίνοντας ισχύ στην κινητήρια μηχανή και θα περιστρέψετε την γεννήτρια στις ονομαστικές της στροφές. Η ταχύτητα θα παραμείνει σταθερή κατά την διάρκεια της άσκησης. Στη συνέχεια θα πραγματοποιήσετε τις κατάλληλες ενέργειες προκειμένου να πετύχετε αυτοδιέγερση της γεννήτριας. Αφού πάρετε τάση στην έξοδο της γεννήτριας θα προσδιορίσετε πειραματικά την εσωτερική χαρακτηριστική. Αυξήστε σταδιακά το ρεύμα διέγερσης της γεννήτριας και μετρήσετε την τάση εξόδου, η οποία στην συγκεκριμένη περίπτωση θα είναι ίση με την ηλεκτρεγερτική δύναμη που αναπτύσσεται στον δρομέα. Τα αποτελέσματα θα τα αναγράψετε στον πίνακα 1. Στη συνέχεια θα μειώσετε σταδιακά το ρεύμα διέγερσης μέχρι να μηδενιστεί και θα μετρήσετε πάλι την τάση εξόδου. Τα αποτελέσματα θα τα αναγράψετε στον πίνακα 2. Προσπαθήστε να πάρετε τις ίδιες τιμές του ρεύματος διέγερσης με αυτές του πίνακα 1. Θα επαναλάβετε την προηγούμενη διαδικασία αλλά με ταχύτητα ίση με το 50% της ονομαστικής και θα συμπληρώσετε τον πίνακα 3. Οι μετρήσεις θα αφορούν μόνο αύξηση του ρεύματος διέγερσης. Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 47

7 ΠΙΝΑΚΑΣ 1 Εα (V) I f (A) ΠΙΝΑΚΑΣ 2 Εα (V) I f (A) ΠΙΝΑΚΑΣ 3 Εα (V) I f (A) Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 48

8 Β. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗ ΦΟΡΤΙΣΗΣ Για την πραγματοποίηση της άσκησης θα υλοποιήσετε την παρακάτω συνδεσμολογία: Θα ξεκινήσετε δίνοντας ισχύ στην κινητήρια μηχανή και θα περιστρέψετε την γεννήτρια στις ονομαστικές της στροφές. Η ταχύτητα θα παραμείνει σταθερή κατά την διάρκεια του πειράματος. Στη συνέχεια θα πραγματοποιήσετε τις κατάλληλες ενέργειες για να επιτύχετε αυτοδιέγερση της γεννήτριας. Αφού πάρετε τάση στην έξοδο της γεννήτριας θα ρυθμίσετε το ρεύμα διέγερσης έτσι ώστε η τάση εξόδου της γεννήτριας να γίνει ίση με την ονομαστική και μετά θα συνδέσετε το φορτίο. Φορτίστε σταδιακά την γεννήτρια και μετρήστε την τάση και το ρεύμα στην έξοδο της γεννήτριας. Συμπληρώστε τον πίνακα 4. Κατά την διάρκεια των μετρήσεων το ρεύμα διέγερσης θα παραμένει σταθερό. ΠΙΝΑΚΑΣ 4 V φ (V) I φ (A) Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 49

9 Γ. ΡΥΘΜΙΣΤΙΚΗ ΚΑΜΠΥΛΗ Για την πραγματοποίηση των μετρήσεων θα χρησιμοποιήσετε το κύκλωμα της προηγούμενης παραγράφου. Αρχικά θα δώσετε ισχύ στην κινητήρια μηχανή και θα περιστρέψετε την γεννήτρια στις ονομαστικές της στροφές. Η ταχύτητα θα παραμείνει σταθερή κατά την διάρκεια του πειράματος. Αφού πάρετε τάση στην έξοδο της γεννήτριας με την αυτοδιέγερση, θα αυξήσετε το ρεύμα διέγερσης μέχρι η τάση εξόδου της γεννήτριας να γίνει ίση με την ονομαστική και μετά θα συνδέσετε το φορτίο. Αυξήστε το φορτίο σταδιακά και μεταβάλλετε ανάλογα το ρεύμα διέγερσης έτσι ώστε η τάση εξόδου να παραμένει σταθερή. Συμπληρώστε τον πίνακα 5. ΠΙΝΑΚΑΣ 5 Ι φ (V) I f (A) V φ (V) Δ. ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ 1. Να σχεδιάσετε στο ίδιο σύστημα αξόνων την εσωτερική χαρακτηριστική Ε α =f(i f ) για αύξουσες και φθίνουσες τιμές του ρεύματος διέγερσης. 2. Να σχεδιάσετε στο ίδιο σύστημα αξόνων την εσωτερική χαρακτηριστική Ε α =f(i f ) για διαφορετικές ταχύτητες περιστροφής της γεννήτριας (πίνακες 1 και 3). 3. Να σχεδιάσετε την χαρακτηριστική φορτίου V φ = f(i φ ). 4. Να σχεδιάσετε την ρυθμιστική καμπύλη της γεννήτριας I f =f(i φ ). 5. Υπολογίστε την διακύμανση τάσης της γεννήτριας για ονομαστικό φορτίο. Από τι εξαρτάται η διακύμανση της τάσης; Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 50