Εργαστήριο Ηλεκτροτεχνικών Εφαρμογών

Transcript

1 ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Εργαστήριο Ηλεκτροτεχνικών Εφαρμογών Ενότητα: Μελέτη των Ηλεκτρικών Χαρακτηριστικών (V-I) Λαμπτήρων Πυρακτώσεως Γεώργιος Χ. Ιωαννίδης Τμήμα Ηλεκτρολογίας

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 2

3 1. Σκοπός Σύντομη Θεωρητική Ανάπτυξη Πειραματική Διάταξη - Μετρήσεις V-I Χαρακτηριστική Μόνιμης Κατάστασης Εν Ψυχρώ Εκκίνηση Ερωτήσεις - Θέματα Μελέτης Βιβλιογραφία:

4 1. Σκοπός Ο σκοπός αυτής της εργαστηριακής ενότητας είναι διπλός. Κατά πρώτον, η μελέτη των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών ενός λαμπτήρα πυρακτώσεως. Πρόκειται στην ουσία για την μελέτη της χαρακτηριστικής τάσεως-ρεύματος (V-I) των εν λόγω λαμπτήρων στην μόνιμη κατάσταση λειτουργίας αλλά και την μελέτη της μεταβατικής απόκρισης τους κατά την διάρκεια της «εν ψυχρώ εκκίνησης» (cold start-up). Κατά δεύτερον, η πορεία της εργαστηριακής ενότητας λειτουργεί ως μέσον εξοικείωσης του σπουδαστή με τα εργαστηριακά όργανα όπως: ψηφιακά πολύμετρα, αυτομετασχηματιστής (Variac), ψηφιακός παλμογράφος, voltage & current probes, εξοπλισμός που θα χρησιμοποιηθεί και σε επόμενες εργαστηριακές ενότητες. 1.2 Σύντομη Θεωρητική Ανάπτυξη Ο τρόπος λειτουργίας ενός λαμπτήρα πυρακτώσεως στηρίζεται στο ότι: όταν ένα σώμα θερμαίνεται σε υψηλή θερμοκρασία τα συστατικά του άτομα διεγείρονται και εκπέμπουν ακτινοβολία η οποία είναι συνεχής, τμήμα της οποίας βρίσκεται στο ορατό φάσμα. Η αναλογία της ακτινοβολίας από το ερυθροπυρωμένο νήμα το οποίο δίνει ορατό φως αυξάνει πάρα πολύ με την αύξηση της θερμοκρασίας. Η ιδιότητα αυτή δίνει ένα μεγάλο πλεονέκτημα στους λαμπτήρες πυρακτώσεως οι οποίοι κατασκευάζονται από βολφράμιο ευρισκόμενη σε μη οξειδωτικό περιβάλλον αποτελούμενο από αδρανή αέρια όπως: μίγμα, 85% αργό και 15% άζωτο το οποίο εισάγεται υπό πίεση σε ποσοστό 80% της ατμοσφαιρικής πίεσης, το οποίο είναι και το πλέον συνηθισμένο μίγμα. Η αύξηση όμως αυτή δεν μπορεί να είναι ανεξέλεγκτη αλλά περιορίζεται από: Το σημείο τήξεως του νήματος και Την εξάχνωση του βολφραμίου. Στην ουσία ο λαμπτήρας πυρακτώσεως διαθέτει αντίσταση η οποία διαρρεόμενη από ρεύμα ερυθροπυρώνεται και ακτινοβολεί. Ως γνωστόν, η ειδική αντίσταση ενός μετάλλου εξαρτάται ισχυρά από την θερμοκρασία και άρα η αντίσταση του λαμπτήρα πυρακτώσεως (αντίσταση νήματος) εξαρτάται ισχυρά από τη θερμοκρασία. Καθώς η τάση τροφοδοσίας αυξάνει το ρεύμα του λαμπτήρα αυξάνει, η θερμοκρασία του νήματος αυξάνει με αποτέλεσμα η αντίσταση να μειώνεται και συνεπώς το ρεύμα να αυξάνει ακόμα περισσότερο. Προφανώς, κάποια στιγμή επέρχεται ισορροπία αφού θερμότητα από τον λαμπτήρα εκπέμπεται προς το περιβάλλον και η θερμοκρασία του νήματος σταθεροποιείται όπως επίσης, το ρεύμα και η ισχύς του. Η εξάρτηση της ηλεκτρικής ισχύος (P) από τον λόγο της τάση τροφοδοσίας (U), ως προς την ονομαστική τάση τροφοδοσίας (Uo) για ένα λαμπτήρα πυρακτώσεως, δίνεται με την βοήθεια της παρακάτω εξίσωσης: P P U U

5 1.3 Πειραματική Διάταξη - Μετρήσεις Αρχικά υλοποιούμε την πειραματική διάταξη που παρουσιάζεται στο Σχήμα 1 1. Το κύκλωμα περιλαμβάνει μεταβλητή εναλλασσόμενη τάση (Variac), ψηφιακό βολτόμετρο, ψηφιακό αμπερόμετρο και ψηφιακό παλμογράφο δύο καναλιών με τον οποίο χρησιμοποιούνται voltage & current probes. AC I in Λαμπτήρας πυράκτωσης Παλμογράφο ς A ch1 ch2 V V in Variac Current probe Voltage probe Σχήμα 1-1 Πειραματική διάταξη εργαστηριακής ενότητας 1 Με την βοήθεια του variac μπορούμε να εφαρμόσουμε διαφορετικές τιμές τάσεως ενώ με το ψηφιακό βολτόμετρο και αμπερόμετρο μπορούμε να μετράμε την ενεργό τιμή της τάσης και του ρεύματος. Ο ψηφιακός παλμογράφος μας δίνει τη δυνατότητα να παρατηρήσουμε τις κυματομορφές τάσεως και ρεύματος ενώ κάνοντας χρήση των ψηφιακών του ευκολιών μπορούμε να έχουμε μια σειρά από χρήσιμα μεγέθη. 5

6 1.3.1 V-I Χαρακτηριστική Μόνιμης Κατάστασης Για τις τιμές της τάσης Vin που φαίνονται στον Πίνακας 1 1 συμπληρώνουμε την δεύτερη στήλη από την ένδειξη του αμπερομέτρου, η οποία αντιστοιχεί στο ρεύμα του λαμπτήρα αλλά και την τρίτη την οποία την συμπληρώνουμε υπολογιστικά. Η τέταρτη στήλη υπολογίζεται θεωρητικά κάνοντας χρήση της Εξ. 1 1 Πίνακας 1.1 α/α V in rms (Volts) I in rms (Amps) P υ (υπολογιστικά) (W) P θ (Θεωρητικά) (W) Σχεδιάστε τις γραφικές παραστάσεις του ρεύματος I in, των ισχύων P υ και P θ συναρτήσει της τάσης τροφοδοσίας V in σε κατάλληλο σύστημα συντεταγμένων. 6

7 1.3.2 Εν Ψυχρώ Εκκίνηση Για τις τέσσερις διαφορετικές τιμές της τάσης Vin του Πίνακας 1 2, οι οποίες καθορίζονται μέσω του variac χωρίς να λειτουργεί ο λαμπτήρας, εκκινούμε τον λαμπτήρα (cold start-up) και παρατηρούμε την κυματομορφή του ρεύματος όπως αυτή καταγράφεται στον παλμογράφο σε λειτουργία single shot. Για κάθε τιμή της τάσης Vin το πείραμα επαναλαμβάνεται πέντε φορές (5) και οι αντίστοιχες τιμές του ρεύματος Iin_pk καταγράφονται στον Πίνακας 1 2. Πίνακας 1.2 I in_pk α/α V in_rms (Volts) (Amps) Ερωτήσεις - Θέματα Μελέτης 1. Εάν έπρεπε να κατασκευάσετε κύκλωμα ρύθμισης της φωτεινότητας (φωτεινής ροής) ενός λαμπτήρα πυρακτώσεως (κύκλωμα dimmer) ποιό ηλεκτρικό μέγεθος θα ρύθμιζε το κύκλωμα αυτό και ποια όρια ρύθμισης θα επιλέγατε; 2. Κατά την εκτέλεση του δεύτερου μέρους του πειράματος η τιμή του ρεύματος I in_pk διαφέρει από μέτρηση σε μέτρηση ακόμα και για σταθερή τάση τροφοδοσίας V in_rms. Εξηγείστε τους λόγους για τους οποίους συμβαίνουν τα προηγούμενα. 1.5 Βιβλιογραφία: 2. Γ.Χ. Ιωαννίδης, Σημειώσεις Ηλεκτροτεχνικών Εφαρμογών μέρος Β, Αιγάλεω H.B.Cary, Modern Welding Technolog, Prentice Hall, N.Mohan, T.M. Undeland, Power Electronics, Converters, Applications and Design, John Wiley & Sons, Στέφανος Μανιάς, «Ηλεκτρονικά Ισχύος», Εκδόσεις Συμεών, Στέφανος Μανιάς, Αθανάσιος Καλετσάνος, «Βιομηχανικά Ηλεκτρονικά», Εκδόσεις Συμεών,