ΑΣΚΗΣΗ 10 η ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ ΣΕΙΡΑΣ ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ

Transcript

1 ΑΣΚΗΣΗ 10 η ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ ΣΕΙΡΑΣ ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Σκοπός της Άσκησης: Σκοπός της εργαστηριακής άσκησης είναι α) η κατανόηση των τρόπων ελέγχου της ταχύτητας ενός κινητήρα συνεχούς ρεύματος με διέγερση σειράς β) η χάραξη της χαρακτηριστικής ταχύτητας ροπής μιας μηχανής Σ.Ρ. διέγερσης σειράς, γ) η κατανόηση του τρόπου αλλαγής φοράς περιστροφής ενός κινητήρα Σ.Ρ. διέγερσης σειράς. 1. Εισαγωγή Οι κινητήρες συνεχούς ρεύματος εκτός από το τύλιγμα παράλληλης διέγερσης (Ε 1 -Ε 2 ) που χρησιμοποιήσαμε στις δυο προηγούμενες εργαστηριακές ασκήσεις ενδέχεται να διαθέτουν και ένα ακόμη τύλιγμα διέγερσης (D 1 -D 2 -D 3 -..) το οποίο συνδέεται σε σειρά με το/τα τυλίγματα του δρομέα (Α1-Α2 & Β1-Β2 & C1-C2), του κινητήρα και διαρρέεται από το ρεύμα φορτίου. Καθώς το τύλιγμα αυτό διαρρέεται από ένα ρεύμα πολύ μεγαλύτερο από το ρεύμα διέγερσης του τυλίγματος παράλληλης διέγερσης (Ε 1 -Ε 2), μπορεί να δημιουργεί την ίδια μαγνητεγερτική δύναμη με το τύλιγμα αυτό με πολύ μικρότερο αριθμό σπειρών, ενώ οι αγωγοί του είναι μεγαλύτερης διατομής. Στην περίπτωση του κινητήρα Σ.Ρ. διέγερσης σειράς η μαγνητική ροή στο εσωτερικό του κινητήρα είναι ανάλογη του ρεύματος φορτίου δηλαδή του ρεύματος του δρομέα (επαγωγικού τυμπάνου): (10.1) Είναι γνωστό επίσης ότι η παραγόμενη ροπή στο άξονα του κινητήρα είναι ανάλογη του ρεύματος του δρομέα καθώς και της μαγνητικής ροής στο εσωτερικό του κινητήρα: (10.2) Συνδυάζοντας τις παραπάνω σχέσεις προκύπτει ότι η αναπτυσσόμενη ροπή σε ένα κινητήρα Σ.Ρ διέγερσης σειράς είναι ανάλογη του τετραγώνου του ρεύματος του δρομέα: (10.3) Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 76

2 Από τη σχέση 10.3 προκύπτει ότι η χαρακτηριστική ροπής ρεύματος δρομέα Τ=f(I A ) δεν θα είναι ευθεία αλλά μια παραβολή όπως φαίνεται και στο σχήμα 1. T (Nm) Ia (A) Σχήμα 1. Η χαρακτηριστική ροπής ρεύματος φορτίου του κινητήρα. Ο κινητήρας Σ.Ρ με διέγερση σειράς αναπτύσσει μεγαλύτερη ροπή για το ίδιο ρεύμα δρομέα σε σχέση με τον κινητήρα Σ.Ρ ξένης ή παράλληλης διέγερσης. 2. Ισοδύναμο Κύκλωμα -Εκκίνηση Το ισοδύναμο κύκλωμα ενός κινητήρα Σ.Ρ. διέγερσης σειράς φαίνεται στο σχήμα 2. Από το ισοδύναμο κύκλωμα και με εφαρμογή του 2 ου κανόνα του Kirchhoff προκύπτει η παρακάτω εξίσωση: (10.4) Όπου Ι Α είναι το ρεύμα του δρομέα, R a είναι η αντίσταση των τυλιγμάτων του δρομέα και R s είναι η αντίσταση του τυλίγματος διέγερσης σειράς. Το ρεύμα φορτίου του κινητήρα είναι ίσο με το ρεύμα της διέγερσης: (10.5) Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 77

3 RA Rfs Lfs ΙΑ = If Ea VT Σχήμα 2. Το ισοδύναμο κύκλωμα κινητήρα Σ.Ρ. διέγερσης σειράς. Εκκίνηση Κατά την εκκίνηση (n=0+), ο κινητήρας απορροφά ένα μεγάλο ρεύμα Ι Αεκ πολλαπλάσιο του ονομαστικού Ι ΑΝ. Υπολογιστικά το ρεύμα εκκίνησης Ι Αεκ προκύπτει αν επιλύσουμε σχέση 10.4 προς το ρεύμα του δρομέα: και θέσουμε Ε Α =0 καθώς ο δρομέας του κινητήρα δεν περιστρέφεται (n=0). Έτσι το ρεύμα εκκίνησης του κινητήρα θα είναι: Σε σχέση πάντως με τους κινητήρες ξένης και παράλληλης διέγερσης, ο κινητήρας Σ.Ρ. διέγερσης σειράς απορροφά λιγότερο ρεύμα κατά της εκκίνηση. 3. Χαρακτηριστική Ταχύτητας - Ροπής Η χαρακτηριστική ταχύτητας ροπής ενός κινητήρα Σ.Ρ. διέγερσης σειράς προκύπτει από την σχέση: σε συνδυασμό με τις σχέσεις , γράφεται : Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 78

4 Όπου Α είναι μια σταθερά ίση με: (10.10) Η γραφική παράσταση της εξίσωσης 10.9 είναι μια υπερβολική καμπύλη η οποία φαίνεται στο σχήμα 3. n (rpm) T (Nm) Σχήμα 3. Χαρακτηριστική ταχύτητας ροπής κινητήρα διέγερσης σειράς. Θα πρέπει να παρατηρήσουμε ότι ο κινητήρας Σ.Ρ. με διέγερση σειράς πρέπει πάντα να δουλεύει με φορτίο στον άξονά του. Στην αντίθετη περίπτωση (εκκίνηση χωρίς φορτίο ή αποσύνδεση φορτίου) υπάρχει κίνδυνος καταστροφής του από την υπερβολική αύξηση των στροφών, όπως φαίνεται και από την χαρακτηριστική ταχύτητας ροπής (σχήμα 3). Χωρίς φορτίο στον άξονά του ο κινητήρας απορροφά ένα μικρό ρεύμα το οποίο καθώς διαρρέει και το τύλιγμα διέγερσης σειράς δημιουργεί μία μικρή μαγνητική ροή, που προκαλεί αύξηση της ταχύτητας του κινητήρα. 4. Ρύθμιση Ταχύτητας Κινητήρα Σ.Ρ. διέγερσης σειράς Η ρύθμιση της ταχύτητας ενός κινητήρα Σ.Ρ. διέγερσης σειράς μπορεί να γίνει είτε με μεταβολή της τάσης τροφοδοσίας του κινητήρα είτε με μεταβολή του ρεύματος διέγερσης. Στην πρώτη περίπτωση η αύξηση της τάσης θα οδηγήσει σε αύξηση των στροφών του κινητήρα (και αντίστροφα) όπως προκύπτει και από την εξίσωση Για να ρυθμίσουμε το ρεύμα της διέγερσης τοποθετούμε παράλληλα στο τύλιγμα της διέγερσης έναν κατάλληλο ροοστάτη όπως φαίνεται και στο σχήμα 4. Με τον τρόπο ένα μέρος του ρεύματος φορτίου παρακάμπτει το τύλιγμα της Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 79

5 διέγερσης και περνά μέσα από τον ροοστάτη. Αύξηση της αντίστασης του ροοστάτη οδηγεί σε αύξηση του ρεύματος της διέγερσης και αντίστροφα. Στο σχήμα 5α φαίνεται η χαρακτηριστική ταχύτητας ροπής ενός κινητήρα Σ.Ρ. διέγερσης σειράς για διαφορετικές τιμές της τάσης τροφοδοσίας του κινητήρα ενώ στο σχήμα 5β φαίνεται η χαρακτηριστική ταχύτητας ροπής για διαφορετικές τιμές του ροοστάτη που συνδέουμε παράλληλα στο τύλιγμα διέγερσης. Iρ + Iφ Is B2 B1 A1 Ia M A2 - Σχήμα 4. Σύνδεση ροοστάτη στο τύλιγμα διέγερσης του κινητήρα για τον έλεγχο του ρεύματος διέγερσης. n (rpm) n (rpm) (α) (β) V3>V2>V1 R1>R2 (Ifσ1<Ifσ2) V3 V2 V1 R1 R2 T (Nm) T (Nm) Σχήμα 5. Επίδραση της τάσης τροφοδοσίας του κινητήρα (α) και της αντίστασης του ροοστάτη (β) στην χαρακτηριστική ταχύτητας ροπής. Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 80

6 5. Αλλαγή Φοράς Περιστροφής Η αλλαγή φοράς περιστροφής ενός κινητήρα Σ.Ρ. διέγερσης σειράς μπορεί να γίνει είτε με αλλαγή της φοράς του ρεύματος στο τύλιγμα του δρομέα, είτε με αλλαγή της φοράς του ρεύματος διέγερσης (αλλαγή της κατεύθυνσης του μαγνητικού πεδίου). Η κάθε αλλαγή έχει σαν αποτέλεσμα την αντιστροφή της φοράς της δύναμης Laplace που ασκείται στους αγωγούς οπότε αντιστρέφεται και η φορά της ροπής που ασκείται στο δρομέα και κατά συνέπεια αντιστρέφεται η φορά περιστροφής. Στην πράξη προτιμάται η αλλαγή φοράς περιστροφής με την αλλαγή της φοράς του ρεύματος τυμπάνου. Στα σχήματα 6 και 7 φαίνονται οι απαραίτητες αλλαγές στην συνδεσμολογία του κινητήρα για την αλλαγή της φοράς περιστροφής με τους δυο τρόπους που προαναφέρθηκαν. D1 D2 + Iφ Is B2 B1 A1 M A2 - D1 D2 B2 Iφ Is B1 A1 Ia M A2 Σχήμα 6. Αλλαγή φοράς περιστροφής κινητήρα Σ.Ρ. διέγερσης σειράς με αλλαγή της φοράς του ρεύματος τυμπάνου. Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 81

7 D1 D2 + Iφ Is B2 B1 A1 Ia M A2 - + Iφ D1 Is D2 B2 B1 A1 M A2 - Σχήμα 5. Αλλαγή φοράς περιστροφής κινητήρα Σ.Ρ. διέγερσης σειράς με αλλαγή της φοράς του ρεύματος διέγερσης. Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 82

8 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Α. ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗΣ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ ΡΟΠΗΣ ΚΙΝΗΤΗΡΑ Σ.Ρ. ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ ΣΕΙΡΑΣ Για την πραγματοποίηση της άσκησης θα υλοποιήσετε την παρακάτω συνδεσμολογία: Η τάση του δρομέα του κινητήρα θα ρυθμιστεί κατάλληλα, έτσι ώστε η ταχύτητα του κινητήρα να γίνει ίση με την ονομαστική ταχύτητα της γεννήτριας (το είδος της γεννήτριας, DC ή AC, θα καθοριστεί από τον διδάσκοντα). Φορτίστε σταδιακά την γεννήτρια μέχρι το ονομαστικό της ρεύμα. Το φορτίο της γεννήτριας θα είναι ωμικό. Συμπληρώστε τον πίνακα 1. Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 83

9 ΠΙΝΑΚΑΣ 1 ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ V T (V) I Φ (Α) Ι f (A) Ρηλ N (rpm) T (Nm) Ρμηχ Η=Ρμηχ/Ρηλ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ V φ (V) I Φ (A) P (W) Θεωρήστε κατά προσέγγιση ότι η μηχανική ισχύς του κινητήρα (ισχύς εξόδου) είναι ίση με την ηλεκτρική ισχύ που αποδίδει η γεννήτρια στο φορτίο. Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 84

10 Β. ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ Γ1. Σχεδιάστε σε κατάλληλη κλίμακα την χαρακτηριστική Τ=f(I Α ) του κινητήρα. Γ2. Σχεδιάστε σε κατάλληλη κλίμακα την χαρακτηριστική ταχύτητας ροπής του κινητήρα n=f(t). Γ3. Υπολογίστε την διακύμανση της ταχύτητας του κινητήρα για ονομαστικό φορτίο. Γ4. Σχεδιάστε την συνάρτηση Ρμηχ= f(i A ). Γ5. Σχεδιάστε την συνάρτηση η(%) = f(i A ). Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 85