ΑΣΚΗΣΗ 2 η ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΑΥΤΟΝΟΜΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΣΥΓΧΡΟΝΗΣ ΤΡΙΦΑΣΙΚΗΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΜΕ ΦΟΡΤΙΟ

Transcript

1 ΑΣΚΗΣΗ 2 η ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΑΥΤΟΝΟΜΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΣΥΓΧΡΟΝΗΣ ΤΡΙΦΑΣΙΚΗΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΜΕ ΦΟΡΤΙΟ Σκοπός της άσκησης: Σκοπός της άσκησης είναι η μελέτη των χαρακτηριστικών λειτουργίας μιας σύγχρονης γεννήτριας υπό φορτίο. 1. Γενικά Όταν στην έξοδο της γεννήτριας συνδεθεί ένα φορτίο τότε η τάση εξόδου της γεννήτριας μεταβάλλεται σε σχέση με την τάση χωρίς φορτίο. Ο λόγος: (2.1) ονομάζεται διακύμανση τάσης. Στη παραπάνω σχέση V NL είναι η τάση της γεννήτριας χωρίς φορτίο και V FL είναι η τάση της γεννήτριας υπό πλήρες φορτίο. Η διακύμανση της τάσης εξαρτάται από την τιμή και την φύση του φορτίου. Όσο μεγαλύτερο είναι το φορτίο τόσο μεγαλύτερη είναι η διακύμανση της τάσης. Όταν το φορτίο είναι ωμικό (cosφ=1) η τάση υπό φορτίο θα είναι μικρότερη της τάσης εν κενό (πτώση τάσης). Το ίδιο συμβαίνει στην περίπτωση επαγωγικού φορτίου, μόνο που η πτώση τάσης είναι μεγαλύτερη σε σχέση με το ωμικό. Αντίθετα, στην περίπτωση χωρητικού φορτίου έχουμε ανύψωση τάσης. Η διακύμανση της τάσης οφείλεται στην πτώση τάσης στην ωμική αντίσταση και επαγωγική αντίδραση των τυλιγμάτων του στάτη, όπως φαίνεται και στο ισοδύναμο κύκλωμα του σχήματος 1. Rs jxs Vf Rf Lf Ea Is Vφ Σχήμα 1. Ισοδύναμο κύκλωμα σύγχρονης γεννήτριας με φορτίο. 1

2 Από την εφαρμογή του 2 ου κανόνα του Kirchhoff προκύπτει ότι η τάση εξόδου της γεννήτριας θα είναι ίση με: (2.2) Δεδομένου ότι η Ε Α είναι ίση με την τάση χωρίς φορτίο, η διακύμανση τάσης θα δίνεται από την σχέση: (2.3) Στα σχήματα 2 α, 2β, 2γ, φαίνονται τα διανυσματικά διαγράμματα τάσεων ρεύματος όπως προκύπτει από την σχέση 2.2 για τα τρία διαφορετικά φορτία, ωμικό, επαγωγικά και χωρητικό. Με σταθερή ταχύτητα και ρεύμα διέγερσης η Ε Α είναι δεδομένη, οπότε από τα διανυσματικά διαγράμματα φαίνεται η πτώση τάσης στην περίπτωση του ωμικού και επαγωγικού φορτίου (V Φ <Ε Α ) και η ανύψωση τάσης στην περίπτωση του χωρητικού φορτίου (V Φ >Ε Α ).. Σχήμα 2. Διανυσματικά διαγράμματα τάσεων ρεύματος για: Α. Ωμικό φορτίο, Β. Επαγωγικό φορτίο, Γ. Χωρητικό φορτίο. B. Γ. 2

3 Στην πράξη απαίτηση είναι η τάση εξόδου της γεννήτριας να είναι σταθερή, ανεξάρτητα από τις μεταβολές του φορτίου. Αυτό επιτυγχάνεται με την ρύθμιση της τάσης Ε Α που αναπτύσσεται στα τυλίγματα του στάτη της. Ως γνωστόν η τάση αυτή εξαρτάται από την ταχύτητα περιστροφής της γεννήτριας και την μαγνητική ροή στο εσωτερικό της μηχανής. Με δεδομένο ότι η ταχύτητα της γεννήτριας είναι σταθερή (για να είναι σταθερή και η συχνότητα), ο μόνος τρόπος ελέγχου της Ε Α άρα και της τάσης εξόδου της γεννήτριας είναι το ρεύμα διέγερσης. 3

4 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Α. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗ ΦΟΡΤΙΟΥ ΩΜΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ 1. Πραγματοποιήστε την συνδεσμολογία του κυκλώματος σύμφωνα με το παρακάτω σχέδιο. Ο στάτης της γεννήτριας να συνδεθεί σε αστέρα. Στάτης M V Διέγερση 2. Εκκινήστε την κινητήρια μηχανή και ρυθμίστε τις στροφές της στον ονομαστικό (σύγχρονο) αριθμό στροφών της γεννήτριας. Ο αριθμός στροφών θα πρέπει να παραμείνει σταθερός για όλη την διάρκεια του πειράματος. 3. Ρυθμίστε την εν κενώ τάση της γεννήτριας στην ονομαστική της τιμή μέσω του ρεύματος διέγερσης. Το ρεύμα διέγερσης θα παραμείνει σταθερό κατά την διάρκεια του πειράματος. 4. Φορτίστε σταδιακά την γεννήτρια. Μεταβάλλοντας το φορτίο, μεταβάλλετε το ρεύμα εξόδου της γεννήτριας από το μηδέν μέχρι την ονομαστική τιμή. Σε κάθε μεταβολή του φορτίου είναι απαραίτητο να ρυθμίζεται τις στροφές του κινητήρα (αν είναι αυτό δυνατό) ώστε να παραμένουν σταθερές και ίσες με τις αρχικές. 5. Καταγράψτε στον πίνακα 1 τα αποτελέσματα των μετρήσεων. 4

5 ΠΙΝΑΚΑΣ 1 Τάση εξόδου U [V] Φορτίου I Φ [] Ισχύς Εξόδου S [V} Διέγερσης I f [] N [rpm] Β. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗ ΦΟΡΤΙΣΗΣ ΕΠΑΓΩΓΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ με συνφ=0,8 1. Πραγματοποιήστε την συνδεσμολογία του κυκλώματος σύμφωνα με το παρακάτω σχέδιο. Ο στάτης της γεννήτριας να συνδεθεί σε αστέρα. Στάτης M V Διέγερση 2. Εκκινήστε την κινητήρια μηχανή και ρυθμίστε τις στροφές της στον ονομαστικό (σύγχρονο) αριθμό στροφών της γεννήτριας. 3. Ρυθμίστε την εν κενώ τάση της γεννήτριας στην ονομαστική της τιμή μέσω του ρεύματος διέγερσης. Το ρεύμα διέγερσης θα παραμείνει σταθερό κατά την διάρκεια του πειράματος. 4. Φορτίστε σταδιακά την γεννήτρια. Μεταβάλλοντας το φορτίο, μεταβάλλετε το ρεύμα εξόδου της γεννήτριας από το μηδέν μέχρι την ονομαστική τιμή. 5

6 Κρατήστε τον συντελεστή ισχύος του φορτίου σταθερό σε όλη την διάρκεια του πειράματος. Σε κάθε μεταβολή του φορτίου είναι απαραίτητο να ρυθμίζεται τις στροφές του κινητήρα (αν είναι αυτό δυνατό) ώστε να παραμένουν σταθερές και ίσες με τις αρχικές. 5. Καταγράψτε στον πίνακα 2 τα αποτελέσματα των μετρήσεων. Τάση εξόδου U [V] Φορτίου I Φ [] Ωμικού Φορτίου I R [] Επαγωγικού Φορτίου I L [] Φαινόμενη Ισχύς S [V] Πραγματική Ισχύς P [W] Διέγερσης I f [] N [rpm] ΠΙΝΑΚΑΣ 2 6

7 Β. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗ ΦΟΡΤΙΣΗΣ ΧΩΡΗΤΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ με συνφ=0,8 1. Πραγματοποιήστε την συνδεσμολογία του κυκλώματος σύμφωνα με το παρακάτω σχέδιο. Ο στάτης της γεννήτριας να συνδεθεί σε αστέρα. Στάτης M V Διέγερση 2. Εκκινήστε την κινητήρια μηχανή και ρυθμίστε τις στροφές της στον ονομαστικό αριθμό στροφών της γεννήτριας. 3. Ρυθμίστε την εν κενώ τάση της γεννήτριας στην ονομαστική της τιμή μέσω του ρεύματος διέγερσης. Το ρεύμα διέγερσης θα παραμείνει σταθερό κατά την διάρκεια του πειράματος. 4. Φορτίστε σταδιακά την γεννήτρια. Μεταβάλλοντας το φορτίο, μεταβάλλετε το ρεύμα εξόδου της γεννήτριας από το μηδέν μέχρι την ονομαστική τιμή. Κρατήστε τον συντελεστή ισχύος του φορτίου σταθερό σε όλη την διάρκεια του πειράματος. Σε κάθε μεταβολή του φορτίου είναι απαραίτητο να ρυθμίζεται τις στροφές του κινητήρα (αν είναι αυτό δυνατό) ώστε να παραμένουν σταθερές και ίσες με τις αρχικές. 5. Καταγράψτε στον πίνακα 3 τα αποτελέσματα των μετρήσεων. 7

8 ΠΙΝΑΚΑΣ 3 Τάση εξόδου U [V] Φορτίου I Φ [] Ωμικού Φορτίου I R [] Επαγωγικού Φορτίου I L [] Φαινόμενη Ισχύς S [V] Πραγματική Ισχύς P [W] Διέγερσης I f [] N [rpm] ΕΡΓΑΣΙΑ 1. Να σχεδιάσετε στο ίδιο σύστημα αξόνων τις χαρακτηριστικές φόρτισης που παριστάνουν την μεταβολή της τάσης εξόδου της γεννήτριας σε συνάρτηση με το ρεύμα φορτίου για τα τρία είδη φορτίου. 2. Να υπολογιστεί η επί τοις εκατό (%) μεταβολή της τάσης εξόδου (διακύμανση τάσης) για τα τρία είδη φορτίου στην ονομαστική φόρτιση. 3. Να σχεδιάσετε (με κατάλληλη κλίμακα) τα διανυσματικά διαγράμματα τάσεων-ρευμάτων για τα τρία είδη φορτίου στην ονομαστική φόρτιση. 8