ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ: 2 η

Transcript

1 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ: 2 η Τίτλος Άσκησης: ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΞΕΝΗΣ και ΠΑΡΑΛΛΗΛΗΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ «Λειτουργία Γεννήτριας Συνεχούς Ρεύματος Ξένης διέγερσης και σχεδίαση της χαρακτηριστικής φορτίου» «Λειτουργία Γεννήτριας Συνεχούς Ρεύματος Παράλληλης Διέγερσης και σχεδίαση της χαρακτηριστικής φορτίου» Σκοπός Ο πειραματικός προσδιορισμός της «χαρακτηριστικής φορτίου» της γεννήτριας ξένης διέγερσης Η κατανόηση του τρόπου λειτουργίας της μηχανής Συνεχούς Ρεύματος, ως γεννήτρια παράλληλης διέγερσης και του μηχανισμού ανάπτυξης τάσης στα άκρα της Η κατανόηση του μηχανισμού ανάπτυξης τάσης στα άκρα της γεννήτριας παράλληλης διέγερσης και ο ρόλος του μαγνητικού κορεσμού στην παραγόμενη τάση της γεννήτριας Ο πειραματικός προσδιορισμός της «χαρακτηριστικής φορτίου» της γεννήτριας παράλληλης διέγερσης Η κατανόηση της διαφοροποίησης της χαρακτηριστικής φορτίου της γεννήτριας ξένης διέγερσης με αυτή της γεννήτριας παράλληλης διέγερσης 1

2 2

3 Α. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ «Όταν λέμε χαρακτηριστική φορτίου μιας οποιασδήποτε γεννήτριας, εννοούμε πώς συμπεριφέρεται η τάση στην έξοδό της συναρτήσει του ρεύματος που απορροφά το ηλεκτρικό της φορτίο» ❶ ΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ ΞΕΝΗΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ Στις γεννήτριες ξένης διέγερσης το τύλιγμα διέγερσης δεν σχετίζεται με το τύλιγμα τυμπάνου και τροφοδοτείται από πηγή Συνεχούς Ρεύματος με τάση V F για τη δημιουργία του μαγνητικού πεδίου της γεννήτριας, που είναι απαραίτητο για τη λειτουργία της, όπως φαίνεται και στο επόμενο Σχήμα 2.1. Στάτης (με τύλιγμα διέγερσης) Συλλέκτης με τις ψήκτρες ηλεκτρικό φορτίο Ι F I I L V F V R LOAD Στάτης (με τύλιγμα διέγερσης) Δρομέας (με τύλιγμα τυμπάνου) Σχήμα 2.1 Στο επόμενο Σχήμα 2.2, που ακολουθεί, φαίνεται το ισοδύναμο κύκλωμα της παραπάνω γεννήτριας συνεχούς ρεύματος παράλληλης διέγερσης, με συνδεδεμένο το ηλεκτρικό της φορτίο (ωμική αντίσταση). I F I I L R F R ροοσ. R V F Ε V L F - - Ισοδύναμο κύκλωμα τυλίγματος διέγερσης (στάτης) Ισοδύναμο κύκλωμα τυλίγματος τυμπάνου (δρομέας) Σχήμα 2.2 3

4 Οι εξισώσεις για τη γεννήτρια ξένης διέγερσης, που προκύπτουν από το προηγούμενο ισοδύναμο κύκλωμα, είναι: V E R I (2.1) E k (2.2) I F V (2.3) R F F R. Όπως φαίνεται και από το ισοδύναμο κύκλωμα, το τύλιγμα διέγερσης τροφοδοτείται από ανεξάρτητη πηγή τάσης. Η «χαρακτηριστική φορτίου» της γεννήτριας ξένης διέγερσης, προκύπτει από τη σχέση 2.1 και εκφράζει τη μεταβολή της τάσης εξόδου της γεννήτριας V συναρτήσει του ρεύματος φορτίου της Ι L. Αυτή η χαρακτηριστική φαίνεται στο επόμενο Σχήμα 2.3. Θα πρέπει να παρατηρήσουμε ότι κατά τη διάρκεια αύξησης του φορτίου της γεννήτριας ξένης διέγερσης, αν η γεννήτρια διαθέτει τύλιγμα αντιστάθμισης, η εσωτερική της τάση Ε, παραμένει σταθερή, και επομένως η μεταβολή της τάσης εξόδου της γεννήτριας συναρτήσει του ρεύματος του φορτίου είναι γραμμική, όπως φαίνεται και στο Σχήμα 2.3. Αν όμως η γεννήτρια δεν διαθέτει τύλιγμα αντιστάθμισης, από κάποιο σημείο και έπειτα η εσωτερική της τάση Ε Τ, μειώνεται. Αυτό συμβαίνει γιατί η μαγνητική ροή, λόγω του φαινομένου της αντίδρασης του τυλίγματος τυμπάνου μειώνεται, με αποτέλεσμα και η εσωτερική της τάση να μειώνεται, γεγονός που αναγκάζει την τάση στην έξοδο της γεννήτριας να μην μεταβάλλεται γραμμικά (σχέση 2.1) συναρτήσει του ρεύματος του φορτίου (Σχήμα 2.3). V (V) Ε Χαρακτηριστική με τύλιγμα αντιστάθμισης Χαρακτηριστική χωρίς τύλιγμα αντιστάθμισης I L (Α) Σχήμα 2.3 4

5 ❷ ΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ ΠΑΡΑΛΛΗΛΗΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ Στις γεννήτριες παράλληλης διέγερσης τα τυλίγματα διέγερσης και τυμπάνου συνδέονται μεταξύ τους παράλληλα και έτσι το μαγνητικό πεδίο της γεννήτριας δημιουργείται από την ίδια την τάση που παράγει η γεννήτρια, δηλαδή για τη διέγερση της γεννήτριας δεν χρησιμοποιούμε ανεξάρτητη πηγή τροφοδοσίας, όπως φαίνεται και στο επόμενο Σχήμα 2.4, όπου στην έξοδο της γεννήτριας υπάρχει και ένα ηλεκτρικό φορτίο συνδεδεμένο. Στάτης (με τύλιγμα διέγερσης) Συλλέκτης με τις ψήκτρες I F ηλεκτρικό φορτίο Ι F I I L V F = V V R LOAD Στάτης (με τύλιγμα διέγερσης) Δρομέας (με τύλιγμα τυμπάνου) Σχήμα 2.4 Στο επόμενο Σχήμα 2.5, που ακολουθεί, φαίνεται το ισοδύναμο κύκλωμα της παραπάνω γεννήτριας συνεχούς ρεύματος παράλληλης διέγερσης, με συνδεδεμένο το ηλεκτρικό της φορτίο (ωμική αντίσταση). I I L R I F - Ε R F L F V R LOAD Ισοδύναμο κύκλωμα τυλίγματος διέγερσης και τυμπάνου (στάτης δρομέας) - Σχήμα 2.5 Οι εξισώσεις για τη γεννήτρια παράλληλης διέγερσης που προκύπτουν από το προηγούμενο ισοδύναμο κύκλωμα, είναι: 5

6 I V I I (2.4) L F E R I (2.5) E k (2.6) I F V ( VF V ) (2.7) R F Όπως φαίνεται και από το ισοδύναμο κύκλωμα, το τύλιγμα διέγερσης τροφοδοτείται από την τάση που παράγει η γεννήτρια. Το ερώτημα για τη γεννήτρια παράλληλης διέγερσης είναι: πώς θα αναπτυχθεί η αρχική τάση στα άκρα της (αυτοδιέγερση γεννήτριας), αφού το τύλιγμα διέγερσής της δεν τροφοδοτείται ακόμα με τάση;. Η απάντηση βρίσκεται στο γεγονός ότι λόγω του παραμένοντος μαγνητισμού στους πόλους της γεννήτριας (σιδηρομαγνητικό υλικό), υπάρχει μια αρχική μαγνητική ροή η οποία, όταν περιστρέφεται η μηχανή με γωνιακή ω (ή στροφές n, ω=2πn), παράγει μια μικρή εσωτερική τάση: E ή k. Επομένως και στην έξοδο της γεννήτριας θα υπάρχει μια V αρχικκή τάση, σύμφωνα με την παραπάνω σχέση 2.6 (υπάρχει μια διαφοροποίηση μεταξύ των δύο τάσεων λόγω της αντίστασης του τυλίγματος τυμπάνου): V ή E ή R I ό Αυτή η τάση V αρχικκή θα είναι και τάση διέγερσης, αφού τα τυλίγματα τυμπάνου και διέγερσης είναι παράλληλα συνδεδεμένα. Έτσι θα έχουμε ένα μικρό ρεύμα διέγερσης Ι F1, το οποίο θα προκαλέσει μια αύξηση της μαγνητικής ροής φ 1 (φ 1 > φ παρ. ), με αποτέλεσμα να έχουμε και αύξηση της εσωτερικής τάσης της γεννήτριας: E 1 k 1 Επομένως και στην έξοδο της γεννήτριας θα υπάρχει μια V 1 τάση, σύμφωνα με την παραπάνω σχέση 2.5: V E R I Η νέα αύξηση της τάσης στην έξοδο της γεννήτριας θα προκαλέσει επίσης και νέα αύξηση του ρεύματος διέγερσης της γεννήτριας και επομένως περαιτέρω αύξηση της τάσης εξόδου της γεννήτριας και ούτω καθεξής. 6

7 Το φαινόμενο του μαγνητικού κορεσμού της γεννήτριας είναι σημαντικό στην αυτοδιέγερσής της, μιας και περιορίζει τη μεγάλη αύξηση της τάσης στα άκρα της γεννήτριας, λόγω της αύξησης του ρεύματος διέγερσής της. Η «χαρακτηριστική φορτίου» της γεννήτριας παράλληλης διέγερσης, προκύπτει από την προηγούμενη σχέση 2.5 και εκφράζει τη μεταβολή της τάσης εξόδου της γεννήτριας V συναρτήσει του ρεύματος φορτίου της Ι L. Αυτή η χαρακτηριστική φαίνεται στο επόμενο Σχήμα 2.6. Θα πρέπει να παρατηρήσουμε ότι κατά τη διάρκεια αύξησης του φορτίου της γεννήτριας παράλληλης διέγερσης, η εσωτερική της τάση Ε δεν παραμένει σταθερή, αλλά από κάποιο σημείο και έπειτα μειώνεται (πέρα από τη μείωσή της λόγω αντίδρασης του τυλίγματος τυμπάνου αν δεν έχει τύλιγμα αντιστάθμισης). Αυτό συμβαίνει γιατί με την αύξηση του ρεύματος φορτίου Ι L η τάση εξόδου της γεννήτριας V ελαττώνεται με αποτέλεσμα και το ρεύμα διέγερσης να ελαττώνεται (σχέση 2.7) και κατά συνέπεια και η εσωτερική της τάση Ε. Γι αυτό και η χαρακτηριστική φορτίου της γεννήτριας παράλληλης διέγερσης, (Σχήμα 2.6), δεν είναι γραμμική αλλά από κάποιο σημείο και ύστερα έχουμε μεγαλύτερη μείωση της τάσης εξόδου V, αφού και η εσωτερική της τάση Ε μικραίνει. V Χαρακτηριστική για: σταθερή τάση διέγερσης και με τύλιγμα αντιστάθμισης Χαρακτηριστική για: όχι σταθερή τάση διέγερσης και με τύλιγμα αντιστάθμισης Χαρακτηριστική για: όχι σταθερή τάση διέγερσης και χωρίς τύλιγμα αντιστάθμισης I L Σχήμα 2.6 7

8 Β. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟΣ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ Για την επίτευξη της εργαστηριακής άσκησης απαιτείται ο παρακάτω εξοπλισμός: ΜΟΝΟΦΑΣΙΚΟΣ ΑΣΥΓΧΡΟΝΟΣ ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ 1phase squirrel cage αsynchron.motor ype DL 1028 n ο Supply voltage 220 V Rated current 7,6 A Rated power 1 KW Rated speed 2650 G/1 Rated exc. current 0,67 A Frequency 50 Hz cosφ 0,8 Insulation class E ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ D.C. Generator exc. ype DL 1024 n ο Rated voltage 220 V Rated current 3,4 A Rated power 0,75 KW Rated speed 2820 G/1 Rated exc.current 0,45 Insulationclass E ΤΡΟΦΟΔΟΤΙΚΟ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ (D.C.) Τροφοδοτικό Συνεχούς Ρεύματος (D.C.) Τάσης Εξόδου Μεταβλητή VDC / 10 Α ΟΡΓΑΝΑ ΜΕΤΡΗΣΗΣ Δύο (1), (2) Αναλογικό Αμπερόμετρο DC CONEL - AM A Ένα (1) Αναλογικό Βολτόμετρο DC CONEL AB V 8

9 Ένα (1) Ψηφιακό Στροφόμετρο Autonics - MP5W ΜΕΤΑΒΛΗΤΗ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ ΚΙΝΗΤΗΡΑ ΡΟΟΣΤΑΤΗΣ Nr Αντίσταση 900 Ω Ένταση 0,8 Α ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ ΜΕΤΑΒΛΗΤΟ ΩΜΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ Με διακόπτη δέκα (10) θέσεων από 0,2 2 Α Αγωγοί σύνδεσης 9

10 ❶ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΞΕΝΗΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ Σχεδιασμός κυκλώματος Ι Μεταβλητό φορτίο (ωμική αντίσταση) Πειραματική διάταξη A Ι Μεταβλητό φορτίο (ωμική αντίσταση) 10

11 Σύντομη περιγραφή πειράματος Πραγματοποιείται η συνδεσμολογία του παραπάνω κυκλώματος. Το κινητό μέρος του κινητήρα συνδέεται μηχανικά με το κινητό μέρος της γεννήτριας για μετάδοση της κίνησης. Στα άκρα Ε1 Ε2 του τυλίγματος ξένης ή παράλληλης διέγερσης της μηχανής Συνεχούς Ρεύματος, συνδέονται το τροφοδοτικό VDC/10Α και σε σειρά το αναλογικό αμπερόμετρο (1) DC 0 6 A. Στα άκρα Α1 Β2 του τυλίγματος τυμπάνου της γεννήτριας Συνεχούς Ρεύματος, συνδέεται το ηλεκτρικό φορτίο (ωμικό φορτίο) και σε σειρά το αναλογικό αμπερόμετρο (2) DC 0 6 A. Στα ίδια άκρα Α1 Β2, συνδέεται παράλληλα το αναλογικό βολτόμετρο DC V και τέλος στον άξονα του μονοφασικού ασύγχρονου κινητήρα συνδέεται το στροφόμετρο. Στη συνέχεια ρυθμίζεται η ταχύτητα του κινητήρα, έτσι ώστε οι στροφές του να είναι ίσες με τις ονομαστικές στροφές (n N = 2820 rpm) της γεννήτριας. Έπειτα ρυθμίζεται το ρεύμα διέγερσης (I F ) (και επομένως η μαγνητική ροή), ώστε η τάση εξόδου (V ) της γεννήτριας να είναι ίση με την ονομαστική τιμή της. Αρχικά ρυθμίζεται η τιμή της αντίστασης του ηλεκτρικού φορτίου της γεννήτριας στο μέγιστο (ελάχιστο φορτίο) και ακολούθως μεταβάλλεται η τιμή του, σε οκτώ (8) διαφορετικές θέσεις (8 διαφορετικές τιμές φορτίου). Καταγράφονται, στον πίνακα «μετρήσεων», οι μετρήσεις της τάσης εξόδου (V ) του αναλογικού βολτομέτρου και των ρευμάτων φορτίου (I L ) του αναλογικού αμπερομέτρου. Στη συνέχεια διακόπτεται η τροφοδοσία και αποσυνδέεται το κύκλωμα. Καταγραφή μετρήσεων ΠΙΝΑΚΑΣ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΦΟΡΤΙΣΗΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΞΕΝΗΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΠΕΡΙΣΤΡΟΦΗΣ ΤΟΥ ΔΡΟΜΕΑ n = 2820 r.p.m. ( σταθερή) Α/Α ΤΑΣΗ ΕΞΟΔΟΥ V Τ (V) ΡΕΥΜΑ ΦΟΡΤΙΟΥ I L (A) 1 η 2 η 3 η 4 η 5 η 6 η 7 η 8 η Τέλος, με τις καταγεγραμμένες μετρήσεις τάσεων (V ) και ρευμάτων (I L ), πραγματοποιείται : η χάραξη της Χαρακτηριστικής Φορτίου Γεννήτριας Ξένης Διέγερσης 11

12 ❷ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΠΑΡΑΛΛΗΛΗΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ Σχεδιασμός κυκλώματος Πειραματική διάταξη 12

13 Σύντομη περιγραφή πειράματος Πραγματοποιείται η συνδεσμολογία του παραπάνω κυκλώματος. Το κινητό μέρος του κινητήρα συνδέεται μηχανικά με το κινητό μέρος της γεννήτριας για μετάδοση της κίνησης. Το άκρο Β2 του τυλίγματος τυμπάνου συνδέεται με το άκρο Ε2 του παράλληλου τυλίγματος. Στα άκρα Α1 Β2 του τυλίγματος τυμπάνου της γεννήτριας Συνεχούς Ρεύματος, συνδέεται το ηλεκτρικό φορτίο (ωμικό φορτίο) και σε σειρά το αναλογικό αμπερόμετρο (1) DC 0 6 A. Επίσης στο άκρο Α1 του τυλίγματος τυμπάνου και στο άκρο Ε1 του παράλληλου τυλίγματος, συνδέεται η μεταβλητή αντίσταση διέγερσης κινητήρα 900 Ω/0,8Α (ροοστάτης) και σε σειρά το αναλογικό αμπερόμετρο (2) DC 0 6 A. Στα άκρα Α1 Β2, συνδέεται παράλληλα το αναλογικό βολτόμετρο DC V και τέλος στον άξονα του μονοφασικού ασύγχρονου κινητήρα συνδέεται το στροφόμετρο. Στη συνέχεια αυτοδιεγείρεται η γεννήτρια και ρυθμίζεται η ταχύτητα του κινητήρα, έτσι ώστε οι στροφές του να είναι ίσες με τις ονομαστικές στροφές (n N = 2820 rpm) της γεννήτριας. Με τη χρήση του ροοστάτη, μεταβάλλεται η τιμή της αντίστασης (R δ ), έτσι ώστε το ρεύμα διέγερσης (I F ) (και κατά συνέπεια η μαγνητική ροή), ώστε η τάση εξόδου (V ) της γεννήτριας να είναι ίση με την ονομαστική τιμή της. Αρχικά ρυθμίζεται η τιμή της αντίστασης του ηλεκτρικού φορτίου της γεννήτριας στο μέγιστο (έλάχιστο φορτίο) και ακολούθως μεταβάλλεται η τιμή του, σε οκτώ (8) διαφορετικές θέσεις (οκτώ διαφορετικά φορτία). Καταγράφονται, στον πίνακα «μετρήσεων», οι μετρήσεις της τάσης εξόδου (V ) και των ρευμάτων φορτίου (I L ) και διέγερσης (I F ) και στη συνέχεια διακόπτεται η τροφοδοσία και αποσυνδέεται το κύκλωμα. Καταγραφή μετρήσεων ΠΙΝΑΚΑΣ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΦΟΡΤΙΣΗΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΠΑΡΑΛΛΗΛΗΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΠΕΡΙΣΤΡΟΦΗΣ ΤΟΥ ΔΡΟΜΕΑ n = 2820 r.p.m. ( σταθερή) Α/Α ΤΑΣΗ ΕΞΟΔΟΥ V Τ (V) ΡΕΥΜΑ ΦΟΡΤΙΟΥ I L (A) ΡΕΥΜΑ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ I F (A) 1 η 2 η 3 η 4 η 5 η 6 η 7 η 8 η Τέλος, με τις καταγεγραμμένες μετρήσεις τάσεων (V ) και ρευμάτων (I L ), πραγματοποιείται: η χάραξη της Χαρακτηριστικής Φορτίου Γεννήτριας Παράλληλης Διέγερσης η χάραξη της σχέσης ρεύματος διέγερσης Ι F τάσης εξόδου V της γεννήτριας 13