Γεννήτρια συνεχούς ρεύματος ξένης διέγερσης

Transcript

1 ΑΣΚΗΣΗ 5 Γεννήτρια συνεχούς ρεύματος ξένης διέγερσης 1

2 Α. Θεωρητικές επεξηγήσεις: Μια ηλεκτρική μηχανή συνεχούς ρεύματος παράγει τάση συνεχούς μορφής όταν χρησιμοποιείται ως γεννήτρια, ενώ ένας κινητήρας συνεχούς ρεύματος πρέπει να τροφοδοτηθεί από πηγή συνεχούς τάσης. Η κατασκευή των μηχανών συνεχούς ρεύματος προηγήθηκε των μηχανών εναλλασσομένου ρεύματος, καθώς οι ερευνητές τον 19 ο αιώνα προσπαθούσαν να κατασκευάσουν μια μηχανή, η οποία να παράγει συνεχές ρεύμα όπως οι συσσωρευτές. Μια μηχανή συνεχούς ρεύματος, όπως και κάθε ηλεκτρική μηχανή, αποτελείται από το στρεφόμενο τμήμα, το οποίο ονομάζεται δρομέας και το ακίνητο τμήμα που ονομάζεται στάτης. Ο δρομέας των μηχανών σ.ρ. αποτελείται από τον άξονα, στον οποίο στηρίζεται μια κυλινδρική δομή από ελάσματα μονωμένα μεταξύ τους, η οποία ονομάζεται οπλισμός ή επαγωγικό τύμπανο, το συλλέκτη και τον ανεμιστήρα. Ο στάτης της πραγματικής μηχανής σ.ρ. αποτελείται από το κέλυφος, το ζύγωμα, τους κύριους και τους βοηθητικούς πόλους και το ψηκτροφορέα με τις ψήκτρες. Ακόμη, στο στάτη υπάρχουν το τύλιγμα διέγερσης, το τύλιγμα των βοηθητικών πόλων και το τύλιγμα αντιστάθμισης. Η πλήρης σχηματική δομή μιας τετραπολικής μηχανής σ.ρ. φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: 2

3 Το κέλυφος είναι το εξωτερικό περίβλημα της μηχανής, το οποίο στο κάτω τμήμα του είναι κατάλληλα διαμορφωμένο ώστε να αποτελεί τη βάση στήριξης της μηχανής. Το ζύγωμα, με κυλινδρικό σχήμα, αποτελεί τον κορμό της μηχανής. Πάνω στο ζύγωμα τοποθετούνται οι μαγνητικοί πόλοι. Οι κύριοι πόλοι αποτελούνται από τον πυρήνα και το πέδιλο. Πέδιλο ονομάζεται το ειδικά διαμορφωμένο άκρο των πόλων στην πλευρά του δρομέα, το οποίο έχει ως σκοπό τη δημιουργία ομοιόμορφου πεδίου στο διάκενο, μεταξύ των πόλων και της επιφάνειας του δρομέα. Οι κύριοι πόλοι κατασκευάζονται αποκλειστικά από ελάσματα για τη μείωση των 3

4 απωλειών από τα δινορεύματα. Στους κύριους πόλους τυλίγονται τα πηνία του τυλίγματος διέγερσης. Το τύλιγμα διέγερσης διαρρέετε από συνεχές ρεύμα προκαλώντας το κύριο μαγνητικό πεδίο της μηχανής. Οι βοηθητικοί πόλοι τοποθετούνται μεταξύ των κύριων πόλων ενώ το τύλιγμα αντιστάθμισης τοποθετείται στα πέδιλα των κύριων πόλων. Οι ψήκτρες είναι κατασκευασμένες από άνθρακα ή από μίγμα άνθρακα και γραφίτη, είναι τοποθετημένες μέσα στις ψηκτροθήκες και πιέζονται στο συλλέκτη από ελατήρια που βρίσκονται στις ψηκτροθήκες. Μια ηλεκτρική μηχανή σ.ρ. χρησιμοποιείται ως γεννήτρια όταν ο άξονάς της στρέφεται από μια κινητήρια μηχανή που μπορεί να είναι ένας ατμοστρόβιλος, ένας ντηζελοκινητήρας, ή ένας ηλεκτροκινητήρας. Για να παράγει η γεννήτρια ηλεκτρεγερτική δύναμη πρέπει ο δρομέας της να στραφεί μέσα στο μαγνητικό πεδίο του στάτη. Το μαγνητικό πεδίο του στάτη παράγεται τροφοδοτώντας το τύλιγμα διέγερσης της μηχανής με το συνεχές ρεύμα διέγερσης. Ανάλογα με την προέλευση του ρεύματος της διέγερσης οι γεννήτριες διακρίνονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες: Μηχανές με ξένη διέγερση και Μηχανές με αυτοδιέγερση. Στις μηχανές με ξένη διέγερση το ρεύμα της διέγερσης παρέχεται από μια ξεχωριστή πηγή συνεχούς τάσης. Στις μηχανές με αυτοδιέγερση το ρεύμα της διέγερσης παρέχεται από την ίδια την γεννήτρια και διακρίνονται σε τέσσερεις κατηγορίες ανάλογα με τον τρόπο σύνδεσης του τυλίγματος διέγερσης με το τύλιγμα του δρομέα σε: α) 4

5 Μηχανές παράλληλης διέγερσης β)μηχανές με διέγερση σειράς γ) Μηχανές με αθροιστική σύνθετη διέγερση και δ) Μηχανές με διαφορική σύνθετη διέγερση. Στις γεννήτριες ξένης διέγερσης το τύλιγμα της διέγερσης τροφοδοτείται από μια ξεχωριστή πηγή συνεχούς τάσης, έτσι υπάρχει η δυνατότητα ακριβούς ρύθμισης του ρεύματος διέγερσης και της μαγνητικής ροής του κύριου πεδίου, με αποτέλεσμα την εξαιρετική ρύθμιση της τάσης εξόδου της γεννήτριας. Το ισοδύναμο κύκλωμα της γεννήτριας φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: Αν αλλάξουμε τη φορά του ρεύματος διέγερσης σε μια γεννήτρια με ξένη διέγερση, η πολικότητα της μηχανής αλλάζει (δηλαδή οι θετικές ψήκτρες γίνονται αρνητικές και οι αρνητικές γίνονται θετικές). Το ίδιο αποτέλεσμα έχει και η αλλαγή της φοράς περιστροφής του επαγωγικού τυμπάνου της μηχανής. Αν όμως αλλάξουμε και τη φορά του ρεύματος διέγερσης και τη φορά περιστροφής, η πολικότητα της μηχανής δεν αλλάζει. 5

6 Για να λειτουργεί μια γεννήτρια Σ.Ρ ξένης διέγερσης χωρίς φορτίο, πρέπει: α) το επαγωγικό της τύμπανο να περιστρέφεται με την ονομαστική ταχύτητα περιστροφής, με τη βοήθεια της κινητήριας μηχανής, β) να τροφοδοτείται με το ηλεκτρικό ρεύμα (συνεχές) το τύλιγμα διέγερσης της και γ) να μην τροφοδοτεί κάποιο φορτίο. Στην περίπτωση αυτή το βολτόμετρο δείχνει την τάση λειτουργίας χωρίς φορτίο U0 που είναι ίση με την ΗΕΔ που αναπτύσσεται στο επαγωγικό τύμπανο U0=E, το αμπερόμετρο δεν δείχνει ένδειξη γιατί το ηλεκτρικό κύκλωμα τροφοδοσίας των φορτίων είναι ανοιχτό I=0 και το αμπερόμετρο στο κύκλωμα της διέγερσης δείχνει ένδειξη που αναφέρεται στην ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος της διέγερσης της γεννήτριας που ορίζει ο κατασκευαστής. Σε όλες τις γεννήτριες σ.ρ. ορίζεται η χαρακτηριστική κενού ή καμπύλη μαγνήτισης της μηχανής όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: 6

7 σχήμα: και η χαρακτηριστική φορτίου όπως φαίνεται στο παρακάτω 7

8 Β. Πορεία εκτέλεσης της άσκησης: Σκοπός: Μετά την πραγματοποίηση αυτής της άσκησης ο φοιτητής θα μπορεί να: πραγματοποιεί την συνδεσμολογία για την λήψη μετρήσεων σε γεννήτριες Σ.Ρ. ξένης διέγερσης με την κινητήρια μηχανή σύμφωνα με το παρακάτω διάγραμμα. καταγράφει σε πίνακες τις μεταβαλλόμενες τιμές της τάσης λειτουργίας χωρίς φορτίο U 0 της γεννήτριας είτε ρυθμίζοντας το ρεύμα διέγερσης I E σε ονομαστικές στροφές είτε μεταβάλλοντας την ταχύτητα περιστροφής της κινητήριας μηχανής, ενώ το ρεύμα διέγερσης παραμένει σταθερό και ίσο με την ονομαστική του τιμή I EN. μπορεί να χαράζει και να αξιολογεί τις χαρακτηριστικές U f I με σταθερές στροφές και U f n 0 E 0 με ρεύμα διέγερσης σταθερό και ίσο με την ονομαστική του τιμή. απαντά σε σύνθετες ερωτήσεις. Πορεία εκτέλεσης της εργαστηριακής άσκησης: 1. Καταγράψτε τα στοιχεία των οργάνων και συσκευών που θα χρησιμοποιηθούν κατά την διεξαγωγή της άσκησης. 2. Πραγματοποιήστε την συνδεσμολογία για την λήψη μετρήσεων στην γεννήτρια Σ.Ρ. ξένης διέγερσης σύμφωνα με το παρακάτω διάγραμμα. 8

9 V A V Μεταβλητό Τροφοδοτικο Σ.Ρ Ε1 Α1 Β2 Ε2 n Ε1 Α1 Β2 Ε2 Μεταβλητό Τροφοδοτικο Σ.Ρ A 3. Ελέγξτε την ορθότητα της συνδεσμολογίας και τοποθετήστε τον στρόφαλο του ρυθμιζόμενου τροφοδοτικού της κινητήριας μηχανής της γεννήτριας στην θέση «0». (τάση τροφοδοσίας της κινητήριας μηχανής της γεννήτριας 0V ). 4. Ξεκινήστε το συγκρότημα δίδοντας σταδιακά τάση στην κινητήρια μηχανή μέχρις ότου η γεννήτρια φτάσει τις ονομαστικές στροφές της. 5. Δώστε στη συνέχεια τάση στο κύκλωμα της διέγερσης της γεννήτριας και ρυθμίστε την διέγερση μέχρι την ονομαστική της τιμή. Σημειώστε την τιμή της τάσης της γεννήτριας για I I, U... V. Αυτή πρέπει να είναι 10-20% μεγαλύτερη E EN ON από την τιμή της τάσης που αναγράφεται στην πινακίδα της γεννήτριας. 6. Επιστέψτε στην θέση IE 0 και καταγράψτε την ένδειξη του βολτόμετρου της γεννήτριας U... V. 9

10 7. Ρυθμίστε το ρεύμα διέγερσης σταδιακά και καταγράψτε σε IE πίνακα τις ανερχόμενες τιμές της τάσης μέχρι την ονομαστική τιμή ma U ( V ) 0 U ON. 8. Ρυθμίστε τώρα αντίστροφα μειώνοντας το ρεύμα διέγερσης και IE καταγράφοντας σε πίνακα τις αντίστοιχες τιμές της μειωμένης τάσης. Προσέχουμε κατά την αύξηση και την μείωση της διέγερσης να μην έχουμε πισωγυρίσματα για την αποφυγή του παραμένοντος μαγνητισμού. ma U ( V ) 0 9. Επαναφέρατε ρυθμίζοντας την τάση και το ρεύμα διέγερσης στην ονομαστική του τιμή. 10. Ρυθμίστε την τάση της κινητήριας μηχανής μειώνοντας την και καταγράψτε σε πίνακα τις αντίστοιχες τιμές της μεταβαλλόμενης τάσης και των στροφών της γεννήτριας. n rpm U ( V ) Σχεδιάστε σε μιλλιμετρέ χαρτί και με κλίμακα τις χαρακτηριστικές U f I και U f n 0 E 0. Η πρώτη χαρακτηριστική ονομάζεται και χαρακτηριστική μαγνήτισης ενώ η δεύτερη χρησιμοποιείται για την βαθμονόμηση των 10

11 στροφομέτρων και δείχνει πως μια γεννήτρια Σ.Ρ. ξένης διέγερσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν ταχόμετρο. U0[V] U0=f(n) n[στρ/1'] 11

12 Ερωτήσεις: 12

13 Βιβλιογραφία 1. Ηλεκτρικές Μηχανές I ( Βιβλίο Θεωρίας) Ψωμιάδης Δημήτρης Εκδόσεις Ίων Εφαρμογές Ηλεκτρικών Μηχανών I Ψωμιάδης Δημήτρης Εκδόσεις Ίων Εργαστήριο Ηλεκτρικών Μηχανών I Ψωμιάδης Δημήτρης Εκδόσεις Ίων Ηλεκτρικές Μηχανές II (Βιβλίο Θεωρίας) Ψωμιάδης Δημήτρης Εκδόσεις Ίων Εφαρμογές Ηλεκτρικών Μηχανών II Ψωμιάδης Δημήτρης Εκδόσεις Ίων Εργαστήριο Ηλεκτρικών Μηχανών II Ψωμιάδης Δημήτρης Εκδόσεις Ίων Ηλεκτρικές Μηχανές. Ασύγχρονες Σύγχρονες Μηχανές. Ν.Π. ΤΡΩΓΑΔΑ. ΤΕΙ Λάρισας. 9. Ηλεκτρικές Μηχανές Συνεχούς Ρεύματος (DC). Μετασχηματιστές. Ν.Π. ΤΡΩΓΑΔΑ. ΤΕΙ Λάρισας. 10. ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Chapman Stephen J. Εκδόσεις ΤΖΙΟΛΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ θεωρία, λειτουργία, εφαρμογές, ρυθμίσεις και έλεγχος. Hubert Charles I. Εκδόσεις ΙΩΝ