ΑΣΚΗΣΗ 5 η ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΞΕΝΗΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ ΚΑΜΠΥΛΕΣ

Transcript

1 ΑΣΚΗΣΗ 5 η ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΞΕΝΗΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ ΚΑΜΠΥΛΕΣ Σκοπός της Άσκησης: Σκοπός της εργαστηριακής άσκησης είναι α) η κατανόηση της λειτουργίας της γεννήτριας συνεχούς ρεύματος ξένης διέγερσης και β) η χάραξη των χαρακτηριστικών καμπυλών της γεννήτριας συνεχούς ρεύματος ξένης διέγερσης. 1. Εισαγωγή Για την ανάπτυξη τάσης στο τύλιγμα του δρομέα (επαγωγικό τύμπανο) μιας γεννήτριας συνεχούς ρεύματος είναι απαραίτητη η ύπαρξη ενός μαγνητικού πεδίου στο εσωτερικό της μηχανής καθώς και η κίνηση (περιστροφή) του δρομέα. Η κίνηση του δρομέα εξασφαλίζεται με την βοήθεια μιας κινητήριας μηχανής συνδεδεμένης στον άξονα της γεννήτριας ενώ το μαγνητικό πεδίο δημιουργείται από το τύλιγμα διέγερσης της γεννήτριας. Υπάρχουν δυο τυλίγματα διέγερσης σε μια μηχανή συνεχούς ρεύματος, το τύλιγμα παράλληλης διέγερσης και το τύλιγμα διέγερσης σειράς. Στην περίπτωση της γεννήτριας ξένης διέγερσης, χρησιμοποιείται το τύλιγμα παράλληλης διέγερσης, το οποίο τροφοδοτείται με συνεχή τάση από μια ανεξάρτητη πηγή. Η ηλεκτρεγερτική δύναμη (ΗΕΔ) που αναπτύσσεται στα τυλίγματα του δρομέα, Ε α, εξαρτάται από τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά της μηχανής (μήκος αγωγών, διάμετρος δρομέα, αριθμός σπειρών πηνίου), από την ταχύτητα περιστροφής του δρομέα και από την μαγνητική ροή που δημιουργείται από το ρεύμα διέγερσης. Συνεπώς η ηλεκτρεγερτική δύναμη μπορεί να εκφραστεί μαθηματικά από μια σχέση της μορφής: Όπου Κ είναι μια κατασκευαστική σταθερά, Φ είναι η μαγνητική ροή και n η ταχύτητα περιστροφής του δρομέα σε στροφές/λεπτό. (5.1) 2. Ισοδύναμο κύκλωμα γεννήτριας ξένης διέγερσης Το ισοδύναμο κύκλωμα της γεννήτριας ξένης διέγερσης (Σχήμα 1) αποτελείται από δυο μέρη, από τα οποία το ένα αντιστοιχεί στο τύλιγμα της διέγερσης και το άλλο στο τύλιγμα του δρομέα. Το τύλιγμα της διέγερσης αναπαριστάται με ένα πηνίο σε σειρά με μια αντίσταση, ενώ στο ισοδύναμο του δρομέα βρίσκουμε μια Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 35

2 πηγή συνεχούς ρεύματος που αντιστοιχεί στην ηλεκτρεγερτική δύναμη που αναπτύσσεται στον δρομέα και μια ωμική αντίσταση που αντιστοιχεί στην αντίσταση των τυλιγμάτων του δρομέα. Όταν η γεννήτρια λειτουργεί χωρίς φορτίο η τάση στην έξοδό της είναι ίση με την ηλεκτρεγερτική δύναμη Εα. Η ηλεκτρεγερτική δύναμη εξαρτάται από την ταχύτητα περιστροφής του δρομέα και από την μαγνητική ροή στο εσωτερικό της μηχανής η οποία οφείλεται στο ρεύμα διέγερσης I f. Δεδομένου ότι η ταχύτητα της γεννήτριας είναι συνήθως σταθερή, η ηλεκτρεγερτική δύναμη άρα και η τάση εξόδου ρυθμίζεται από το ρεύμα διέγερσης. Η γραφική παράσταση της συνάρτησης Εα=f(I f ) (Σχήμα 2α) ονομάζεται εσωτερική χαρακτηριστική ή καμπύλη μαγνήτισης. Ra Rf Ιφορτίου Vf Lf Ea Vout Φορτίο Σχήμα 1. Το ισοδύναμο κύκλωμα της γεννήτριας συνεχούς ρεύματος ξένης διέγερσης. Όταν συνδέσουμε φορτίο στην έξοδο της γεννήτριας τότε, λόγω της πτώσης τάσης στα τυλίγματα του δρομέα, η τάση στην έξοδό της είναι ίση με: (5.2) Από την παραπάνω σχέση προκύπτει ότι η τάση εξόδου της γεννήτριας μεταβάλλεται γραμμικά με το φορτίο, αν διατηρήσουμε το ρεύμα διέγερσης άρα και την ηλεκτρεγερτική δύναμη Εα σταθερή. Στην πραγματικότητα όμως η πτώση τάσης γίνεται πιο έντονη όσο αυξάνεται το φορτίο της γεννήτριας λόγω της αντίδρασης οπλισμού (Σχήμα 2β). Η γραφική παράσταση V out =f(i φ ) ονομάζεται εξωτερική χαρακτηριστική ή χαρακτηριστική υπό φορτίο. Όταν η γεννήτρια διαρρέεται από ονομαστικό ρεύμα μπορούμε να υπολογίσουμε την διακύμανση τάσης: (5.3) Στην πραγματικότητα, θέλουμε η τάση εξόδου της γεννήτριας να είναι σταθερή ανεξάρτητα από το φορτίο που έχουμε συνδέσει. Για να το επιτύχουμε πρέπει να μεταβάλλουμε το ρεύμα διέγερσης της γεννήτριας σε συνάρτηση με τις μεταβολές του φορτίου. Η γραφική παράσταση I f =f(i φ ) ονομάζεται ρυθμιστική καμπύλη. Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 36

3 Η πολικότητα της τάσης εξόδου μιας γεννήτριας συνεχούς ρεύματος ξένης διέγερσης εξαρτάται από την φορά του ρεύματος διέγερσης και την φορά περιστροφής του δρομέα της γεννήτριας. Η αλλαγή της φοράς ενός εκ των δυο θα έχει ως αποτέλεσμα την αλλαγή της πολικότητας της τάσης εξόδου. Ηλεκτρεγερτική Δύναμη (V) Περιοχή Μαγν. Κορεσμού Τάση Εξόδου (V) Vo Χωρίς αντίδραση οπλισμού Με αντίδραση οπλισμού Ρεύμα Διέγερσης (A) Ρεύμα Φορτίου (A) Σχήμα 2. Α) Καμπύλη μαγνήτισης Β) Χαρακτηριστική Φορτίου Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 37

4 Α. ΕΣΩΤΕΡΙΚΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗ Πειραματικό Μέρος Για την πραγματοποίηση του πειράματος για την χάραξη της εσωτερικής χαρακτηριστικής θα πρέπει να υλοποιήσετε την συνδεσμολογία του παρακάτω σχήματος. Σχήμα 3. Συνδεσμολογία για την χάραξη της εσωτερικής χαρακτηριστικής. Θα ξεκινήσετε δίνοντας ισχύ στην κινητήρια μηχανή και θα περιστρέψετε την γεννήτρια στις ονομαστικές της στροφές. Η ταχύτητα θα πρέπει να παραμείνει σταθερή σε όλη την διάρκεια του πειράματος. Στη συνέχεια θα αυξήσετε σταδιακά το ρεύμα διέγερσης της γεννήτριας μέχρι την ονομαστική τιμή του και θα μετρήσετε την τάση εξόδου, η οποία στην συγκεκριμένη περίπτωση θα είναι ίση με την ηλεκτρεγερτική δύναμη που αναπτύσσεται στον δρομέα. Τα αποτελέσματα θα τα καταγράψετε στον Πίνακα 1. Έπειτα θα μειώσετε σταδιακά το ρεύμα διέγερσης μέχρι να μηδενιστεί και θα μετρήσετε πάλι την τάση εξόδου. Τα αποτελέσματα θα τα καταγράψετε στον Πίνακα 2. Προσπαθήστε να μετρήσετε την τάση εξόδου της γεννήτριας για τις ίδιες τιμές του ρεύματος διέγερσης με αυτές του Πίνακα 1. Στην συνέχεια θα επαναλάβετε την προηγούμενη διαδικασία έχοντας ρυθμίσει την ταχύτητα της γεννήτριας στο 50% της ονομαστικής και θα συμπληρώσετε τον Πίνακα 3. Οι μετρήσεις θα αφορούν μόνο αύξηση του ρεύματος διέγερσης. Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 38

5 Πίνακας 1 Εα (V) Πίνακας 2 Εα (V) Πίνακας 3 Εα (V) Β. ΕΞΩΤΕΡΙΚΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗ Για την πραγματοποίηση του πειράματος για την χάραξη της εξωτερικής χαρακτηριστικής θα πρέπει να υλοποιήσετε την συνδεσμολογία του παρακάτω σχήματος. Σχήμα 4. Συνδεσμολογία για την χάραξη της εξωτερικής χαρακτηριστικής. Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 39

6 Θα ξεκινήσετε δίνοντας ισχύ στην κινητήρια μηχανή και θα περιστρέψετε την γεννήτρια με τις ονομαστικές της στροφές. Η ταχύτητα θα πρέπει να παραμείνει σταθερή σε όλη την διάρκεια του πειράματος. Στη συνέχεια θα αυξήσετε το ρεύμα διέγερσης μέχρι η τάση εξόδου της γεννήτριας να γίνει ίση με την ονομαστική και μετά θα συνδέσετε το φορτίο. Αυξήστε το φορτίο σταδιακά μέχρι να φτάσετε στο ονομαστικό ρεύμα της γεννήτριας, μετρήστε την τάση και το ρεύμα στην έξοδο της γεννήτριας και συμπληρώστε τον Πίνακα 4. Κατά την διάρκεια των μετρήσεων το ρεύμα διέγερσης θα πρέπει να παραμένει σταθερό. Πίνακας 4 V φ (V) I φ (A) Γ. ΡΥΘΜΙΣΤΙΚΗ ΚΑΜΠΥΛΗ Για την πραγματοποίηση των μετρήσεων θα χρησιμοποιήσετε το κύκλωμα της προηγούμενης παραγράφου (Σχήμα 4). Θα ξεκινήσετε την πειραματική διαδικασία δίνοντας ισχύ στην κινητήρια μηχανή και θα περιστρέψετε την γεννήτρια στις ονομαστικές της στροφές. Η ταχύτητα θα παραμείνει σταθερή κατά την διάρκεια της άσκησης. Στη συνέχεια θα αυξήσετε το ρεύμα διέγερσης μέχρι η τάση εξόδου της γεννήτριας να γίνει ίση με την ονομαστική και μετά θα συνδέσετε το φορτίο. Αυξήστε το φορτίο σταδιακά και μεταβάλλετε ανάλογα το ρεύμα διέγερσης έτσι ώστε η τάση εξόδου να παραμένει σταθερή. Συμπληρώστε τον πίνακα 5. Πίνακας 5 Ι φ (A) V φ (V) Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 40

7 Δ. ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ 1. Να σχεδιάσετε στο ίδιο σύστημα αξόνων την εσωτερική χαρακτηριστική Ε α =f(i f ) για αύξουσες και φθίνουσες τιμές του ρεύματος διέγερσης (πίνακες 1 και 2). 2. Να σχεδιάσετε στο ίδιο σύστημα αξόνων την εσωτερική χαρακτηριστική Ε α =f(i f ) για διαφορετικές ταχύτητες περιστροφής της γεννήτριας (πίνακες 1 και 3). 3. Να σχεδιάσετε την χαρακτηριστική φορτίου (εξωτερική χαρακτηριστική) V φ = f(i φ ). 4. Να σχεδιάσετε την ρυθμιστική καμπύλη της γεννήτριας I f =f(i φ ). 5. Υπολογίστε την διακύμανση τάσης της γεννήτριας για ονομαστικό φορτίο. Από τι εξαρτάται η διακύμανση της τάσης; Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 41