Άσκηση 14. Τριφασική γεννήτρια εναλλασσόμενου ρεύματος. Δυναμική συμπεριφορά

Transcript

1 1 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΤΕΧΝΙΑΣ ΟΧΗΜΑΤΩΝ ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ. ΗΜΕΡΑ. ΩΡΑ. ΟΜΑΔΑ... ΟΝΟΜΑΤΕΠΩΝΥΜΟ ΦΥΛΛΟ ΕΡΓΟΥ Άσκηση 1 Σύστημα φόρτισης αυτοκινήτου Τριφασική γεννήτρια εναλλασσόμενου ρεύματος. Δυναμική συμπεριφορά ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ

2 3 Πορεία εργασίας Σχέδιο συνδεσμολογίας πειραματικής διάταξης εναλλακτήρα 3.1 αναγνώριση εξαρτημάτων: 1. Αναγνωρίστε τα αριθμημένα εξαρτήματα που βρίσκονται στην εκπαιδευτική πινακίδα και καταχωρίστε τα στον πίνακα που ακολουθεί γράφοντας την ονομασία τους και τη χρησιμότητά τους.. Κυκλώστε και ονομάστε τα εξαρτήματα που βρίσκονται στο παραπάνω σχέδιο συνδεσμολογίας.

3 3 Αριθ. εξαρτήμ. ονομασία χρησιμότητα

4 3. Πειράματα: Όπως αναφέρθηκε κατά τη περιγραφή της πειραματικής διάταξης η επέμβαση στο εσωτερικό του εναλλακτήρα αποσκοπούσε στη προσομοίωση διάφορων βλαβών στις διόδους,τα καλώδια σύνδεσης καθώς και στην δυνατότητα αφαίρεσης του αυτόματου ρυθμιστή τάσης από το υπόλοιπο κύκλωμα. Με τη βοήθεια ενός παλμογράφου, ενός πολυμέτρου και των οργάνων της πινακίδας, πραγματοποιούνται τα ακόλουθα πειράματα: Α) Χωρίς αυτόματο ρυθμιστή Στα πειράματα 1, και 3 θα αποσυνδέσουμε τον αυτόματο ρυθμιστή τάσης της γεννήτριας και θα επαληθεύσουμε τη βασική σχέση που μας δίνει την τάση της γεννήτριας σε συνάρτηση με τις στροφές και το ρεύμα διέγερσης η οποία είναι Όπως επίσης και την επίδραση που ασκεί το φορτίο στην τάση. Πείραμα 1 Σχέση τάσης γεννήτριας / ρεύματος διέγερσης Αφαιρούμε τις γέφυρες σύνδεσης Ε, Ζ και Η Συνδέουμε το πολύμετρο για μέτρηση της τάσης στα σημεία D+ και 31 και ένα δεύτερο πολύμετρο για μέτρηση της έντασης του ρεύματος διέγερσης στα σημεία DF και στη ψήκτρα της γέφυρας Ζ. Η επιλογή του πολύμετρου για τη μέτρηση της τάσης αντί του αναλογικού βολτόμετρου της πινακίδας ελέγχου γίνεται για τη λήψη ακριβέστερων αποτελεσμάτων. Σχέδιο συνδεσμολογίας 1

5 5 Χρησιμοποιώντας τη ρυθμιστική αντίσταση διέγερσης «ποτενσιόμετρο διέγερσης» στην πινακίδα ελέγχου μεταβάλλουμε τη τιμή του ρεύματος διέγερσης Ι δ και καταγράφουμε τις αντίστοιχες τιμές της τάσης της γεννήτριας U G. Ο εναλλακτήρας περιστρέφεται με σταθερό αριθμό στροφών n = 57 rpm. Μετρήσεις Αριθμός Μέτρησης Ρεύμα διέγερσης Ι δ (Α) πίνακας 1 Tάση γεννήτριας U (V) G Ερωτήσεις: α) Σύμφωνα με την εξίσωση μεταβολής,.. τι μορφή πρέπει να έχει η καμπύλη του διαγράμματος; β) Τι παρατηρείτε στη δική σας καμπύλη; γ) Δικαιολογήστε τη μορφή της καμπύλης;

6 6 Πείραμα σχέση τάσης γεννήτριας / αριθμού στροφών Η σύνδεση της γεννήτριας παραμένει η ίδια με τη προηγούμενη περίπτωση. Αυξάνουμε σταδιακά τον αριθμό στροφών μέχρι τη μέγιστη επιτρεπόμενη τιμή και καταγράφουμε την τάση στα άκρα του εναλλακτήρα. Το ρεύμα διέγερσης το κρατάμε σταθερό στην τιμή Ιδ=.[Α] Μετρήσεις Αριθμός Μέτρησης Tάση γεννήτριας UG (V) n (rpm) πίνακας γράφημα

7 7 Πείραμα 3 σχέση τάσης γεννήτριας / ρεύματος φορτίου ( I L ) Η σύνδεση της γεννήτριας παραμένει η ίδια με τη προηγούμενη περίπτωση. Αυξάνουμε σταδιακά το φορτίο συνδέοντας τις αντιστάσεις της πινακίδας, μέχρι τη μέγιστη επιτρεπόμενη τιμή IL = 30 [Α] και καταγράφουμε την τάση στα άκρα του εναλλακτήρα. Κρατάμε σταθερό το ρεύμα διέγερσης το στην τιμή Ιδ=..[Α] Και τον αριθμό στροφών στην τιμή n =..[rpm] Μετρήσεις Αριθμός Μέτρησης 1 3 Tάση γεννήτριας [V] U G Ρεύμα φορτίου I L [Α] πίνακας 3 13,5 13,0 1,5 1,0 V 11,5 11,0 10,5 10, I L (A) γράφημα 3 ερωτήσεις α) Ποια μαθηματική σχέση εκφράζει το παραπάνω γράφημα;.. β) Δείξτε στο γράφημα την πτώση τάσης που δημιουργεί το φορτίο I L ;

8 8 Α) Με αυτόματο ρυθμιστή Στα πειράματα που θα ακολουθήσουν θα μελετήσουμε τον τρόπο με τον οποίο ο αυτόματος ρυθμιστής, αντιδρά σε κάθε μεταβολή της τάσης και την κρατά σταθερή. Πείραμα σχέση στροφών / ρεύματος διέγερσης Συνδέουμε τους ακροδέκτες του αμπερομέτρου σε σειρά με το σημείο DF και στη ψήκτρα της γέφυρας Ζ στη πινακίδα εργασίας για τη μέτρηση του ρεύματος διέγερσης (αφαιρούμε τη γέφυρα Ζ και στα ελεύθερα άκρα συνδέουμε τα άκρα του αμπερομέτρου). Ο εναλλακτήρας επιβαρύνεται με φορτίο ΙL = 1 Α. Aυξάνουμε τον αριθμό στροφών καταγράφοντας παράλληλα τις τιμές του ρεύματος διέγερσης. Μετρήσεις Τα αποτελέσματα συγκεντρώνονται στο παρακάτω πίνακα. Αριθμός Μέτρησης Ρεύμα διέγερσης Ι δ [Α] Στροφές n (rpm) Τάση [V] πίνακας Η γραφική παράσταση των αποτελεσμάτων φαίνεται στο ακόλουθο γράφημα. 1,00 0,95 0,90 0,85 Ι δ (Α) 0,80 0,75 0,70 0,65 0, n(rpm) γράφημα

9 9 Σχέδιο συνδεσμολογίας ερωτήσεις α) Ποιος είναι ο σκοπός του αυτόματου ρυθμιστή τάσης;.. β) Με ποιόν τρόπο το επιτυγχάνει ;.. Πείραμα 5 σχέση φορτίου / ρεύματος διέγερσης Οι συνδέσεις των οργάνων παραμένουν ίδιες όπως και στο προηγούμενο πείραμα. Ο εναλλακτήρας λειτουργεί στο μέγιστο επιτρεπόμενο αριθμό στροφών n = 550 rpm. Με τη βοήθεια της διάταξης φόρτισης συνδέουμε διαδοχικά τις αντιστάσεις προκαλώντας αύξηση του φορτίου. Οι τιμές του ρεύματος φόρτισης και του ρεύματος διέγερσης καταγράφονται στον πίνακα που ακολουθεί

10 10 Μετρήσεις Αριθμός Μέτρησης Ρεύμα διέγερσης Ι δ [Α] Ρεύμα φόρτισης Ι [Α] L Τάση [V] πίνακας 5 Y Axis Title,,0 1,8 1,6 1, 1, 1,0 0,8 0, I L (A) γράφημα ερωτήσεις Σχολιάστε το γράφημα.

11 11 Πείραμα 6 υπολογισμός του κύκλου απόδοσης και της χρονικής μέσης τιμής του ρεύματος διέγερσης. Οι συνδέσεις των οργάνων παραμένουν ίδιες όπως και στο προηγούμενο πείραμα με ην επιπλέον σύνδεση παλμογράφου. Ο εναλλακτήρας κινείται με ταχύτητα n = 550 rpm. Συνδέουμε τους ακροδέκτες του παλμογράφου με τα σημεία DF και D- (γείωση) της πινακίδας εργασίας. Σχέδιο συνδεσμολογίας 3 Καθώς αυξάνουμε σταδιακά το φορτίο παρατηρούμε στην οθόνη του παλμογράφου και καταγράφουμε τους χρόνους σύνδεσης και αποσύνδεσης του κυκλώματος διέγερσης.το ρεύμα διέγερσης I F μετρείται με τη βοήθεια ενός αμπερομέτρου στα σημεία DF και στην απόληξη της μιας ψήκτρας πάνω στη πινακίδα εργασίας. Πραγματοποιούμε την ίδια εργασία για τρεις διαφορετικές τιμές φορτίου. Μετρήσεις 1η μέτρηση Όλες οι γέφυρες φορτίου αποσυνδεμένες. Το ρεύμα φορτίου είναι Ι L =. [A] ενώ το ρεύμα διέγερσης είναι ΙF=..[A]. Ο αριθμός στροφών του εναλλακτήρα επιλέγεται στις 550 [rpm] Ο περιστροφικός διακόπτης ρύθμισης της κλίμακας χρόνου του παλμογράφου τίθεται TIME/DIV =.[ms/div] Η παρακάτω απεικόνιση εμφανίζεται στην οθόνη του παλμογράφου (γράφ. 5) Αριθμός υποδιαιρέσεων (DIV) του οριζόντιου άξονα του παλμογράφου είναι: Με κλειστή επαφή του ρυθμιστή t ON = [ DIV] Με ανοιχτή επαφή του ρυθμιστή toff Οι αντίστοιχοι χρόνοι θα είναι tron R=. ms troff R=. ms

12 1 t ON t ON Ο κύκλος απόδοσης θα είναι D = = = t ON + t OFF T Από το τύπο I F = D I Fmax προκύπτει ότι η μέγιστη τιμή του ρεύματος διέγερσης είναι I Fmax = I F /D=. A V Οριζόντιος άξονας παλμογράφου γράφημα 5 η μέτρηση Συνδέστε μια γέφυρα αντίστασης φορτίου Το ρεύμα φορτίου είναι Ι L =. [A] ενώ το ρεύμα διέγερσης είναι ΙF=..[A]. Ο αριθμός στροφών του εναλλακτήρα επιλέγεται στις 550 [rpm] Ο περιστροφικός διακόπτης ρύθμισης της κλίμακας χρόνου του παλμογράφου τίθεται TIME/DIV =.[ms/div] Η παρακάτω απεικόνιση εμφανίζεται στην οθόνη του παλμογράφου (γράφ. 5) Αριθμός υποδιαιρέσεων (DIV) του οριζόντιου άξονα του παλμογράφου είναι: Με κλειστή επαφή του ρυθμιστή t ON = [ DIV] Με ανοιχτή επαφή του ρυθμιστή toff Οι αντίστοιχοι χρόνοι θα είναι tron R=. ms troff R=. ms t ON t ON Ο κύκλος απόδοσης θα είναι D = = [ = = DIV] t ON + t OFF T Από το τύπο IRF R= D IRFmax Rπροκύπτει ότι η μέγιστη τιμή του ρεύματος διέγερσης είναι IRFmax R= IRF R/D=. A.

13 V Οριζόντιος άξονας παλμογράφου γράφημα 6 3η μέτρηση Συνδέστε δύο γέφυρες αντίστασης φορτίου Το ρεύμα φορτίου είναι Ι L =. [A] ενώ το ρεύμα διέγερσης είναι ΙF=..[A]. Ο αριθμός στροφών του εναλλακτήρα επιλέγεται στις 550 [rpm] Ο περιστροφικός διακόπτης ρύθμισης της κλίμακας χρόνου του παλμογράφου τίθεται TIME/DIV =.[ms/div] Η παρακάτω απεικόνιση εμφανίζεται στην οθόνη του παλμογράφου (γράφ. 5) Αριθμός υποδιαιρέσεων (DIV) του οριζόντιου άξονα του παλμογράφου είναι: Με κλειστή επαφή του ρυθμιστή t ON = [ DIV] Με ανοιχτή επαφή του ρυθμιστή toff Οι αντίστοιχοι χρόνοι θα είναι tron R=. ms troff R=. ms t ON t ON Ο κύκλος απόδοσης θα είναι D = = [ = = t + t T DIV] ON OFF Από το τύπο IRF R= D IRFmax Rπροκύπτει ότι η μέγιστη τιμή του ρεύματος διέγερσης είναι IRFmax R= IRF R/D=. A.

14 V Οριζόντιος άξονας παλμογράφου γράφημα 7 Πείραμα 7 σχέση ρεύματος φόρτισης / ταχύτητας περιστροφής εναλλακτήρα Ο εναλλακτήρας λειτουργεί στη μέγιστη ταχύτητα η οποία λαμβάνεται για λόγους ασφαλείας ίση με 550 rpm. Η τιμή του ρεύματος φόρτισης ρυθμίζεται μέσω της διάταξης φόρτισης σε μια μικρή τιμή για την αποφυγή βλάβης.ενώ η ταχύτητα μειώνεται το ρεύμα φόρτισης παρατηρείται ως συνάρτηση της ταχύτητας και τα αποτελέσματα απεικονίζονται σε ένα γράφημα.οι τιμές του ρεύματος φόρτισης λαμβάνονται από = [ το αμπερόμετρο DIV] της πινακίδας ελέγχου. Μετρήσεις Οι τιμές συγκεντρώνονται στον ακόλουθο πίνακα. Αριθμός Μέτρησης n (rpm) Ι L (A)

15 15 Η γραφική παράσταση των πειραματικών δεδομένων παρατίθεται στη συνέχεια. 6 5 I L (A) rpm γράφημα 8 Πείραμα 8 σχέση τάσης / ταχύτητας περιστροφής εναλλακτήρα Εφαρμόζοντας στη γεννήτρια σταθερό φορτίο ΙL = 1 Α αυξάνουμε τον αριθμό στροφών καταγράφοντας την τιμή της τάσης στα άκρα του εναλλακτήρα.οι ενδείξεις της τάσης όπως και του ρεύματος φόρτισης λαμβάνονται από τα όργανα της πινακίδας ελέγχου. Η ρύθμιση της ταχύτητας γίνεται από το ποτενσιόμετρο της ίδιας πινακίδας. Μετρήσεις Οι τιμές της τάσης σε συνάρτηση με τον αυξανόμενο αριθμό στροφών Αριθμός Μέτρησης Τάση (V) n (rpm)

16 16 Η επεξεργασία των μετρήσεων καταλήγει στο ακόλουθο γράφημα V n (rpm) γράφημα 9 Προσομοίωση βλαβών στον εναλλακτήρα Η προσομοίωση των βλαβών πραγματοποιείται με την αφαίρεση των γεφυρών σύνδεσης επάνω στη πινακίδα εργασίας όπως φαίνεται την εικόνα 06.Οι περιπτώσεις των βλαβών που είναι δυνατές με τη συγκεκριμένη πειραματική διάταξη είναι διακοπή μιας θετικής διόδου, διακοπή μιας αρνητικής διόδου και διακοπή ενός καλωδίου σύνδεσης. Πείραμα 9 Φυσιολογική λειτουργία Ο αριθμός στροφών του εναλλακτήρα είναι 379 rpm και επιβαρύνεται με φορτίο ΙL = 1 Α ενώ η τάση διατηρείται στο επίπεδο των 13.5 V. Ο περιστροφικός διακόπτης για την επιλογή του ύψους της απεικόνισης τίθεται στη θέση των VOLTS/DIV και ο αντίστοιχος διακόπτης για την επιλογή του πλάτους της απεικόνισης στη θέση TIME/DIV. Οι ακ ροδέκ τες του παλμογράφου συνδέονται στα σημεία D+ και D- ( γείωση ) της πινακίδας εργασίας. Η ακόλουθη απεικόνιση εμφανίζεται στην οθόνη του παλμογράφου. Κατά τη διάρκεια της φυσιολογικής λειτουργίας η λυχνία φόρτισης δεν πρέπει να είναι ενεργοποιημένη διαφορετικά αποτελεί ένδειξη δυσλειτουργίας.

17 17 γράφημα 10 Πείραμα 10 Διακοπή μιας θετικής διόδου Ο αριθμός στροφών διατηρείται στην ίδια τιμή με τη φυσιολογική λειτουργία ενώ δεν τοποθετείται καθόλου φορτίο από τη διάταξη φόρτισης Ι L = 0 Α. Ο περιστροφικός διακόπτης για την επιλογή του ύψους της απεικόνισης τίθεται στη θέση των VOLTS/DIV και ο αντίστοιχος διακόπτης για την επιλογή του πλάτους της απεικόνισης στη θέση TIME/DIV. Οι ακροδέκτες του παλμογράφου παραμένουν στα σημεία D+ και D- ( γείωση ) της πινακίδας εργασίας. Η τάση στα άκρα του εναλλακτήρα λαμβάνεται ίση με V. Αφαιρούμε τη γέφυρα Α και με τον τρόπο αυτό αποσυνδέουμε μια θετική δίοδο με αποτέλεσμα η κυματομορφή στην οθόνη του παλμογράφου να εμφανίζεται όπως στην εικόνα 31. Η λυχνία φόρτισης παραμένει ενεργοποιημένη κατά τη διάρκεια της δοκιμής. Επεξεργασία μετρήσεων γράφημα 11

18 18 Πείραμα 11 Διακοπή μιας αρνητικής διόδου Ακολουθείται η ίδια διαδικασία όσον αφορά τον αριθμό στροφών και το φορτίο του εναλλακτήρα. Ο περιστροφικός διακόπτης για την επιλογή του ύψους της απεικόνισης τίθεται στη θέση των VOLTS/DIV και ο αντίστοιχος διακόπτης για την επιλογή του πλάτους της απεικόνισης στη θέση TIME/DIV.Οι ακροδέκτες του παλμογράφου παραμένουν στα σημεία D+ και D- ( γείωση ) της πινακίδας εργασίας. Η τάση στα άκρα του εναλλακτήρα λαμβάνεται ίση με V. Αφαιρούμε τη γέφυρα Β μεταβάλλοντας την απεικόνιση του παλμογράφου όπως φαίνεται στην εικόνα 09. Η λυχνία φόρτισης παραμένει ενεργοποιημένη. γράφημα 1 Πείραμα 1 Διακοπή ενός καλωδίου σύνδεσης Ομοίως οι στροφές λειτουργίας του εναλλακτήρα και το φορτίο διατηρείται στα ίδια επίπεδα. Ο περιστροφικός διακόπτης για την επιλογή του ύψους της απεικόνισης τίθεται στη θέση των VOLTS/DIV και ο αντίστοιχος διακόπτης για την επιλογή του πλάτους της απεικόνισης στη θέση TIME/DIV. Για τη διακοπή του καλωδίου σύνδεσης αφαιρούνται και οι δύο γέφυρες Α και Β οπότε η κυματομορφή λαμβάνει την μορφή της εικόνας33. Η λυχνία φόρτισης παραμένει ενεργοποιημένη.

19 19 γράφημα 13