ΓΚΙΟΚΑΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ ΑΜ:6749 ΘΕΜΑ: Περιγράψτε τον τρόπο λειτουργίας μιας ηλεκτρικής γεννήτριας Σ.Ρ. με διέγερση σειράς. ΣΚΟΠΟΣ: Για να λειτουργήσει μια γεννήτρια, πρέπει να πληρούνται οι παρακάτω βασικές συνθήκες: α) Να υπάρχει μαγνητικό πεδίο (Β). β) Να υπάρχει αγωγός εντός του μαγνητικού πεδίου, δηλαδή να υπάρχει τύλιγμα στη μηχανή. γ) Να υπάρχει σχετική κίνηση του αγωγού ως προς το μαγνητικό πεδίο ή του πεδίου ως προς τον αγωγό. Αποτέλεσμα των παραπάνω συνθηκών είναι η ανάπτυξη ηλεκτρεγερτικής δύναμης (ΗΕΔ) στα άκρα αυτού του αγωγού. Αυτή η ΗΕΔ προέρχεται από επαγωγή και είναι ανάλογη:
της μαγνητικής επαγωγής (Β) του ομογενούς μαγνητικού πεδίου (σε Tesla ή 1Τ = 1V Sm 2 ). του μήκους (l) του τμήματος του αγωγού το οποίο βρίσκεται υπό την επίδραση του μαγνητικού πεδίου (ενεργό μήκος σε m). της ταχύτητας (u) της μεταβολής της κίνησης του αγωγού (σε m/s). του ημίτονου της γωνίας (α), η οποία σχηματίζεται μεταξύ των κατευθύνσεων της κίνησης και του μαγνητικού πεδίου. Η σχέση που δίνει την ΗΕΔ είναι:e = B l u ημα (σε V) ΠΕΡΙΛΗΨΗ: Κατασκευή των μηχανών Σ.Ρ. Κάθε μηχανή συνεχούς ρεύματος αποτελείται από το ακίνητο μέρος, το οποίο ονομάζεται στάτης, και από το κινητό μέρος, το οποίο ονομάζεται δρομέας. Ο στάτης είναι το συγκρότημα των ακίνητων τμημάτων της μηχανής
και έχει ως κύριο προορισμό του να δημιουργεί καθορισμένη μαγνητική ροή. Ο στάτης αποτελείται από: 1) το ζύγωμα 2) τους μαγνητικούς πόλους 3) τα πέδιλα των πόλων 4) το τύλιγμα του πόλου (πηνίο διέγερσης) 5) τα καλύμματα (καπάκια) 6) τον ψηκτροφορέα 7) τις ψήκτρες 8) το σιδερένιο δακτυλίδι 9) τους βραχίονες 10) τις ψηκτροθήκες 11) τα ελατήρια πίεσης των ψηκτρών.
Ο δρομέας είναι το συγκρότημα των κινητών τμημάτων της μηχανής, και αποτελείται από: 1) τον άξονα 2) τον πυρήνα του επαγωγικού τυμπάνου 3) το τύλιγμα του επαγωγικού τυμπάνου 4) το συλλέκτη 5) τον ανεμιστήρα.
ΕΙΣΑΓΩΓΗ: Είδη γεννητριών Σ.Ρ. Οι γεννήτριες συνεχούς ρεύματος, ανάλογα με τον τρόπο με τον οποίο είναι συνδεδεμένο το τύλιγμα διέγερσής τους, διακρίνονται σε τέσσερις κατηγορίες: α) Γεννήτριες με ξένη διέγερση β) Γεννήτριες με παράλληλη διέγερση γ) Γεννήτριες με διέγερση σειράς δ) Γεννήτριες με σύνθετη διέγερση. Στις γεννήτριες με ξένη διέγερση το τύλιγμα διέγερσης τροφοδοτείται από μια ξένη πηγή. Οι γεννήτριες παράλληλης σειράς και σύνθετης διέγερσης είναι μηχανές αυτοδιεγειρόμενες, δηλαδή χρησιμοποιούν τη μαγνητική ροή του παραμένοντος μαγνητισμού στους πυρήνες των πόλων. Οι γεννήτριες με σύνθετη διέγερση διακρίνονται σε γεννήτριες με αθροιστική διέγερση, αν το τύλιγμα σειράς ενισχύει το μαγνητικό πεδίο του παράλληλου τυλίγματος, και σε γεννήτριες με διαφορική διέγερση, αν το τύλιγμα σειράς εξασθενεί το μαγνητικό πεδίο του παράλληλου τυλίγματος Τομή ασύγχρονου κινητήρα στην οποία διακρίνονται όλα τα δομικά του στοιχεία.
Ισχύς, απώλειες και βαθμός απόδοσης των γεννητριών Σ.Ρ. α) Η ισχύς που λαμβάνεται από μια γεννήτρια Σ.Ρ. ισούται προς το γινόμενο της τάσης V επί την ένταση I. P = V I (σε watt) ή P = V I1000 (σε KW) όπου: V = η τάση που επικρατεί στους ακροδέκτες τη στιγμή των μετρήσεων (σε V). I = η ένταση του παραγόμενου ρεύματος (σε Α) Ονομαστική ισχύς γεννήτριας καλείται η μεγαλύτερη τιμή ισχύος που μπορεί να προσφέρει συνεχώς η γεννήτρια, όταν εργάζεται με την ονομαστική τάση και ταχύτητα, χωρίς να υπάρχει κίνδυνος να πάθει βλάβη η μηχανή από υπερφόρτιση. β) Απώλειες γεννήτριας είναι το συνολικό ποσό της κινητικής ενέργειας, το οποίο δε μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια αλλά σε θερμότητα και θερμαίνει τα μέρη της μηχανής. Οι απώλειες των γεννητριών Σ.P., οι οποίες λειτουργούν με σταθερή περίπου τάση και με σταθερή ταχύτητα περιστροφής, διακρίνονται σε: απώλειες σταθερές, δηλαδή ανεξάρτητες του φορτίου της γεννήτριας, και απώλειες μεταβλητές, δηλαδή μεταβαλλόμενες με το φορτίο. Σταθερές απώλειες είναι οι μηχανικές απώλειες και οι μαγνητικές απώλειες, που διακρίνονται σε απώλειες υστέρησης και σε απώλειες δινορρευμάτων. Μηχανικές απώλειες είναι οι απώλειες τριβής του άξονα του δρομέα στα έδρανα του στάτη, των ψηκτρών με το συλλέκτη, του αέρα με τον περιστρεφόμενο δρομέα και του μηχανικού έργου που απορροφάται από τον ανεμιστήρα της γεννήτριας. Οι απώλειες αυτές είναι ανάλογες προς την ταχύτητα περιστροφής του δρομέα της γεννήτριας, και επειδή κατά κανόνα οι στροφές είναι σταθερές, και οι μηχανικές απώλειες είναι σταθερές και ανεξάρτητες του φορτίου της γεννήτριας.
Σχήμα 3: Τομή μιας γεννήτριας αυτοκινήτου Μαγνητικές απώλειες 1) Απώλειες υστέρησης: είναι ανάλογες προς τις στροφές της γεννήτριας και προς τη ροή των μαγνητικών πόλων της. Επομένως για σταθερές στροφές και για σταθερή ένταση διέγερσης είναι ίδιες ασχέτως του αν έχουν ή όχι φορτίο. Οι απώλειες υστέρησης οφείλονται στις διαδοχικές μεταβολές της μαγνήτισης του πυρήνα του επαγωγικού τυμπάνου, όταν αυτό περιστρέφεται μέσα στο σταθερό μαγνητικό πεδίο που δημιουργούν οι πόλοι. 2) Απώλειες δινορρευμάτων: οφείλονται στα ρεύματα που κυκλοφορούν στον πυρήνα του επαγωγικού τυμπάνου λόγω της περιστροφής του μέσα στο μαγνητικό πεδίο της μηχανής. Οι απώλειες
δινορρευμάτων είναι απώλειες θερμότητας και είναι ανάλογες του τετραγώνου της έντασης αυτών. Επομένως, εφόσον η έντασή τους είναι ανάλογη προς την τάση η οποία τα προκαλεί και η τάση είναι ανάλογη προς τη ροή και τις στροφές, οι απώλειες είναι ανάλογες προς το τετράγωνο των στροφών και της ροής. Αρα, για σταθερές στροφές και για σταθερή ένταση διέγερσης οι απώλειες είναι σταθερές και ανεξάρτητες του φορτίου. Μεταβλητές απώλειες είναι οι ηλεκτρικές απώλειες και οφείλονται στη θερμότητα που παράγεται στα διάφορα κυκλώματα της γεννήτριας, όταν διαρρέονται από ηλεκτρικό ρεύμα. Ηλεκτρικοί κινητήρες Ηλεκτρικές απώλειες Το μεγαλύτερο μέρος της μηχανικής ενέργειας που παραλαμβάνει μια γεννήτρια από κάποια κινητήρια μηχανή, με σκοπό να την μετατρέψει σε ηλεκτρική, μετατρέπεται πράγματι σε ηλεκτρική, ενώ ένα μικρό μέρος της χάνεται, επειδή εμφανίζονται απώλειες στο σύστημα. Η τιμή της ισχύος εισόδου Ρ εισ., που παίρνει η γεννήτρια είναι πάντοτε μεγαλύτερη από την τιμή της ισχύος Ρ που δίνει. Η διαφορά αυτών είναι η ισχύς των απωλειών Ρ απ. Ρ απ = Ρ εισ. - P
Οι ηλεκτρικές απώλειες της μηχανής είναι ίσες προς το άθροισμα των γινομένων R I 2 των επιμέρους κυκλωμάτων της, δηλαδή: Όπου: Ηλεκτρικές απώλειες = R T I T 2 + R σ I σ 2 + R δ I δ 2 R T: η αντίσταση του τυλίγματος του επαγωγικού τυμπάνου της γεννήτριας, στην οποία περιλαμβάνονται η αντίσταση των ψηκτρών και η αντίσταση του τυλίγματος των βοηθητικών πόλων. R σ: η ωμική αντίσταση του τυλίγματος σειράς. R δ: η ωμική αντίσταση του παράλληλου τυλίγματος μαζί με τη ρυθμιστική αντίσταση. Από τις απώλειες αυτές μόνο εκείνες που οφείλονται στο παράλληλο τύλιγμα διέγερσης (R δ I δ 2 ) παραμένουν σταθερές κατά τις διακυμάνσεις του φορτίου της γεννήτριας, (εφόσον βέβαια δε μεταβάλλεται η ρυθμιστική αντίσταση διέγερσης), αφού η ένταση μέσα από αυτό παραμένει πρακτικά σταθερή. γ) Βαθμός απόδοσης (n) o βαθμός απόδοσης είναι πάντοτε μικρότερος από τη μονάδα και δίνεται από τη σχέση: n = P P εισ. = P P + P απ < 1 Ο βαθμός απόδοσης των γεννητριών δεν είναι σταθερός, αλλά μεταβάλλεται ανάλογα με το φορτίο τους. Αποδεικνύεται ότι γίνεται μέγιστος, όταν οι σταθερές απώλειες εξισωθούν προς τις μεταβλητές απώλειες της γεννήτριας. Οι περισσότερες γεννήτριες έχουν μέγιστο βαθμό απόδοσης, όταν αποδίδουν ισχύ λίγο μικρότερη της ονομαστικής τους ή ίση με αυτήν.
Στάτης (δεξιά) και δρομέας (αριστερά) σε τριφασικό ηλεκτρικό κινητήρα. TTTTΤΤΤΤΤΤΤΤΤ Τύποι γεννητριών Σ.Ρ (συνεχούς ρεύματος) Μόνο σε πολύ μικρές γεννήτριες, το απαραίτητα μαγνητικό πεδίο στο στάτη αναπτύσσεται από μόνιμους μαγνήτες. Στην πλειονότητα των περιπτώσεων, το τύλιγμα στους πόλους αποτελεί το τύλιγμα πεδίου (διέργεσης) Ανάλογα με τον τρόπο σύνδεσης του τυλίγματος πεδίου διακρίνονται σε: 1. Γεννήτριες ξένης διέγερσης 2. Γεννήτριες με διέγερση σειράς 3. Γεννήτριες παράλληλης διέγερσης 4. Γεννήτριες σύνθετης διέγερσης
ΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ ΜΕ ΙΕΓΕΡΣΗ ΣΕΙΡΑΣ Στις γεννήτριες µε διέγερση σειράς, το τύλιγμα διέγερσης συνδέεται σε σειρά µε το τύλιγμα του δρομέα, όπως εικονίζεται στο ισοδύναμο κύκλωμα της γεννήτριας. Επειδή το τύλιγμα διέγερσης διαρρέετε από το υψηλό ρεύμα του φορτίου, έχει μικρό αριθμό σπειρών και κατασκευάζεται από αγωγό μεγάλης διατομής. Έτσι, η ωμική αντίσταση του τυλίγματος διέγερσης είναι πολύ μικρή. Αντίθετα, τα τυλίγματα διέγερσης των μηχανών µε ανεξάρτητη και παράλληλη διέγερση κατασκευάζονται από αγωγό μικρής διατομής και µε μεγάλο αριθμό σπειρών. Έτσι, εμφανίζουν μεγάλη αντίσταση, ώστε το ρεύμα της διέγερσης να είναι μικρό. Στη γεννήτρια µε διέγερση σειράς ισχύουν οι σχέσεις I=Iα=Ie V=E-I(Rα-Rte)
Χαρακτηριστική Φορτίου Για την αυτοδιέγερση της γεννήτριας µε διέγερση σειράς, ισχύουν οι παρατηρήσεις της γεννήτριας µε παράλληλη διέγερση, µε τη διαφορά ότι το φορτίο πρέπει να είναι αρχικά συνδεδεμένο στη μηχανή. Στη λειτουργία χωρίς φορτίο, το ρεύμα διέγερσης είναι μηδέν και στα άκρα της γεννήτριας εμφανίζεται η μικρή τάση Εr, την οποία προκαλεί η παραμένουσα ροή. Η χαρακτηριστική φορτίου έχει τη μορφής της χαρακτηριστικής κενού, μειωμένης κατά την πτώση τάσης στις ωμικές αντιστάσεις των τυλιγμάτων, I (Ra+Rte). Η μείωση της τάσης εξόδου V ως προς την ΗΕ, αυξάνει µε την αύξηση του ρεύματος φορτίου εξαιτίας του μαγνητικού κορεσμού, ο οποίος τείνει να κάνει την Ε σταθερή. Οι γεννήτριες µε διέγερση σειράς, λόγω της μεγάλης διακύμανσης της τάσης εξόδου µε το ρεύμα του φορτίου είναι κατάλληλες µόνο σε ειδικές εφαρμογές, µε κυριότερη τις ηλεκτροσυγκολλήσεις. Ειδικότερα, οι γεννήτριες σειράς των ηλεκτροσυγκολλήσεων κατασκευάζονται µε μεγάλη αντίδραση του οπλισμού.
Γεννήτριες διέγερσης σειράς Το τύλιγμα διέγερσης είναι συνδεδεμένο σε σειρά με το τύλιγμα του επαγώγιμου. Για να λειτουργήσει η γεννήτρια πρέπει να είναι συνδεδεμένη με το φορτίο ώστε να κλείσει το κύκλωμα μεταξύ των τυλιγμάτων διέγερσης. (επαγώγιμου και φορτίου) Το τύλιγμα διέγερσης διαρρέεται από το υψηλής έντασης ρεύμα φορτίου και συνεπώς πρέπει να έχει μικρό μήκος (λίγες σπείρες)και μεγάλη διατομή ώστε να παρουσιάζει μικρή ωμική αντίσταση. Η τάση εξόδου αυξάνεται έντονα με το ρεύμα του φορτίου.
ΕΠΙΛΟΓΟΣ: Οι γεννήτριες συνεχούς ρεύματος έχουν πολλές εφαρμογές στον καθημερινό ανθρώπινο βίο, όπως εξυπηρετούν τις ανάγκες σε ηλεκτρικό ρεύμα όταν υπάρχει δυσκολία στην σύνδεση με το δίκτυο της Δ.Ε.Η. Επιπλέων βελτιώνουν την ποιότητα ζωής του σύγχρονου ανθρώπου. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ: http://ebooks.edu.gr/modules/ebook/show.php/dsgl-c123/487/3182,12847/ http://eclass.opencourses.teicm.gr/eclass/modules/document/file.php/tma112/mix_hm_04_dc_generators. GOOGLE IMAGES