ΑΣΚΗΣΗ 9 η ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΠΑΡΑΛΛΗΛΗΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Σκοπός της Άσκησης: Σκοπός της εργαστηριακής άσκησης είναι: α) η ασφαλής εκκίνηση β) η χάραξη της χαρακτηριστικής ταχύτητας-ροπής (χαρακτηριστική φορτίου), γ) η κατανόηση των τρόπων ελέγχου της ταχύτητας, και δ) η κατανόηση του τρόπου αλλαγής φοράς περιστροφής ενός κινητήρα Σ.Ρ. παράλληλης διέγερσης 1. Εισαγωγή Στον κινητήρα Σ.Ρ. παράλληλης διέγερσης το τύλιγμα της διέγερσης (Ε1-Ε2) και το/τα τύλιγμα/τα του δρομέα (Α1-Α2&Β1-Β2&C1-C2), συνδέονται παράλληλα και τροφοδοτούνται από κοινή πηγή τάσης. Το ρεύμα διέγερσης ελέγχεται με την βοήθεια ροοστάτη (R π ) o οποίος συνδέεται σε σειρά με το τύλιγμα διέγερσης, όπως φαίνεται και στο σχήμα 1. Πρακτικά στη μόνιμη κατάσταση ο κινητήρας Σ.Ρ. παράλληλης διέγερσης συμπεριφέρεται όπως ακριβώς και ο κινητήρας Σ.Ρ. ξένης διέγερσης που εξετάσαμε στην προηγούμενη εργαστηριακή άσκηση. 2. Ισοδύναμο Κύκλωμα - Εκκίνηση Το ισοδύναμο κύκλωμα ενός κινητήρα Σ.Ρ. παράλληλης διέγερσης είναι κατά βάση το ίδιο με αυτό μιας γεννήτριας Σ.Ρ. παράλληλης διέγερσης. Η αλλαγή εντοπίζεται στην αναστροφή της ροής της ηλεκτρικής ισχύος (δίκτυο-μηχανή) η οποία μαθηματικά εκφράζεται με την αναστροφή του ρεύματος του δρομέα. Το ισοδύναμο κύκλωμα φαίνεται στο σχήμα 1 που ακολουθεί. Από το ισοδύναμο κύκλωμα και με εφαρμογή του 2 ου προκύπτει η παρακάτω εξίσωση: κανόνα του Kirchhoff (9.1) Όπου Ι Α είναι το ρεύμα του δρομέα και R a είναι η συνολική αντίσταση των τυλιγμάτων του δρομέα (R A1-A2 +R B1-B2 +R C1-C2 ). Το ρεύμα που απορροφά ο κινητήρας από το δίκτυο ονομάζεται και ρεύμα φορτίου διότι εξαρτάται/καθορίζεται από το φορτίο του κινητήρα, δίνεται από τη σχέση: (9.2) Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 66
Iφ RA Ιf Ea Rρυθμ. Vt Rf Σχήμα 1. Το ισοδύναμο κύκλωμα κινητήρα Σ.Ρ. παράλληλης διέγερσης. Εκκίνηση Κατά την εκκίνηση (n=0+) με σταθερή τάση V T =V TN ο κινητήρας απορροφά ένα μεγάλο ρεύμα Ι Αεκ πολλαπλάσιο του ονομαστικού Ι ΑΝ. Υπολογιστικά το ρεύμα εκκίνησης Ι Αεκ προκύπτει αν επιλύσουμε σχέση 9.1 προς το ρεύμα του δρομέα: Με Ε Α =KΦn=0 καθώς ο δρομέας του κινητήρα δεν περιστρέφεται (n=0), το ρεύμα εκκίνησης του κινητήρα θα είναι: Η εκκίνηση με μειωμένη τάση τροφοδοσίας ή η προσθήκη εκκινητή είναι δύο τρόποι ελέγχου/περιορισμού του ρεύματος εκκίνησης. Και στις δύο περιπτώσεις θα πρέπει κατά την διαδικασία της εκκίνησης να ρυθμίζεται κατάλληλα ο ροοστάτης της διέγερσης, ή να συνδεθεί σωστά ο εκκινητής, ώστε να αναπτύσσεται ικανοποιητικό (ονομαστικό) μαγνητικό πεδίο διέγερσης. 3. Χαρακτηριστική Ταχύτητας - Ροπής Η χαρακτηριστική ταχύτητας ροπής ενός κινητήρα Σ.Ρ. παράλληλης διέγερσης δίνεται (όπως και στην περίπτωση του κινητήρα Σ.Ρ. ξένης διέγερσης) από την σχέση: Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 67
Με σταθερή τάση τροφοδοσίας V T και σταθερό ρεύμα διέγερσης Ι f (σταθερή θέση R Π ), η παραπάνω εξίσωση n=f(t), παριστάνει γραφικά μια ευθεία με αρνητική κλίση (-R A /(KΦ) 2 ), δηλαδή με την αύξηση της ροπής του φορτίου η ταχύτητά του κινητήρα μειώνεται και αντίστροφα. Ταυτόχρονα η αύξηση του φορτίου οδηγεί σε αύξηση του ρεύματος Ι φ που απορροφά ο κινητήρας, κάτι που είναι αναμενόμενο, καθώς ο κινητήρας για να αποδώσει μεγαλύτερη μηχανική ενέργεια (Ρ μηχ =Τ.Ω) στην έξοδό του, θα χρειαστεί περισσότερη ηλεκτρική ενέργεια (Ρηλ=V T.I φ ) στην είσοδό του. Η αύξηση του ρεύματος προκύπτει επίσης και από την εξίσωση (9.3) όπου η μείωση των στροφών, που θα επέλθει λόγω αύξησης του φορτίου (εξίσωση 9.5), θα μειώσει την ΑΗΕΔ E A στον αριθμητή της σχέσης αυτής και κατά συνέπεια το ρεύμα Ι Α θα αυξηθεί. Η χαρακτηριστική ταχύτητας-ροπής ενός κινητήρα παράλληλης διέγερσης, για σταθερή τάση τροφοδοσίας V T, σταθερό ρεύμα διέγερσης Ι f (σταθερή θέση R Π ) και χωρίς να λαμβάνεται υπόψη η αντίδραση του επαγωγικού τυμπάνου, προκύπτει από την σχέση (9.5) είναι της μορφής n=n 0 -αt και φαίνεται στο σχήμα 2 nm n o V K T nn R A (K 2 ) (Κλίση Χαρακτηριστικής) TN T Σχήμα 2. Χαρακτηριστική ταχύτητας ροπής κινητήρα παράλληλης διέγερσης. Γενικά η διακύμανση της ταχύτητας σε ένα κινητήρα Σ.Ρ. παράλληλης διέγερσης είναι σχετικά μικρή γι αυτό και οι κινητήρες αυτοί καλούνται και κινητήρες σταθερής ταχύτητας. Στην περίπτωση δε που ο κινητήρας δεν διαθέτει τύλιγμα αντιστάθμισης, με την αύξηση του φορτίου η αντίδραση του επαγωγικού τυμπάνου προκαλεί μείωση της μαγνητικής ροής στο εσωτερικό της μηχανής η οποία θα οδηγήσει σε αύξηση των στροφών, δηλαδή μικρότερη μείωση των στροφών όταν φορτίζεται συγκρινόμενη με την μείωση των στροφών στην Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 68
περίπτωση που ο κινητήρας διαθέτει τύλιγμα αντιστάθμισης. Συμπερασματικά η αντίδραση επαγωγικού τυμπάνου βελτιώνει την διακύμανση της ταχύτητας. 4. Ρύθμιση Ταχύτητας Κινητήρα Σ.Ρ. παράλληλης διέγερσης Σε κάθε κινητήρα Σ.Ρ. υπάρχει η δυνατότητα ρύθμισης των στροφών με μεταβολή: Της τάσης τροφοδοσίας V T του επαγωγικού τυμπάνου (δρομέα) Του ρεύματος διέγερσης I f. Στην περίπτωση του κινητήρα Σ.Ρ. παράλληλης διέγερσης μπορούμε «θεωρητικά» να χρησιμοποιήσουμε και τους δυο τρόπους ελέγχου της ταχύτητας αλλά στην πράξη εφαρμόζεται ο έλεγχος μέσω του ρεύματος διέγερσης με σταθερή την τάση τροφοδοσίας του κινητήρα. Αυτό διότι με την μεταβολή της τάσης τροφοδοσίας μεταβάλλονται ταυτόχρονα τόσο το ρεύμα του δρομέα όσο και το ρεύμα της διέγερσης, τα οποία έχουν «αντίθετη δράση» στη διαμόρφωση των στροφών του κινητήρα με τις τελικές τιμές όλων των μεγεθών να διαμορφώνονται από το μέγεθος της ηλεκτρομαγνητικής ροπής που πρέπει να αναπτύξει ο κινητήρας. Στο σχήμα 3α φαίνεται η μεταβολή της χαρακτηριστικής ταχύτητας-ροπής για τρία διαφορετικά ρεύματα διέγερσης. Με την μείωση του ρεύματος διέγερσης αυξάνονται οι στροφές του κινητήρα, αλλά ταυτόχρονα αυξάνει και η κλίση της χαρακτηριστικής ταχύτητας ροπής δηλαδή και η διακύμανση της ταχύτητας. Στο σχήμα 3β φαίνεται η μεταβολή της ταχύτητας του κινητήρα συναρτήσει του ρεύματος διέγερσης όταν περιστρέφεται χωρίς φορτίο. nm I > I > f 2 I f3 f1 nm nmax I f1 I f 2 I f3 nmin Α T If,min Β If,max T Σχήμα 3Α. Επίδραση της μεταβολής του ρεύματος διέγερσης στην χαρακτηριστική ταχύτητας ροπής (V T =σταθ.), 3Β. Μεταβολή ταχύτητας χωρίς φορτίο συναρτήσει του ρεύματος διέγερσης. Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 69
5. Αλλαγή Φοράς Περιστροφής Η αλλαγή φοράς περιστροφής ενός κινητήρα Σ.Ρ. παράλληλης διέγερσης μπορεί να γίνει είτε με εναλλαγή των ακροδεκτών του τυλίγματος του τυμπάνου (αλλαγή της φοράς του ρεύματος στο τύλιγμα του δρομέα), είτε με αλλαγή των ακροδεκτών του τυλίγματος διέγερσης (αλλαγή της κατεύθυνσης του μαγνητικού πεδίου). Οι αλλαγές αυτές έχουν σαν αποτέλεσμα την αντιστροφή της φοράς της ροπής που ασκείται στο δρομέα (αντίθετη φορά δύναμης Laplace) και κατά συνέπεια την αλλαγή της φοράς περιστροφής. Στην πράξη είναι περισσότερο εύχρηστη η αλλαγή φοράς περιστροφής με την αλλαγή της φοράς του ρεύματος τυμπάνου. Στα σχήματα 4 και 5 φαίνονται οι απαραίτητες αλλαγές στην συνδεσμολογία του κινητήρα για την αλλαγή της φοράς περιστροφής με τους δυο τρόπους που προαναφέρθηκαν. + Iφ B2 B1 A1 - A2 M E1 If E2 + Iφ B2 B1 A1 - A2 M E1 If E2 Σχήμα 4. Αλλαγή φοράς περιστροφής κινητήρα Σ.Ρ. με αλλαγή της φοράς του ρεύματος τυμπάνου. Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 70
+ Iφ B2 B1 A1 M E1 E2 A2 If - + Iφ B2 B1 A1 M E1 If E2 A2 - Σχήμα 5. Αλλαγή φοράς περιστροφής κινητήρα Σ.Ρ. με αλλαγή της φοράς του ρεύματος διέγερσης. Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 71
ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Α. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟΣ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΚΙΝΗΤΗΡΑ Σ.Ρ. ΠΑΡΑΛΛΗΛΗΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ ΧΩΡΙΣ ΦΟΡΤΙΟ A1. Προσδιορισμός της ρυθμιστικής καμπύλης n=f(i f ) Για την πραγματοποίηση των μετρήσεων θα χρησιμοποιήσετε το παρακάτω κύκλωμα: Ο κινητήρας θα περιστρέφεται χωρίς φορτίο ή με σταθερό φορτίο Τροφοδοτείστε σταδιακά τον δρομέα μέχρι την ονομαστική τάση. Η τάση θα παραμείνει σταθερή κατά την διάρκεια του πειράματος. Με το ροοστάτη διέγερσης αρχικά στην ελάχιστη θέση, μεταβάλετε σταδιακά τη θέση του για «ομαλή εκκίνηση» του κινητήρα και προστασία του τυλίγματος (I f ~ I fn ). Ρυθμίζετε την τιμή του έτσι ώστε το ρεύμα διέγερσης του κινητήρα να είναι ίσο με το ονομαστικό. Μειώστε σταδιακά το ρεύμα διέγερσης του κινητήρα μέχρι το Ι fν /2 και συμπληρώστε τον πίνακα 1. Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 72
ΠΙΝΑΚΑΣ 1 Ι φ (Α) I f (A) N (rpm) V Τ (V) Β. ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗΣ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ ΡΟΠΗΣ Για την πραγματοποίηση της άσκησης θα υλοποιήσετε την παρακάτω συνδεσμολογία: + Iφ A B2 A B1 A1 M E1 If E2 G A Rφ V A2 - Το ρεύμα διέγερσης του κινητήρα ρυθμίζεται αρχικά να είναι ίσο με το ονομαστικό (Ι f =Ι fν ). Η τάση του δρομέα του κινητήρα θα ρυθμιστεί κατάλληλα, έτσι ώστε η ταχύτητα του κινητήρα να είναι ίση με την ονομαστική ταχύτητα της γεννήτριας (το είδος της γεννήτριας DC ή AC θα καθοριστεί από τον διδάσκοντα). Φορτίστε σταδιακά την γεννήτρια μέχρι το ονομαστικό της ρεύμα. Το φορτίο της γεννήτριας θα είναι ωμικό (cosφ=1). Συμπληρώστε τον πίνακα 2. Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 73
ΠΙΝΑΚΑΣ 2 ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ V T (V) I Φ (Α) Ι f (A) Ρηλ N (rpm) T (Nm) Pμηχ η=ρμηχ/ρηλ (%) ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ V φ (V) I Φ (A) P (W) Γ. ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ Γ1. Σχεδιάστε με κατάλληλη κλίμακα την χαρακτηριστική n=f(i f ) του κινητήρα χωρίς φορτίο ή με σταθερό φορτίο. Γ2. Σχεδιάστε σε κατάλληλη κλίμακα την χαρακτηριστική Τ=f(I A ). Γ3. Σχεδιάστε σε κατάλληλη κλίμακα την χαρακτηριστική ταχύτητας ροπής του κινητήρα n=f(t). Γ4. Υπολογίστε την διακύμανση της ταχύτητας του κινητήρα για ονομαστικό φορτίο (Τ N ). Γ5. Από την χαρακτηριστική ταχύτητας ροπής υπολογίστε το γινόμενο ΚΦ. Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 74
Γ6. Σχεδιάστε την συνάρτηση Ρμηχ= f(i A ). Γ7. Σχεδιάστε την συνάρτηση η(%) = f(i A ). Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 75