Πανεπιστήµιο Κύπρου Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών ΗΜΥ 100 Εισαγωγή στην Τεχνολογία Εισαγωγή στις Ηλεκτρικές Μηχανές Ο κινητήρας συνεχούς ρεύµατος µε διέγερση σειράς Σκοποί: Η εύρεση της σχέσης µεταξύ ταχύτητας και ροπής σε ένα κινητήρα συνεχούς ρεύµατος µε διέγερση σειράς. Ο υπολογισµός του συντελεστή απόδοσης του κινητήρα συνεχούς ρεύµατος µε διέγερση σειράς. Εργαστηριακός Εξοπλισµός Γεννήτρια/κινητήρας συνεχούς ρεύµατος Βολτόµετρο/αµπερόµετρο συνεχούς ρεύµατος Τροφοδοτικά συνεχούς και εναλλασσόµενου ρεύµατος Ηλεκτροδυναµόµετρο Ψηφιακό ταχύµετρο Εισαγωγή Στoν κινητήρα συνεχούς ρεύµατος µε διέγερση σειράς το µαγνητικό πεδίο παράγεται από το ρεύµα το οποίο ρέει διαµέσου της περιέλιξης του στάτη. Ως εκ τούτου, το µαγνητικό πεδίο είναι αδύναµο όταν το φορτίο του κινητήρα είναι µικρό (η περιέλιξη του στάτη τραβά πολύ λίγο ρεύµα). Από την άλλη, το µαγνητικό πεδίο είναι δυνατό όταν το φορτίο είναι µεγάλο (η περιέλιξη του στάτη τραβά µεγάλο ρεύµα). Η τάση στα άκρα του στάτη είναι περίπου ίση µε την τάση της πηγής (αν αγνοήσουµε την µικρή πτώση τάσης στην αντίσταση στο πηνίο διέγερσης που βρίσκεται σε σειρά). Εποµένως, η ταχύτητα του κινητήρα εξαρτάται µόνο από το ρεύµα φορτίου. Η ταχύτητα είναι µικρή για µεγάλα φορτία και πολύ υψηλή για µηδέν φορτίο. Κατ ακρίβεια, αν οι κινητήρες αυτής της µορφής τεθούν σε λειτουργία χωρίς να έχουν φορτίο, αποκτούν τόσο µεγάλη ταχύτητα που καταστρέφονται (ή ακόµα χειρότερα εκσφενδονίζονται θέτοντας σε κίνδυνο την σωµατική µας ακεραιότητα). Η ροπή ενός κινητήρα συνεχούς τάσης εξαρτάται από το γινόµενο του ρεύµατος στο στάτη και του µαγνητικού πεδίου. Για τον κινητήρα µε διέγερση σειράς αυτή η σχέση 2005 Ηλίας Κυριακίδης Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών, Πανεπιστήµιο Κύπρου
συνεπάγεται ότι η ροπή θα είναι πολύ µεγάλη για µεγάλα ρεύµατα στον στάτη. Γι αυτό το λόγο, ο κινητήρας µε διέγερση σειράς είναι κατάλληλος για να ξεκινά φορτία που έχουν µεγάλη αδράνεια αφού το αρχικό ρεύµα είναι πολύ µεγάλο. Για παράδειγµα, χρησιµοποιείται σαν κινητήρας σε ηλεκτρικά λεωφορεία, τραίνα και εφαρµογές όπου χρειάζεται να τραβηχτεί µεγάλο φορτίο. Πειραµατική διαδικασία ΠΡΟΣΟΧΗ! Σε αυτό το πείραµα υπάρχουν ψηλές τάσεις. Μην κάνετε καµία σύνδεση ή αλλαγή στο κύκλωµα µε ανοικτό διακόπτη! Ο διακόπτης πρέπει να κλείνει όταν δεν κάνουµε µετρήσεις! Να αγγίζετε τον εξοπλισµό µόνο µε το ένα χέρι και µόνο ένα άτοµο να βρίσκεται κοντά στον εξοπλισµό. ΜΕΡΟΣ Α 1. Χρησιµοποιώντας το τροφοδοτικό (power supply), τον κινητήρα/γεννήτρια συνεχούς ρεύµατος (DC motor/generator), το βολτόµετρο/αµπερόµετρο συνεχούς ρεύµατος (DC voltmeter/ammeter) και το ηλεκτροδυναµόµετρο (electrodynamometer), συνδέστε το κύκλωµα όπως φαίνεται στο Σχεδιάγραµµα 1. ΜΗΝ ΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΣΕΤΕ ΤΟ ΚΥΚΛΩΜΑ! 7 + 0240 V dc + 0400 V V dc 03 + A dc A 1 M 2 3 4 5 6 ΗΛΕΚΤΡΟ ΥΝΑΜΟΜΕΤΡΟ N 1 + 240 V ac N Σχεδιάγραµµα 1. Συνδεσµολογία κινητήρα συνεχούς ρεύµατος µε διέγερση σειράς
Παρατηρήστε ότι ο κινητήρας είναι συνδεδεµένος για διέγερση σειράς (η παράλληλη διέγερση και ο ρεοστάτης δεν χρησιµοποιούνται) και είναι συνδεδεµένα µε το µεταβλητό τροφοδοτικό συνεχούς ρεύµατος (στα τερµατικά 7 και Ν). Το ηλεκτροδυναµόµετρο είναι συνδεδεµένο µε το σταθερό τροφοδοτικό εναλλασσόµενης τάσης (στα τερµατικά 1 και Ν). 2. Ρυθµίστε το κοµβίο ελέγχου του δυναµόµετρου στο µέσο της κλίµακας (για να υπάρχει κάποιο αρχικό φορτίο στον κινητήρα). 3. Ζητήστε από τον/την υπεύθυνο/η στο εργαστήριο να επιβεβαιώσει ότι η συνδεσµολογία σας είναι σωστή. 4. (α) Ανάψετε τον διακόπτη. (β) Αυξήστε βαθµιαία τη συνεχή τάση του κινητήρα µέχρι να ξεκινήσει να περιστρέφεται. Παρατηρείστε τη φορά περιστροφής. Αν δεν είναι δεξιόστροφη κλείστε την παροχή και αντιστρέψτε τα καλώδια που είναι συνδεδεµένα στην αντίσταση διέγερσης. (γ) Ρυθµίστε τη µεταβαλλόµενη τάση περιστρέφοντας το κοµβίο που βρίσκεται στο τροφοδοτικό στα 120 V dc. Παράλληλα ρυθµίστε το κοµβίο ελέγχου του δυναµόµετρου ώστε η ένδειξη πάνω στο δυναµόµετρο να είναι 1.2 N.m (ένδειξη της ροπής). ιεκπεραιώστε αυτό το βήµα αργά και µε προσοχή ούτως ώστε να µην δηµιουργηθούν ταλαντώσεις στο ηλεκτροδυναµόµετρο. Αν το ηλεκτροδυνα µόµετρο αρχίσει να ταλαντώνεται αυξήστε το φορτίο και ακολούθως µειώστε την τάση. Μετά επαναρχίστε την προσπάθεια µειώνοντας το φορτίο. 5. Μετρήστε το ρεύµα διαβάζοντας την ένδειξη του αµπεροµέτρου και µετρήστε την ταχύτητα περιστροφής του κινητήρα (χρησιµοποιώντας το ψηφιακό ταχύµετρο). Καταγράψτε αυτές τις τιµές στον Πίνακα 1. 6. Επαναλάβετε το βήµα 5 για όλες τις τιµές της ροπής όπως φαίνονται στον Πίνακα 1. Βεβαιωθείτε ότι η τάση παραµένει 120 V. Πίνακας 1. Μετρήσεις V (V) I (A) Ταχύτητα (r/min) Ροπή (N.m) 120 1,2 120 0,9 120 0,6 120 0,3 120 0,1 7. Για να σταµατήσουµε τον κινητήρα και να ολοκληρώσουµε το πείραµα, αυξάνουµε το φορτίο στο ηλεκτροδυναµόµετρο και ακολούθως µηδενίζουµε την τάση. Τέλος, σβήνουµε τον διακόπτη.
Ανάλυση αποτελεσµάτων 1. Χρησιµοποιώντας τις τιµές που καταγράψατε στον Πίνακα 1, παραστήστε γραφικά την ταχύτητα περιστροφής του κινητήρα συναρτήσει της ροπής. Τι παρατηρείτε; 2. Υπολογίστε τη µηχανική ισχύ εξόδου που αναπτύσσεται στον κινητήρα όταν η ροπή είναι 1.2 Ν.m. Χρησιµοποιήστε την εξίσωση, 2π NT Pout =, 60 όπου P out : Μηχανική ισχύς εξόδου (W) N: Tαχύτητα (r/min) T: Ροπή (N.m) 3. Πόση είναι η ισχύς εισόδου του κινητήρα στο ερώτηµα 2?
4. Γνωρίζοντας τη ισχύ εισόδου και εξόδου υπολογίστε τον συντελεστή απόδοσης του κινητήρα για τις συνθήκες του ερωτήµατος 2. 5. Υπολογίστε τις απώλειες του κινητήρα για τις συνθήκες του ερωτήµατος 2.