ΑΣΚΗΣΗ 4 η ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΣΥΓΧΡΟΝΟΥ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ Σκοπός της άσκησης: Σκοπός της άσκησης είναι: 1. Να εξοικειωθεί ο σπουδαστής με την διαδικασία εκκίνησης ενός σύγχρονου τριφασικού κινητήρα. 2. Να μελετήσει τα χαρακτηριστικά λειτουργίας ενός σύγχρονου τριφασικού κινητήρα και να προσδιορίσει πειραματικά την χαρακτηριστική καμπύλη V (I φ =f(i f )) καθώς και την χαρακτηριστική καμπύλη του συντελεστή ισχύος με τη μεταβολή του φορτίου. 1. Γενικά Μια σύγχρονη μηχανή μπορεί να δουλέψει και ως κινητήρας. Για να γίνει αυτό θα πρέπει να τροφοδοτήσουμε αρχικά με συνεχές ρεύμα τον δρομέα (ρεύμα διέγερσης) και παράλληλα να συνδέσουμε το τριφασικό τύλιγμα του στάτη σε μια τριφασική πηγή τάσης. Στην περίπτωση αυτή δημιουργείται στο διάκενο της μηχανής από τα ρεύματα που διαρρέουν τα τυλίγματα του στάτη ένα στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο (Βs) το οποίο όταν αλληλεπιδρά κατάλληλα με το μαγνητικό πεδίο του τυλίγματος διέγερσης (B r ) διατηρεί την περιστροφή του δρομέα (σχήμα 1). Ο σύγχρονος κινητήρας παρουσιάζει κάποια ιδιαίτερα χαρακτηριστικά σε σχέση με τους υπόλοιπους ηλεκτρικούς κινητήρες: 1. Ο κινητήρας περιστρέφεται με σταθερή ταχύτητα ανεξάρτητα από το φορτίο στον άξονά του. Η ταχύτητα αυτή ονομάζεται σύγχρονη και είναι ίση με την ταχύτητα περιστροφής του στρεφόμενου μαγνητικού πεδίου: Όπου n s είναι η σύγχρονη ταχύτητα, f η συχνότητα τροφοδοσίας του στάτη και P τα ζεύγη των πόλων της μηχανής. 2. Μπορούμε να μεταβάλλουμε τον συντελεστή ισχύος του κινητήρα ελέγχοντας το ρεύμα διέγερσης, μια διαδικασία την οποία είδαμε και στην περίπτωση της σύγχρονης γεννήτριας. 1
Ο σύγχρονος κινητήρας έχει και ένα μειονέκτημα. Δεν μπορεί να ξεκινήσει τροφοδοτώντας απλά με ρεύμα τα τυλίγματα του στάτη και του δρομέα αντίστοιχα. Br Τύλιγμα Στάτη. Τροφοδοσία από τριφασική πηγή Bs Τύλιγμα Δρομέα. Τροφοδοσία από πηγή συνεχούς τάσης Σχήμα 1. Σχηματική αναπαράσταση ενός σύγχρονου κινητήρα. Το μαγνητικό πεδίο του στάτη (Βs) στρέφεται και ο δρομέας το ακολουθεί λόγω των δυνάμεων που ασκούνται μεταξύ Bs και Br (μαγνητικό πεδίο δρομέα). 2. Εκκίνηση σύγχρονου κινητήρα Κατά την εκκίνηση του κινητήρα το μαγνητικό πεδίο του στάτη είναι στρεφόμενο ενώ το μαγνητικό πεδίο του δρομέα σταθερό σε μέτρο και θέση (ακίνητο). Λόγω της αδράνειας των στρεφόμενων μερών του κινητήρα ο δρομέας δεν μπορεί να ακολουθήσει την κίνηση του στρεφόμενου μαγνητικού πεδίου και σε κάθε ημι-περίοδο της εναλλασσόμενης τάσης δέχεται ροπή διαφορετικής κατεύθυνσης. Η συνεχής εναλλαγή της ροπής που ασκείται στον δρομέα έχει ως αποτέλεσμα την δόνηση του δρομέα αντί της περιστροφής του η οποία μπορεί να προκαλέσει φαινόμενα υπερθέρμανσης του κινητήρα. Για την εκκίνηση του σύγχρονου κινητήρα έχουν προταθεί τρεις μέθοδοι: 1. Εκκίνηση με την χρήση βοηθητικού κινητήρα. 2. Μεταβολή της συχνότητας τροφοδοσίας του δρομέα. 3. Χρήση τυλιγμάτων απόσβεσης. Στο εργαστήριο γίνεται χρήση της τρίτης μεθόδου. Τα τυλίγματα απόσβεσης είναι ένα επιπλέον τύλιγμα το οποίο έχει την μορφή ενός κλωβού (σχήμα 2). Αποτελείται από μεταλλικούς αγωγούς οι οποίοι τοποθετούνται μέσα σε αυλάκια στα πέλματα των πόλων του δρομέα. Οι αγωγοί αυτοί 2
βραχυκυκλώνονται στα δύο άκρα τους από μεταλλικούς δακτυλίους (σχήμα 2). Παράλληλα και το τύλιγμα της διέγερσης βραχυκυκλώνεται συνήθως κατά την εκκίνηση και λειτουργεί και αυτό συμπληρωματικά σαν ένα επιπλέον τύλιγμα κλωβού. Η λειτουργία του τυλίγματος αντιστάθμισης μπορεί να περιγραφεί περιληπτικά ως εξής. Το στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο επάγει τάση στους αγωγούς του τυλίγματος με αποτέλεσμα την εμφάνιση ρεύματος σε αυτούς (επειδή είναι βραχυκυκλωμένοι). Ταυτόχρονα με την εμφάνιση ρεύματος έχουμε και την ανάπτυξη ροπής η οποία στρέφει τον δρομέα. Η ροπή αναπτύσσεται πάντα προς την ίδια φορά καθώς το ρεύμα στον δρομέα δεν είναι σταθερό (όπως το ρεύμα διέγερσης) αλλά εναλλασσόμενο. Η αλλαγή της φοράς του ρεύματος ακολουθεί την αλλαγή της θέσης του στρεφόμενου μαγνητικού πεδίου με αποτέλεσμα η ροπή να έχει σταθερή κατεύθυνση. Όταν ο κινητήρας εκκινήσει και φτάσει σε μια ταχύτητα κοντά στη σύγχρονη τροφοδοτούμε το τύλιγμα της διέγερσης και ο δρομέας επιταχύνει περαιτέρω φτάνοντας στην σύγχρονη ταχύτητα. Όταν ο δρομέας περιστρέφεται με την σύγχρονη ταχύτητα δεν επάγονται τάσεις και ρεύματα στο τύλιγμα αντιστάθμισης διότι η σχετική ταχύτητα των μαγνητικών πεδίων στάτη και δρομέα είναι μηδέν Σχήμα 2. Ο δρομέας (έκτυπων πόλων) ενός σύγχρονου κινητήρα με το τύλιγμα αντιστάθμισης (στα πέλματα των πόλων). 3. Χαρακτηριστική Ροπής Ταχύτητας & Καμπύλες V Σε αντίθεση με την σύγχρονη γεννήτρια, ο κινητήρας απορροφά ενεργό ισχύ από το δίκτυο και την μετατρέπει σε μηχανική ισχύ στην έξοδο. Η άεργος ισχύς του κινητήρα ρυθμίζεται μέσω του ρεύματος διέγερσης. Διακρίνουμε δυο 3
καταστάσεις λειτουργίας, ανάλογα με την τιμή του ρεύματος διέγερσης. Όταν το ρεύμα διέγερσης είναι μικρό (υποδιέγερση) ο κινητήρας απορροφά άεργο ισχύ από το δίκτυο και ο συντελεστής ισχύος είναι επαγωγικός (ο κινητήρας είναι φορτίο). Καθώς αυξάνουμε το ρεύμα διέγερσης η άεργος ισχύς που απορροφά ο κινητήρας από το δίκτυο μειώνεται με συνέπεια να μειώνεται το ρεύμα φορτίου του κινητήρα και ο συντελεστής ισχύος να αυξάνεται. Για κάποια συγκεκριμένη τιμή του ρεύματος διέγερσης ο συντελεστής ισχύος του κινητήρα γίνεται 1. Ο κινητήρας τότε απορροφά από το δίκτυο μόνο ενεργό ισχύ ενώ η άεργος ισχύς είναι μηδέν. Το ρεύμα φορτίου γίνεται τότε ελάχιστο. Αυξάνοντας περεταίρω το ρεύμα διέγερσης (υπερδιέγερση), ο κινητήρας αρχίζει να προσφέρει άεργο ισχύ στο δίκτυο. Το ρεύμα φορτίου αρχίζει να αυξάνεται και ο συντελεστής ισχύος μειώνεται και πάλι και γίνεται χωρητικός. Η παραπάνω συμπεριφορά της γεννήτριας αποτυπώνεται στις καμπύλες V (σχήμα 3). Iφ (A) 0,75 Pον cosφ=1 0,5 Pον 0,25 Pον Υποδιέγερση Επαγωγική Συμπεριφορά Υπερδιέγερση Χωρητική Συμπεριφορά Ιf (A) Σχήμα 3. Καμπύλες V ενός σύγχρονου κινητήρα. Δεδομένου ότι ο κινητήρας περιστρέφεται με σταθερή ταχύτητα ανεξαρτήτως του φορτίου του, η χαρακτηριστική ροπής ταχύτητας του κινητήρα θα έχει τη μορφή του σχήματος 4. Στην πράξη η περιοχή ασφαλούς λειτουργίας της μηχανής καθορίζεται από τα θερμικά και μηχανικά όρια φόρτισης. Η αύξηση του φορτίου του κινητήρα προκαλεί αύξηση του ρεύματος στον στάτη και κατά συνέπεια αύξηση των ηλεκτρικών απωλειών. 4
4. Ισοδύναμο Κύκλωμα Το ισοδύναμο κύκλωμα του σύγχρονου κινητήρα είναι πρακτικά το ίδιο με το ισοδύναμο κύκλωμα της γεννήτριας. Η διαφορά τους βρίσκεται στον στάτη. Στη θέση του ηλεκτρικού φορτίου (περίπτωση γεννήτριας) συνδέουμε μια πηγή εναλλασσόμενης τάσης η οποία τροφοδοτεί τον κινητήρα με ηλεκτρική ισχύ. Το ισοδύναμο κύκλωμα του σύγχρονου κινητήρα φαίνεται στο σχήμα 5. Rs jxs A Vf Rf Lf Ea Is Vφ AC Σχήμα 5. Ισοδύναμο κύκλωμα σύγχρονου κινητήρα. Από την εφαρμογή του 2 ου κανόνα του Kirchhoff προκύπτει ότι: (4.1) Από την παραπάνω σχέση προκύπτει για το ρεύμα: (4.2) Από την σχέση 4.2 παρατηρούμε ότι μεταβάλλοντας το ρεύμα διέγερσης (άρα και το Ε Α ) μεταβάλλεται το ρεύμα του δρομέα χωρίς μεταβολή του φορτίου (χαρακτηριστικές καμπύλες V) 5
Α. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 1. Πραγματοποιήστε την συνδεσμολογία του κυκλώματος σύμφωνα με το παρακάτω σχέδιο. Ο στάτης του κινητήρα να συνδεθεί σε αστέρα. ΔΙΚΤΥΟ V A G MS A Διέγερση 2. Στον άξονα του σύγχρονου κινητήρα θα συνδέσετε μια γεννήτρια συνεχούς ρεύματος η οποία θα αποτελεί το φορτίο του κινητήρα. 3. Επειδή ο σύγχρονος κινητήρας δεν ξεκινά μόνος του θα χρησιμοποιήσετε στην εκκίνηση τα τυλίγματα απόσβεσης. 4. Με τον κινητήρα χωρίς φορτίο μειώστε το ρεύμα στην ελάχιστα επιτρεπτή τιμή Στην συνέχεια αυξήστε βηματικά το ρεύμα διέγερσης μέχρι την ονομαστική του τιμή καταγράφοντας ταυτόχρονα το ρεύμα του στάτη (ρεύμα 6
φορτίου), το ρεύμα διέγερσης, την τάση λειτουργίας, τον συντελεστή ισχύος και την ισχύ εισόδου (Πίνακας 1). ΠΙΝΑΚΑΣ 1 (Χωρίς Φορτίο) Τάση εξόδου U [V] Ρεύμα Διέγερσης I f [A] Ισχύς Εισόδου P [W] Ρεύμα Φορτίου I Φ [A] Συντελεστής Ισχύος 5. Στην συνέχεια να επαναλάβετε τις μετρήσεις με φορτίο στον άξονα του κινητήρα. Συμπληρώστε τον Πίνακα 2. ΠΙΝΑΚΑΣ 2 (Με Φορτίο) Τάση εξόδου U [V] Ρεύμα Διέγερσης I f [A] Ισχύς Εισόδου P [W] Ρεύμα Φορτίου I Φ [A] Συντελεστής Ισχύος Απαιτούμενα όργανα: Βολτόμετρο AC, Αμπερόμετρο AC, Αμπερόμετρο DC, Αναλυτής ενέργειας. 7
Β. ΕΡΓΑΣΙΑ Χρησιμοποιώντας τα δεδομένα του Πίνακα 1 και του Πίνακα 2, να σχεδιάσετε σε ορθογώνιο σύστημα συντεταγμένων: 1. Τις καμπύλες μεταβολής του ρεύματος φορτίου σε συνάρτηση με το ρεύμα διέγερσης I s =f(i f ) (χαρακτηριστική καμπύλη V). 2. Τις καμπύλες μεταβολής του συντελεστή ισχύος σε συνάρτηση με το ρεύμα διέγερσης cosφ=f(i f ). 8