ΑΣΚΗΣΗ 11 η ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΣΥΝΘΕΤΗΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Σκοπός της Άσκησης: Σκοπός της εργαστηριακής άσκησης είναι α) η κατανόηση των τρόπων ελέγχου της ταχύτητας ενός κινητήρα συνεχούς ρεύματος σύνθετης διέγερσης β) η χάραξη της χαρακτηριστικής ταχύτητας ροπής μιας μηχανής Σ.Ρ. σύνθετης διέγερσης, γ) η κατανόηση του τρόπου αλλαγής φοράς περιστροφής ενός κινητήρα Σ.Ρ. σύνθετης διέγερσης. 1. Εισαγωγή Στις προηγούμενες εργαστηριακές ασκήσεις χρησιμοποιήσαμε το ένα από τα δυο τυλίγματα διέγερσης (παράλληλο & σειράς) που διαθέτει ο κινητήρας Σ.Ρ. προκειμένου να δημιουργήσουμε το μαγνητικό πεδίο στο εσωτερικό της μηχανής. Υπάρχει όμως και η δυνατότητα ταυτόχρονης χρήσης των δυο τυλιγμάτων οπότε στην περίπτωση αυτή αναφερόμαστε σε ένα κινητήρα Σ.Ρ σύνθετης διέγερσης. Ο κινητήρας Σ.Ρ. σύνθετης διέγερσης συνδυάζει τα πλεονεκτήματα των κινητήρων Σ.Ρ. παράλληλης διέγερσης και διέγερσης σειράς, δηλαδή την υψηλή ροπή εκκίνησης (διέγερση σειράς) και την δυνατότητα ρύθμισης της ταχύτητας του κινητήρα (τύλιγμα παράλληλης διέγερσης). Στην περίπτωση του κινητήρα Σ.Ρ. σύνθετης διέγερσης η μαγνητική ροή στο εσωτερικό του είναι ίση με το άθροισμα των μαγνητικών ροών που δημιουργούνται από τα δυο τυλίγματα διέγερσης: (11.1) Όπου Φ π είναι η μαγνητική ροή που προκαλείται από το τύλιγμα παράλληλης διέγερσης και Φ σ η μαγνητική ροή που προκαλείται από το τύλιγμα διέγερσης σειράς. Ανάλογα με τις συνδέσεις των δυο τυλιγμάτων οι μαγνητικές τους ροές μπορεί να προστίθενται (αθροιστική σύνθετη διέγερση), ή μπορεί να αφαιρούνται (αφαιρετική ή διαφορική σύνθετη διέγερση). Στην πράξη χρησιμοποιείται ο κινητήρας Σ.Ρ. αθροιστικής σύνθετης διέγερσης. Κατά συνέπεια στην παρούσα εργαστηριακή άσκηση θα ασχοληθούμε μόνο με τον συγκεκριμένο κινητήρα. Η επαγόμενη ροπή (εσωτερική ή ηλεκτρομαγνητική) στο άξονα του κινητήρα είναι θα δίνεται από την σχέση: Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 86
Όπου Ι Α είναι το ρεύμα του δρομέα. Αν θεωρήσουμε ότι η του τυλίγματος παράλληλης διέγερσης) και η (11.2) (Ι f το ρεύμα και αντικαταστήσουμε στην σχέση 11.2 προκύπτει η επαγόμενη ροπή σε ένα κινητήρα Σ.Ρ αθροιστικής σύνθετης διέγερσης: (11.3) Από τη σχέση 10.3 προκύπτει η χαρακτηριστική ροπής ρεύματος δρομέα Τ=f(I A ) (σχήμα 1). Σχήμα 1. Η χαρακτηριστική ροπής ρεύματος φορτίου του κινητήρα. Ο κινητήρας Σ.Ρ με διέγερση σειράς αναπτύσσει μεγαλύτερη ροπή για το ίδιο ρεύμα τυμπάνου σε σχέση με τον κινητήρα Σ.Ρ ξένης ή παράλληλης διέγερσης. 2. Κινητήρας Σ.Ρ. διέγερσης σειράς -Ισοδύναμο Κύκλωμα Το ισοδύναμο κύκλωμα ενός κινητήρα Σ.Ρ. σύνθετης διέγερσης σειράς φαίνεται στο σχήμα 2. Από το ισοδύναμο κύκλωμα και με εφαρμογή του 2 ου κανόνα του Kirchhoff προκύπτει η παρακάτω εξίσωση: (11.4) Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 87
Όπου Ι Α είναι το ρεύμα του δρομέα, R Α είναι η αντίσταση των τυλιγμάτων του δρομέα και R σ είναι η αντίσταση του τυλίγματος διέγερσης σειράς. Το ρεύμα φορτίου του κινητήρα είναι ίσο με : Εκκίνηση (11.5) Κατά την εκκίνηση (n=0+), ο κινητήρας απορροφά ένα μεγάλο ρεύμα Ι φεκ πολλαπλάσιο του ονομαστικού Ι φν. Υπολογιστικά το ρεύμα εκκίνησης Ι φεκ προκύπτει από την ακόλουθη σχέση: και θέσουμε Ε Α =0 καθώς ο δρομέας του κινητήρα δεν περιστρέφεται (n=0). Έτσι το ρεύμα εκκίνησης του κινητήρα θα είναι: RA Rσ Lσ Eα Rf VT Lf Σχήμα 2. Το ισοδύναμο κύκλωμα κινητήρα Σ.Ρ. σύνθετης διέγερσης. 3. Χαρακτηριστική Ταχύτητας - Ροπής Η χαρακτηριστική ταχύτητας ροπής ενός κινητήρα Σ.Ρ. σύνθετης διέγερσης φαίνεται στο σχήμα 3. Στο ίδιο σχήμα φαίνεται και η χαρακτηριστική ροπής ταχύτητας ενός κινητήρα Σ.Ρ. παράλληλης διέγερσης καθώς και ενός κινητήρα διέγερσης σειράς. Από το σχήμα φαίνεται ότι η χαρακτηριστική ροπής Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 88
ταχύτητας ενός κινητήρα Σ.Ρ. αθροιστικής σύνθετης διέγερσης είναι συνδυασμός των αντίστοιχων χαρακτηριστικών των κινητήρων παράλληλης και διέγερσης σειράς. Στη περίπτωση του κινητήρα αυτού εξαλείφεται το πρόβλημα της υπερβολικής αύξησης των στροφών ελλείψη φορτίου, που συναντάμε στον κινητήρα διέγερσης σειράς. Σχήμα 3. Χαρακτηριστική ταχύτητας ροπής κινητήρα σύνθετης διέγερσης. 4. Ρύθμιση Ταχύτητας Κινητήρα Σ.Ρ. σύνθετης διέγερσης Η ρύθμιση της ταχύτητας ενός κινητήρα Σ.Ρ. σύνθετης διέγερσης μπορεί να γίνει είτε με μεταβολή της τάσης τροφοδοσίας του κινητήρα είτε με μεταβολή του ρεύματος παράλληλης διέγερσης (μέσω της μεταβολής του ροοστάτη σχήμα 4). Στην πρώτη περίπτωση η αύξηση της τάσης θα οδηγήσει σε αύξηση του ρεύματος Ι Α και κατά συνέπεια σε αύξηση των στροφών του κινητήρα (λόγω αύξησης της ροπής του κινητήρα σχέση 11.2). Μείωση της τάσης τροφοδοσίας οδηγεί σε μείωση της ταχύτητας. Στην δεύτερη περίπτωση η αύξηση της αντίστασης του ροοστάτη οδηγεί σε μείωση του ρεύματος παράλληλης διέγερσης. Με την μείωση του ρεύματος παράλληλης διέγερσης μειώνεται η συνολική μαγνητική ροή στο εσωτερικό του κινητήρα άρα η ταχύτητα αυξάνεται. Με την μείωση της αντίστασης του ροοστάτη συμβαίνει το αντίθετο. Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 89
+ D1 D2 B2 B1 A1 E1 E2 A2 M - Σχήμα 4. Συνδεσμολογία κινητήρα Σ.Ρ. σύνθετης διέγερσης. 5. Αλλαγή Φοράς Περιστροφής Η αλλαγή φοράς περιστροφής ενός κινητήρα Σ.Ρ. παράλληλης διέγερσης μπορεί να γίνει είτε με αλλαγή της φοράς του ρεύματος στο τύλιγμα του δρομέα, είτε με αλλαγή της φοράς του ρεύματος διέγερσης (αλλαγή της κατεύθυνσης του μαγνητικού πεδίου). Οι αλλαγές αυτές έχουν σαν αποτέλεσμα την αντιστροφή της φοράς της ροπής που ασκείται στο δρομέα και κατά συνέπεια την αλλαγή της φοράς περιστροφής. Στην πράξη προτιμάται η αλλαγή φοράς περιστροφής με την αλλαγή της φοράς του ρεύματος τυμπάνου. Στο σχήμα 5 φαίνονται οι απαραίτητες αλλαγές στην συνδεσμολογία του κινητήρα για την αλλαγή της φοράς περιστροφής με αλλαγή της φοράς του ρεύματος του δρομέα. Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 90
+ D1 D2 B2 B1 A1 E1 E2 A2 M - + D1 D2 B2 B1 A1 E1 E2 A2 M - Σχήμα 5. Αλλαγή φοράς περιστροφής κινητήρα Σ.Ρ. σύνθετης διέγερσης με αλλαγή της φοράς του ρεύματος τυμπάνου. Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 91
ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Α. ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗΣ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ - ΡΟΠΗΣ ΚΙΝΗΤΗΡΑ Σ.Ρ. ΣΥΝΘΕΤΗΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ Για την πραγματοποίηση της άσκησης θα υλοποιήσετε την παρακάτω συνδεσμολογία: + D1 D2 B2 B1 A1 A E1 E2 A2 M G Rφ V - Η τάση του δρομέα του κινητήρα θα ρυθμιστεί κατάλληλα, έτσι ώστε η ταχύτητα του κινητήρα να γίνει ίση με την ονομαστική ταχύτητα της γεννήτριας. Φορτίστε σταδιακά την γεννήτρια μέχρι το ονομαστικό της ρεύμα. Το είδος της γεννήτριας (AC ή DC) θα καθοριστεί από τον διδάσκοντα. Το φορτίο της γεννήτριας θα είναι ωμικό. Συμπληρώστε τον πίνακα 1. Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 92
ΠΙΝΑΚΑΣ 1 ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ V T (V) I Φ (Α) Ι f (A) N (rpm) T (Nm) ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ V φ (V) I Φ (A) P (W) Β. ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ Β1. Σχεδιάστε σε κατάλληλη κλίμακα την χαρακτηριστική Τ=f(I Α ) του κινητήρα. Β2. Σχεδιάστε σε κατάλληλη κλίμακα την χαρακτηριστική ταχύτητας ροπής του κινητήρα n=f(t). Β3. Υπολογίστε την διακύμανση της ταχύτητας του κινητήρα για ονομαστικό φορτίο. Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 93