ΑΣΚΗΣΗ 7 η ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΣΥΝΘΕΤΗΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Σκοπός της Άσκησης: Σκοπός της εργαστηριακής άσκησης είναι α) η κατανόηση της λειτουργίας της γεννήτριας συνεχούς ρεύματος σύνθετης διέγερσης β) η χάραξη των χαρακτηριστικών καμπυλών της γεννήτριας συνεχούς ρεύματος σύνθετης διέγερσης. 1. Εισαγωγή Στις γεννήτριες Σ.Ρ. σύνθετης διέγερσης χρησιμοποιούνται τόσο το τύλιγμα παράλληλης διέγερσης όσο και το τύλιγμα διέγερσης σειράς. Το τύλιγμα διέγερσης σειράς συνδέεται σε σειρά με τον δρομέα της γεννήτριας (επαγωγικό τύμπανο) και διαρρέεται από το ρεύμα του φορτίου. Το μαγνητικό πεδίο που δημιουργεί στο εσωτερικό της γεννήτριας μπορεί, ανάλογα με τις συνδέσεις των επιμέρους τυλιγμάτων διέγερσης, να προστίθεται ή να αφαιρείται από το μαγνητικό πεδίο που δημιουργεί το τύλιγμα παράλληλης διέγερσης. Στην πρώτη περίπτωση η γεννήτρια ονομάζεται αθροιστικής σύνθετης διέγερσης ενώ στην δεύτερη περίπτωση αφαιρετικής ή διαφορικής σύνθετης διέγερσης. Στην πράξη η γεννήτρια αφαιρετικής σύνθετης διέγερσης δεν χρησιμοποιείται. Η ύπαρξη του τυλίγματος διέγερσης σειράς παρέχει μεγαλύτερη ευελιξία στην γεννήτρια Σ.Ρ. σύνθετης διέγερσης σε σχέση με τις γεννήτριες Σ.Ρ. ξένης και παράλληλης διέγερσης. Με την κατάλληλη ρύθμιση του ρεύματος που περνάει από το τύλιγμα σειράς (συνδέοντας παράλληλα ένα ροοστάτη) μπορεί να ανταποκριθεί πολύ αποτελεσματικότερα στις μεταβολές του φορτίου και να διατηρήσει την τάση στην έξοδό της σταθερή. Πριν την σύνδεση φορτίου στους ακροδέκτες της, η γεννήτρια Σ.Ρ. σύνθετης διέγερσης συμπεριφέρεται ως γεννήτρια παράλληλης διέγερσης, καθώς το τύλιγμα διέγερσης σειράς δεν διαρρέεται από ρεύμα. Κατά την εκκίνηση η τάση στα άκρα της γεννήτριας αναπτύσσεται με την διαδικασία της αυτοδιέγερσης όπως ακριβώς και στην γεννήτρια Σ.Ρ. παράλληλης διέγερσης. Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 51
2. Ισοδύναμο κύκλωμα γεννήτριας Σ.Ρ. σύνθετης διέγερσης Το ισοδύναμο κύκλωμα της γεννήτριας Σ.Ρ. σύνθετης διέγερσης φαίνεται στο σχήμα 1. Το τύλιγμα παράλληλης διέγερσης μπορεί να συνδέεται πιο μακριά στο τύλιγμα του δρομέα (σχήμα 1α) σε σχέση με το τύλιγμα σειράς ή το αντίθετο (σχήμα 1β). Η πρώτη περίπτωση ονομάζεται μακρά σύνδεση (long shunt generator) και η δεύτερη βραχεία σύνδεση (short shunt generator). Ra Rs Ls Ea Rf A. Γεννήτρια Σ.Ρ. σύνθετης διέγερσης, μακράς σύνδεσης. Lf Ra Rs Ls Ea Rf Lf B. Γεννήτρια Σ.Ρ. σύνθετης διέγερσης, βραχείας σύνδεσης. Σχήμα 1. Το ισοδύναμο κύκλωμα μια γεννήτριας συνεχούς ρεύματος σύνθετης διέγερσης. Α) Μακρά σύνδεση Β) Βραχεία σύνδεση. Το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από το τύλιγμα διέγερσης σειράς εξαρτάται από την ένταση του ρεύματος που to διαρρέει αλλά και από τον αριθμό σπειρών του τυλίγματος. Ανάλογα με την συνεισφορά του μαγνητικού πεδίου του τυλίγματος διέγερσης σειράς στη συνολική μαγνητική ροή στο εσωτερικό της γεννήτριας σύνθετης διέγερσης, διακρίνουμε τρεις χαρακτηριστικές φορτίου οι οποίες φαίνονται στο σχήμα 2. Στην χαρακτηριστική Ι (υπερσύνθετη διέγερση) το μαγνητικό πεδίο του τυλίγματος διέγερσης σειράς Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 52
είναι αρκετά ισχυρό με αποτέλεσμα να έχουμε ανύψωση τάσης με την αύξηση του φορτίου αντί για πτώση. Στην χαρακτηριστική ΙΙ (ισοαθροιστική διέγερση) το μαγνητικό πεδίο δεν είναι τόσο ισχυρό αλλά είναι αρκετό ώστε να αντισταθμίζει την πτώση τάσης στις αντιστάσεις των τυλιγμάτων της γεννήτριας και να έχουμε σχεδόν σταθερή τάση, ανεξάρτητα του φορτίου. Τέλος στην χαρακτηριστική ΙΙΙ (υποσύνθετη διέγερση) το μαγνητικό πεδίο του τυλίγματος διέγερσης σειράς είναι αρκετά ασθενές με αποτέλεσμα να έχουμε πτώση τάσης στην έξοδο της γεννήτριας με την αύξηση του φορτίου. Σε σύγκριση όμως με μια απλή γεννήτρια παράλληλης διέγερσης η πτώση τάσης είναι μικρότερη. Σχήμα 2. Χαρακτηριστική φορτίου γεννήτριας Σ.Ρ. σύνθετης διέγερσης. 3. Αλλαγή Πολικότητας της Τάσης Εξόδου Η αλλαγή της πολικότητας της τάσης εξόδου μιας γεννήτριας Σ.Ρ. σύνθετης διέγερσης γίνεται, όπως και στην περίπτωση της γεννήτριας Σ.Ρ. παράλληλης διέγερσης, με ταυτόχρονη αλλαγή της φοράς περιστροφής του δρομέα και της σύνδεσης των τυλιγμάτων διέγερσης, παράλληλης και σειράς. Η διαδικασία αλλαγής της πολικότητας φαίνεται στο σχήμα 3. Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 53
D1 D2 + A1 D2 D1 - A1 G Ε2 I Ε1 Vout G Ε1 I Ε2 Vout - A2 + A2 Σχήμα 3. Αλλαγή πολικότητας γεννήτριας παράλληλης διέγερσης. Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 54
Α. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗ ΦΟΡΤΙΣΗΣ Πειραματικό Μέρος Για την πραγματοποίηση της άσκησης θα υλοποιήσετε την παρακάτω συνδεσμολογία: D1 D2 A1 Α Α M G E2 E1 Vout V A2 Θα ξεκινήσετε δίνοντας ισχύ στην κινητήρια μηχανή και θα περιστρέψετε την γεννήτρια στις ονομαστικές της στροφές. Η ταχύτητα θα παραμείνει σταθερή κατά την διάρκεια του πειράματος. Στη συνέχεια θα πραγματοποιήσετε τις κατάλληλες ενέργειες για να επιτύχετε αυτοδιέγερση της γεννήτριας. Η γεννήτρια πριν την σύνδεση φορτίου συμπεριφέρεται ως μια γεννήτρια παράλληλης διέγερσης. Αφού πάρετε τάση στην έξοδο της γεννήτριας θα ρυθμίσετε το ρεύμα διέγερσης με την βοήθεια του ροοστάτη στο τύλιγμα παράλληλης διέγερσης έτσι ώστε η τάση εξόδου της γεννήτριας να γίνει ίση με την ονομαστική και μετά θα συνδέσετε το φορτίο. Φορτίστε προοδευτικά την γεννήτρια και μετρήστε την τάση και το ρεύμα στην έξοδο της γεννήτριας. Συμπληρώστε τον πίνακα 1. Για να σταματήσετε την πειραματική διαδικασία αφαιρέστε πρώτα το φορτίο της γεννήτριας και σταματήστε τον κινητήρα. ΠΙΝΑΚΑΣ 1 V φ (V) I φ (A) N (rpm) Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 55
Β. ΡΥΘΜΙΣΤΙΚΗ ΚΑΜΠΥΛΗ Για την πραγματοποίηση των μετρήσεων θα χρησιμοποιήσετε το κύκλωμα της προηγούμενης παραγράφου. Θα ξεκινήσετε δίνοντας ισχύ στην κινητήρια μηχανή και θα περιστρέψετε την γεννήτρια στις ονομαστικές της στροφές. Η ταχύτητα θα παραμείνει σταθερή κατά την διάρκεια του πειράματος. Αφού πάρετε τάση στην έξοδο της γεννήτριας θα ρυθμίσετε το ρεύμα διέγερσης με την βοήθεια του ροοστάτη στο τύλιγμα παράλληλης διέγερσης έτσι ώστε η τάση εξόδου της γεννήτριας να γίνει ίση με την ονομαστική και μετά θα συνδέσετε το φορτίο. Φορτίστε σταδιακά την γεννήτρια και μεταβάλλετε ανάλογα το ρεύμα παράλληλης διέγερσης με την βοήθεια του ροοστάτη, έτσι ώστε η τάση εξόδου να παραμένει σταθερή. Συμπληρώστε τον πίνακα 2. ΠΙΝΑΚΑΣ 2 Ι φ (V) I f (A) N (rpm) V φ (V) Δ. ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ 1. Να σχεδιάσετε την χαρακτηριστική φορτίου V φ = f(i φ ). 2. Να σχεδιάσετε την ρυθμιστική καμπύλη της γεννήτριας I f =f(i φ ). 3. Υπολογίστε την διακύμανση τάσης της γεννήτριας για ονομαστικό φορτίο. Να συγκρίνεται την διακύμανση της τάσης της γεννήτριας Σ.Ρ. σύνθετης διέγερσης με τη διακύμανση τάσης της γεννήτριας Σ.Ρ. ξένης διέγερσης και της γεννήτριας Σ.Ρ. παράλληλης διέγερσης (από τις ασκήσεις 5 και 6). Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 56