ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ Σχολή Τεχνολογικών Εφαρμογών (Σ.ΤΕ.Φ.) Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών Τ.Ε. ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Ι (ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ) Υπεύθυνος Μαθήματος: Δρ Μοσχάκης Μάριος Ομάδα Σύνταξης Σημειώσεων: Δρ Παναπακίδης Ιωάννης Ρόκκου Αικατερίνη, MSc Δρ Μοσχάκης Μάριος Λάρισα 2017
-2-
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΑΣΚΗΣΗ 1... 4 ΑΣΚΗΣΗ 2... 10 ΑΣΚΗΣΗ 3... 16 ΑΣΚΗΣΗ 4... 20 ΑΣΚΗΣΗ 5... 33 ΑΣΚΗΣΗ 6... 48 ΑΣΚΗΣΗ 7... 57 ΑΣΚΗΣΗ 8... 62 ΑΣΚΗΣΗ 9... 74 ΑΣΚΗΣΗ 10... 77-3-
ΑΣΚΗΣΗ 1 Συνδεσμολογίες τριφασικών μετασχηματιστών Σκοπός της άσκησης Η μελέτη των τρόπων σύνδεσης των τυλιγμάτων του τριφασικού μετασχηματιστή. Θεωρητικό μέρος Τα τυλίγματα μίας τριφασικής διάταξης σε ένα σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας ή σε μία ηλεκτρική εγκατάσταση (γεννήτριες, κινητήρες και φορτία) είναι δυνατό να συνδεθούν σε αστέρα η τρίγωνο. Στο Σχήμα 1.1 φαίνεται η σύνδεση των τυλιγμάτων μίας τριφασικής γεννήτριας με τους δύο τρόπους. Τα μεγέθη σε μία δεδομένη φάση ονομάζονται φασικά μεγέθη και σημειώνονται με το δείκτη Φ, τα μεγέθη των γραμμών που συνδέονται οι γεννήτριες και τα φορτία ονομάζονται μεγέθη γραμμής ή πολικά μεγέθη και σημειώνονται με το δείκτη L. Ανάλογα με το είδος της συνδεσμολογίας, προκύπτουν συγκεκριμένες σχέσεις μεταξύ των φασικών και των πολικών μεγεθών. Στο Σχήμα 1.2 φαίνεται η σύνδεση των τυλιγμάτων σε μια τριφασική γεννήτρια συνδεδεμένη σε αστέρα που τροφοδοτεί κάποιο ωμικό φορτίο. Οι φασικές τάσεις παρακάτω σχέσεις: V, VB, VC της γεννήτριας δίνονται από τις V VB VC V 0 (1.1) V 120 (1.2) V 240 (1.3) όπουv είναι η ενεργός τιμή της τάσης στους ακροδέκτες μίας φάσης. Εφόσον το φορτίο που συνδέεται στη γεννήτρια είναι ωμικό, η τάση και το ρεύμα στην κάθε φάση της γεννήτριας θα είναι συμφασικά. Δηλαδή: B C 0 1.4) 120 (1.5) 240 (1.6) όπου είναι η ενεργός τιμής του ρεύματος στους ακροδέκτες μίας φάσης. Στη συνδεσμολογία αστέρα, το ρεύμα της φάσης ισούται με το ρεύμα στους ακροδέκτες (ρεύμα γραμμής) L, L. Γιατην εύρεση της σχέσης μεταξύ της φασικής και της πολικής τάσης, θεωρούμε την πολική τάση VL 1 όπως φαίνεται στο Σχήμα 1.2. -4-
Σχήμα 1.1 : Συνδεσμολογίες των τυλιγμάτων μίας τριφασικής γεννήτριας σε (α) αστέρα και σε(β) τρίγωνο. Σχήμα 1.2: Σύνδεση των τυλιγμάτων μίας τριφασικής γεννήτριας σε αστέρα και τροφοδοσία ωμικού φορτίου. Ισχύουν: V V 0 V 120 L1 1 3 VL 1 V V j V 2 2 3 3 VL 1 V j V 2 2 3 1 VL 1 3V j 2 2 V 3V 30 L1 Συνεπώς κατά τη συνδεσμολογία αστέρα, η πολική τάση σε σχέση με τη τάση της κάθε φάσης στη γεννήτρια V είναι μεγαλύτερη σε τιμή και παρουσιάζει διαφορά φάσης ίση με 30. Με άλλα λόγια, στη συνδεσμολογία αστέρα ισχύει: -5-
VL 3 V Στο Σχήμα 1.3 παρουσιάζεται σε μορφή διανυσμάτων οι σχέσεις μεταξύ των πολικών VL 1, VL 2, V L3 και των φασικών τάσεων V, VB, VC (1.7) κατά τη συνδεσμολογία αστέρα. Παρατηρούμε ότι τα διανύσματα των πολικών τάσεων είναι μεγαλύτερα σε μέγεθος και προηγούνται σε φάση των φασικών τάσεων. Σχήμα 1.3: Διανυσματικό διάγραμμα των πολικών και των φασικών τάσεων στη συνδεσμολογία αστέρα. Η συνδεσμολογία τριγώνου φαίνεται στο Σχήμα 1.4. Οι φασικές τάσεις της γεννήτριας δίνονται από τις παρακάτω εξισώσεις: V VB VC V 0 (1.8) V 120 (1.9) V 240 (1.10) Λόγω του ότι το φορτίο είναι ωμικό, τα φασικά ρεύματα δίνονται τις παρακάτω εξισώσεις: B C 0 (1.11) 120 (1.12) 240 (1.13) Στη συνδεσμολογία τριγώνου η πολική τάση ισούται με τη φασική. Είναι: VL V (1.14) Για τον προσδιορισμό της σχέσης μεταξύ του ρεύματος γραμμής (πολικό ρεύμα) και του φασικού ρεύματος, εφαρμόζουμε το νόμο των ρευμάτων του Kirchhoff σε ένα κόμβο τριγώνου, για παράδειγμα στον κόμβο Α: -6-
0 120 L1 1 3 L1 j 2 2 3 3 L1 j 2 2 3 1 L1 3 j 2 2 3 30 L1 Συνεπώς κατά τη συνδεσμολογία τριγώνου, το ρεύμα γραμμής είναι μεγαλύτερο του φασικού ρεύματος και παρουσιάζει διαφορά φάσης ίση με 30. Με άλλα λόγια, στη συνδεσμολογία τριγώνου ισχύει: L 3 (1.15) Σχήμα 1.4: Σύνδεση των τυλιγμάτων μίας τριφασικής γεννήτριας σε τρίγωνο και τροφοδοσία ωμικού φορτίου. Πειραματικό μέρος Ο τριφασικός μετασχηματιστής που θα χρησιμοποιηθεί στο πείραμα περιέχει τρία τυλίγματα, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1.5. Το πρωτεύον αναφέρεται στα τυλίγματα U1-U2, V1-V2 και W1-W2, το δευτερεύον στα τυλίγματα u1-u2, v1-v2 και w1-w2 και το τριτεύον στα τυλίγματα στα u3-u4, v3-v4 και w3-w4. Συνδέοντας τους ενδιάμεσους ακροδέκτες u2-u3, v2-v3και w2-w3, το δευτερεύον και το τριτεύον συνδέονται σε σειρά με αποτέλεσμα να σχηματίζεται ένα ενιαίο τύλιγμα το οποίο αλλάζει το λόγο μετασχηματισμού. Στο συγκεκριμένο πείραμα δεν θα τροφοδοτηθεί με τάση ο μετασχηματιστής. U1 U2 u1 u2 u3 u4 V1 V2 v1 v2 v3 v4 W1 W2 w1 w2 w3 w4 Σχήμα 1.5: Τυλίγματα μετασχηματιστή. -7-
Απαιτήσεις σε εξοπλισμό 1. Τριφασικός μετασχηματιστής. 2. Εύκαμπτοι αγωγοί. Πορεία πειράματος 1. Σημειώστε τα ονομαστικά στοιχεία του μετασχηματιστή. 2. Υλοποιήστε τις παρακάτω συνδεσμολογίες των τυλιγμάτων. Σχήμα 1.6: Συνδεσμολογία Υ-Υ. Σχήμα 1.7: Συνδεσμολογία Δ-Υ. -8-
Σχήμα 1.8:Συνδεσμολογία Δ-Δ. Σχήμα 1.9:Συνδεσμολογία Υ-Δ. -9-
ΑΣΚΗΣΗ 2 Προσδιορισμός των παραμέτρων του τριφασικού μετασχηματιστή Σκοπός της άσκησης Ο προσδιορισμός των παραμέτρων του μετασχηματιστή μέσω των πειραμάτων ανοικτού κυκλώματος και βραχυκυκλώματος. Θεωρητικό μέρος Ο μετασχηματιστής (Μ/Σ) ανήκει στις στατικές ηλεκτρικές μηχανές. Δεν περιλαμβάνει κινούμενο (περιστρεφόμενο) μέρος. Είναι βασική διάταξη στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας και χρησιμοποιείται για τον υποβιβασμό ή την ανύψωση της τάσης. Αποτελείται από πηνία (τυλίγματα) τα οποία είναι ηλεκτρικά ανεξάρτητα και μαγνητικά συζευγμένα μέσου του πυρήνα. Το τύλιγμα στο οποίο συνδέεται η τροφοδοσία ονομάζεται πρωτεύον (1 ον ) και αυτό στο οποίο συνδέεται το φορτίο ή η γραμμή μεταφοράς ή άλλη διάταξη ονομάζεται δευτερεύον (2 ον ). Σε μερικούς Μ/Σ υπάρχει και το τριτεύον στο οποίο επίσης συνδέεται φορτίο ή άλλη διάταξη. Υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί τύποι Μ/Σ. Αυτοί διακρίνονται ανάλογα με την εφαρμογή σε Μ/Σ διανομής, ισχύος, αυτομετασχηματιστές, Μ/Σ σε συνδυασμό με μετατροπείς, δοκιμών, μετρήσεων και τηλεπικοινωνιών, ανάλογα με τον τρόπο ψύξης, ανάλογα με το μονωτικό μέσο και ανάλογα με τη κατασκευή του πυρήνα. Το πλήρες μονοφασικό ισοδύναμο του Μ/Σ με τις παραμέτρους του 2 ον ανοιγμένες στο 1 ον παρουσιάζεται στο Σχήμα 2.1 και όταν οι παράμετροι του 1ον και του πυρήνα ανάγονται στο 2ον προκύπτει το ισοδύναμο του Σχήματος 2.2. Ο Μ/Σ τροφοδοτείται με πολική τάση της τιμή είναι η V p, με αποτέλεσμα την κυκλοφορία του ρεύματος τυλιγμάτων ανά φάση στο 1ον είναι Z R jx, με επαγωγική αντίδραση των τυλιγμάτων. Η f τη συχνότητα του δικτύου και μέσω επαγωγής είναι το. S p p p R p V L της οποίας η φασική p στο 1ον. Η σύνθετη αντίσταση των την ωμική αντίσταση των τυλιγμάτων και X p εκφράζει την ροή σκέδασης στο 1ον και είναι 2 f X p X p την L με L p την αυτεπαγωγή των τυλιγμάτων. Το ρεύμα που αναπτύσσεται στο 2ον Αντίστοιχα η σύνθετη αντίσταση στο 2ον είναι Z R jx, με S S S αντίσταση των τυλιγμάτων και X S την επαγωγική αντίδραση των τυλιγμάτων. Η σκέδασης στο 2ον και είναι X 2 fl με τη συχνότητα του δικτύου και τυλιγμάτων. Η τάση στο 2ον είναι η VS και συνδέεται με την όπου N και p S S f L S R S p την ωμική X S εκφράζει την ροή την αυτεπαγωγή των N p Vp μέσω του λόγου μετασχηματισμού, N NS είναι ο αριθμός των τυλιγμάτων του 1ου και του 2ου, αντίστοιχα. Ισχύει: S V N V N S p p (2.1) p S S -10-
Σχήμα 2.1: Πλήρες μονοφασικό ισοδύναμο με τις παραμέτρους του δευτερεύοντος ανοιγμένες στο πρωτεύον. aρ Rρ Xρ a j Rs jxs s 2 2 a + + V P a Rc 2 a j XM a 2 Vs - - Σχήμα 2.2: Πλήρες μονοφασικό ισοδύναμο με τις παραμέτρους του πρωτεύοντος και του πυρήνα ανοιγμένες στο δευτερεύον. Πειραματικό μέρος Μέσω των πειραμάτων ανοικτού κυκλώματος και βραχυκυκλώματος μπορεί να γίνει ο προσδιορισμός των σύνθετων αντιστάσεων των τυλιγμάτων και του πυρήνα. Το σχέδιο έργου για το πείραμα ανοικτού κυκλώματος φαίνεται στο Σχήμα 1.3, ενώ το αντίστοιχο του βραχυκυκλώματος στο Σχήμα 1.4. Στο πείραμα ανοικτού κυκλώματος τα άκρα του δευτερεύοντος είναι ανοικτοκυκλωμένα. Στο 1ον συνδέονται 3 αμπερόμετρα ένα σε κάθε φάση, 2 βαττόμετρα (σύνδεση aron) ή 1 τριφασικό βαττόμετρο για τη μέτρηση της τριφασικής ισχύος και βολτόμετρο που να μετράει πολική τάση. Ο μετασχηματιστής. τροφοδοτείται από μία μεταβλητή C πηγή. Στο 1ον εφαρμόζεται η ονομαστική τάση (έστω V p ) και γίνεται μέτρηση του ρεύματος που αναπτύσσεται (έστω 3Φ C ΜΕΤΑΒΛΗΤΗ ΤΑΣΗ V W ) και της ισχύος στο (έστω Σχήμα 2.4: Σχέδιο έργου για την υλοποίηση του πειράματος ανοικτού κυκλώματος. W B P p ). 3Φ C ΜΕΤΑΒΛΗΤΗ ΤΑΣΗ V W Σχήμα 2.5: Σχέδιο έργου για την υλοποίηση του πειράματος βραχυκυκλώματος. W B -11-
Επειδή το 2ον είναι ανοικτοκυκλώμενο, το ρεύμα διαρρέει το τύλιγμα του 1ον και αυτό του πυρήνα. Στο εξής πείραμα γίνεται η παραδοχή ότι η σύνθετη αντίσταση του 1ον είναι κατά πολύ μικρότερη της RC jx m σύνθετης αντίστασης του πυρήνα, δηλαδή Z p Rp jx p Zh. Υπό αυτή τη θεώρηση, όλη η R jx πτώση τάσης του μετασχηματιστή εμφανίζεται στο τύλιγμα του πυρήνα. Συνεπώς η ένδειξη του βαττομέτρου αναφέρεται στις ωμικές απώλειες του πυρήνα. Να σημειωθεί πως οι απώλειες του πυρήνα διακρίνονται σε απώλειες δινορρευμάτων και απώλειες υστέρησης. Οι απώλειες δινορρευμάτων αναφέρονται στα δινορρεύματα που είναι υπεύθυνα για τις θερμικές απώλειες που καταναλώνονται στην αντίσταση του μετάλλου του πυρήνα. Τα δινορρεύματα εμφανίζονται λόγω της μαγνητικής ροής στον πυρήνα η οποία επάγει τάσεις. Οι απώλειες υστέρησης αναφέρονται στην αναδιάταξη των μαγνητικών τμημάτων στο εσωτερικό του πυρήνα η οποία συμβαίνει σε κάθε ημιπερίοδο της τάσης εισόδου. Τα μαγνητικά πεδία των ατόμων διάφορων υλικών έχουν τη τάση να ευθυγραμμίζονται σε μικρές περιοχές (τομείς). Η εφαρμογή ενός εξωτερικού μαγνητικού πεδίου προκαλεί την ευθυγράμμιση ολοένα και περισσότερων τομών μέχρι την ευθυγράμμιση όλων (κορεσμός). Εάν διακοπεί το μαγνητικό πεδίο, μερικοί τομείς θα διατηρήσουν τη διεύθυνση του πεδίου (παραμένων μαγνητισμός). Για να αλλάξει ξανά η διεύθυνση του πεδίου όλων των τομών απαιτείται πρόσθετη ενέργεια. Η σύνθετη αντίσταση του πυρήνα (του εγκάρσιου κλάδου) μπορεί να υπολογιστεί από τις ενδείξεις του βολτομέτρου και του αμπερομέτρου, δηλαδή: C m Z h V. p 3 (2.2) Οι ωμικές απώλειες του πυρήνα εκφράζονται από την αντίσταση τις ενδείξεις του βαττομέτρου και του αμπερομέτρου: RC και αυτή μπορεί να υπολογιστεί από P 2 p Pp RC RC (2.3) 2 Η αντίδραση του πυρήνα υπολογίζεται ως: Το ρεύμα X m RZ Z C h R 2 2 h C είναι ουσιαστικά το ρεύμα μαγνήτισης (2.4) h που διαρρέει τον πυρήνα και στην περίπτωση χρήσης 3 αμπερομέτρων δίνεται από τον μέσο όρο των ενδείξεων αυτών. Η τιμή του ρεύματος είναι περίπου το 5% της τιμής του ονομαστικού. Μέσω αυτού του ρεύματος μπορεί να υπολογιστούν η βαττική συνιστώσα (έστω C ) και η αβαττική συνιστώσα του ρεύματος μαγνήτισης (έστω M ). Ισχύει: h C jm (2.5) Οι δύο συνιστώσες μπορούν να υπολογιστούν εάν είναι γνωστή η διαφορά φάσης μεταξύ της τάσης στα. άκρα του πυρήνα (που είναι η τάση V p ) και του ρεύματος που διαρρέει την Zh. Πιο συγκεκριμένα είναι:. Να σημειωθεί πως τα V p και cos (2.6) C h (2.7) h h δεν είναι συμφασικά επειδή ο πυρήνας παρουσιάζει επαγωγική συμπεριφορά. Η γωνία μπορεί να υπολογιστεί από την ισχύ εισόδου η οποία βαττόμετρο: -12- μετράται από το
P. p P p Pp 3V p h cos cos arc cos (2.8).. 3V p h 3V p h Ένας άλλος τρόπος υπολογισμού της αντίστασης, δηλαδή: R C και της αντίδρασης X M είναι μέσω της γωνίας R Z cos (2.9) C h X Z (2.10) h Το πείραμα βραχυκυκλώματος αναφέρεται στο βραχυκύκλωμα των ακροδεκτών του 2ον. Σκοπός είναι ο προσδιορισμός της σύνθετης αντίστασης του 1ον και του 2ον. Η βραχυκύκλωση μπορεί να γίνει μέσω αμπερομέτρου ή μέσω αγωγών. Στο συγκεκριμένο πείραμα γίνεται μέσω αγωγών. Μέσω μεταβλητής τροφοδοσίας αυξάνεται η τάση σε εκείνη την τιμή που θα οδηγήσει στην εμφάνιση του ονομαστικού ρεύματος στο 2ον. Αυτή η τιμή της τάσης ονομάζεται τάση βραχυκύκλωσης και αντιστοιχεί περίπου στο 10% της ονομαστικής τάσης του 1ον. Λόγω της μικρής τιμής της τάσης βραχυκύκλωσης, η πτώση τάσης του πυρήνα θεωρείται αμελητέα, δηλαδή γίνεται η παραδοχή ότι η σύνθετη αντίσταση του πυρήνα είναι κατά πολύ μεγαλύτερη της σύνθετης αντίστασης του 1ον και του 2ον. Η συνολική αντίσταση στον διαμήκη κλάδο είναι Z R jx, με R Rp RS και X X p X S. Θεωρείται ότι Z Zh Zh. Έστω τάση βραχυκύκλωσης και υπολογίζεται η Z : S το ονομαστικό ρεύμα στο 2ον. Από τις ενδείξεις των καταγραφικών οργάνων Z uk (2.11) 3 S Μέσω της παραδοχής της άπειρης αντίστασης του πυρήνα, όλη η ενεργός ισχύς εισόδου καταναλώνεται στα τυλίγματα του διαμήκη κλάδου, δηλαδή στις υπολογιστεί η συνολική αντίσταση: R p και. R Μέσω της ένδειξης του βαττομέτρου μπορεί να S u k η Hσυνολική αντίδραση είναι: R P (2.12) 3 p 2 S X Z R 2 2 (2.13) Μέσω των Εξ.(2.11)-Εξ.(2.13) μπορούν να υπολογιστούν οι συνολικές αντιστάσεις. Για να υπολογιστούν ξεχωριστά οι αντιστάσεις και οι αντιδράσεις στο 1ον και στο 2ον, θεωρούμε ισοκατανομή των τιμών στα 1 1 δύο τυλίγματα, δηλαδή Rp RS R και X p X S X. Οι ωμικές αντιστάσεις στα δύο τυλίγματα 2 2 εκφράζουν τις απώλειες χαλκού, δηλαδή τις θερμικές απώλειες στις αντιστάσεις των τυλιγμάτων. Οι επαγωγικές αντιδράσεις στα δύο τυλίγματα εκφράζουν τις απώλειες διαρροής, Αναφέρονται στο ποσοστό των μαγνητικών ροών του μετασχηματιστή που διαφεύγουν από τον πυρήνα προς τον περιβάλλοντα χώρο. -13-
1. Πείραμα ανοιχτού κυκλώματος Απαιτήσεις σε εξοπλισμό 1. Τριφασικός μετασχηματιστής. 2. Βολτόμετρο C ανάλογο της ονομαστικής τάσης του μετασχηματιστή. 3. Αμπερόμετρα C ανάλογα του ονομαστικού ρεύματος του μετασχηματιστή. 4. Δύο μονοφασικά βαττόμετρα ή ένα τριφασικό βαττόμετρο. 5. Εύκαμπτοι αγωγοί. Πορεία πειράματος 1. Σημειώστε τα ονομαστικά στοιχεία του μετασχηματιστή. 2. Διερευνήστε την επάρκεια του εξοπλισμού (καταλληλότητα τροφοδοτικών και οργάνων μέτρησης). 3. Υλοποιήστε το σχέδιο έργου του Σχήματος 2.4. Τα άκρα του μετασχηματιστή είναι ανοικτοκυκλωμένα και το βολτόμετρο που συνδέεται μετράει πολική τάση. 4. Αυξήστε σταδιακά την τάση μέχρι την κάθε τιμή που απαιτείται από το πείραμα. 5. Καταγράψτε το ρεύμα και την ισχύ. 6. Διακόψτε την τροφοδοσία. Άσκηση 1. Μεταφέρετε τις μετρήσεις στον πίνακα μετρήσεων 1. 2. Υπολογίστε τα και cos. 3. Μεταφέρετε τις τιμές στον πίνακα υπολογισμών 1. 4. Σχεδιάστε τις χαρακτηριστικές f ( V ), P f ( V ),cos f ( V ). Z, h, R C X m h p p p p -Πίνακας μετρήσεων 1- Μέγεθος Τιμές 1. Vp ( V ) h () P ( ) p W 2 3 V. 4 p 4 V V.. p 4 p 4 V V. V. p 4 p 4 p 4 5 6 -Πίνακας υπολογισμών 1- Μέγεθος Τιμές 1. Vp ( V ) Z ( ) h R ( ) C X ( ) M cos 2 3 V. 4 p 4 V V.. p 4 p 4 V V. V. p 4 p 4 p 4 5 6-14-
2. Πείραμα βραχυκυκλώματος Απαιτήσεις σε εξοπλισμό 1. Τριφασικός μετασχηματιστής. 2. Βολτόμετρο C ανάλογο της ονομαστικής τάσης του μετασχηματιστή. 3. ΑμπερόμετραC ανάλογα του ονομαστικού ρεύματος του μετασχηματιστή. 4. Δύο μονοφασικά βαττόμετρα ή ένα τριφασικό βαττόμετρο. 5. Εύκαμπτοι αγωγοί. Πορεία πειράματος 1. Σημειώστε τα ονομαστικά στοιχεία του μετασχηματιστή. 2. Διερευνήστε την επάρκεια του εξοπλισμού (καταλληλότητα τροφοδοτικών και οργάνων μέτρησης). 3. Υλοποιήστε το σχέδιο έργου του Σχήματος 2.5. Τα άκρα της γεννήτριας είναι βραχυκυκλωμένα και το βολτόμετρο που συνδέεται μετράει πολική τάση. 4. Αυξήστε σταδιακά την τάση μέχρι την κάθε τιμή του ρεύματος που απαιτείται από το πείραμα. 5. Καταγράψτε το ρεύμα και την ισχύ. 6. Διακόψτε την τροφοδοσία. Άσκηση 1. Μεταφέρετε τις μετρήσεις στον πίνακα μετρήσεων 2. 2. Υπολογίστε τα και Z,, R, X, R, p R S X p X S. 3. Μεταφέρετε τις τιμές στον πίνακα υπολογισμών 2. 4. Σχεδιάστε τις χαρακτηριστικές u f ( ), P f ( ). k s p s Μέγεθος S ( ) uk ( V ) P ( ) p W. S -Πίνακας μετρήσεων2- Τιμές 0.80 S 0.65 S 0.50 S 0.30 S 0.15 S..... Μέγεθος s Z R X ( ) ( ) ( ) ( ) R ( ) p RS ( ) X ( ) p X S ( ). S -Πίνακας υπολογισμών 2- Τιμές 0.80 S 0.65 S 0.50 S 0.30 S 0.15 S..... -15-
ΑΣΚΗΣΗ 3 Φόρτιση του τριφασικού μετασχηματιστή Σκοπός της άσκησης Η μελέτη της συμπεριφοράς του μετασχηματιστή όταν τροφοδοτεί ωμικό φορτίο. Θεωρητικό μέρος Στο συγκεκριμένο πείραμα, ο μετασχηματιστής υποβιβάζει την τάση τροφοδοσίας στα άκρα του φορτίου. Σκοπός είναι να μελετηθεί η επίδραση των παραμέτρων του μετασχηματιστή στην τάση στα άκρα του φορτίου. Κατά τη φόρτιση του μετασχηματιστή ένα μέγεθος που σχετίζεται με την απόδοση του μετασχηματιστή είναι η μεταβολή ή η διακύμανση τάσης που ορίζεται ως η διαφορά των ενεργών τιμών των τάσεων στο 2ον μεταξύ των λειτουργιών εν κενώ και υπό πλήρες φορτίο, δηλαδή: όπου o V S o VS VS V (%) 100% (3.1) V είναι η τάση στα άκρα του 2ον όταν αυτό είναι ανοικτοκυκλωμένο και S V S η τάση όταν λειτουργεί υπό φορτίο. Υψηλές τιμές της διακύμανσης της τάσης αναφέρονται σε μικρή διαφορά των V S, o VS και γεγονός που αντιστοιχεί σε μικρή πτώση τάσης στα τυλίγματα, άρα και μεγαλύτερη μεταφορική ικανότητα του μετασχηματιστή. Η ενεργός ισχύς εισόδου είναι όπου V p είναι η πολική τάση στα άκρα του 1ον και P1 3V cos (3.2) p L L είναι το ρεύμα γραμμής. Επειδή τα τυλίγματα του 1ον είναι συνδεδεμένα κατά αστέρα, το ρεύμα γραμμής ισούται με το φασικό ρεύμα, δηλαδή. Η ισχύς L p εξόδου P 2 τροφοδοτεί το φορτίο και προκύπτει εάν από την ισχύ εισόδου αφαιρεθούν οι απώλειες σιδήρου (που αναφέρονται στην R C ) και οι απώλειες χαλκού (που αναφέρονται στην R ): P2 P1 Pfe Pcu (3.3) όπου P fe είναι οι απώλειες σιδήρου και Pcu είναι οι απώλειες χαλκού. Στο Σχήμα 3.1 παρουσιάζεται το σχέδιο έργου για την υλοποίηση του πειράματος. Η μέτρηση ισχύος στο 1ον αναφέρεται στην P 1. Η μέτρηση ισχύος στο 2ον αναφέρεται στην P. 2 Η πτώση τάση στα τυλίγματα του μετασχηματιστή μπορεί να διακριθεί στο ωμικό ποσοστό (%) R και στο ποσοστό λόγω σκέδασης (%). Το ωμικό ποσοστό αναφέρεται στην πτώση τάσης στα τυλίγματα (απώλειες χαλκού) και αποτελεί ένδειξη στο πόσο μεγάλες οι απώλειες χαλκού σε σχέση με την φαινόμενη ισχύ στην έξοδο S 2 : s -16-
Οι τιμές V S και (%) Pcu Pcu R 100% 100% S 3 V (3.4) 2 S S λαμβάνονται από τα καταγραφικά όργανα στο 2ον. Το ποσοστό λόγω σκέδασης εμφανίζεται στην αντίδραση στο 1ον πυρήνα σε σχέση με την τάση στο 1ον: o συνολικό ποσοστό της πτώσης τάσης S X p και εκφράζει το μέγεθος της πτώσης τάσης στην αντίδραση του X pp S (%) 100% (3.5) 1 (%) όπου είναι η διαφορά φάσης μεταξύ των παρακάτω σχέση: 3 V p στο 2ον δίνεται από το άθροισμα των (%) cos sin (3.6) R V S s και R (%) και (%) : s S.Αυτή μπορεί να υπολογιστεί σύμφωνα με την P 2 P P 2 1 Pfe Pcu cos arccos arccos S2 S 2 3V S S Hαπόδοση του μετασχηματιστή ορίζεται ως ο λόγος της ενεργής ισχύος εξόδου εισόδου P 1 : (3.7) P 2 προς την ενεργό ισχύ 2 (%) 100% P (3.8) P 1 Για τη εύρεση της συνθήκης που πρέπει να μεγιστοποιεί την απόδοση, υπολογίζεται η παράγωγος του βαθμού απόδοσης σε σχέση με το ρεύμα στο 2ονκαι λαμβάνεται ίση με μηδέν. Δηλαδή: d 0 d S d( VS S cos Pfe Pcu ) d VS S cos ( V cos ) V cos P P ds ds V cos P P P fe S S S S fe cu P cu S S fe cu Συνεπώς όταν οι απώλειες σιδήρου είναι ίσες με τις απώλειες χαλκού, η απόδοση του μετασχηματιστή είναι μέγιστη. Απαιτήσεις σε εξοπλισμό Πειραματικό μέρος 1. Τριφασικός μετασχηματιστής. 2. Βολτόμετρα C ανάλογο της ονομαστικής τάσης του μετασχηματιστή. 3. Αμπερόμετρα C ανάλογα του ονομαστικού ρεύματος του μετασχηματιστή. 4. Τέσσερα μονοφασικά βαττόμετρα ή δύο τριφασικά βαττόμετρα. 5. Εύκαμπτοι αγωγοί. 6. Τριφασικό ωμικό φορτίο. 0 (3.9) -17-
Πορεία πειράματος 1. Σημειώστε τα ονομαστικά στοιχεία του μετασχηματιστή. 2. Διερευνήστε την επάρκεια του εξοπλισμού (καταλληλότητα τροφοδοτικών και οργάνων μέτρησης). 3. Υλοποιήστε το σχέδιο έργου του Σχήματος 3.1. Τα άκρα του μετασχηματιστή συνδέονται με μεταβλητό ωμικό φορτίο. 4. Αυξήστε σταδιακά την τάση μέχρι την ονομαστική τιμή. Σε όλη τη διάρκεια του πειράματος η τάση στο 1ον θα πρέπει να διατηρηθεί στην ονομαστική τιμή της. 5. Μεταβάλλετε το φορτίο ώστε να μετρηθούν οι αντίστοιχες τιμές που απαιτούνται από το πείραμα. 6. Για κάθε τιμή ρεύματος στο φορτίο, μετρείστε τις ισχείς στο 1ον και στο 2ον και την τάση στο 2ον. 7. Διακόψτε την τροφοδοσία. Άσκηση 1. Μεταφέρετε τις μετρήσεις στον πίνακα μετρήσεων. 2. Υπολογίστε τα μεγέθη του πίνακα υπολογισμών. 3. Μεταφέρετε τις τιμές στον πίνακα υπολογισμών. 4. Σχεδιάστε τις χαρακτηριστικές f ( ), V f ( ). S S S Σχήμα 3.1: Σχέδιο έργου για την υλοποίηση του πειράματος. Μέγεθος ( ) p -Πίνακας μετρήσεων- Τιμές uk ( V ) Pcu ( W ) P ( ) fe W ( ) p PW ( ) 1 V ( V ) S P ( W ) 2 Μέγεθος (%) R s(%). -Πίνακας υπολογισμών- Τιμές -18-
(%). (%). -19-
ΑΣΚΗΣΗ 4 Γεννήτρια ανεξάρτητης διέγερσης Σκοπός της άσκησης Η κατανόηση του τρόπου λειτουργίας της μηχανής συνεχούς ρεύματος ως γεννήτρια ανεξάρτητης ή ξένης διέγερσης. Θεωρητικό μέρος Οι γεννήτριες συνεχούς ρεύματος ανήκουν στην κατηγορία των στρεφόμενων ηλεκτρικών μηχανών. Τα δύο βασικά τους μέρη είναι ο στάτης και ο δρομέας ή ρότορας. Τα πρώτα συστήματα ισχύος που αναπτύχθηκαν βασίζονταν σε γεννήτριες συνεχούς ρεύματος. Σήμερα, στα συστήματα ηλεκτροπαραγωγής χρησιμοποιούνται μηχανές εναλλασσόμενου ρεύματος ωστόσο υπάρχουν πολλές εφαρμογές όπου κυρίως οι κινητήρες συνεχούς ρεύματος βρίσκουν εφαρμογή όπως για παράδειγμα η διέγερση μηχανών εναλλασσόμενου ρεύματος. Επιπλέον, οι γεννήτριες βρίσκουν εφαρμογή σε βιομηχανικές εφαρμογές όπου είναι απαραίτητη η τροφοδότηση με συνεχές ρεύμα. Μία γεννήτρια μετατρέπει τη μηχανική ισχύ στην είσοδο της σε ωφέλιμη ηλεκτρική ισχύ. Τα μεγέθη ενδιαφέροντος στην έξοδο της γεννήτριας είναι η τάση στους ακροδέκτες της και το ρεύμα που θα διαρρεύσει το εξωτερικό κύκλωμα, μόλις οι ακροδέκτες συνδεθούν με φορτίο. Η τάση στους ακροδέκτες οφείλεται στην Ηλεκτρεργετική Δύναμη (ΗΕΔ) που αναπτύσσεται στο εσωτερικό της μηχανής. Η βασική προϋπόθεση για την εμφάνιση ΗΕΔ είναι η παρουσία μαγνητικού πεδίου μέσα στο οποίο θα κινείται ο αγωγός που είναι τοποθετημένος στο δρομέα της μηχανής. Για να δημιουργηθεί το μαγνητικό πεδίο θα πρέπει να τροφοδοτηθεί με ρεύμα το κατάλληλο υλικό ώστε να εμφανίσει μαγνητικές ιδιότητες. Η τροφοδότηση με ρεύμα γίνεται μέσω του τυλίγματος διέγερσης. Ανάλογα με τη συνδεσμολογία του τυλίγματος διέγερσης, οι γεννήτριες συνεχούς ρεύματος χωρίζονται στις εξής κατηγορίες: Γεννήτριες ξένης ή ανεξάρτητης διέγερσης, γεννήτριες παράλληλης διέγερσης, γεννήτριες διέγερσης σειράς και γεννήτριες σύνθετης διέγερσης. Στις γεννήτριες ανεξάρτητης διέγερσης, το κύκλωμα διέγερσης τροφοδοτείται από μία ξεχωριστή πηγή ανεξάρτητη από τη γεννήτρια. Στις γεννήτριες παράλληλης διέγερσης, το κύκλωμα διέγερσης τροφοδοτείται από την ίδια τη γεννήτρια, καθώς συνδέεται με τους ακροδέκτες της. Στις γεννήτριες διέγερσης σειράς, επίσης το κύκλωμα διέγερσης τροφοδοτείται από την ίδια τη γεννήτρια, καθώς συνδέεται σε σειρά με το τύλιγμα του οπλισμού. Οι γεννήτριες σύνθετης διέγερσης είναι ένας συνδυασμός των γεννητριών παράλληλης και διέγερσης σειράς. Υπάρχουν δύο τύποι γεννητριών σύνθετης διέγερσης, οι γεννήτριες με αθροιστική σύνθετη διέγερση και οι γεννήτριες με διαφορική σύνθετη διέγερση. Η μελέτη της συμπεριφορά των ηλεκτρικών μηχανών γίνεται με τη χρήση ισοδύναμων κυκλωμάτων. Βασική προϋπόθεση του ισοδύναμου κυκλώματος είναι η όσο το δυνατόν λεπτομερής αντιπροσώπευση του τεχνητού συστήματος, που είναι η ηλεκτρική μηχανή. Το ισοδύναμο κύκλωμα της γεννήτριας συνεχούς ρεύματος ανεξάρτητης διέγερσης δίνεται στο Σχήμα 4.1. Αποτελείται από δύο ανεξάρτητα μεταξύ τους κυκλώματα, που αναφέρονται στο στάτη και το δρομέα. Ο στάτης περιλαμβάνει το κύκλωμα διέγερσης όπου αναπτύσσεται το μαγνητικό πεδίο. Ο δρομέας περιλαμβάνει το κύκλωμα οπλισμού. Στα άκρα των αγωγών του συγκεκριμένου κυκλώματος αναπτύσσεται η ΗΕΔ εξ επαγωγής. Το κύκλωμα διέγερσης -20-
αποτελείται από την εξωτερική ρυθμιστική αντίσταση (ροοστάτης) R adj με σκοπό τη ρύθμιση του ρεύματος διέγερσης.η αντίσταση R αναφέρεται στην αντίσταση των αγωγών του τυλίγματος διέγερσης και η επαγωγή L αναφέρεται στην αυτεπαγωγή του τυλίγματος διέγερσης. Το κύκλωμα διέγερσης τροφοδοτείται από ξεχωριστή πηγή συνεχούς ρεύματος V. Στο κύκλωμα διέγερσης ισχύει: V R R adj Η μεταβολή του ρεύματος διέγερσης συνεπάγει τη μεταβολή της μαγνητικής ροής και κατά συνέπεια της έντασης του μαγνητικού πεδίου στο εσωτερικό της μηχανής. Σύμφωνα με την Εξ.(4.1) το ρεύμα διέγερσης μπορεί να μεταβληθεί μέσω της εξωτερικής αντίστασης V. Η ΗΕΔ της γεννήτριας σύμφωνα με την παρακάτω σχέση: (4.1) R adj και μέσω της τιμής της τάσης τροφοδοσίας E εξαρτάται από τη μαγνητική ροή και την ταχύτητα περιστροφής του δρομέα όπου E K (4.2) g K g η σταθερά της μηχανής, η οποία εξαρτάται από την κατασκευή της μηχανής. Η Εξ.(4.2) δηλώνει την αναλογία της ΗΕΔ ή εσωτερικής τάσης της μηχανής με την μαγνητική ροή άρα και με την ένταση του μαγνητικού πεδίου και με την ταχύτητα περιστροφής. Συνεπώς η μεταβολή της ΗΕΔ μπορεί να γίνει μέσω των δύο προαναφερθέντων μεγεθών. Το κύκλωμα οπλισμού ή επαγωγικού τυμπάνου περιλαμβάνει την αντίσταση R που αναφέρεται στην αντίσταση των τυλιγμάτων των αγωγών του δρομέα. Στην γεννήτρια ανεξάρτητης διέγερσης το ρεύμα του οπλισμού ισούται με το ρεύμα φορτίου L.Το τελευταίο είναι αυτό που διαρρέει το εξωτερικό κύκλωμα. Στο κύκλωμα οπλισμού, η τάση εξόδου σχέση: V δίνεται από την εξής Σχήμα 4.1: Ισοδύναμο κύκλωμα της γεννήτριας συνεχούς ρεύματος ανεξάρτητης διέγερσης. V E R (4.3) Δηλαδή η τάση εξόδου της μηχανήςv προκύπτει από την ΗΕΔ E εάν αφαιρεθεί η πτώση τάσης στο τύλιγμα του δρομέα R. Εάν οι ακροδέκτες της γεννήτριας είναι ανοικτοκυκλωμένοι ισχύουν 0 R 0 V E. -21-
Η σχέση μεταξύ της μαγνητικής ροής και ρεύματος διέγερσης δίνεται στο Σχήμα 4.2, όπου παρουσιάζεται η καμπύλη μαγνητικής χαρακτηριστικής. Από τη καμπύλη παρατηρούμε ότι η μαγνητική ροή είναι ανάλογη του ρεύματος μέχρι το γόνατο της καμπύλης. Από το γόνατο και έπειτα περαιτέρω αύξηση του ρεύματος δεν επιφέρει αύξηση της μαγνητικής ροής. Η καμπύλη τείνει να γίνει παράλληλη με τον οριζόντιο άξονα. Οι μηχανές κατά την ονομαστική τους λειτουργία εργάζονται στο σημείο του γονάτου και έπειτα. Η περιοχή του γονάτου αναφέρεται στον κορεσμό του υλικού. Περαιτέρω αύξηση του ρεύματος δεν είναι σε θέση να παράγει επιπλέον μαγνητικό πεδίο. Επιπλέον η καμπύλη δεν ξεκινάει από το μηδέν αλλά από ένα συγκεκριμένο σημείο. Αυτό αντιστοιχεί στο παραμένοντα μαγνητισμό του ηλεκτρομαγνήτη που αποτελεί τους πόλους. Στο Σχήμα 4.3 παρουσιάζεται η σχέση μεταξύ της τάσης του ρεύματος διέγερσης E και. Η συγκεκριμένη χαρακτηριστική ονομάζεται στατική χαρακτηριστική. Ακολουθεί τη μορφή της μαγνητικής χαρακτηριστικής. Να σημειωθεί πως η συγκεκριμένη στατική χαρακτηριστική ισχύει για μία δεδομένη ταχύτητα διαφορετική καμπύλη. Η ρύθμιση της τάσης εξόδου στις γεννήτριες είναι στο επίκεντρο του ενδιαφέροντος γιατί η τάση εξόδου θα πρέπει να ακολουθεί τις μεταβολές του φορτίου. Όπως προαναφέρθηκε, η ΗΕΔ της γεννήτριας μπορεί να μεταβληθεί μέσω μεταβολής της ταχύτητας περιστροφής και μεταβολή του ρεύματος διέγερσης. Ο συνηθέστερος τρόπος ρύθμισης της τάσης εξόδου είναι η μεταβολή της διέγερσης της γεννήτριας.. Για διαφορετική μορφή της ταχύτητας προκύπτει Σχήμα 4.2: Καμπύλη μαγνητικής χαρακτηριστικής. -22-
Σχήμα 4.3: Καμπύλη στατικής χαρακτηριστικής. Πειραματικό μέρος Στη συγκεκριμένη εργαστηριακή άσκηση θα λάβουν χώρα διάφορα πειράματα που αναφέρονται στη λειτουργία της γεννήτριας χωρίς φορτίο και με τη σύνδεση φορτίου. Αρχικά θα μετρηθούν οι αντιστάσεις των τυλιγμάτων της γεννήτριας. Ανάλογα με τον τρόπο σύνδεσης των τυλιγμάτων διέγερσης και οπλισμού, μπορούμε από την υπό εξέταση γεννήτρια να έχουμε λειτουργία και με τους 4 τύπους. Αυτό σημαίνει ότι η γεννήτρια φέρει τύλιγμα οπλισμού (ακροδέκτες Α1-Α2), τύλιγμα διέγερσης (ακροδέκτες 1-2) και τύλιγμα διέγερσης σειράς (ακροδέκτες D1-D2). 3. Μέτρηση των αντιστάσεων των τυλιγμάτων Η μέτρηση μπορεί να γίνει με 2 τρόπους: Είτε απ` ευθείας με ωμόμετρο ή με συνδυασμό βολτομέτρου και αμπερομέτρου (μέθοδος βολταμπερομέτρου ). Για τη μέθοδο βολταμπερομέτρου χρησιμοποιούνται τα σχέδια έργου των Σχημάτων 4.4-4.6.Σε κάθε περίπτωση τροφοδοτούμε το αντίστοιχο τύλιγμα με συνεχή τάση. Ανάμεσα στην τροφοδοσία και το τύλιγμα παρεμβάλλουμε ένα αμπερόμετρο για την μέτρηση του ρεύματος. Παράλληλα στο τύλιγμα συνδέεται βολτόμετρο για τη μέτρηση της τάσης. Από τις ενδείξεις των 2 οργάνων εξάγεται η αντίσταση του τυλίγματος. Το τύλιγμα τροφοδοτείται με εκείνη την τάση για την οποία μετράμε το ονομαστικό ρεύμα. Η εν λόγω τάση είναι πολύ χαμηλή σε σχέση με την ονομαστική. Ροοστάτης V V V 1 G -23-2
Σχήμα 4.4: Σχέδιο έργου για τη μέτρηση της αντίστασης των τυλιγμάτων 1-2. 1 V V 2 Σχήμα 4.5: Σχέδιο έργου για τη μέτρηση της αντίστασης των τυλιγμάτων 1-2. D1 V V D2 Σχήμα 4.6: Σχέδιο έργου για τη μέτρηση της αντίστασης των τυλιγμάτων D1-D2. Απαιτήσεις σε εξοπλισμό 1. Γεννήτρια συνεχούς ρεύματος. 2. Εύκαμπτοι αγωγοί. 3. Βολτόμετρο συνεχούς τάσης. 4. Αμπερόμετρο συνεχούς ρεύματος. 5. Ωμόμετρο. 6. Ροοστάτης (προαιρετικά). Πορεία πειράματος 1. Σημειώστε τα ονομαστικά στοιχεία της μηχανής (λειτουργίες γεννήτριας και κινητήρα). 2. Διερευνήστε την επάρκεια του εξοπλισμού (καταλληλότητα τροφοδοτικών και οργάνων μέτρησης). 3. Για τη μέτρηση με ωμόμετρο, μετρήστε ξεχωριστά την αντίσταση των τυλιγμάτων των ακροδεκτών Α1- Α2, 1-2 και D1-D2. 4. Για τη μέτρηση μέσω της μεθόδου του βολταμπερομέτρου, υλοποιήστε πρώτα το σχέδιο έργου του Σχήματος 4.4. Τροφοδοτείστε με εκείνη τη τιμή της τάσης ώστε να μετρηθεί το ονομαστικό ρεύμα. -24-
5. Μετρείστε την τιμή της τάσης και μηδενίστε την τροφοδοσία. 6. Επαναλάβατε το πείραμα για τα τυλίγματα 1-2 και D1-D2. Τροφοδοτείστε με εκείνη τη τιμή της τάσης ώστε να μετρηθεί το ονομαστικό ρεύμα. 7. Εναλλακτικά, αντί της χρήσης μεταβλητής τροφοδοσίας, μπορεί να χρησιμοποιηθεί σταθερή τιμή τροφοδοσίας και ροοστάτης. Άσκηση 1. Για τη μέτρηση με ωμόμετρο μεταφέρετε τις μετρήσεις στον πίνακα μετρήσεων 2. Για τη μέτρηση με τη μέθοδο του βολταμπερομέτρου μεταφέρετε τις μετρήσεις στον πίνακα μετρήσεων 2. -Πίνακας μετρήσεων 1- Μέγεθος Τιμές R ( ) R RS ( ) ( ) -Πίνακας μετρήσεων 2- Μέγεθος Τιμές R ( ) R RS ( ) ( ) 4. Εξαγωγή της χαρακτηριστικής E f ( ) Απαιτήσεις σε εξοπλισμό 1. Γεννήτρια συνεχούς ρεύματος. 2. Εύκαμπτοι αγωγοί. 3. Βολτόμετρο συνεχούς τάσης. 4. Αμπερόμετρο συνεχούς ρεύματος. 5. Ροοστάτης (προαιρετικά). 6. Κινητήρας. 7. Στροφόμετρο. Πορεία πειράματος 1. Σημειώστε τα ονομαστικά στοιχεία της γεννήτριας (λειτουργίες γεννήτριας και κινητήρα). -25-
2. Διερευνήστε την επάρκεια του εξοπλισμού (καταλληλότητα τροφοδοτικών και οργάνων μέτρησης). 3. Υλοποιήστε το σχέδιο έργου του Σχήματος 4.7. 4. Στο συγκεκριμένο πείραμα, ως κινητήριος μηχανισμός χρησιμοποιείται σύγχρονος κινητήρας. Τροφοδοτείστε το τύλιγμα διέγερσης του κινητήρα με συγκεκριμένο ρεύμα διέγερσης. Στην συνέχεια τροφοδοτείστε τον κινητήρας με την ονομαστική τάση. 5. Μετρήστε την ταχύτητα περιστροφής. Εάν δεν είναι ίση με τη ονομαστική, μεταβάλετε το ρεύμα διέγερσης του κινητήρα. 6. Μόλις η ταχύτητα γίνει ίση με την ονομαστική, μεταβάλετε το ρεύμα διέγερσης της γεννήτριας και μετρήστε την τάση στους ακροδέκτες. Το ρεύμα διέγερσης μεταβάλλεται από το μηδέν έως την ονομαστική τιμή του και έπειτα από την ονομαστική τιμή του έως το μηδέν. 7. Μόλις ολοκληρωθούν οι μετρήσεις διακόψτε την τροφοδοσία του κινητήρα και στη συνέχεια μηδενίστε το ρεύμα διέγερσης του. M 1 G V 1 V 2 2 Σχήμα 4.7: Σχέδιο έργου για την υλοποίηση του πειράματος. Άσκηση 1. Μεταφέρετε τις μετρήσεις στον πίνακα μετρήσεων 3. 2. Σχεδιάστε τη χαρακτηριστική E f ( ). -Πίνακας μετρήσεων 3- ( ) E( V ) V( V ) -26-
5. Εξαγωγή της χαρακτηριστικής E f( ) Απαιτήσεις σε εξοπλισμό 1. Γεννήτρια συνεχούς ρεύματος. 2. Εύκαμπτοι αγωγοί. 3. Βολτόμετρο συνεχούς τάσης. 4. Αμπερόμετρο συνεχούς ρεύματος. 5. Ροοστάτης (προαιρετικά). 6. Κινητήρας. 7. Στροφόμετρο. Πορεία πειράματος 1. Σημειώστε τα ονομαστικά στοιχεία της γεννήτριας (λειτουργίες γεννήτριας και κινητήρα). 2. Σημειώστε τα ονομαστικά στοιχεία του κινητήρα (λειτουργίες γεννήτριας και κινητήρα). 3. Διερευνήστε την επάρκεια του εξοπλισμού (καταλληλότητα τροφοδοτικών και οργάνων μέτρησης). 4. Υλοποιήστε το σχέδιο έργου του Σχήματος 4.7. 5. Στο συγκεκριμένο πείραμα, ως κινητήριος μηχανισμός χρησιμοποιείται σύγχρονος κινητήρας. 6. Τροφοδοτείστε το τύλιγμα διέγερσης της γεννήτριας με συγκεκριμένο ρεύμα. 7. Στη συνέχεια τροφοδοτείστε τον κινητήρα με την ονομαστική τάση. 8. Μεταβάλλετε το ρεύμα διέγερσης του κινητήρα για να μετρηθούν οι συγκεκριμένες ταχύτητες περιστροφής που απαιτούνται από το πείραμα. 9. Μόλις ολοκληρωθούν οι μετρήσεις διακόψτε την τροφοδοσία του κινητήρα και στη συνέχεια μηδενίστε το ρεύμα διέγερσης του. Μηδενίστε το ρεύμα διέγερσης της γεννήτριας. Άσκηση 1. Μεταφέρετε τις μετρήσεις στον πίνακα μετρήσεων 4. 2. Σχεδιάστε τη χαρακτηριστική E f( ). -27-
-Πίνακας μετρήσεων 4- ( rad / s) E ( V ) V ( V ) 6. Φόρτιση της γεννήτριας χαρακτηριστική V f ( ) L Απαιτήσεις σε εξοπλισμό 1. Γεννήτρια συνεχούς ρεύματος. 2. Εύκαμπτοι αγωγοί. 3. Βολτόμετρο συνεχούς τάσης. 4. Αμπερόμετρο συνεχούς ρεύματος. 5. Ροοστάτης (προαιρετικά). 6. Κινητήρας. 7. Στροφόμετρο. 8. Μεταβλητό ωμικό φορτίο. Πορεία πειράματος 1. Σημειώστε τα ονομαστικά στοιχεία της γεννήτριας (λειτουργίες γεννήτριας και κινητήρα). 2. Διερευνήστε την επάρκεια του εξοπλισμού (καταλληλότητα τροφοδοτικών και οργάνων μέτρησης). 3. Υλοποιήστε το σχέδιο έργου του Σχήματος 4.8. Τα άκρα της γεννήτριας συνδέονται με μεταβλητό ωμικό φορτίο. 4. Στο συγκεκριμένο πείραμα, ως κινητήριος μηχανισμός χρησιμοποιείται σύγχρονος κινητήρας. 5. Τροφοδοτείστε το τύλιγμα διέγερσης της γεννήτριας με το ονομαστικό ρεύμα διέγερσης. 6. Στη συνέχεια τροφοδοτείστε τον κινητήρα με την ονομαστική τάση και το ονομαστικό ρεύμα διέγερσης έτσι ώστε να μετρηθεί η ονομαστική ταχύτητα της γεννήτριας. 7. Μεταβάλλετε την αντίσταση του φορτίου για να μετρηθούν οι συγκεκριμένες τιμές του ρεύματος που απαιτούνται από το πείραμα. Για κάθε τιμή του ρεύματος μετρήστε την ταχύτητα περιστροφής. 8. Μόλις ολοκληρωθούν οι μετρήσεις διακόψτε την τροφοδοσία του κινητήρα και στη συνέχεια μηδενίστε το ρεύμα διέγερσης του. Μηδενίστε το ρεύμα διέγερσης της γεννήτριας. -28-
M 1 G V 1 V 2 2 Σχήμα 4.8: Σχέδιο έργου για την υλοποίηση του πειράματος. Άσκηση 1. Μεταφέρετε τις μετρήσεις στον πίνακα μετρήσεων 5. 2. Σχεδιάστε τη χαρακτηριστική V f ( ), V E f ( ). L L -Πίνακας μετρήσεων 5- ( ) L V ( V) E ( V ) V ( V ) n( rpm) 7. Φόρτιση της γεννήτριας χαρακτηριστική f ( ) L Απαιτήσεις σε εξοπλισμό 1. Γεννήτρια συνεχούς ρεύματος. 2. Εύκαμπτοι αγωγοί. 3. Βολτόμετρο συνεχούς τάσης. 4. Αμπερόμετρο συνεχούς ρεύματος. 5. Ροοστάτης (προαιρετικά). 6. Κινητήρας. 7. Στροφόμετρο. 8. Μεταβλητό ωμικό φορτίο. -29-
Πορεία πειράματος 1. Σημειώστε τα ονομαστικά στοιχεία της γεννήτριας (λειτουργίες γεννήτριας και κινητήρα). 2. Διερευνήστε την επάρκεια του εξοπλισμού (καταλληλότητα τροφοδοτικών και οργάνων μέτρησης). 3. Υλοποιήστε το σχέδιο έργου του Σχήματος 4.8. Τα άκρα της γεννήτριας συνδέονται με μεταβλητό ωμικό φορτίο. 4. Στο συγκεκριμένο πείραμα, ως κινητήριος μηχανισμός χρησιμοποιείται σύγχρονος κινητήρας. 5. Στην συνέχεια τροφοδοτείστε τον κινητήρα με την ονομαστική τάση και το ονομαστικό ρεύμα διέγερσης έτσι ώστε να μετρηθεί η ονομαστική ταχύτητα της γεννήτριας. 6. Μεταβάλλετε την αντίσταση του φορτίου για να μετρηθούν οι συγκεκριμένες τιμές του ρεύματος που απαιτούνται από το πείραμα. Για κάθε μεταβολή του φορτίου, μεταβάλλετε το ρεύμα διέγερσης της γεννήτριας έτσι ώστε η τάση στο φορτίο να παραμείνει σταθερή. 7. Μόλις ολοκληρωθούν οι μετρήσεις διακόψτε την τροφοδοσία του κινητήρα και στη συνέχεια μηδενίστε το ρεύμα διέγερσης του. Μηδενίστε το ρεύμα διέγερσης της γεννήτριας. Άσκηση 1. Μεταφέρετε τις μετρήσεις στον πίνακα μετρήσεων 6. 2. Σχεδιάστε τη χαρακτηριστική f ( ) L -Πίνακας μετρήσεων 6- ( ) L ( ) 6. Φόρτιση της γεννήτριας βαθμός απόδοσης Για να λειτουργήσει μία ηλεκτρική μηχανή ως γεννήτρια θα πρέπει να λάβει χώρα κίνηση αγωγών μέσα στο μαγνητικό πεδίο. Συνεπώς, είσοδοι στην γεννήτρια είναι η μηχανική ισχύς που αναφέρεται στην κίνηση και η ηλεκτρική ισχύς που αναφέρεται στο μαγνητικό πεδίο. Η γεννήτρια μετατρέπει τη μηχανική ισχύ εισόδου σε ηλεκτρική ισχύ με συγκεκριμένο βαθμό απόδοσης. Οι απώλειες διαδραματίζουν καθοριστικό ρόλο στον υπολογισμό της απόδοσης της μηχανής. Έστω P M η μηχανική ισχύς εισόδου της γεννήτριας, η οποία παρέχεται από τον κινητήριο μηχανισμό. Έστω P R η ηλεκτρική ισχύς εισόδου 2-30-
της γεννήτριας που είναι υπεύθυνη για το μαγνητικό πεδίο. Έστω 2 της γεννήτριας. Ο βαθμός απόδοσης της γεννήτριας ορίζεται ως: Έστω P R R 2 cu P (%) 100% el (4.4) P οι ωμικές απώλειες στο τύλιγμα του στάτη. Έστω M P P V η ηλεκτρική ισχύς εξόδου el L P mech οι μηχανικές απώλειες της γεννήτριας. Αυτές είναι ανεξάρτητες από την φόρτιση της γεννήτριας και ονομάζονται σταθερές απώλειες. Στο συγκεκριμένο πείραμα αντικειμενικό στόχο αποτελεί ο υπολογισμός του βαθμού απόδοσης. Επειδή δεν υπάρχει εξίσωση που να αναφέρεται στον υπολογισμό των μηχανικών απωλειών, αυτές υπολογίζονται έμμεσα. Η διαδικασία που ακολουθείται είναι η εξής: Θέτουμε τη μηχανή σε λειτουργία κινητήρα χωρίς φορτίο στα άκρα της. Η ηλεκτρική ισχύς εισόδου που είναι υπεύθυνη για τη δημιουργία ροπής στρέψης μετατρέπεται σε μηχανικές απώλειες και ωμικές απώλειες στο τύλιγμα του στάτη. Οι μηχανικές απώλειες προκύπτουν από τη διαφορά της ηλεκτρικής ισχύος εισόδου και των ωμικών απωλειών. Οι μηχανικές απώλειες θα πρέπει να αναφέρονται στην ίδια μαγνητική ροή λειτουργίας γεννήτριας και γεννήτριας. Η μηχανή θα πρέπει να τροφοδοτηθεί με τάση V V R, V η ονομαστική τάση εισόδου σε λειτουργία κινητήρα. Το ρεύμα του ρότορα με είναι μικρό σε σχέση με το ονομαστικό. Έστω του ρότορα κατά τη λειτουργία χωρίς φορτίο. Σε αυτή τη λειτουργία, η ισχύς εισόδου θα είναι οι απώλειες χαλκού (ωμικές απώλειες) στο τύλιγμα του στάτη ίσες με P ( ) R. R, o o 2 cu o P o el το ρεύμα V o και Απαιτήσεις σε εξοπλισμό 1. Γεννήτρια συνεχούς ρεύματος. 2. Εύκαμπτοι αγωγοί. 3. Βολτόμετρο συνεχούς τάσης. 4. Αμπερόμετρο συνεχούς ρεύματος. 5. Ροοστάτης (προαιρετικά). 6. Κινητήρας. 7. Στροφόμετρο. Πορεία πειράματος 1. Σημειώστε τα ονομαστικά στοιχεία της γεννήτριας (λειτουργίες γεννήτριας και κινητήρα). 2. Διερευνήστε την επάρκεια του εξοπλισμού (καταλληλότητα τροφοδοτικών και οργάνων μέτρησης). 3. Υλοποιήστε το σχέδιο έργου του Σχήματος 4.9. Η μηχανή τροφοδοτείται με τάση V κινητήρας. και λειτουργεί ως 4. Τροφοδοτείστε τον κινητήρα με το ονομαστικό ρεύμα διέγερσης. o 5. Μετρήστε το ρεύμα κενής λειτουργίας. 6. Διακόψτε την τροφοδοσία του κινητήρα και στη συνέχεια μηδενίστε το ρεύμα διέγερσης του. -31-
V V ao 1 M 1 Δ V Άσκηση 2 Σχήμα 4.9: Σχέδιο έργου για την υλοποίηση του πειράματος. 2 1. Μεταφέρετε τις μετρήσεις στον πίνακα μετρήσεων 7. 2. Συμπληρώστε τον πίνακα υπολογισμών 1. Μεταφέρετε τις τιμές του ρεύματος της ταχύτητας nαπό τον πίνακα υπολογισμών 5. 3. Υπολογίστε την ηλεκτρική ισχύ μέσω της σχέσης P V el L. 4. Υπολογίστε την ηλεκτρική ισχύ διέγερσης μέσω της σχέσης πίνακα το ρεύμα διέγερσης P R 2. είναι σταθερό και ίσο με την ονομαστική τιμή του. 5. Υπολογίστε τις ωμικές απώλειες στο στάτη μέσω της σχέσης P 6. Υπολογίστε τις μηχανικές απώλειες μέσω της σχέσης R, με R 2 cu L, της τάσης V και Σε όλες τις εγγραφές του L. P P P V ( ) R. o R, o o o 2 mech el cu R 7. Υπολογίστε τις συνολικές απώλειες μέσω της σχέσης P. P P P. 8. Υπολογίστε το βαθμό απόδοσης μέσω της σχέσης P P el P el (%) 100% 100% 1 100% P M P M Pel P -Πίνακας μετρήσεων 7- mech cu VV ( ) o -Πίνακας υπολογισμών 1- ( ) L n( rpm ) V ( V) Pel P R P cu P mech P. (%) -32-
ΑΣΚΗΣΗ 5 Γεννήτρια παράλληλης διέγερσης Σκοπός της άσκησης Η κατανόηση του τρόπου λειτουργίας της μηχανής συνεχούς ρεύματος ως γεννήτρια παράλληλης διέγερσης. Θεωρητικό μέρος Η γεννήτρια συνεχούς ρεύματος παράλληλης διέγερσης είναι μια γεννήτρια συνεχούς ρεύματος της οποίας το κύκλωμα διέγερσης συνδέεται στα άκρα της και τροφοδοτείται από την τάση εξόδου της μηχανής. Το ισοδύναμο κύκλωμα μιας τέτοιας γεννήτριας φαίνεται στο Σχήμα5.1. Σε αυτό το κύκλωμα το ρεύμα οπλισμού της μηχανής τροφοδοτεί τόσο το κύκλωμα διέγερσης όσο και το φορτίο που είναι συνδεδεμένο στην έξοδό της. Το ρεύμα του οπλισμού του ρεύματος φορτίου L : είναι το άθροισμα του ρεύματος διέγερσης και Η τάση εξόδου V ανεξάρτητης διέγερσης: L (5.1) εξόδου της γεννήτριας δίνεται από την ίδια εξίσωση με την αντίστοιχη της γεννήτριας V E R (5.2) ο πλεονέκτημα αυτού του είδους των γεννητριών παράλληλης διέγερσης σε σχέση με τις γεννήτριες ανεξάρτητης διέγερσης είναι το ότι δεν απαιτείται εξωτερική πηγή για την τροφοδοσία του κυκλώματος διέγερσης. Η τάση V είναι αυτή που εφαρμόζεται στους ακροδέκτες του τυλίγματος διέγερσης. Συνεπώς το ρεύμα διέγερσης δίνεται από την παρακάτω σχέση: V (5.3) R Η γεννήτρια παράλληλης διέγερσης δεν περιλαμβάνει εξωτερική πηγή για την τροφοδοσία το τυλίγματος διέγερσης. Χαρακτηρίζεται ως αυτοδιεγειρόμενη μηχανή. Η αυτοδιέγερση μιας γεννήτριας συνεχούς ρεύματος οφείλεται στο φαινόμενο του παραμένοντος μαγνητισμού στους πόλους της. Έστω res η παραμένουσα μαγνητική ροή. Αυτή προϋπάρχει στους πόλους λόγω των δοκιμών του κατασκευαστή πριν την λειτουργία της. -33-
L G R E R L V Σχήμα 5.1: Ισοδύναμο κύκλωμα γεννήτριας παράλληλης διέγερσης. Όταν η μηχανή αρχίζει να περιστρέφεται, αναπτύσσεται τάση E K, η οποία είναι ένα μικρό g res ποσοστό της ονομαστικής. Το γεγονός της εμφάνισης κάποιας τάσης στα άκρα της μηχανή προκαλεί την ανάπτυξη ρεύματος στο κύκλωμα διέγερσης, V / R. Αυτό το ρεύμα παράγει κάποια μαγνητεγερτική δύναμη στους πόλους, η οποία αυξάνει τη μαγνητική ροή. Η αύξηση στη ροή προκαλεί αντίστοιχη αύξηση στην E Kg και στην τάση εξόδου παραπέρα αύξηση του V.Όταν η V αυξάνεται, παρατηρείται που αυξάνει με τη σειρά του τη μαγνητική ροή, η οποία αυξάνει την E,κτλ. Η διαδικασία της αυτοδιέγερσης φαίνεται στο Σχήμα 5.2. Όμως, είναι δυνατό μια γεννήτρια παράλληλης διέγερσης να ξεκινήσει την περιστροφή της και να μην εμφανίζεται ποτέ τάση στα άκρα της. Υπάρχουν 3 λόγοι που μπορούν να οδηγήσουν σε αυτή την κατάσταση: 1. Είναι δυνατό να μην υφίσταται η παραμένουσα μαγνητική ροή, ώστε να ξεκινήσει η διαδικασία της αυτοδιέγερσης στη γεννήτρια. Αν η παραμένουσα ροή είναι μηδενική, η E θα παραμείνει κι αυτή μηδενική κι έτσι ποτέ δε θα αναπτυχθεί τάση στα άκρα της γεννήτριας. Όταν εμφανίζεται το παραπάνω πρόβλημα, το κύκλωμα διέγερσης πρέπει να αποσυνδέεται απ το κύκλωμα του οπλισμού και να συνδέεται στα άκρα μιας πηγής συνεχούς τάσης. Το ρεύμα που αναπτύσσεται τότε στο κύκλωμα διέγερσης αφήνει στους πόλους κάποια παραμένουσα ροή, η οποία είναι ικανή να προκαλέσει κανονική εκκίνηση της μηχανής. 2. Η αντίσταση της διέγερσης είναι δυνατό να έχει τιμή μεγαλύτερη από την κρίσιμη αντίσταση (critical resistance). Για την καλύτερη κατανόηση αυτού του προβλήματος, γίνεται αναφορά στο Σχήμα 5.3. Σε μια γεννήτρια παράλληλης διέγερσης η τελική τάση που αναπτύσσεται με τη διαδικασία της αυτοδιέγερσης βρίσκεται στο σημείο τομής της καμπύλης μαγνήτισης με την ευθεία (χαρακτηριστική τάσης-ρεύματος) της αντίστασης διέγερσης. Αν η αντίσταση διέγερσης έχει τιμή ίση με την R2 του Σχήματος. Όπως φαίνεται, η αντίστοιχη αντίσταση είναι σχεδόν παράλληλη στην καμπύλη μαγνήτισης της γεννήτριας. Έτσι, η τάση εξόδου της γεννήτριας για πολύ μικρές αλλαγές των R και θα κυμαίνεται σε ένα μεγάλο εύρος τιμών. Η τιμή της παραπάνω αντίστασης -34-
ονομάζεται κρίσιμη αντίσταση. Αν η R πάρει τιμή μεγαλύτερη της κρίσιμης αντίστασης (όπως αυτή της R 3 του Σχήματος), τότε η τάση κατά τη λειτουργία χωρίς φορτίο γίνεται σχεδόν μηδενική και η μηχανή δεν αυτοδιεγείρεται. Η προφανής λύση αυτού του προβλήματος είναι η μείωση της R. 3. Η φορά περιστροφής της γεννήτριας μπορεί να είναι αντίθετη από την κανονική ή το κύκλωμα διέγερσης να έχει συνδεθεί με την αντίθετη πολικότητα. Και στις δυο αυτές περιπτώσεις η παραμένουσα μαγνητική ροή παράγει κάποια τάση E στο εσωτερικό της μηχανής. Το ρεύμα διέγερσης, που προκαλεί η E, παράγει μαγνητική ροή αντίθετη στην παραμένουσα ροή κι έτσι η τελευταία φθίνει αντί να ενισχύεται. Με αυτόν τον τρόπο η ροή των πόλων αποκτά τιμή μικρότερη της res και δεν αναπτύσσεται τάση στα άκρα της μηχανής.οι λύσεις που είναι δυνατό να δοθούν, όταν παρουσιάζεται η παραπάνω κατάσταση, είναι η αντιστροφή της φοράς περιστροφής της γεννήτριας, ή της σύνδεσης του κυκλώματος διέγερσης, ή τέλος η φόρτιση της διέγερσης με την αντίθετη πολικότητα. Η κρίσιμη αντίσταση, όπως ορίστηκε παραπάνω, μεταβάλλεται με την ταχύτητα της γεννήτριας, αφού για κάθε διαφορετική ταχύτητα ισχύει διαφορετική καμπύλη μαγνήτισης. Γενικά, όσο μικρότερη είναι η ταχύτητα περιστροφής της γεννήτριας τόσο μικρότερη είναι η κρίσιμη αντίστασή της. Σχήμα 5.2: Διαδικασία αυτοδιέγερσης κατά την εκκίνηση μιας γεννήτριας συνεχούς ρεύματος παράλληλης διέγερσης. -35-
Σχήμα 5.3: Μεταβολή της αντίστασης διέγερσης μιας γεννήτριας παράλληλης διέγερσης. Φαίνονται οι επιπτώσεις της μεταβολής στην τάση εξόδου κατά τη λειτουργία χωρίς φορτίο. Αν ισχύει R R, 2 όπου η γεννήτρια δεν αυτοδιεγείρεται. Πειραματικό μέρος R 2 η κρίσιμη αντίσταση, Στη συγκεκριμένη εργαστηριακή άσκηση θα λάβουν χώρα διάφορα πειράματα που αναφέρονται στη λειτουργία της γεννήτριας χωρίς φορτίο και με τη σύνδεση φορτίου. 1. Εξαγωγή της χαρακτηριστικής E f ( ) Απαιτήσεις σε εξοπλισμό 1. Γεννήτρια συνεχούς ρεύματος. 2. Εύκαμπτοι αγωγοί. 3. Βολτόμετρο συνεχούς τάσης. 4. Αμπερόμετρο συνεχούς ρεύματος. 5. Ροοστάτης. 6. Κινητήρας. 7. Στροφόμετρο. Πορεία πειράματος 1. Σημειώστε τα ονομαστικά στοιχεία της γεννήτριας (λειτουργίες γεννήτριας και κινητήρα). 2. Σημειώστε τα ονομαστικά στοιχεία του κινητήρα (λειτουργίες γεννήτριας και κινητήρα). 3. Διερευνήστε την επάρκεια του εξοπλισμού (καταλληλότητα τροφοδοτικών και οργάνων μέτρησης). 4. Υλοποιήστε το σχέδιο έργου του Σχήματος 5.4. 5. Στο συγκεκριμένο πείραμα, ως κινητήριος μηχανισμός χρησιμοποιείται σύγχρονος κινητήρας. Τροφοδοτείστε το τύλιγμα διέγερσης του κινητήρα με συγκεκριμένο ρεύμα διέγερσης. Στη συνέχεια τροφοδοτείστε τον κινητήρας με την ονομαστική τάση. 6. Μετρήστε την ταχύτητα περιστροφής. Εάν δεν είναι ίση με τη ονομαστική, μεταβάλετε το ρεύμα διέγερσης του κινητήρα. 7. Μόλις η ταχύτητα γίνει ίση με την ονομαστική, μεταβάλετε το ρεύμα διέγερσης της γεννήτριας και μετρήστε την τάση στους ακροδέκτες. Το ρεύμα διέγερσης μεταβάλλεται από το μηδέν έως την ονομαστική τιμή του και έπειτα από την ονομαστική τιμή του έως το μηδέν. 8. Μόλις ολοκληρωθούν οι μετρήσεις διακόψτε την τροφοδοσία του κινητήρα και στη συνέχεια μηδενίστε το ρεύμα διέγερσης του. -36-
1 1 M G V R adj R 2 Σχήμα 5.4: Σχέδιο έργου για την υλοποίηση του πειράματος. 2 Άσκηση 1. Μεταφέρετε τις μετρήσεις στον πίνακα μετρήσεων 1. 2. Σχεδιάστε τη χαρακτηριστική E f ( ). -Πίνακας μετρήσεων 1- ( ) E( V ) V( V ) -37-
2. Εξαγωγή της χαρακτηριστικής E f( ) Απαιτήσεις σε εξοπλισμό 1. Γεννήτρια συνεχούς ρεύματος. 2. Εύκαμπτοι αγωγοί. 3. Βολτόμετρο συνεχούς τάσης. 4. Αμπερόμετρο συνεχούς ρεύματος. 5. Ροοστάτης. 6. Κινητήρας. 7. Στροφόμετρο. Πορεία πειράματος 1. Σημειώστε τα ονομαστικά στοιχεία της γεννήτριας (λειτουργίες γεννήτριας και κινητήρα). 2. Σημειώστε τα ονομαστικά στοιχεία του κινητήρα (λειτουργίες γεννήτριας και κινητήρα). 3. Διερευνήστε την επάρκεια του εξοπλισμού (καταλληλότητα τροφοδοτικών και οργάνων μέτρησης). 4. Υλοποιήστε το σχέδιο έργου του Σχήματος 5.4. 5. Στο συγκεκριμένο πείραμα, ως κινητήριος μηχανισμός χρησιμοποιείται σύγχρονος κινητήρας. 6. Τροφοδοτείστε το τύλιγμα διέγερσης της γεννήτριας με συγκεκριμένο ρεύμα. 7. Στη συνέχεια τροφοδοτείστε τον κινητήρα με την ονομαστική τάση. 8. Μεταβάλλετε το ρεύμα διέγερσης του κινητήρα για να μετρηθούν οι συγκεκριμένες ταχύτητες περιστροφής που απαιτούνται από το πείραμα. 9. Μόλις ολοκληρωθούν οι μετρήσεις διακόψτε την τροφοδοσία του κινητήρα και στη συνέχεια μηδενίστε το ρεύμα διέγερσης του. Μηδενίστε το ρεύμα διέγερσης της γεννήτριας. Άσκηση 1. Μεταφέρετε τις μετρήσεις στον πίνακα μετρήσεων 2. 2. Σχεδιάστε τη χαρακτηριστική E f( ). - Πίνακας μετρήσεων 2- ( rad / s) E ( V ) V ( V ) -38-
3. Φόρτιση της γεννήτριας χαρακτηριστική V f ( ) L Η χαρακτηριστική φορτίου μιας γεννήτριας παράλληλης διέγερσης διαφέρει από την αντίστοιχη της γεννήτριας ανεξάρτητης διέγερσης, επειδή η τιμή του ρεύματος διέγερσής της εξαρτάται άμεσα από την τάση στα άκρα της μηχανής. Για την καλύτερη κατανόηση της χαρακτηριστικής φορτίου μιας τέτοιας γεννήτριας ας υποτεθεί ότι η μηχανή είναι αρχικά αφόρτιστη και ότι με αργό ρυθμό προστίθενται κάποια φορτία στα άκρα της.καθώς το φορτίο της γεννήτριας αυξάνεται, το = L αυξάνεται επίσης. Κάθε αύξηση του L αυξάνεται και μαζί με αυτό, το σημαίνει αύξηση της πτώσης τάσης αντίσταση οπλισμού της γεννήτριας, πράγμα που προκαλεί μείωση στην τάση V E R. Ως εδώ, η συμπεριφορά της γεννήτριας παράλληλης διέγερσης είναι ακριβώς η ίδια με αυτή της γεννήτριας R στην ανεξάρτητης διέγερσης. Τώρα όμως, η μείωση της V ελαττώνει και την τιμή του ρεύματος διέγερσης. Το γεγονός αυτό προκαλεί μείωση της μαγνητικής ροής στη μηχανή και κατ επέκταση μείωση της E. Τελικά η μείωση της E επιβάλει παραπέρα μείωση της τάσης στα άκρα της γεννήτριας V E R. Η χαρακτηριστική φορτίου που προκύπτει, φαίνεται στο Σχήμα 5.5. Ας σημειωθεί ότι η σταδιακή μείωση της τάσης εξόδου είναι πιο απότομη από την απλή πτώση τάσης R που εμφανίζεται στις γεννήτριες ανεξάρτητης διέγερσης. Με άλλα λόγια η διακύμανση τάσης εδώ είναι μεγαλύτερη από τη διακύμανση τάσης μιας γεννήτριας ανεξάρτητης διέγερσης, με την προϋπόθεση ότι οι δυο γεννήτριες συγκρίνονται για την ίδια τιμή της ταχύτητας και της αντίστασης διέγερσης. Όπως και στις γεννήτριες ανεξάρτητης διέγερσης, ο έλεγχος της τάσης στα άκρα των γεννητριών παράλληλης διέγερσης γίνεται με δυο τρόπους: Με μεταβολή της ταχύτητας περιστροφής της γεννήτριας και με μεταβολή της αντίστασης διέγερσης της γεννήτριας ή αλλιώς με έλεγχο του ρεύματος διέγερσης. Η μεταβολή της αντίστασης διέγερσης είναι η βασική μέθοδος ελέγχου της τάσης. Η μείωση της αντίστασης διέγερσης προκαλεί αύξηση του ρεύματος διέγερσης. Η αύξηση του ρεύματος διέγερσης αυξάνει τη μαγνητική ροή της μηχανής και έτσι η εσωτερική τάση να αυξάνεται επίσης. Τελικά, η αύξηση της εσωτερικής τάσης οδηγεί σε αύξηση της τάσης στην έξοδο της γεννήτριας. Σχήμα 5.5: Χαρακτηριστική φορτίου γεννήτριας παράλληλης διέγερσης. -39-
Απαιτήσεις σε εξοπλισμό 1. Γεννήτρια συνεχούς ρεύματος. 2. Εύκαμπτοι αγωγοί. 3. Βολτόμετρο συνεχούς τάσης. 4. Αμπερόμετρο συνεχούς ρεύματος. 5. Ροοστάτης. 6. Κινητήρας. 7. Στροφόμετρο. 8. Μεταβλητό ωμικό φορτίο. Πορεία πειράματος 1. Σημειώστε τα ονομαστικά στοιχεία της γεννήτριας (λειτουργίες γεννήτριας και κινητήρα). 2. Σημειώστε τα ονομαστικά στοιχεία του κινητήρα (λειτουργίες γεννήτριας και κινητήρα). 3. Διερευνήστε την επάρκεια του εξοπλισμού (καταλληλότητα τροφοδοτικών και οργάνων μέτρησης). 4. Υλοποιήστε το σχέδιο έργου του Σχήματος 5.6. Τα άκρα της γεννήτριας συνδέονται με μεταβλητό ωμικό φορτίο. 5. Στο συγκεκριμένο πείραμα, ως κινητήριος μηχανισμός χρησιμοποιείται σύγχρονος κινητήρας. 6. Τροφοδοτείστε το τύλιγμα διέγερσης της γεννήτριας με το ονομαστικό ρεύμα διέγερσης. 7. Στη συνέχεια τροφοδοτείστε τον κινητήρα με την ονομαστική τάση και το ονομαστικό ρεύμα διέγερσης έτσι ώστε να μετρηθεί η ονομαστική ταχύτητα της γεννήτριας. 8. Μεταβάλλετε την αντίσταση του φορτίου για να μετρηθούν οι συγκεκριμένες τιμές του ρεύματος που απαιτούνται από το πείραμα. Για κάθε τιμή του ρεύματος μετρήστε την ταχύτητα περιστροφής. 9. Μόλις ολοκληρωθούν οι μετρήσεις διακόψτε την τροφοδοσία του κινητήρα και στη συνέχεια μηδενίστε το ρεύμα διέγερσης του. Μηδενίστε το ρεύμα διέγερσης της γεννήτριας. V L G 1 1 2 Σχήμα 5.6: Σχέδιο έργου για την υλοποίηση του πειράματος. 2-40-