ΑΣΚΗΣΗ 4 η ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΙΣ ΜΗΧΑΝΕΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ

ΑΣΚΗΣΗ 4 η ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΙΣ ΜΗΧΑΝΕΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ Σκοπός της Άσκησης: Σκοπός της εργαστηριακής άσκησης είναι α) η κατανόηση της αρχής λειτουργίας των μηχανών συνεχούς ρεύματος, β) η ανάλυση της κατασκευαστικών τμημάτων των μηχανών συνεχούς ρεύματος και γ) η εξοικείωση με της εργαστηριακές μηχανές συνεχούς ρεύματος. 1. Εισαγωγή Μηχανές συνεχούς ρεύματος ονομάζονται οι γεννήτριες που μετατρέπουν την μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική με την μορφή συνεχούς ρεύματος καθώς και οι κινητήρες που τροφοδοτούνται με συνεχές ρεύμα και μετατρέπουν την ηλεκτρική ενέργεια που προσλαμβάνουν σε μηχανική. Οι γεννήτριες συνεχούς ρεύματος χρησιμοποιήθηκαν αρχικά από τον Thomas Edison ο οποίος δημιούργησε το πρώτο σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας, στην νέα Υόρκη, το 1882. Το σύστημα αυτό τροφοδοτούσε 59 καταναλωτές και συνολικά 3000 λαμπτήρες. Το παραπάνω σύστημα λειτουργούσε με μια συγκεκριμένη τάση γεγονός που έκανε οικονομική τη χρήση του μόνο σε μια μικρή περιοχή γύρω από το εργοστάσιο παραγωγής. Όμως η ανακάλυψη του μετασχηματιστή έδωσε ώθηση στην παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος από γεννήτριες εναλλασσόμενου ρεύματος. Το γεγονός αυτό είχε ως αποτέλεσμα οι γεννήτριες συνεχούς ρεύματος από το 1895 να σταματήσουν να χρησιμοποιούνται στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας και να συνεχίσουν να χρησιμοποιούνται μόνο σε ειδικές εφαρμογές. Σε αντίθεση με τις γεννήτριες, οι κινητήρες συνεχούς ρεύματος ήταν πολύ διαδεδομένοι, τουλάχιστον μέχρι και την δεκαετία του 1960. Στο γεγονός αυτό κυρίως οφείλεται στην ευκολία ελέγχου της ταχύτητας των κινητήρων συνεχούς ρεύματος. Η ραγδαία ανάπτυξη των ηλεκτρονικών ισχύος και η αξιοποίηση τους σε ηλεκτρονικά κυκλώματα οδήγησης αντιμετώπισε σε μεγάλο βαθμό τα μειονεκτήματα στον έλεγχο στροφών των επαγωγικών κινητήρων. Για το λόγο αυτό οι επαγωγικοί κινητήρες αξιοποιούνται στις περισσότερες σύγχρονες εφαρμογές κινητηρίων συστημάτων. Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 24

2. Αρχή λειτουργίας γεννήτριας συνεχούς ρεύματος Η λειτουργία της μηχανής συνεχούς ρεύματος ως γεννήτριας στηρίζεται στην δημιουργία τάσης εξ επαγωγής στα άκρα ενός τυλίγματος που κινείται μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο. Το φαινόμενο αυτό παρουσιάζεται στο Σχήμα 1. Απαραίτητη προϋπόθεση για την λειτουργία μιας γεννήτριας συνεχούς ρεύματος είναι η ύπαρξη μαγνητικού πεδίου το οποίο δημιουργείται από τους μαγνητικούς πόλους οι οποίοι είναι τοποθετημένοι στον στάτη της μηχανής συνεχούς ρεύματος. Σχήμα 1. Αρχή λειτουργίας γεννήτριας συνεχούς ρεύματος. Η ηλεκτρεγερτική δύναμη (ΗΕΔ) αναπτύσσεται σε κάθε πλευρά του πλαισίου που βρίσκεται στον δρομέα της μηχανής συνεχούς ρεύματος ο οποίος περιστρέφεται μεταξύ των μαγνητικών πόλων και δίνεται από τη σχέση: (4.1) Όπου, v η ταχύτητα του αγωγού, Β η επαγωγή του μαγνητικού πεδίο και l το διάνυσμα με μέτρο το μήκος του αγωγού που βρίσκεται μέσα στο μαγνητικό πεδίο. Η τάση που αναπτύσσεται στο πλαίσιο είναι εναλλασσόμενη. Στη γεννήτρια συνεχούς ρεύματος η μετατροπή της εναλλασσόμενης τάσης σε συνεχή (ανόρθωση) πραγματοποιείται με την βοήθεια του συλλέκτη. Ο συλλέκτης χωρίζεται σε τομείς στους οποίους καταλήγουν τα άκρα του πλαισίου. Τα βασικά μέρη μιας απλής γεννήτριας συνεχούς ρεύματος παρουσιάζονται στο Σχήμα 2. Από την σχέση 4.1 προκύπτει ότι τάση θα επάγεται μόνο στις πλευρές 1-2 και 3-4 του τυλίγματος καθώς στις πλευρές 2-3 και 1-4 το διάνυσμα που προκύπτει από το εξωτερικό γινόμενο είναι κάθετο προς το διάνυσμα με αποτέλεσμα το εσωτερικό τους γινόμενο να είναι μηδέν. Συνεπώς η τάση στην έξοδο της γεννήτριας αυτής θα είναι ίση με: Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 25

Σχήμα 2. Τα βασικά μέρη μιας απλής γεννήτριας συνεχούς ρεύματος. (4.2) Αν το πλαίσιο έχει Ν σπείρες, η τάση στην έξοδο θα είναι: (4.3) Στο σχήμα 3 φαίνεται η επαγόμενη τάση στην έξοδο της γεννήτριας συνεχούς ρεύματος κατά την διάρκεια μιας πλήρους περιστροφής. Η ανορθωμένη τάση έχει μεγάλη κυμάτωση λόγω της ύπαρξης ενός μόνο πλαισίου. Χρησιμοποιώντας περισσότερα πλαίσια τοποθετημένα σε διαφορετικές γωνίες μπορούμε να περιορίσουμε την κυμάτωση αλλά και να μεγαλώσουμε το πλάτος της επαγόμενης τάσης. Όταν στην έξοδο της γεννήτριας συνεχούς ρεύματος συνδέσουμε ένα ωμικό φορτίο τότε το πλαίσιο διαρρέεται από ρεύμα. Η αλληλεπίδραση του μαγνητικού πεδίου με τους ρευματοφόρους αγωγούς του πλαισίου έχει ως συνέπεια την ανάπτυξη δυνάμεων Laplace οι οποίες αντιτίθενται στην κίνηση του πλαισίου. Αναπτύσσεται δηλαδή μια ροπή στρέψης με φορά αντίθετη προς την κινούσα ροπή. Συνεπώς κατά την λειτουργία μιας μηχανής συνεχούς ρεύματος ως γεννήτριας συνυπάρχουν τα φαινόμενα επαγωγής ηλεκτρεγερτικής δύναμης στους αγωγούς (το οποίο εμφανίζεται πρώτο) και ανάπτυξης δύναμης Laplace (εμφανίζεται στην συνέχεια και εφόσον συνδεθεί φορτίο στην γεννήτρια). Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 26

Σχήμα 3. Η επαγόμενη τάση στην έξοδο της γεννήτριας συνεχούς ρεύματος κατά την διάρκεια μιας πλήρους περιστροφής του πλαισίου. 3. Αρχή λειτουργίας του κινητήρα συνεχούς ρεύματος Τα βασικά μέρη ενός απλού κινητήρα συνεχούς ρεύματος φαίνονται στο σχήμα 4. Η λειτουργία μιας μηχανής συνεχούς ρεύματος σαν κινητήρας στηρίζεται στην ανάπτυξη δυνάμεων Laplace σε ρευματοφόρους αγωγούς από μαγνητικά πεδία. Για να επιτευχθεί αυτό θα πρέπει πρώτα να δημιουργηθεί μαγνητικό πεδίο στο εσωτερικό της μηχανής μέσω της τροφοδοσίας του τυλίγματος διέγερσης και στην συνέχεια να τροφοδοτηθεί με συνεχές ρεύμα το τύλιγμα του δρομέα μέσω των ψηκτρών και του συλλέκτη. Ως αποτέλεσμα θα έχουμε την ανάπτυξη δύναμης Laplace σε κάθε αγωγό του τυλίγματος του δρομέα ίση με: (4.4) Αν υποθέσουμε ότι οι αγωγοί του τυλίγματος είναι κάθετοι στο μαγνητικό πεδίο τότε το μέτρο της δύναμης που θα ασκείται σε αυτό θα είναι ίσο με: Όπου Ν ο αριθμός σπειρών του τυλίγματος του δρομέα. Η ροπή στρέψης που θα αναπτυχθεί στον δρομέα θα είναι ίση με: (4.5) Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 27

(4.6) Όπου r η ακτίνα του δρομέα. Σχήμα 4. Τα βασικά μέρη ενός απλού κινητήρα συνεχούς ρεύματος. Από την στιγμή που ο δρομέας του κινητήρα αρχίσει να περιστρέφεται αναπτύσσεται στα τυλίγματα του δρομέα μιας αντιηλεκτρεγερτική δύναμη η οποία αντιτίθεται στην τάση της πηγής τροφοδοσίας του δρομέα. Συνεπώς και στην περίπτωση του κινητήρα συνυπάρχουν τα φαινόμενα ανάπτυξης δυνάμεων Laplace (εμφανίζονται πρώτα) και επαγωγής τάσης στους αγωγούς (η τάση αναπτύσσεται αφού ο δρομέας αρχίσει να περιστρέφεται). 4. Τα μέρη μιας πραγματικής μηχανής συνεχούς ρεύματος Όπως φαίνεται στα σχήματα 5, 6 και 7 μια πραγματική μηχανή συνεχούς ρεύματος αποτελείται από δυο βασικά μέρη, τον στάτη και τον δρομέα. Στον στάτη βρίσκονται οι μαγνητικοί πόλοι οι οποίοι είναι συνήθως ηλεκτρομαγνήτες. Στην περίπτωση αυτή στους πόλους της μηχανής βρίσκονται και τα τυλίγματα διέγερσης, σειράς και παράλληλα. Οι μαγνητικοί πόλοι είναι υπεύθυνοι για την δημιουργία του μαγνητικού πεδίου στο εσωτερικό της μηχανής. Μεταξύ των κύριων μαγνητικών πόλων βρίσκονται οι βοηθητικοί πόλοι οι οποίοι σαν σκοπό έχουν την αποφυγή σπινθηρισμών στον συλλέκτη κατά την λειτουργία της μηχανής υπό φορτίο. Τέλος, στον στάτη βρίσκονται ο ψηκτροφορέας με τις ψήκτρες καθώς και το κιβώτιο ακροδεκτών. Οι ψήκτρες χρησιμεύουν για την σύνδεση του τυλίγματος του δρομέα με το εξωτερικό κύκλωμα που περιλαμβάνει την πηγή τροφοδοσίας. Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 28

Στον δρομέα βρίσκεται το επαγωγικό τύμπανο, ο συλλέκτης και ο ανεμιστήρας. Ο συλλέκτης είναι χωρισμένος σε τομείς, οι οποίοι είναι μονωμένοι μεταξύ τους. Το επαγωγικό τύμπανο αποτελείται από το τύλιγμα και τον πυρήνα. Το τύλιγμα του επαγωγικού τυμπάνου αποτελείται από ομάδες (πηνία), κάθε μια από τις οποίες ξεκινά από ένα τομέα του συλλέκτη και καταλήγει σε έναν άλλο (σχήμα 8). Οι πλευρές των ομάδων (ονομάζονται και στοιχεία) τοποθετούνται μέσα σε αυλάκια στην περιφέρεια του τυμπάνου. Σχήμα 5. Ο στάτης μιας μηχανής συνεχούς ρεύματος. Υπάρχουν δυο βασικοί τρόποι συνδεσμολογίας του τυλίγματος του επαγωγικού τυμπάνου, το βροχοτύλιγμα και το κυματοτύλιγμα. Οι δυο τρόποι συνδεσμολογίας φαίνονται στο σχήμα 8. Σε ένα απλό βροχοτύλιγμα ισχύουν τα εξής: 1. Ο αριθμός των τομέων του συλλέκτη είναι ίσος με τον αριθμό των ομάδων του τυλίγματος. 2. Το τύλιγμα του δρομέα σχηματίζει παράλληλους κλάδους. Ο αριθμός των κλάδων αυτών είναι ίσος με τον αριθμό των πόλων της μηχανής. 3. Ο αριθμός των ψηκτρών ισούται με τον αριθμό των πόλων της μηχανής. Στο απλό κυματοτύλιγμα ισχύει το εξής: 1. Υπάρχουν μόνο δυο παράλληλοι κλάδοι ανεξάρτητα από το αριθμό των πόλων της μηχανής. Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 29

Η απόσταση των στοιχείων κάθε ομάδας καλείται πρώτο μερικό βήμα ψ1. Η απόσταση του δεύτερου στοιχείου μιας ομάδας από το πρώτο στοιχείο της αμέσως επόμενης, σε σειρά συνδεδεμένης, ομάδας ονομάζεται δεύτερο μερικό βήμα ψ2. Τέλος η απόσταση μεταξύ του πρώτου στοιχείου μιας ομάδας και του πρώτου στοιχείου της αμέσως επόμενης συνδεδεμένης σε σειρά ομάδας, ονομάζεται βήμα του τυλίγματος. Σχήμα 6. Ο δρομέας μιας μηχανής συνεχούς ρεύματος. Σχήμα 7. Λεπτομέρεια του ψηκτροφορέα και των ψηκτρών συνεχούς ρεύματος. μιας μηχανής Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 30

Σχήμα 8. Συνδέσεις ομάδων τυλιγμάτων μηχανών συνεχούς ρεύματος. Σχήμα 9. Σχηματική αναπαράσταση μηχανής συνεχούς ρεύματος. 5. Είδη μηχανών συνεχούς ρεύματος Οι μηχανές συνεχούς ρεύματος διαθέτουν δυο είδη τυλιγμάτων διέγερσης. Το τύλιγμα παράλληλης διέγερσης και το τύλιγμα διέγερσης σειράς. Ανάλογα με το ποιο από τα τυλίγματα διέγερσης χρησιμοποιούμε προκύπτουν και οι διαφορετικές κατηγορίες ηλεκτρικών μηχανών. Συγκεκριμένα διακρίνουμε τις εξής κατηγορίες για τις γεννήτριες συνεχούς ρεύματος: Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 31

Α) Γεννήτριες συνεχούς ρεύματος ξένης διέγερσης (χρησιμοποιείται μονό το τύλιγμα παράλληλης διέγερσης). Β) Γεννήτριες συνεχούς ρεύματος παράλληλης διέγερσης (χρησιμοποιείται μόνο το τύλιγμα παράλληλης διέγερσης). Γ) Γεννήτριες συνεχούς ρεύματος διέγερσης σειράς (χρησιμοποιείται μόνο το τύλιγμα διέγερσης σειράς). Δ) Γεννήτριες συνεχούς ρεύματος σύνθετης διέγερσης (χρησιμοποιούνται και τα δυο τυλίγματα). Αντίστοιχα και οι κινητήρες Σ.Ρ. κατατάσσονται στις ίδιες κατηγορίες: Α) Κινητήρες συνεχούς ρεύματος ξένης διέγερσης (χρησιμοποιείται μόνο το τύλιγμα παράλληλης διέγερσης). Β) Κινητήρες συνεχούς ρεύματος παράλληλης διέγερσης (χρησιμοποιείται μονό το τύλιγμα παράλληλης διέγερσης). Γ) Κινητήρες συνεχούς ρεύματος. διέγερσης σειράς (χρησιμοποιείται μόνο το τύλιγμα διέγερσης σειράς). Δ) Κινητήρες συνεχούς ρεύματος σύνθετης διέγερσης (χρησιμοποιούνται και τα δυο τυλίγματα). 6. Απώλειες ηλεκτρικών μηχανών συνεχούς ρεύματος Οι απώλειες ισχύος των ηλεκτρικών μηχανών συνεχούς ρεύματος διακρίνονται σε ηλεκτρικές (απώλειες χαλκού), μαγνητικές (απώλειες σιδήρου ή πυρήνα) και μηχανικές. Οι απώλειες χαλκού είναι απώλειες που οφείλονται στην ροή ρεύματος στα τυλίγματα του δρομέα (επαγωγικό τύμπανο) και του στάτη (τύλιγμα διέγερσης, βοηθητικοί πόλοι). Οι απώλειες σιδήρου οφείλονται στις απώλειες λόγω μαγνητικής υστέρησης και δινορρευμάτων στον πυρήνα της μηχανής. Οι απώλειες μαγνητικής υστέρησης εξαρτώνται από τα μαγνητικά χαρακτηριστικά του υλικού κατασκευής του πυρήνα (την επιφάνεια του βρόχου υστέρησης) και από την συχνότητα της επαγόμενης Η.Ε.Δ. στο τύλιγμα του δρομέα. Οι απώλειες δινορρευμάτων εξαρτώνται από την συχνότητα της επαγόμενης Η.Ε.Δ. και την πυκνότητα της μαγνητικής ροής. Επειδή η συχνότητα της επαγόμενης Η.Ε.Δ. εξαρτάται από την ταχύτητα περιστροφής μπορούμε να θεωρήσουμε ότι οι απώλειες σιδήρου εξαρτώνται από την ταχύτητα περιστροφής του δρομέα της μηχανής. Τέλος οι μηχανικές απώλειες οφείλονται στις τριβές στα έδρανα του άξονα της μηχανής και την αντίσταση του αέρα (απώλειες εξαερισμού) που προκαλείται από την ειδική πτερωτή που είναι προσαρμοσμένη στον άξονα για να επιτυγχάνεται η ψύξη της μηχανής. Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 32

Στα σχήματα 10 α και 10 β φαίνονται τα διαγράμματα ροής ισχύος για τις γεννήτριες και τους κινητήρες συνεχούς ρεύματος αντίστοιχα. Σχήμα 10. Διάγραμμα ροής ισχύος μηχανών συνεχούς ρεύματος α) Γεννήτρια β) Κινητήρας. Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 33

Πειραματικό Μέρος Α. Συμπληρώστε τον πίνακα 1 με τα ονομαστικά στοιχεία της μηχανής συνεχούς ρεύματος που θα χρησιμοποιήσετε: ΠΙΝΑΚΑΣ 1 ΜΗΧΑΝΗ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΟΝΟΜΑΣΤΙΚΗ ΤΑΣΗ ΕΠΑΓΩΓΙΚΟΥ ΤΥΜΠΑΝΟΥ ΟΝΟΜΑΣΤΙΚΟ ΡΕΥΜΑ ΕΠΑΓΩΓΙΚΟΥ ΤΥΜΠΑΝΟΥ ΟΝΟΜΑΣΤΙΚΗ ΙΣΧΥΣ ΟΝΟΜΑΣΤΙΚΕΣ ΣΤΡΟΦΕΣ ΟΝΟΜΑΣΤΙΚΗ ΤΑΣΗ ΤΥΛΙΓΜΑΤΟΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ ΟΝΟΜΑΣΤΙΚΟ ΡΕΥΜΑ ΤΥΛΙΓΜΑΤΟΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ Β. Αναγνωρίστε τα τυλίγματα της μηχανής συνεχούς ρεύματος και μετρήστε τις αντιστάσεις τους. Συμπληρώστε τον πίνακα 2 ΠΙΝΑΚΑΣ 2 ΤΥΛΙΓΜΑ ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΣ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ ΕΠΑΓΩΓΙΚΟ ΤΥΜΠΑΝΟ ΒΟΗΘΗΤΙΚΟΙ ΠΟΛΟΙ ΤΥΛΙΓΜΑ ΠΑΡΑΛΛΗΛΗΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ ΤΥΛΙΓΜΑ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ ΣΕΙΡΑΣ Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 34