ΑΣΚΗΣΗ 8 η ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΞΕΝΗΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ

Transcript

1 ΑΣΚΗΣΗ 8 η ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΞΕΝΗΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Σκοπός της Άσκησης: Σκοπός της εργαστηριακής άσκησης είναι α) η κατανόηση της λειτουργίας του κινητήρα συνεχούς ρεύματος ξένης διέγερσης β) η κατανόηση των τρόπων ελέγχου της ταχύτητας ενός κινητήρα συνεχούς ρεύματος ξένης διέγερσης γ) η χάραξη της χαρακτηριστικής ταχύτητας ροπής μιας μηχανής συνεχούς ρεύματος ξένης διέγερσης. 1. Εισαγωγή Μια μηχανή συνεχούς ρεύματος μπορεί να λειτουργήσει είτε ως γεννήτρια είτε ως κινητήρας χωρίς καμία κατασκευαστική μετατροπή. Κατά την λειτουργία της ως κινητήρας η μηχανή μετατρέπει ηλεκτρική ενέργεια σε μηχανική. Κατά συνέπεια για να λειτουργήσει ένας κινητήρας συνεχούς ρεύματος θα πρέπει να του παρέχουμε ηλεκτρική ενέργεια. Η ενέργεια αυτή παρέχεται μέσω της τροφοδοσίας του δρομέα με ρεύμα από μια πηγή συνεχούς τάσης. Οι κινητήρες συνεχούς ρεύματος διακρίνονται σε διάφορα είδη, ανάλογα με την συνδεσμολογία της διέγερσης: 1. Κινητήρας συνεχούς ρεύματος ξένης διέγερσης. 2. Κινητήρας συνεχούς ρεύματος παράλληλης διέγερσης. 3. Κινητήρας συνεχούς ρεύματος διέγερσης σειράς. 4. Κινητήρας συνεχούς ρεύματος σύνθετης διέγερσης. Για την λειτουργία του κινητήρα είναι απαραίτητη η ανάπτυξη ροπής στον δρομέα. Η ροπή αυτή εμφανίζεται λόγω της δύναμης Laplace που ασκείται στους αγωγούς του δρομέα οι οποίοι διαρρέονται από ρεύμα, από το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από το τύλιγμα διέγερσης του στάτη. Η επαγόμενη ή εσωτερική ροπή ενός κινητήρα Σ.Ρ δίνεται από την σχέση: (8.1) Όπου Φ είναι η μαγνητική ροή στο εσωτερικό του κινητήρα και Ι Α είναι το ρεύμα του δρομέα. Παράλληλα με την ανάπτυξη ροπής, στους αγωγούς του δρομέα αναπτύσσεται και μια αντιηλεκτρεγερτική δύναμη Ε α λόγω της περιστροφής τους μέσα σε μαγνητικό πεδίο. Η τάση αυτή δίνεται από την γνωστή σχέση: (8.2) Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 57

2 Όπου Φ είναι η μαγνητική ροή στο εσωτερικό του κινητήρα και n είναι η ταχύτητα περιστροφής του δρομέα. Σε αναλογία με την διακύμανση της τάσης στις γεννήτριες, στους κινητήρες Σ.Ρ. ορίζεται η διακύμανση ταχύτητας (Speed Regulation SR) ως εξής: 2. Ισοδύναμο κύκλωμα κινητήρα Σ.Ρ. ξένης διέγερσης Το ισοδύναμο κύκλωμα ενός κινητήρα Σ.Ρ. ξένης διέγερσης είναι κατά βάση το ίδιο με αυτό μιας γεννήτριας Σ.Ρ. ξένης διέγερσης. Οι αλλαγές εντοπίζονται στο γεγονός ότι στους ακροδέκτες του δρομέα συνδέουμε μια πηγή συνεχούς τάσης αντί για φορτίο καθώς και στην φορά του ρεύματος του δρομέα. Το ισοδύναμο κύκλωμα φαίνεται στο σχήμα 1. I If Vf Rf Ea Ra Vt Lf Σχήμα 1. Το ισοδύναμο κύκλωμα κινητήρα Σ.Ρ. ξένης διέγερσης. Από το ισοδύναμο κύκλωμα και με εφαρμογή του 2 ου προκύπτει η παρακάτω εξίσωση: κανόνα του Kirchhoff (8.4) Όπου Ι Α είναι το ρεύμα του δρομέα (το ρεύμα του κινητήρα) και R a είναι η αντίσταση του δρομέα. Κατά την εκκίνηση ο κινητήρας απορροφά ένα μεγάλο ρεύμα σε σχέση με το ονομαστικό. Αυτό μπορεί να εξηγηθεί εύκολα αν λύσουμε την σχέση 8.4 ως προς το ρεύμα του δρομέα: Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 58

3 Κατά την εκκίνηση η αντιηλεκτρεγερτική δύναμη E είναι μηδέν καθώς ο δρομέας του κινητήρα δεν περιστρέφεται. Έτσι το ρεύμα εκκίνησης του κινητήρα θα δίνεται ως: 3. Χαρακτηριστική Ταχύτητας - Ροπής Όταν το φορτίο (ροπή) στο άξονα του κινητήρα μεταβληθεί, τότε μεταβάλλονται και οι στροφές του. Συνδυάζοντας τις σχέσεις (8.1), (8.2) και (8.4) και λύνοντας ως προς την ταχύτητα προκύπτει η ακόλουθη σχέση: Η παραπάνω εξίσωση είναι μια ευθεία με αρνητική κλίση. Δηλαδή με την αύξηση της ροπής του φορτίου στον άξονα του κινητήρα η ταχύτητά του μειώνεται. Ταυτόχρονα η αύξηση του φορτίου οδηγεί σε αύξηση του ρεύματος που απορροφά ο κινητήρας, κάτι που είναι λογικό καθώς ο κινητήρας χρειάζεται περισσότερη ηλεκτρική ενέργεια για να αποδώσει μεγαλύτερη μηχανική ενέργεια στην έξοδό του. Η αύξηση του ρεύματος μπορεί να εξηγηθεί και από την εξίσωση (8.5) καθώς η μείωση των στροφών που θα επέλθει λόγω αύξησης του φορτίου θα μειώσει την επαγόμενη τάση E στον αριθμητή της σχέσης αυτής και κατά συνέπεια το ρεύμα θα αυξηθεί. Η χαρακτηριστική ταχύτητας ροπής ενός κινητήρα ξένης διέγερσης, όπως προκύπτει από την σχέση (8.7) φαίνεται στο σχήμα 2. Θα πρέπει να τονιστεί ότι στην παραπάνω σχέση όλοι άλλοι παράγοντες (εκτός από την ροπή και την ταχύτητα) παραμένουν σταθεροί. Επίσης δεν λαμβάνεται υπόψη η αντίδραση του επαγωγικού τυμπάνου. nm V T K R (K 2 ) (Κλίση Χαρακτηριστικής) Σχήμα 2. Χαρακτηριστική ταχύτητας ροπής κινητήρα ξένης διέγερσης. Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 59 T

4 Γενικά η διακύμανση της ταχύτητας σε ένα κινητήρα Σ.Ρ. ξένης διέγερσης είναι σχετικά μικρή και οι κινητήρες αυτοί καλούνται και σταθερής ταχύτητας. Στην περίπτωση που ο κινητήρας δεν διαθέτει τύλιγμα αντιστάθμισης, η αντίδραση οπλισμού θα προκαλέσει μια μικρή μείωση της μαγνητικής ροής στο εσωτερικό της γεννήτριας. Αυτό θα έχει ως αποτέλεσμα η μείωση των στροφών του κινητήρα για τα ίδια φορτία να είναι μικρότερη. Συνεπώς η αντίδραση οπλισμού βελτιώνει την διακύμανση της ταχύτητας. 4. Ρύθμιση Ταχύτητας Κινητήρα Σ.Ρ. ξένης διέγερσης Ένα σημαντικό πλεονέκτημα του κινητήρα Σ.Ρ. ξένης διέγερσης είναι η ευκολία ρύθμισης των στροφών του. Από την σχέση (8.7) μπορούμε να διακρίνουμε δυο τρόπους ρύθμισης των στροφών. Ο πρώτος τρόπος είναι με την μεταβολή της τάσης του δρομέα και ο δεύτερος με την μεταβολή του ρεύματος διέγερσης (δηλαδή της μαγνητικής ροής Φ). Στην περίπτωση της τάσης του δρομέα, μια αύξηση της θα οδηγήσει σε αύξηση του ρεύματος του δρομέα (όπως προκύπτει από την εξίσωση 8.5) γεγονός που θα οδηγήσει σε αύξηση της επαγόμενης ροπής του κινητήρα και άρα σε αύξηση των στροφών (η επαγόμενη ροπή θα γίνει μεγαλύτερη από την ροπή φορτίου). Αντίθετα η μείωση της τάσης θα έχει ως αποτέλεσμα την μείωση των στροφών του κινητήρα. Η σχέση (8.7) μας οδηγεί στο ίδιο αποτέλεσμα. Στο σχήμα 3α φαίνεται η μεταβολή της χαρακτηριστικής ταχύτητας ροπής για διαφορετικές τάσεις τροφοδοσίας ενώ στο σχήμα 3β φαίνεται η μεταβολή της ταχύτητας συναρτήσει της τάσης τροφοδοσίας όταν ο κινητήρας δουλεύει χωρίς φορτίο. Ο δεύτερος τρόπος ελέγχου της ταχύτητας είναι μέσω της ρύθμισης του ρεύματος διέγερσης. Στην περίπτωση αυτή μια αύξηση του ρεύματος διέγερσης θα προκαλέσει αύξηση της επαγόμενης τάσης E και κατά συνέπεια μείωση του ρεύματος του κινητήρα όπως προκύπτει και από τη σχέση (8.5). Η μείωση του ρεύματος θα οδηγήσει σε μείωση της επαγόμενης ροπής στον άξονα του κινητήρα και μείωση της ταχύτητάς του. Δηλαδή η αύξηση του ρεύματος διέγερσης οδηγεί σε μείωση της ταχύτητας του κινητήρα, ενώ η μείωση του ρεύματος διέγερσης οδηγεί στην αύξηση της ταχύτητας του κινητήρα. Η σχέση (8.7) μας οδηγεί στο ίδιο αποτέλεσμα. Από τα παραπάνω προκύπτει ότι ένα κινητήρας Σ.Ρ. ξένης διέγερσης δεν πρέπει να μείνει ποτέ χωρίς διέγερση γιατί τότε θα αναπτύξει υπερβολική ταχύτητα με κίνδυνο την καταστροφή του. Στο σχήμα 4α φαίνεται η μεταβολή της χαρακτηριστικής ταχύτητας ροπής για διαφορετικά ρεύματα διέγερσης. Με την μείωση του ρεύματος διέγερσης αυξάνονται οι στροφές του κινητήρα και ταυτόχρονα αυξάνεται και η κλίση της χαρακτηριστικής ταχύτητας ροπής άρα και η διακύμανση της ταχύτητας. Στο Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 60

5 σχήμα 4β φαίνεται η μεταβολή της ταχύτητας του κινητήρα συναρτήσει του ρεύματος διέγερσης όταν δουλεύει χωρίς φορτίο. nm V T2 V > > T3 V T1 nm V V T 3 T2 V T1 Α T Σχήμα 3α. Επίδραση της μεταβολής της τάσης του δρομέα στην χαρακτηριστική ταχύτητας ροπής, 3β. Επίδραση της τάσης του δρομέα στην ταχύτητα του κινητήρα. Β V T 5. Αλλαγή Φοράς Περιστροφής Η αλλαγή φοράς περιστροφής ενός κινητήρα Σ.Ρ. ξένης διέγερσης μπορεί να γίνει είτε με εναλλαγή των ακροδεκτών του τυλίγματος τυμπάνου είτε με αλλαγή των ακροδεκτών του τυλίγματος διέγερσης. Η αλλαγή στην κατεύθυνση του ρεύματος δρομέα (στην πρώτη περίπτωση) και η αλλαγή στην κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου (δεύτερη περίπτωση) έχουν σαν αποτέλεσμα την αντιστροφή της επαγόμενης ροπής στον δρομέα και κατά συνέπεια την αλλαγή της φοράς περιστροφής. Η διαδικασία αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για την πέδηση του κινητήρα. Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 61

6 nm f3 I f 2 I > > I f1 I f1 I f 2 I f3 Α If nm If,min If,max Β If Σχήμα 4α. Επίδραση της μεταβολής του ρεύματος διέγερσης στην χαρακτηριστική ταχύτητας ροπής, 4β. Μεταβολή ταχύτητας χωρίς φορτίο συναρτήσει του ρεύματος διέγερσης. Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 62

7 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Α. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟΣ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΚΙΝΗΤΗΡΑ Σ.Ρ. ΞΕΝΗΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ ΧΩΡΙΣ ΦΟΡΤΙΟ Α1. Προσδιορισμός χαρακτηριστικής καμπύλης n=f(v T ) Για την πραγματοποίηση της άσκησης θα υλοποιήσετε την παρακάτω συνδεσμολογία: F1 1 M V F2 2 B1 B2 Ο κινητήρας θα δουλέψει χωρίς φορτίο. Ρυθμίστε το ρεύμα διέγερσης του κινητήρα έτσι ώστε να είναι ίσο με το ονομαστικό. Το ρεύμα διέγερσης θα παραμείνει σταθερό κατά την διάρκεια του πειράματος. Αυξήστε σταδιακά την τάση τροφοδοσίας του δρομέα μέχρι την ονομαστική τιμή. Συμπληρώστε τον πίνακα 1. ΠΙΝΑΚΑΣ 1 V Τ (V) I Α () N (rpm) Ι f () Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 63

8 2. Προσδιορισμός χαρακτηριστικής καμπύλης n=f(i f ) Ο κινητήρας θα δουλέψει χωρίς φορτίο. Για την πραγματοποίηση των μετρήσεων θα χρησιμοποιήσετε το κύκλωμα της προηγούμενης παραγράφου. Ρυθμίστε το ρεύμα διέγερσης του κινητήρα έτσι ώστε να είναι ίσο με το ονομαστικό. Αυξήστε σταδιακά την τάση του δρομέα μέχρι την ονομαστική της τιμή. Η τάση θα παραμείνει σταθερή κατά την διάρκεια του πειράματος. Μειώστε σταδιακά το ρεύμα διέγερσης του κινητήρα και συμπληρώστε τον πίνακα 2. ΠΙΝΑΚΑΣ 2 Ι Α (Α) I f () N (rpm) V Τ (V) Β. ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗΣ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ ΡΟΠΗΣ ΚΙΝΗΤΗΡΑ Σ.Ρ. ΞΕΝΗΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ Για την πραγματοποίηση της άσκησης θα υλοποιήσετε την παρακάτω συνδεσμολογία: F1 1 M V G V F2 2 B1 B2 Ρυθμίστε το ρεύμα διέγερσης του κινητήρα έτσι ώστε να είναι ίσο με το ονομαστικό. Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 64

9 Ρυθμίστε την τάση του δρομέα έτσι ώστε η ταχύτητα του κινητήρα να γίνει ίση με την ονομαστική ταχύτητα της γεννήτριας. Φορτίστε σταδιακά την γεννήτρια μέχρι το ονομαστικό της ρεύμα. Συμπληρώστε τον πίνακα 3. V T (V) ΠΙΝΑΚΑΣ 3 ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ I Φ (Α) Ι f () N (rpm) T (Nm) ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ V φ (V) I Φ () P (W) Γ. ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ Γ1. Σχεδιάστε σε κατάλληλη κλίμακα την χαρακτηριστική n=f(v T ) του κινητήρα. Γ2. Σχεδιάστε σε κατάλληλη κλίμακα την χαρακτηριστική n=f(i f ) του κινητήρα. Γ3. Σχεδιάστε σε κατάλληλη κλίμακα την χαρακτηριστική ταχύτητας ροπής του κινητήρα. Γ4. Υπολογίστε την διακύμανση της ταχύτητας του κινητήρα. Γ5. Από την χαρακτηριστική ταχύτητας ροπής υπολογίστε το γινόμενο ΚΦ. Εργαστήριο Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Σελίδα 65