0

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ

13

57 9 11

1315

1719

21

23

25

27

29

3133

3537394143

45

47

49

51

N

N

B B123

4

2625 24

56 7 8 9 10 11

1213

14151617

1819

20212223

2728

29

AB

24

6 8 10 12 1416

1820

222426

2830

3234

363840424446

4850

5254

5658

53

55

57

Η ΣΥΓΓΡΑΦΗ ΤΩΝ ΣΗΜΕΙΩΣΕΩΝ ΠΡΑΓΜΑΤΟΠΟΙΗΘΗΚΕΑΠΟ ΤΟΥΣ ΣΥΝΕΡΓΑΤΕΣ ΤΟΥ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟΥ

2018 – 2019

1

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ

ΚΑΝΟΝΙΣΜΟΣ ΑΣΦΑΛΕΙΑΣ ΚΑΙ ΕΚΤΕΛΕΣΗ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΩΝ ΑΣΚΗΣΕΩΝ……………………………...……………….…...……………………………..……..2

ΔΙΕΞΑΓΩΓΗ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΩΝ ΑΣΚΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΒΑΣΙΚΕΣ ΟΔΗΓΙΕΣ ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΩΝ ΦΥΛΛΑΔΙΩΝ................................................................4

ΑΣΚΗΣΗ 1η : Προσδιορισμός των παραμέτρων του ισοδύναμου κυκλώματος μονοφασικού μετασχηματιστή …..……………………………………………….…………..…...6

ΑΣΚΗΣΗ 2η : Λειτουργία μονοφασικού μετασχηματιστή υπό φορτίο ..…………………………17

ΑΣΚΗΣΗ 3η : Λειτουργία γεννήτριας Σ.Ρ. ξένης και παράλληλης διέγερσης εν κενώ και υπό φορτίο ……………………………………………………………...……...……….29

ΑΣΚΗΣΗ 4η : Λειτουργία κινητήρα Σ.Ρ. ξένης και παράλληλης διέγερσης εν κενώ και υπό φορτίο… …………………………………………………………………………..54

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ……………………………………………………………………………….....73

2

ΚΑΝΟΝΙΣΜΟΣ ΑΣΦΑΛΕΙΑΣ ΚΑΙΕΚΤΕΛΕΣΗ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΩΝ ΑΣΚΗΣΕΩΝ

Η επιμελής τήρηση του παρόντος κανονισμού, αποτελεί βασική προτεραιότητα κάθε παρευρισκόμενου στo χώρο του εργαστηρίου (Φοιτητή – Καθηγητή –Ακαδημαϊκό Υπότροφο). Η μη τήρηση του κανονισμού, μπορεί να εκθέσει σε κίνδυνο ανθρώπινες ζωές και να γίνει αιτία απρόβλεπτων συνεπειών και συνθηκών.Ιδιαίτερα οι φοιτητές, πρέπει να μελετήσουν προσεκτικά τον παρόντα κανονισμό πριν την έναρξη των εργαστηριακών ασκήσεων και να τον τηρούν, καθ’όλη τη διάρκεια της παρουσίας τους στο χώρο του εργαστηρίου.Ο παρών κανονισμός, διανέμεται στην αρχή κάθε εξαμήνου ενσωματωμένος στις σημειώσεις, σε όλους τους φοιτητές που συμμετέχουν στις εργαστηριακές ασκήσεις που εκτελούνται στο εργαστήριο.

Ιδιαίτερη προσοχή στα εξής:

Κατά τη διεξαγωγή εργαστηριακών ασκήσεων, απαγορεύεται το κάπνισμα, η χρήση κινητών τηλεφώνων και η μεταφορά στερεών ή υγρών τροφίμων

Στους πάγκους εργασίας, δεν επιτρέπεται να υπάρχουν τσάντες, βιβλία ή διάφορα άλλα αντικείμενα τα οποία μπορούν να προκαλέσουν δυσλειτουργία στην εργαστηριακή άσκηση

ΕΚΤΕΛΕΣΗ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΩΝ ΑΣΚΗΣΕΩΝ

Οι εργαστηριακές ασκήσεις, εκτελούνται με αποκλειστική ευθύνη του εργαστηριακού προσωπικού.Κατά περίπτωση, ενδέχεται να ισχύει η κάτωθι διαδικασία:

Πριν την εκτέλεση της εργαστηριακής άσκησης, ορίζεται ένας φοιτητής ανά ομάδα εργασίας ως συντονιστής, για την αποτελεσματικότερη διεξαγωγή της εργαστηριακής άσκησης

Ο συντονιστής, οφείλει να ειδοποιεί τους υπεύθυνους του εργαστηρίου όταν πρόκειται να τροφοδοτήσει την εργαστηριακή άσκηση, καθώς και όταν διακόψει την τροφοδότηση της

Οι αλλαγές στη συνδεσμολογία της εργαστηριακής άσκησης όπως επίσης και οι μετρήσεις, πραγματοποιούνται από όλη την ομάδα των φοιτητών με την υποστήριξη του συντονιστή

Η συνδεσμολογία της εργαστηριακής άσκησης, πραγματοποιείται αφού επιβεβαιωθεί ότι όλες οι τροφοδοσίες είναι απενεργοποιημένες

3

Αφού πραγματοποιηθεί η συνδεσμολογία πριν ενεργοποιηθούν οι τροφοδοσίες, καλείται ο επιβλέπων να ελέγξει την εργαστηριακή άσκηση

Εάν η συνδεσμολογία δεν είναι σωστή, τότε όλες οι τροφοδοσίες της εργαστηριακής άσκησης πρέπει να απενεργοποιηθούν και μετά να γίνουν οι διάφορες αλλαγές

Όλα τα όργανα μέτρησης, θα πρέπει να είναι κατάλληλα συνδεδεμένα και να βρίσκονται στο μπροστινό μέρος του πάγκου εργασίας κατά την εκτέλεση της εργαστηριακής άσκησης

Εάν στην εργαστηριακή άσκηση, περιλαμβάνονται και ηλεκτρικοί κινητήρες, τότε η ομάδα θα πρέπει να ελέγξει την κατάστασή τους. Κατά τη διεξαγωγή της εργαστηριακής άσκησης, οι φοιτητές θα πρέπει να βρίσκονται στο μπροστινό μέρος του πάγκου .

Η αλλαγή κλίμακας των οργάνων, πρέπει να γίνεται πάντα με απενεργοποιημένες τις τροφοδοσίες της εργαστηριακής άσκησης

Κατά τη διεξαγωγή μιας εργαστηριακής άσκησης, πρέπει να αποφεύγεται η σωματική επαφή με μη μονωμένα τμήματα των στοιχείων και συσκευών του κυκλώματος

Επίσης:

Να είστε προσεκτικοί με την ασφάλεια όλων των συμμετεχόντων, όπως για τον εαυτό σας. Σκεφθείτε πριν ενεργήσετε

Αποφύγετε την εργασία με βρεγμένα χέρια και ρούχα

Απορρίψτε κατεστραμμένα καλώδια ή τα καλώδια με εκτεθειμένα άκρα

Τάσεις πάνω από 50 VAC και 120 VDC είναι πάντα επικίνδυνες

4

ΔΙΕΞΑΓΩΓΗ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΩΝ ΑΣΚΗΣΕΩΝΚΑΙ ΒΑΣΙΚΕΣ ΟΔΗΓΙΕΣ ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΩΝ ΦΥΛΛΑΔΙΩΝ

Το εργαστηριακό μάθημα των ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΩΝ Ι, θα πραγματοποιηθεί κατά τη διάρκεια του εαρινού εξαμήνου 2018 – 2019 στην αίθ. Β124,την παρακάτω μέρα και ώρες.

11:00 – 13:0013:00 – 15:00Τετάρτη15:00 – 17:00

Οι φοιτήτριες/φοιτητές που δικαιούνται να το παρακολουθήσουν (πρέπει να έχουν δικαίωμα να το δηλώσουν), είναι υποχρεωμένοι να προσέρχονται στην ομάδα τους την καθορισμένη ημέρα και ώρα.

Οι φοιτήτριες/φοιτητές, για την επιτυχή παρακολούθηση του εργαστηριακού μαθήματος, απαιτείται να έχουν πραγματοποιήσει με επιτυχία το 80% των ασκήσεων που διεξήχθησαν κατά τη διάρκεια του εξαμήνου.Για να θεωρηθεί επιτυχής η πραγματοποίηση των ασκήσεων, εκτός από τη φυσική παρουσία, μετά το πέρας της εργαστηριακής διαδικασίας, απαιτείται από όλους τους φοιτητές να παραδώσουν ατομική εργασία (Εργαστηριακά Φυλλάδια) η οποία είναι υποχρεωτική.Σε αντίθετη περίπτωση, οι φοιτήτριες/φοιτητές θα πρέπει να επαναλάβουν το εργαστήριο.

Το εργαστηριακό μάθημα θα περιλαμβάνει συνοπτικό θεωρητικό μέρος και πραγματοποίηση εργαστηριακής άσκησης.

Οι φοιτήτριες/φοιτητές, θα παραλάβουν με την έναρξη των μαθημάτων τις σημειώσεις του εργαστηρίου, με την απαραίτητη υπογραφή τους κατά την παραλαβή.

Τα εργαστηριακά φυλλάδια, θα διαμοιράζονται από το προσωπικό του εργαστηρίου στους/στις φοιτητές/φοιτήτριες, μία εβδομάδα νωρίτερα από τη διεξαγωγή της εκάστοτε εργαστηριακής άσκησης βάση προγράμματος, με σκοπό την καλύτερη δυνατή προετοιμασία.

Το εργαστηριακό φυλλάδιο περιλαμβάνει: Τους στόχους της άσκησης Ερωτήσεις από το θεωρητικό μέρος της εργαστηριακής άσκησης Τον εξοπλισμό που θα χρειαστεί η εργαστηριακή άσκηση Την συνδεσμολογία του πειραματικού μέρους Τους πίνακες μετρήσεων

5

Ειδικό εδάφιο όπου θα κατασκευαστούν οι γραφικές παραστάσεις που απαιτούνται Συμπεράσματα

Οι φοιτήτριες/φοιτητές, αφού έχουν διαβάσει το θεωρητικό μέρος της άσκησης που θα πραγματοποιηθεί, θα πρέπει να έχουν προετοιμάσει το εργαστηριακό φυλλάδιο στα σημεία που περιλαμβάνουν:

Τις απαντήσεις στις ερωτήσεις του θεωρητικού μέρους Τη σχεδίαση της συνδεσμολογίας του πειραματικού μέρους

Τα υπόλοιπα στοιχεία, θα συμπληρώνονται μετά το τέλος του εργαστηριακού πειράματος και στη συνέχεια θα παραδίδεται. Στην περίπτωση που το εργαστηριακό φυλλάδιο δεν ολοκληρωθεί κατά τη διάρκεια του μαθήματος, θα πρέπει να παραδοθεί οπωσδήποτε στο επόμενο μάθημα. Σε αντίθετη περίπτωση δεν θα γίνεται δεκτό.

Κύριο μέλημα, είναι να λύνονται όλες οι απορίες κατά τη διάρκεια του μαθήματος.

Όλο το δυναμικό του εργαστηρίου, θα βρίσκεται στη διάθεσή σας, με σκοπό την επίλυση όλων των ακαδημαϊκών θεμάτων, που ενδεχομένως να προκύψουν κατά τη διάρκεια του εξαμήνου.

Αξιολόγηση ΦοιτητώνΤο 65% προκύπτει από τη γραπτή εξέτασηΤο 35% προκύπτει από τα εργαστηριακά φυλλάδια (πληρότητα, ορθότητα και παρουσίαση),καθώς και από τη συμμετοχή του κάθε φοιτητή στη διαδικασία εκτέλεσης της εργαστηριακής άσκησης.

Στοιχεία επικοινωνίας:Εργαστήριο Ηλεκτρικών Μηχανών, Αιθ. B124, Τηλ. 2105381232

Καραϊσάς Πέτρος Επίκουρος Καθηγητής, Υπεύθυνος Μαθήματος karaisas@uniwa.grΒυλλιώτης Ηρακλής Λέκτορας Εφαρμογών irvil@uniwa.grΣυγγερίδου Ολυμπία Λέκτορας Εφαρμογών osygger@uniwa.grΣουλτάνος Νικόλαος Ακαδημαϊκός Υπότροφος soultanos@uniwa.grΦραγκούλη Σοφία Ακαδημαϊκός Υπότροφος sofragouli@yahoo.gr

6

Άσκηση 1η

Προσδιορισμόςτων παραμέτρων του ισοδύναμου κυκλώματος μονοφασικού μετασχηματιστή

1. ΕισαγωγήΟ μετασχηματιστής στην πιο απλή μορφή του όπως φαίνεται στο σχ. 1-1, αποτελείται από δύο τυλίγματα ηλεκτρικά απομονωμένα μεταξύ τους. Τα τυλίγματα αυτά έχουν μαγνητική σύζευξη, με αποτέλεσμα η χρονική μεταβολή της μαγνητικής ροής σε ένα από τα δύο τυλίγματα το οποίο τροφοδοτείται με τάση, να επάγει ηλεκτρεγερτική στο άλλο τύλιγμα.

1E 2E

1I

1V 2V

Σχήμα 1-1:Μονοφασικός μετασχηματιστής

Το τύλιγμα το οποίο τροφοδοτείται με χρονικά μεταβαλλόμενη τάση από το δίκτυο, καλείται πρωτεύον τύλιγμα και το τύλιγμα στο οποίο επάγεται η τάση καλείται δευτερεύον τύλιγμα. Για βέλτιστη απόδοση, θα πρέπει η μαγνητική ροή του πρωτεύοντος να εμπλέκει στο σύνολό της, όλα τα ελίγματα του τυλίγματος του δευτερεύοντος. Για την αύξηση της μαγνητικής σύζευξης, ο πυρήνας κατασκευάζεται από σιδηρομαγνητικά υλικά υψηλής μαγνητικής διαπερατότητας. Η χαμηλή μαγνητική αντίσταση του πυρήνα, συντελεί όχι μόνο στον περιορισμό των απωλειών μαγνητικής σκέδασης, αλλά και στη δημιουργία της απαιτούμενης πυκνότητας μαγνητικής ροής με το μικρότερο ρεύμα διέγερσης. Μιας και η επαγόμενη τάση σε ένα τύλιγμα, σύμφωνα με το νόμο του Faraday είναι ανάλογη του αριθμού των ελιγμάτων του, ένας μετασχηματιστής μπορεί να λειτουργήσει: ως μετασχηματιστής ανύψωσης όπου η επαγόμενη τάση του δευτερεύοντος είναι μεγαλύτερη

σε μέγεθος από την αντίστοιχη του πρωτεύοντος ή ως μετασχηματιστής υποβιβασμού, όπου η τάση του δευτερεύοντος είναι μικρότερη από τη

τάση του πρωτεύοντος.

7

Υπάρχουν βέβαια και περιπτώσεις όπου για λόγους γαλβανικής απομόνωσης (κυρίως σε εργοτάξια), χρησιμοποιούνται μετασχηματιστές με λόγο ελιγμάτων 1:1 και οι οποίοι είναι γνωστοί ως μετασχηματιστές απομόνωσης.Για τον περιορισμό των απωλειών από δινορρεύματα, οι πυρήνες των μετασχηματιστών δεν είναι συμπαγείς αλλά κατασκευάζονται από ελάσματα. Τα ελάσματα αυτά είναι κατασκευασμένα από πυριτιούχο χάλυβα και είναι επίσης μονωμένα μεταξύ τους με κατάλληλα βερνίκια, για τον περιορισμό των δινορρευμάτων. Ανάλογα με το σχήμα του πυρήνα, οι μετασχηματιστές διακρίνονται σε δύο τύπους: τον τύπο πυρήνα και τον τύπο κελύφους

2/ 2/

(α) (β)

Σχήμα 1-2: Τύποι πυρήνων μονοφασικών μετασχηματιστών.(α) Τύπος πυρήνα (β) Τύπος κελύφους

Η διατομή του μεσαίου σκέλους στον πυρήνα τύπου κελύφους (σχ.1-2(β)), είναι διπλάσια από τη διατομή των δύο ακριανών σκελών και αυτό γιατί η μαγνητική ροή στο μεσαίο σκέλος είναι διπλάσια εκείνης των ακριανών σκελών. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα, η πυκνότητα της μαγνητικής ροής να είναι η ίδια και στα τρία σκέλη.Στην περίπτωση τριφασικών μετασχηματιστών, οι αντίστοιχοι τύποι πυρήνων των μαγνητικών κυκλωμάτων, έχουν τη μορφή του σχ.1-3.Σε αναλογία με τους μονοφασικούς μετασχηματιστές και στους τριφασικούς μετασχηματιστές τύπου κελύφους, η διατομή του μεσαίου σκέλους στον πυρήνα τύπου κελύφους είναι διπλάσια από την αντίστοιχη των δύο ακριανών σκελών.Για τον περιορισμό των απωλειών σκέδασης στο μετασχηματιστή τύπου πυρήνα, τα τυλίγματα του πρωτεύοντος και του δευτερεύοντος μοιράζονται εξίσου και στα δύο σκέλη. Οι αγωγοί των τυλιγμάτων κατασκευάζονται από χαλκό ή αλουμίνιο.

8

(α) (β)Σχήμα 1-3: Τύποι πυρήνων τριφασικών μετασχηματιστών.

(α) Τύπος πυρήνα (β) Τύπος κελύφους

2. Θεωρητικό μέροςΚατά τη λειτουργία κενού φορτίου το τύλιγμα του δευτερεύοντος είναι ανοιχτό και συνεπώς δεν διαρρέεται από ρεύμα, ενώ το τύλιγμα του πρωτεύοντος τροφοδοτείται με εναλλασσόμενη ημιτονοειδή τάση ονομαστικής τιμής.

+-

1i i

1e1v

1N2N

2e

2i 0

Σχήμα 1-4:Λειτουργία κενού φορτίου μονοφασικού μετασχηματιστή.

(1)1 1,max 1v V sin t 2 V sin t

και

(2)22 fT

όπου:μέγιστη τιμή της τάσης εισόδου, (V)1,maxV

ενεργός τιμή της τάσης εισόδου, (V)1V

κυκλική συχνότητα της τάσης εισόδου, (rad/sec) συχνότητα της τάσης τροφοδοσίας, (Hz)f περίοδος της τάσης τροφοδοσίας, (sec)T

9

Με βάση το νόμο τάσεων του Kirchhoff, κατά τη λειτουργία χωρίς φορτίο στο τύλιγμα του πρωτεύοντος, θα ισχύει ότι

(3)11 1 1 1 1 1

d dv R i e R i R i Ndt dt

Όπου ως , ορίζουμε το ρεύμα του πρωτεύοντος κατά την κενή λειτουργία (χωρίς φορτίο). Το i

ρεύμα αυτό είναι γνωστό ως ρεύμα διέγερσης του μετασχηματιστή και ωμική αντίσταση 1R

πρωτεύοντος, (Ω).Το ρεύμα της διέγερσης, αποτελεί ένα μικρό ποσοστό του αντίστοιχου ονομαστικού ρεύματος του πρωτεύοντος, συνήθως της τάξης του . Αυτό σημαίνει ότι και η πτώση τάσης στην ωμική %52

αντίσταση του τυλίγματος θα είναι αρκετά μικρότερη της επαγόμενης αντιηλεκτρεγερτικής δύναμης. Η μαγνητική ροή που εγκαθίσταται στον πυρήνα του μετασχηματιστή είναι καθαρά ημιτονοειδής και καθυστερεί ως προς την επαγόμενη τάση κατά o90

(4)max cos t

Για τη μέγιστη τιμή της μαγνητικής ροής, έχουμε

(5)1,max 1 1max

1 1 1

E E VN 2 f N 2 f N

Επομένως, η μέγιστη τιμή της μαγνητικής ροής που εγκαθίσταται στον πυρήνα κατά την κενή λειτουργία, εξαρτάται αποκλειστικά και μόνο από την ενεργή τιμή και τη συχνότητα της τάσης τροφοδοσίας καθώς και από τον αριθμό των ελιγμάτων του πυρήνα. Η πραγματική ισχύς που απορροφάται από το πρωτεύον τύλιγμα του μετασχηματιστή κατά την κενή λειτουργία (αμελώντας τις απώλειες χαλκού), καταναλίσκεται στις λεγόμενες απώλειες σιδήρου του σιδηρομαγνητικού κυκλώματος. Στην περίπτωση αυτή και το ρεύμα μαγνήτισης θεωρείται ένα καθαρά ημιτονοειδές κύμα, το οποίο παρίσταται με ένα διάνυσμα κάθετο προς την ενεργό συνιστώσα του ρεύματος διέγερσης.

10

1VcI

mI

Φ

t

Re

Im

c

φI

Σχήμα 1-5:Διανυσματικό διάγραμμα της τάσης τροφοδοσίας, της μαγνητικής ροπής και του ισοδύναμου ημιτονοειδούς ρεύματος διέγερσης

Όπου:συνιστώσα ρεύματος απωλειών πυρήναcI

= τη συνολική ενεργό τιμή όλων των άεργων συνιστωσών του ρεύματος μαγνήτισης.mI

Με βάση λοιπόν τα παραπάνω, η συνολική ενεργός τιμή του ρεύματος διέγερσης θα δίνεται από τη σχέση

(6)2 2c mI I I

Με βάση το διανυσματικό διάγραμμα, προκύπτει για το πρωτεύον τύλιγμα του μετασχηματιστή κατά την κενή λειτουργία, το ακόλουθο ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα

φI

cImI

1I

cRmjX

1V

1E

Σχήμα 1-6:Ισοδύναμο κύκλωμα πρωτεύοντος κατά την κενή λειτουργία

όπου = αντιπροσωπεύει τις ηλεκτρικές απώλειες στον πυρήνα και η επαγωγική αντίδραση cR

= τη συνολικά καταναλισκόμενη άεργο ισχύ κατά τη λειτουργία χωρίς φορτίο. mXΕπειδή έχουμε αμελήσει την επίδραση της ωμικής αντίστασης του τυλίγματος, προφανώς ισχύει ότι, .1 1V E

11

2.1. Ισοδύναμο κύκλωμαΤο ισοδύναμο κύκλωμα μονοφασικού Μ/Σ, ανηγμένο στο πρωτεύον, έχει τη μορφή του σχ. 1-7.

1R 1jX 2jX 2R

1V 2VcR mjX

1I I2I

1E

Σχήμα 1-7: Ισοδύναμο κύκλωμα μονοφασικού Μ/Σ.Όπου :R1= η ωμική αντίσταση του πρωτεύοντος τυλίγματος, (Ω)X1 = αυτεπαγωγή σκέδασης πρωτεύοντος, (Ω)

= ωμική αντίσταση του δευτερεύοντος ανηγμένη στοπρωτεύον, (Ω)2R

= αντίδραση σκέδασης του δευτερεύοντος ανηγμένη στο πρωτεύον, (Ω)2X

Rc = αντίσταση η οποία παριστάνει τις ισοδύναμες απώλειες σίδηρου, υπό κενό φορτίο, (Ω)Χm = αντίδραση μαγνήτισης, (Ω)

= η τάση που εφαρμόζεται στο πρωτεύον τύλιγμα, (V)1V

I1= το ρεύμα πρωτεύοντος, (Α) = η τάση του δευτερεύοντος τυλίγματος ανηγμένη στο πρωτεύον , (V)2V

= το ρεύμα του δευτερεύοντος ανηγμένο στο πρωτεύον, (Α)2I

Ιφ = ρεύμα διέγερσης, (Α)Έστω Ν1 , Ν2 οι αριθμοί των σπειρών των δύο τυλιγμάτων. Ισχύει ότι

(7)

221

2 2 22

NR R RN

(8)

221

2 2 22

NX X XN

(9)1

2 2 22

NV V VN

(10)2

2 2 21

NI I IN

12

Οι παράμετροι του ισοδυνάμου κυκλώματος ενός μονοφασικού Μ/Σ, μπορούν πολύ εύκολα να προσδιορισθούν με τη βοήθεια δύο απλών δοκιμών.Οι δοκιμές αυτές είναι,

η δοκιμή ανοικτού κυκλώματος ή δοκιμή κενού φορτίου και η δοκιμή κλειστού κυκλώματος ή δοκιμή βραχυκύκλωσης.

Στη συνέχεια ακολουθεί μια λεπτομερής ανάλυση των επιμέρους αυτών δοκιμών.

2.1.1. Δοκιμή ανοικτού κυκλώματοςΓια δεδομένη επιβαλλόμενη τάση V1 στο πρωτεύον του μετασχηματιστή, η μαγνητική ροή στον πυρήνα δεν μεταβάλλεται σημαντικά με το φορτίο. Αυτό σημαίνει ότι, πρακτικά οι απώλειες του πυρήνα (απώλειες σιδήρου) είναι δυνατόν να θεωρηθούν με αρκετά καλή προσέγγιση, σταθερές και ανεξάρτητες του φορτίου. Οι απώλειες του πυρήνα μπορούν να μετρηθούν από τη δοκιμή ανοιχτού κυκλώματος, σχ. 1-8.

V

APoc

Σχήμα 1-8:Συνδεσμολογία δοκιμής ανοιχτού κυκλώματος

Σύμφωνα λοιπόν με τη δοκιμή ανοιχτού κυκλώματος, στο πρωτεύον τύλιγμα εφαρμόζεται ονομαστική τάση και συχνότητα, ενώ το δευτερεύον τύλιγμα είναι ανοιχτό. Στην περίπτωση αυτή το ισοδύναμο κύκλωμα παίρνει τη μορφήτου σχ. 1-7.Επειδή η συνιστώσα φορτίου του ρεύματος στο πρωτεύον είναι μηδενική, σύμφωνα με το 2Iσχ.1-9, ισχύει ότι

1R 1jX

1V cR mjX

1 = I I

1E

Σχήμα 1-9: Ισοδύναμο κύκλωμα μετασχηματιστή σε κενή λειτουργία.

13

(11) 1 1 1 1 1 1 1 1R jX R jX V I E I E

Δεδομένου ότι το ρεύμα διέγερσης, αντιπροσωπεύει το 2–5 % του ρεύματος κανονικής λειτουργίας οι πτώσεις τάσης στην ωμική αντίσταση και την αντίδραση σκέδασης στο πρωτεύον μπορούν με αρκετά καλή προσέγγιση να αμεληθούν. Στην περίπτωση αυτή η επιβαλλόμενη τάση είναι πρακτικά ίση με την αναπτυσσόμενη Α.Η.Ε.Δ., Ε1.

cR mjX

A

V

cPocI

1V ocV

Σχήμα 1-10: Προσεγγιστικό ισοδύναμο κύκλωμα δοκιμής κενού φορτίου

Αμελώντας λοιπόν τις απώλειες χαλκού του πρωτεύοντος, η πραγματική ισχύς του βατομέτρου κατά τη δοκιμή κενού φορτίου, αντιπροσωπεύει τις απώλειες του πυρήνα. Από τις ενδείξεις των τριών οργάνων του σχ. 1-8 και σύμφωνα με τις παραπάνω παραδοχές, ισχύει ότι

(12)

2 2oc oc

oc cc oc

V VP RR P

Η φαινόμενη ισχύς κατά την εν κενώ λειτουργία είναι

(13)oc oc ocS V I

Λαμβάνοντας υπόψη ότι η άεργος ισχύς καταναλίσκεται στην αντίδραση μαγνήτισης, έχουμε

(14)

2 2oc oc

oc mm oc

V VQ XX Q

όπου

(15)2 2oc oc ocQ S P

14

2.1.2. Δοκιμή βραχυκύκλωσηςΚατά τη διάρκεια της δοκιμής αυτής το τύλιγμα του δευτερεύοντος βραχυκυκλώνεται και μια αρκετά μικρή τάση εφαρμόζεται στο τύλιγμα του πρωτεύοντος, ονομαστικής συχνότητας. Η τάση αυτή καλείται τάση βραχυκύκλωσης και έχει τέτοια τιμή έτσι ώστε με βραχυκυκλωμένο το δευτερεύον οι εντάσεις του πρωτεύοντος και του δευτερεύοντος να είναι ίσες με τις αντίστοιχες ονομαστικές τιμές (τιμές ονομαστικού φορτίου). Συνήθως η τάση αυτή κυμαίνεται από 6 % – 10 % την ονομαστικής τάσης.

(16)1,sc. 1,noV 6 10% V

Σύμφωνα με τα όσα αναφέραμε προηγούμενα η εφαρμοζόμενη τάση και κατά συνέπεια η αντίστοιχη επαγόμενη Η.Ε.Δ. έχουν πολύ μικρές τιμές σε σχέση με τις αντίστοιχες ονομαστικές. Αυτό έχει σαν συνέπειαόπως φαίνεται και από τη σχέση (17) η κοινή ροή που εμπλέκει τα τυλίγματα του πυρήνα να είναι αρκετά μικρή με αποτέλεσμα να έχουμε ελάχιστες απώλειες σιδήρου.

(17)(Wb)

4.44f N

Δηλαδή (18)no no ,sccsc sc oc . coV V P P

Επομένως κατά τη διάρκεια της δοκιμής αυτής η ισχύς εισόδου καταναλίσκεται σαν απώλειες χαλκού στις ωμικές αντιστάσεις των δύο τυλιγμάτων του Μ/Σ. Δηλαδή

(19) 1,sc sc2

. cu,1 cu,2 1 2P P P I R R

Επίσης επειδή η αντίσταση του παραλλήλου κλάδου είναι κατά πολύ μεγαλύτερη της σύνθετης αντίστασης του δευτερεύοντος (ανηγμένης στο πρωτεύον), μπορούμε να αμελήσουμε το ρεύμα αυτό και κατά συνέπεια τον παράλληλο κλάδο και έτσι προκύπτει το εξής προσεγγιστικό ισοδύναμο κύκλωμα για τη δοκιμή βραχυκύκλωσης.

1 2j X X1 2R R

scVsc noI I

A

V

Σχήμα 1-11: Ισοδύναμο κύκλωμα μετασχηματιστή κατά τη δοκιμή βραχυκύκλωσης

15

Με βάση το σχ. 1-11, ισχύουν οι σχέσεις

,

και (20)sc

sc

sc

VZI

sc

sc

1,eq 1 2 2

PR R R

I sc

2 2eq 1 2 eqX X X Z R

Μετρώντας λοιπόν τα μεγέθη, τάση, ρεύμα και πραγματική ισχύ, με τη δοκιμή αυτή υπολογίζουμε τα αθροίσματα και των συνθέτων αντιστάσεων των eq 1 2R R R eq 1 2X X X

δύο τυλιγμάτων. Παραπέρα διαχωρισμός δεν μπορεί να γίνει, ισχύει όμως με πάρα πολύ καλή προσέγγιση ότι:

και (21)eq

1 2

RR R

2

eq1 2

XX X

2

3. Πειραματικό μέρος – Πορεία εργασίας3.1. Δοκιμή ανοικτού κυκλώματος

W1 2

A1

V1 V2

Σχήμα 1-12: Συνδέσεις για δοκιμή ανοικτού κυκλώματος

1. Πραγματοποιείστε τη συνδεσμολογία του σχ. 1-12.

2. Κλείστε το διακόπτη Δ1 και ρυθμίστε την τάση εξόδου του αυτομετασχηματιστή στην αντίστοιχη ονομαστική τιμή του πρωτεύοντος του υπό δοκιμή Μ/Σ.

3. Κλείστε το διακόπτη Δ2 και καταγράψτε τις τιμές των μεγεθών της ισχύος εισόδου, της έντασης του ρεύματος και της εφαρμοζόμενης ονομαστικής τάσης

V1 (V) V2 (V) Ιoc (Α) Poc (W)

4. Ανοίξτε τους διακόπτες Δ1 , Δ2 .

16

3.2. Δοκιμή βραχυκύκλωσης1. Πραγματοποιείστε τη συνδεσμολογία του σχ. 1-13.

W1 2

A1

V1

Σχήμα 1-13: Συνδέσεις για δοκιμή βραχυκύκλωσης

2. Κλείστε το διακόπτη Δ1 και ρυθμίστε τη τάση εξόδου του αυτομετασχηματιστή στο μηδέν

3. Κλείστε το διακόπτη Δ2. Αυξάνεται βαθμιαία την τάση, παρακολουθώντας ταυτόχρονα την ένδειξη του αμπερόμετρου. Ρυθμίστε την τάση, έτσι ώστε το ρεύμα να είναι όσο το δυνατό πλησιέστερα στην αντίστοιχη ονομαστική τιμή του πρωτεύοντος του Μ/Σ. Καταγράψτε τις τιμές της τάσης, της ισχύος εισόδου και της έντασης.

Vsc (V) Ιsc (Α) P1,sc(W)

4. Ανοίξτε τους διακόπτες Δ1 και Δ2 .

5. Με βάση τις μετρήσεις των δύο δοκιμών, υπολογίστε σύμφωνα με το θεωρητικό μέρος, τις παραμέτρους του ισοδύναμου κυκλώματος του μετασχηματιστή.

17

Άσκηση 2η

Λειτουργία μονοφασικού μετασχηματιστή υπό φορτίο

1. Θεωρητικό μέροςΚατά τη λειτουργία του μετασχηματιστή υπό φορτίο, το ρεύμα στο πρωτεύον τύλιγμα, εκτός από τη συνιστώσα διέγερσης, θα περιλαμβάνει και τη συνιστώσα φορτίου. Η συνιστώσα φορτίου, αντισταθμίζει την απομαγνητίζουσα επίδραση που προκαλείται από το ρεύμα του φορτίου στο δευτερεύον τύλιγμα, σχ.2-1.

1E

2I1R 1jX1I

1V

2jX 2R

Φορτίο2E 2V

Σχήμα 2-1: Κύκλωμα μονοφασικού Μ/Σ.

Όπου :R1= ωμική αντίσταση του πρωτεύοντος τυλίγματος, (Ω)

= αντίδραση σκέδασης πρωτεύοντος τυλίγματος, (Ω)1X

= ωμική αντίσταση του δευτερεύοντος τυλίγματος, (Ω)2R= αντίδραση σκέδασης του δευτερεύοντος τυλίγματος, (Ω)2X

= επαγόμενη ηλεκτρεγερτική δύναμη πρωτεύοντος, (V)1E = επαγόμενη ηλεκτρεγερτική δύναμη δευτερεύοντος, (V)2E

φ = ροή μαγνήτισης (Wb)

Σύμφωνα με το σχ.2-1, ισχύουν οι παρακάτω σχέσεις

(1) 1 1 1 1 1R jX V I E

(2) 2 2 2 2 2R jX E I V

και

18

(3)1 1 2 1

2 2 1 2

NN

V E IV E I

ΌπουΝ1 , Ν2 = αριθμοί των σπειρών των δύο τυλιγμάτωνα = λόγος μετασχηματισμού

1.1. Ισοδύναμο κύκλωμα μονοφασικού μετασχηματιστήΣύμφωνα με το σχ.2-1, το ισοδύναμο κύκλωμα του πραγματικού μετασχηματιστή παρίσταται από ένα ιδανικό μετασχηματιστή και ένα σύνολο από συγκεντρωμένα στοιχεία (ωμικές αντιστάσεις και επαγωγικές αντιδράσεις), τα όποια χαρακτηρίζονται ως παράμετροι του ισοδυνάμου κυκλώματος. Για τους σκοπούς της ανάλυσης, εξυπηρετεί η αναγωγή των παραμέτρων του ισοδυνάμου κυκλώματος, είτε προς την πλευρά του πρωτεύοντος είτε προς την πλευρά του δευτερεύοντος και αυτό επιτυγχάνεται με την προς τα δεξιά ή με την προς τα αριστερά μετακίνηση του ιδανικού μετασχηματιστή και την εν συνεχεία παράλειψή του.

1.1.1. Αναγωγή στο πρωτεύον τύλιγμαΠολλαπλασιάζοντας και τα δύο μέρη της (2) με το λόγο μετασχηματισμού, προκύπτει ότι

(4) 2 2 2

2 2 2 2 2R jX R j X

2 2 2IE I V V

Λαμβάνοντας υπόψη και την (3), έχουμε

(5) 2 2 2 2 2R jX 1 2E E E I Vκαι

(6)2

2 2

22 2 L L L

IV V I Z Z Z I

όπου με τον εκθέτη ( ΄ ), συμβολίζονται τα αντίστοιχα μεγέθη του δευτερεύοντος ανηγμένα στο πρωτεύον. Είναι

(7)22 2R R

(8)22 2X X

(9)2 2 V V

(10)2 2 II

(11)2L L Z Z

19

Με βάση τα παραπάνω το ισοδύναμο κύκλωμα του μονοφασικού Μ/Σ, ανηγμένο στο πρωτεύον, φαίνεται στο σχ. 2-2.

2V21 EE

1N 2N

2Xj 1jX1R

cRmjX

2R

2V LZ

2I1I

φI

cImI

2I

Ιδανικός Μ/Σ

1V

(α)

LZ

2V1E

2Xj 1jX1R

cRmjX

2R1I

φI

cImI

2I

1V

(β)

Σχήμα 2-2. Ισοδύναμο κύκλωμα μονοφασικού Μ/Σ ανηγμένο στο πρωτεύον (α) Με τον ιδανικό Μ/Σ στην πλευρά του φορτίου (β) Χωρίς τον ιδανικό Μ/Σ

Όπου:Rc = αντίσταση απωλειών πυρήναΧm = αντίδραση μαγνήτισης πυρήνα

Λαμβάνοντας υπόψη ότι, το ρεύμα διέγερσης αποτελεί μικρό ποσοστό του ρεύματος του πρωτεύοντος κατά την υπό φορτίο λειτουργία, καθώς επίσης ότι οι πτώσεις τάσης στις σύνθετες αντιστάσεις σκέδασης είναι συνήθως μικρές, το ισοδύναμο κύκλωμα του σχ. 2-2 μπορεί απλουστευθεί, μετακινώντας τον κλάδο μαγνήτισης σύμφωνα με το σχ. 2-3(α).

20

21 EE LZ

2V

2Xj 1jX1R

cR mjX

2R1I

φI

cImI

2I

1V

(α)

2V

eqjXeqR

LZ

1I 2I

1V

(β)

Σχήμα 2-3: (α) Απλοποιημένο ισοδύναμο κύκλωμα μονοφασικού Μ/Σ, ανηγμένο στο πρωτεύον (β) Απλοποιημένο ισοδύναμο κύκλωμα - παράλειψη του παράλληλου κλάδου

Μιας και ο παράλληλος κλάδος μετά τη μετακίνηση του (με τη χρήση του απλουστευμένου κυκλώματος), δεν παίζει κανένα ρόλο στη διαμόρφωση των τάσεων στις δύο πλευρές του μετασχηματιστή, ένα παραπέρα βήμα για την απλοποίηση του ισοδυνάμου κυκλώματος είναι η παράλειψη του, 2-3(β).Η προσέγγιση αυτή χρησιμοποιείται κατά κόρο και με αρκετά ικανοποιητική ακρίβεια, στα δίκτυα μεταφοράς και διανομής της ηλεκτρικής ενέργειας. Στις περιπτώσεις των μετασχηματιστών μεγάλης ισχύος, όπου για την κατασκευή του σιδηρομαγνητικού κυκλώματος χρησιμοποιούνται υλικά υψηλής μαγνητικής διαπερατότητας με ελαττωμένες απώλειες πυρήνα, μπορεί επιπρόσθετα να αμεληθεί και η ωμική αντίσταση και να παραμείνει μόνο η αντίδραση σκέδασης. Θέτοντας όπου

(12)eq 1 2R R R

(13)eq 1 2X X X

Με βάση το απλουστευμένο ισοδύναμο κύκλωμα, προκύπτει το διανυσματικό διάγραμμα τουσχ. 2-4.

21

2I eqR

1V

1

1I

2IφI

2V

Im

Re2I eqj X

2

Σχήμα 2-4:Διανυσματικό διάγραμμα απλοποιημένου μονοφασικού Μ/Σ κατά την υπό φορτίολειτουργία ανηγμένο στο πρωτεύον τύλιγμα.

1.1.2. Αναγωγή στο δευτερεύον τύλιγμαΚατά την αναγωγή του πρωτεύοντος τυλίγματος στο δευτερεύον τύλιγμα, ο ιδανικός μετασχηματιστής μετακινείται προς τα αριστερά στο ισοδύναμο κύκλωμα. Διαιρώντας την (1) με το λόγο του μετασχηματισμού, έχουμε

(14) 1 1

1 1 2 21 R XR jX j

1 1 11 1

V E EI I

Λαμβάνοντας υπόψη την (3), η (14) παίρνει τη μορφή

(15) 1 1 1 1R jX R jX 1 1 1 1 2V I E I E

όπου με τον εκθέτη ( ΄΄ ), συμβολίζονται τα αντίστοιχα μεγέθη του πρωτεύοντος τυλίγματος ανηγμένα στο δευτερεύον τύλιγμα. Είναι

(16)

11

EE

(17)

11

VV

(18) 1 1I I

(19)1

1 2RR

και

(20)1

1 2XX

22

Εντελώς ανάλογα, για τον κλάδο μαγνήτισης έχουμε:

(21)

c cR R

1 2

c cE EI I

(22)1

mm mX X

2m

E EI I

(23)c

c 2RR

και

(24)c

c 2XX

Με βάση τα παραπάνω, το ισοδύναμο κύκλωμα του μονοφασικού μετασχηματιστή, ανηγμένο στο δευτερεύον τύλιγμα, παίρνει τη μορφή

21 EE

2jX1Xj 1R

cR mXj

2R

1V

1I

cI mI

2I

1N 2N

2VLZ

φI

Ιδανικός Μ/Σ

1I

1V

(α)

2V2E

2jX1Xj 1R

cR mXj

2R

LZ

1I

φI

cI mI

2I

1V

(β)Σχήμα 2-5: Ισοδύναμο κύκλωμα μονοφασικού μετασχηματιστήανηγμένο στο δευτερεύον.

(α) Με τον ιδανικό μετασχηματιστή στην πλευρά της εισόδου. (β) Χωρίς τον ιδανικό μετασχηματιστή

23

Αντίστοιχα τα απλοποιημένο ισοδύναμο κύκλωμα μονοφασικού Μ/Σ, ανηγμένο στο δευτερεύον φαίνεται στο σχ. 2-6.

2V21 EE

2jX1Xj 1R

cR mXj

2R

LZ

1I

φI

cI mI

2I

1V

(α)

2V

eqXj eqR

LZ

1I 2I

1V

(β)Σχήμα 2-6: (α) Απλοποιημένο ισοδύναμο κύκλωμα μονοφασικού Μ/Σ, ανηγμένο στο δευτερεύον (β) Απλοποιημένο ισοδύναμο κύκλωμα - παράλειψη του παράλληλου κλάδου

Θέτοντας όπου

(25)eq 1 2R R R

(26)eq 1 2X X X

Με βάση το απλοποιημένο ισοδύναμο κύκλωμα, προκύπτει το διανυσματικό διάγραμμα τουσχ. 2-7.

eqR 2I

1V

1

1I

2IφI

2V

Im

ReeqXj 2I

2

Σχήμα 2-7:Διανυσματικό διάγραμμα απλοποιημένου μονοφασικού Μ/Σ κατά την υπό φορτίολειτουργία ανηγμένο στο δευτερεύον τύλιγμα.

24

2. Εκατοστιαία πτώση τάσηςΗ ανηγμένη τάση στην έξοδο του μετασχηματιστή (δευτερεύον), διαφέρει από την τάση τροφοδοσίας (πρωτεύον), λόγω των πτώσεων τάσης στις σύνθετες αντιστάσεις σκέδασης. Η τροφοδοσία των φορτίων υπό σταθερή τάση (ακόμα και όταν αυτά μεταβάλλονται), έχει ιδιαίτερη σημασία. Η συγκεκριμένη πτώση τάσης εκφράζεται στην πράξη από ένα μέγεθος γνωστό ως εκατοστιαία πτώση τάσης (Ε.Π.Τ.), σύμφωνα με τη σχέση

(27)1 2 1 2

2 2

V V V VE. .T. 100 100V V

Η τιμή της Ε.Π.Τ., εξαρτάται τόσο από το μέγεθος του φορτίου (ρεύμα ), όσο και από τη 2Iσύνθεση του (γωνία φ).Στο σχ. 2-8 φαίνονται τα διανυσματικά διαγράμματα των τάσεων και των ρευμάτων ενός μονοφασικού μετασχηματιστή για διάφορα φορτία.

2I 2V 2 eqR I

2 eqj X I

1V

2I 2V2 eqR I

2 eqj X I1V

2I

2V

2 eqR I

2 eqj X I1VIm Im Im

Re Re Re

(α) (β) (γ)

Σχήμα 2-8:Διανυσματικό διάγραμμα μονοφασικού Μ/Σ που λειτουργεί με (α) μοναδιαίο, (β) επαγωγικό και (γ) χωρητικό συντελεστή ισχύος

Επίσης στο σχ.2-9 φαίνονται οι χαρακτηριστικές των τάσεων και των ρευμάτων ενός μονοφασικού μετασχηματιστή για διάφορα φορτία.

25

2V V

2I A

cosφ2 = 0.8 χωρ.

cosφ2 = 1cosφ2 = 0.8 επαγ.

Σχήμα 2-9: Χαρακτηριστικές των τάσεων συναρτήσει των ρευμάτων ενός 1Φ Μ/Σ για διάφορα φορτία.

3. Απόδοση μετασχηματιστήΟ βαθμός απόδοσης μιας οποιασδήποτε συσκευής ή διάταξης, ορίζεται από το λόγο της ωφέλιμης ισχύος στην έξοδο της συσκευής προς την απαιτούμενη ισχύ στην είσοδο της συσκευής.

(28)out

in

PP

Γενικότερα, ο όρος απόδοση σε ένα σύστημα, αποτελεί ένα μέτρο του κατά πόσο το συγκεκριμένο σύστημα εκπληρώνει τους στόχους της υλοποίησης του. Στους μετασχηματιστές, οι απώλειες ισχύος που υπεισέρχονται διαχωρίζονται στις απώλειες πυρήνα του σιδηρομαγνητικού κυκλώματος(Pc) και στις απώλειες χαλκού των τυλιγμάτων(PCu). Οι απώλειες του πυρήνα οφείλονται στη χρονική μεταβολή της μαγνητικής ροής εντός του σιδηρομαγνητικού υλικού και διαχωρίζονται στις απώλειες από μαγνητική υστέρηση, στις απώλειες από δινορρεύματα και στις διαφεύγουσες απώλειες. Το φαινόμενο της μαγνητικής υστέρησης εμφανίζεται κατά την κυκλική μαγνήτιση/απομαγνήτιση του υλικού, μέσω του βρόχου υστέρησης. Το φαινόμενο αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την πρόκληση στο υλικό απωλειών ενέργειας υπό μορφή θερμότητας, οι οποίες είναι ανάλογες του βρόχου υστέρησης.

26

Τα υλικά στα οποία ο βρόχος υστέρησης έχει μεγάλο εμβαδόν, χαρακτηρίζονται ως σκληρά μαγνητικά υλικά και είναι κατάλληλα για την κατασκευή μόνιμων μαγνητών, διότι έχουν μεγαλύτερη παραμένουσα μαγνήτιση και ταυτόχρονα απαιτούν μεγαλύτερη τιμή της έντασης του μαγνητικού πεδίου για την πλήρη απομαγνήτιση τους. Αντίθετα στα λεγόμενα μαλακά μαγνητικάυλικά, το εμβαδόν του βρόχου υστέρησης είναι μικρότερο από το αντίστοιχο στα σκληρά μαγνητικά υλικά και ως εκ τούτου, διαθέτουν μικρή παραμένουσα μαγνήτιση και απαιτούν μικρότερες εντάσεις απομαγνήτισης. Επιπλέον στα μαλακά μαγνητικά υλικά, οι απώλειες μαγνητικής υστέρησης είναι μικρότερες. Με βάση τις παραπάνω ιδιότητες είναι προφανές ότι, για την κατασκευή των ηλεκτρικών μηχανών (κινητήρες, γεννήτριες, μετασχηματιστές), δηλαδή εφαρμογών που απαιτούν εναλλασσόμενα μαγνητικά πεδία, χρησιμοποιούνται τα μαλακά μαγνητικά υλικά.Όταν ένα σιδηρομαγνητικό υλικό υπόκειται σε χρονικά μεταβαλλόμενη μαγνητική ροή, σύμφωνα με το νόμο του Faraday επάγονται τάσεις σε όλα τα πιθανά κλειστά μονοπάτια που περικλείουν τη μαγνητική ροή. Αποτέλεσμα των επαγόμενων τάσεων, είναι η δημιουργία ρευμάτων γνωστών ως δινορρεύματα. Τα δινορρεύματα με τη σειρά τους, δημιουργούν μαγνητική ροή η οποία τείνει να αντιδράσει στο αίτιο που τα δημιούργησε, δηλαδή στη μαγνητική ροή του πεδίου. Για την αντιστάθμιση της απομαγνητίζουσας επίδρασης, θα πρέπει να αυξηθεί η μαγνητεγερτική δύναμη του τυλίγματος. Η ροή των δινορρευμάτων εντός του σιδηρομαγνητικού υλικού, προκαλεί τις λεγόμενες απώλειες δινορρευμάτων, όπου ένα μέρος της ενέργειας του πεδίου μετατρέπεται σε θερμότητα, στις ωμικές αντιστάσεις των βρόχων που διατρέχουν τα ρεύματα. Για την ελαχιστοποίηση των απωλειών αυτών, το σιδηρομαγνητικό υλικό δεν γίνεται συμπαγές αλλά κατασκευάζεται από μονωμένα ελάσματα, αυξάνοντας με αυτό τον τρόπου την αντίσταση στη ροή των δινορρευμάτων και περιορίζοντας το μήκος των βρόχων. Επιπλέον κατάλληλη πρόσμιξη του σιδηρομαγνητικού υλικού με πυρίτιο, έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της ειδικής αντίστασης και τον περιορισμό του μεγέθους των δινορρευμάτων. Το άθροισμα των απωλειών της μαγνητικής υστέρησης (Ph) και των δινορρευμάτων (Pe), αποτελούν τις μαγνητικές απώλειες του πυρήνα(Pc) του σιδηρομαγνητικού υλικού. Δηλαδή

(29)c h eP P P

Οι διαφεύγουσες απώλειες οφείλονται και αυτές σε δινορρεύματα που δημιουργούνται επίσης λόγω της χρονικά μεταβαλλόμενης μαγνητικής ροής, στους πείρους σύσφιξης του πυρήνα και στα υπόλοιπα συμπαγή τεμάχια μετάλλου (κιβώτιο) της κατασκευής, που τυχαίνει να εμπλέκονται με τη μεταβαλλόμενη μαγνητική ροή. Οι απώλειες χαλκού(PCu) είναι απώλειες Joule και οφείλουν την ύπαρξη τους στη ροή του ρεύματος στα αντίστοιχα τυλίγματα.

27

(30)2 22 2 2 2Cu 1 1 2 2 1 1 2 2 1 1 2 2P I R I R I R I R I R I R , (W)

Έχοντας καθορίσει τις διάφορες απώλειες , η απόδοση του μετασχηματιστή δίνεται από τη los(P )σχέση

(31)out out 2 L L

in out los 2 L L Cu c

P P V I cosP P P V I cos P P

4. Πειραματικό μέρος – Πορεία εργασίας1. Πραγματοποιείστε τη συνδεσμολογία του σχ. 2-10.

AW

A

ΦορτίοV V R L C

Σχήμα 2-10. Συνδεσμολογία της άσκησης

2. Ρυθμίστε την τάση στο πρωτεύον, ώστε η τάση στο δευτερεύον υπό φορτίο, να είναι ίση με την ονομαστική. Για ονομαστικό ρεύμα στο δευτερεύον και συντελεστή ισχύος (Σ.Ι.)για τα τρία είδη φορτίων, καταγράψτε τις τιμές στους πίνακες,

3. Στη συνέχεια με βάση τις συγκεκριμένες ενδείξεις, υπολογίστε την εκατοστιαία πτώση τάσης σε κάθε περίπτωση και σχολιάστε τις διαφορές τους.

4. Από τις ενδείξεις των οργάνων, συμπληρώστε τους παρακάτω πίνακες.

Για ωμικό φορτίο και V1 = Vno = σταθερό

α/α Ι1 (Α) P1(W) 2V (V) 2I (A) cosφ1

1

2

3

4

5

6

28

Για επαγωγικό φορτίο και V1 = Vno = σταθερό

α/α Ι1 (Α) P1(W) 2V (V) 2I (A) cosφ1

1

2

3

4

5

6

Για χωρητικό φορτίο και V1 = Vno = σταθερό

α/α Ι1 (Α) P1(W) 2V (V) 2I (A) cosφ1

1

2

3

4

5

6

Όπου

(32)1

1

1 1

Pco φV

sI

5. Με βάση τα αποτελέσματα των μετρήσεων, σχεδιάστε την κάθε μια από τις παρακάτω χαρακτηριστικές σε κοινούς άξονες και σχολιάστε τη μορφή τους.

και 2 2V f I 1 2cosφ f I

29

Άσκηση 3η

Λειτουργία γεννήτριας Σ.Ρ. ξένης και παράλληλης διέγερσης εν κενώ και υπό φορτίο

1. Κατασκευαστική περιγραφή των μηχανών Συνεχούς ΡεύματοςΟ στάτης σε μια μηχανή συνεχούς ρεύματος που φαίνεται στο σχ.3-1, αποτελείται από το ζύγωμα, τους μαγνητικούς πόλους, τους βοηθητικούς πόλους, τον ψηκτροφορέα με τις ψήκτρες, το κιβώτιο ακροδεκτών και τα δύο καλύμματα. Το ζύγωμα είναι το κύριο μέρος του στάτη, αποτελεί τον κορμό της μηχανής, μέσω του οποίου ενώνονται μηχανικά και μαγνητικά οι πόλοι, κατασκευάζεται από χυτοχάλυβα ή μαλακό σίδηρο. Οι μαγνητικοί πόλοι αποτελούν τη διέγερση της μηχανής, δηλαδή την πρωτεύουσα πηγή μαγνητικής ροής στο διάκενο.

Σχήμα 3-1: Στάτης μηχανής Συνεχούς Ρεύματος

Οι βοηθητικοί πόλοι τοποθετούνται μεταξύ των κύριων πόλων και χρησιμεύουν για την αποφυγή των σπινθηρισμών του συλλέκτη από τη μετακίνηση της ουδέτερης ζώνης, κατά την υπό φορτίο λειτουργία. Ο ψηκτροφορέας με τις ψήκτρες, χρησιμεύει για την προσαγωγή ή απαγωγή του ρεύματος των τυλιγμάτων του δρομέα της μηχανής. Οι ψήκτρες, κατασκευάζονται από σκληρό άνθρακα, από γραφίτη ή από μίγμα άνθρακα και χαλκού.

30

Τέλος, τα καλύμματα χρησιμεύουν για τη στήριξη του άξονα του δρομέα, του ψηκτροφορέα και την προφύλαξη του εσωτερικού της μηχανής.Ο δρομέας αποτελείται από τον άξονα, το επαγωγικό τύμπανο (πυρήνα και τύλιγμα), το συλλέκτη και τον ανεμιστήρα. Ο πυρήνας του επαγωγικού τυμπάνου καθώς και ο πυρήνας του στάτη, κατασκευάζονται από μονωμένα ελάσματα, για την όσο το δυνατόν μεγαλύτερη μείωση των απωλειών από δινορρεύματα.

Σχήμα 3-2: Στάτης μηχανής Συνεχούς Ρεύματος

Τα βασικά τυλίγματα μιας μηχανής Σ.Ρ. είναι δύο, το τύλιγμα διέγερσης το οποίο βρίσκεται στο σταθερό μέρος (στάτη) και αποτελεί την

πρωτεύουσα πηγή μαγνητικής ροής στο διάκενο της μηχανής το τύλιγμα τυμπάνου το οποίο βρίσκεται στο δρομέα. Κατασκευαστικά τα τυλίγματα διέγερσης είναι συγκεντρωμένα. Δηλαδή, κάθε πόλος αποτελείται από μια ομάδα, όπου Ν ελίγματα διασυνδεδεμένα σε σειρά καταλήγουν σε δύο ακροδέκτες, σχ.3-3.

NIF

Σχήμα 3-3: Τύλιγμα διέγερσης μηχανής Σ.Ρ.

31

Ο αριθμός των ελιγμάτων αυτών καθώς επίσης και η διατομή τους καθορίζονται κυρίως από την ισχύ και κατ' επέκταση από την εγκαταστημένη μαγνητική ροή στο διάκενο, από τη γεωμετρία της μηχανής και από το είδος των σιδηρομαγνητικών υλικών.Το τύλιγμα τυμπάνου σε αντίθεση με το τύλιγμα διέγερσης, είναι διανεμημένο. Αποτελείται από ομάδες ομοιόμορφα διανεμημένες και κατάλληλα συνδεδεμένες στις οδοντώσεις (αύλακες), περί την περιφέρεια του διακένου. Τα άκρα των ομάδων αυτών καταλήγουν στους τομείς του συλλέκτη. Το τύλιγμα τυμπάνου, είναι τύλιγμα ισχύος και μετέχει ουσιαστικά στην ηλεκτρομηχανική μετατροπή της ενέργειας.Καθώς οι αγωγοί του τυλίγματος τυμπάνου περιστρέφονται, επάγονται τάσεις σε αυτούς των οποίων το μέγεθος είναι ανάλογο του γινομένου της πυκνότητας μαγνητικής ροής, του ενεργού μήκους του αγωγού και της γραμμικής ταχύτητας του, σύμφωνα με τη σχέση

(V) (1)e Bu lόπουΒ = πυκνότητα μαγνητικής ροής (Wb/m2)u = γραμμική ταχύτητα αγωγού (m/s)

= ενεργό μήκος αγωγού (m)l

1.1. Παραγωγή τάσηςΣύμφωνα με την (1), η μορφή της επαγόμενης τάσης (Α.Η.Ε.Δ.) είναι ανάλογη με εκείνη του κύματος χώρου της πυκνότητας μαγνητικής ροής του πεδίου διέγερσης, σχ.3-4.

Σχήμα 3-4 : Επαγόμενη τάση σε ένα αγωγό του τυλίγματος τυμπάνου.

32

Η τάση αυτή ανορθώνεται από το συλλέκτη (σχ.3-5α)και λαμβάνεται ως συνεχής στους ακροδέκτες του τυλίγματος τυμπάνου μέσω των ψηκτρών(σχ.3-5β)

(α) (β)

Σχήμα 3-5: (α) Συλλέκτης, (β) Τάση αγωγού μετά την ανόρθωση του συλλέκτη

Η μέση τιμή της επαγόμενης τάσης στον αγωγό, σύμφωνα με το σχ.3-5, στην περίπτωση διπολικής μηχανής είναι

(2)a

NE

όπου:Φ = μαγνητική ροή ανά πόλο, (Wb)ω = ηλεκτρική κυκλική συχνότητα, (rad/s)

Στη γενική περίπτωση P-πολικής μηχανής, ισχύει ότι

και

(3)m

2 n60

mP P n2 60

Επομένως

(4)a

PNΦnE60

όπου:= μηχανική γωνιακή ταχύτητα σε (rad/s)m

33

Σε μια τυχαία μηχανή, ο αριθμός των ζευγών των πόλων των στοιχείων του τυλίγματος τυμπάνου, των αγωγών ανά στοιχείο, καθώς και ο αριθμός των παράλληλων κλάδων, είναι σταθερά μεγέθη. Αντίθετα, η μαγνητική ροή και οι στροφές, είναι μεταβλητά μεγέθη. Η μαγνητική ροή, εξαρτάται από τα αμπερελίγματα (αμπεροστροφές) της διέγερσης και οι στροφές, από την κινητήρια μηχανή (για λειτουργία γεννήτριας) και από το μηχανικό φορτίο (για λειτουργία κινητήρα). Συνεπώς η (4), μπορεί να πάρει τη μορφή

(5)a g

Ps wE Φ n K Φ n2a 60

όπου:

, (6)g

s wK2α 60

V

Wb rpm

κατασκευαστική σταθερά καιs=αριθμός των στοιχείων του τυλίγματοςw= αριθμός των αγωγών ανά στοιχείοα = αριθμός παράλληλων κλάδων

1.2. Μέθοδοι διέγερσης και είδη μηχανών Σ.Ρ.Τα τυλίγματα διέγερσης των μηχανών Σ.Ρ. διακρίνονται σε δύο κατηγορίες, στα τύλιγμα διέγερσης διακλάδωσης και στα τυλίγματα διέγερσης σειράς. Σκοπός των τυλιγμάτων διέγερσης, είναι η δημιουργία του κατάλληλου μαγνητικού πεδίου στο διάκενο της μηχανής. Υπενθυμίζουμε ότι, το μαγνητικό πεδίο αποτελεί το μέσο για τη σύζευξη και την ανταλλαγή ενέργειας μεταξύ ενός ηλεκτρικού και ενός μηχανικού συστήματος. Τα τυλίγματα διέγερσης σειράς και διακλάδωσης, βρίσκεται στο σταθερό μέρος της μηχανής και διαρρέεται από το ρεύμα τυμπάνου που απορροφά ο κινητήρας. Για να μας δώσει επομένως το τύλιγμα σειράς τα απαραίτητα αμπερελίγματα, απαιτείται σχετικά μικρός αριθμός σπειρών, διατομής ανάλογης των αγωγών του τυλίγματος τυμπάνου. Σε αντίθεση με το τύλιγμα διέγερσης σειράς, το τύλιγμα διέγερσης διακλάδωσης τροφοδοτείται συνήθως με τάση μεγέθους ίσου με την ονομαστική τάση του τυλίγματος τυμπάνου και ως εκ τούτου το τύλιγμα αυτό σε σχέση με το τύλιγμα σειράς, διαθέτει κατά πολύ μεγαλύτερο αριθμό σπειρών μικρής διατομής και διαρρέεται από αρκετά μικρότερο ρεύμα για να δώσει τα απαραίτητα αμπερελίγματα, σχ.1-6. Μιας και η τάση του τυλίγματος της διέγερσης διακλάδωσης παραμένει πρακτικά σταθερή, η ρύθμιση του ρεύματος διέγερσης επιτυγχάνεται με την εισαγωγή μιας ωμικής μεταβλητής αντίστασης σε σειρά με το τύλιγμα. Σε αντίθεση με το τύλιγμα διέγερσης διακλάδωσης, στο τύλιγμα διέγερσης σειράς ο έλεγχος του ρεύματος επιτυγχάνεται με την προσθήκη μιας μεταβλητής ωμικής αντίστασης σε παράλληλη σύνδεση με το τύλιγμα και η οποία δρα ως καταμεριστής ρεύματος.

34

Διέγερση διακλάδωσης

Διέγερση σειράς

Διέγερση διακλάδωσης

Διέγερση σειράς

f fN I

1F 2F

s sN I

1S 2S

1F 2F 1S 2S

Σχήμα 3-6: Τυλίγματα διέγερσης (χωρική τοποθέτηση)Όπου:Νf= αριθμός σπειρών του τυλίγματος της διέγερσης διακλάδωσηςNs= αριθμός σπειρών του τυλίγματος διέγερσης σειράςIf= ρεύμα του τυλίγματος της διέγερσης διακλάδωσης, (Α)Is= ρεύμα του τυλίγματος διέγερσης σειράς, (Α)

1F 2F

1A

2A

1A

2A2F1F

1S 2S

1A

2A1S 2S

1A

2A2F1F

(α) Ξένης διέγερσης (β) Παράλληλης διέγερσης

(γ) Διέγερση σειράς (δ) Βραχεία σύνθετη διέγερση

1S 2S

1A

2A2F1F

(ε) Μακρά σύνθετη διέγερση

Σχήμα 3-7: Κατηγορίες μηχανών συνεχούς ρεύματος

35

Στη συνδεσμολογία του σχ.3-7(α), η μηχανή διαθέτει μόνο το τύλιγμα της διέγερσης διακλάδωσης και το οποίο τροφοδοτείται από εξωτερική (ανεξάρτητη) πηγή συνεχούς τάσης. Η μηχανή της κατηγορίας αυτής, είναι γνωστή ως ξένης διέγερσης. Στην περίπτωση του σχ.3-7 (β), το τύλιγμα της διέγερσης διακλάδωσης τροφοδοτείται από την τάση του τυλίγματος τυμπάνου και η μηχανή χαρακτηρίζεται ως παράλληλης διέγερσης. Στη συνδεσμολογία του σχ.3-7 (γ), η μηχανή διαθέτει μόνο το τύλιγμα της διέγερσης σειράς και το οποίο συνδέεται σε σειρά με το τύλιγμα τυμπάνου, συνδεσμολογία σειράς. Τέλος στις περιπτώσεις 3-7 (δ) και (ε), δρουν ταυτόχρονα και τα δύο τυλίγματα διέγερσης. Η συνδεσμολογία του σχ.3-7 (δ), είναι γνωστή ως βραχείας σύνθετης διέγερσηςκαι η συνδεσμολογία του σχ.3-7 (ε), ως μακράς σύνθετης διέγερσης.Στη μηχανή διέγερσης σειράς ανάλογα με τον τρόπο που είναι συνδεδεμένο το τύλιγμα σειράς με το τύλιγμα διακλάδωσης, αντιστοιχεί για αθροιστική ή διαφορική σύνδεση. Η αθροιστική σύνδεση, είναι στην περίπτωση που το μαγνητικό πεδίο του τυλίγματος διέγερσης σειράς δρα προσθετικά (ενισχύει) με το αντίστοιχο μαγνητικό πεδίο του πεδίου της διέγερσης διακλάδωσης. Η διαφορική σύνδεση, είναι στην περίπτωση που το πεδίο του τυλίγματος διέγερσης σειράς δρα αφαιρετικά, δηλαδή έχει αντίθετη φορά από εκείνο του τυλίγματος της κύριας διακλάδωσης.

1.3. Καμπύλη μαγνήτισηςΗ χαρακτηριστική καμπύλη μαγνήτισης, παίζει καθοριστικό ρόλο στην απόδοση των ηλεκτρικών μηχανών. Στα σιδηρομαγνητικά υλικά η καμπύλη μαγνήτισης εκφράζεται από τη χαρακτηριστική B = f(H), δηλαδή από τη μεταβολή της πυκνότητας της μαγνητικής ροής συναρτήσει της έντασης του μαγνητικού πεδίου. Στις ηλεκτρικές μηχανές, συνηθίζεται η χαρακτηριστική αυτή να εκφράζεται με παράγωγα μεγέθη, συνήθως με τη μεταβολή της μαγνητικής ροής ανά πόλο συναρτήσει της μαγνητεγερτικής δύναμης του πεδίου της διέγερσης, σχ.3-8.

fF

Σχήμα 3-8: Χαρακτηριστική καμπύλη μαγνήτισης μηχανής Σ.Ρ.

Επιπρόσθετα, επειδή η απευθείας μέτρηση της μαγνητικής ροής είναι δύσκολη, αντί αυτής μετράμε την επαγόμενη ηλεκτρεγερτική δύναμη στο τύλιγμα τυμπάνου, η οποία με βάση την (5) είναι απευθείας ανάλογη της μαγνητικής ροής, με την προϋπόθεση βέβαια ότι η ταχύτητα περιστροφής της μηχανής παραμένει σταθερή.

36

και n = σταθ. (7)a f aE f (I ) , I 0

Στην ουσία λοιπόν, η καμπύλη μαγνήτισης εκφράζεται από τη μεταβολή της τάσης ανοιχτού κυκλώματος του τυλίγματος τυμπάνου συναρτήσει του ρεύματος διέγερσης, για σταθερές στροφές και ίσες συνήθως με τις αντίστοιχες ονομαστικές. Η συνδεσμολογία του κυκλώματος για τη χάραξη της συγκεκριμένης χαρακτηριστικής, δείχνεται στο σχ.3-9.

fI

0aI

fV

+

-

,aa VE

non n

A

V

Σχήμα 3-9:Συνδεσμολογία για τη χάραξη της καμπύλης μαγνήτισης

Τo ρεύμα διέγερσης, μεταβάλλεται βαθμιαία από το μηδέν μέχρι την τιμή εκείνη για την οποία η επαγόμενη Η.Ε.Δ. έχει φτάσει το 1.25–1.3 της αντίστοιχης ονομαστικής τάσης. Η χαρακτηριστική αυτή είναι γνωστή και σαν χαρακτηριστική κενού φορτίου. Η τυπική μορφή της, δείχνεται στο σχ.3-10.

Γραμμήδιακένου

nonn

VEa

rmaE ,

faI fI )(AI f

Σχήμα 3-10: : Χαρακτηριστική καμπύλη κενού φορτίου μηχανής Σ.Ρ.

Παρατηρούμε ότι για μηδενικό ρεύμα διέγερσης, επάγεται μια μικρή τάση στο τύλιγμα τυμπάνου, η οποία οφείλει την ύπαρξη της στον παραμένοντα μαγνητισμό του σιδηρομαγνητικού κυκλώματος.

37

Στην περίπτωση που το υλικό μαγνητίζεται για πρώτη φορά (παρθενική φόρτιση), η καμπύλη μαγνήτισης για μηδενικό ρεύμα διέγερσης θα διέρχεται από την αρχή των αξόνων. Δηλαδή

(8) a,rm g f no f g rm noE K (I 0)n f (I ) K n

Η περιοχή α – β (δηλαδή για ), αποτελεί το γραμμικό τμήμα της χαρακτηριστικής. Για fa f fI I I

, το σιδηρομαγνητικό υλικό εισέρχεται στην περιοχή του κορεσμού και για αυτό το λόγο f fI I

απαιτούνται για μικρές μεταβολές της Η.Ε.Δ., μεγάλες μεταβολές του ρεύματος της διέγερσης. Η επέκταση της γραμμικής περιοχής που δείχνεται με τη διακεκομμένη γραμμή, είναι γνωστή ως γραμμή διακένου. Για λειτουργία στη γραμμική περιοχή και για σταθερές στροφές, η (8) μπορεί να πάρει τη μορφή

(9)a fE K I

Όπου, , η κλίση της γραμμής διακένουa fK E / I

Πρέπει να τονίσουμε ότι, οι περισσότερες γεννήτριες και κινητήρες, σχεδιάζονται ώστε να λειτουργούν κοντά στο σημείο κορεσμού (γόνατο) της καμπύλης, με σκοπό τη καλύτερη δυνατή αξιοποίηση του μαγνητικού κυκλώματος και την παραγωγή μέγιστης ισχύος.

1.4. Αυτοδιέγερση γεννήτριας παράλληλης διέγερσηςΣτη συνδεσμολογία της γεννήτριας παράλληλης διέγερσης, σύμφωνα με το σχ.3-11, το τύλιγμα της διέγερσης διακλάδωσης δεν τροφοδοτείται από εξωτερική πηγή τάσης, αλλά συνδέεται παράλληλα με το τύλιγμα τυμπάνου. Η διαδικασία της ανάπτυξης της τάσης στους ακροδέκτες της μηχανής, όπως βασίζεται στον παραμένοντα μαγνητισμό του σιδηρομαγνητικού κυκλώματος της μηχανής. Η συγκεκριμένη μέθοδος διέγερσης, είναι γνωστή ως αυτοδιέγερση.

aR

fR

fL

aI

1A

2A1F 2F

fI

aE

LI 0

noV V

Σχήμα 3-11:Ισοδύναμο κύκλωμα γεννήτριας Σ.Ρ. παράλληλης διέγερσης

38

Για να έχουμε αυτοδιέγερση της μηχανής, δηλαδή δημιουργία τάσης στους ακροδέκτες της μηχανής χωρίς τη βοήθεια εξωτερικής πηγής, θα πρέπει το σιδηρομαγνητικό υλικό της μηχανής να έχει υποστεί προηγούμενα μαγνήτιση, έτσι ώστε να διαθέτει κάποια μικρή ποσότητα παραμένοντος μαγνητισμού. Συνήθως ισχύει περίπου ότι:

(10)f no(I 0) (2 5)%

Επομένως, στρέφοντας τη γεννήτρια στις ονομαστικές της στροφές, έχουμε επαγωγή Η.Ε.Δ. η οποία δίνεται από τη σχέση

(11)a f m m fE (I 0) K (I 0)

Αλλά, η Η.Ε.Δ. αυτή εφαρμόζεται και στο τύλιγμα διέγερσης το οποίο είναι συνδεδεμένο παράλληλα με το τύλιγμα του τύμπανου και έτσι έχουμε τη δημιουργία ενός αρχικού ρεύματος διέγερσης

(12)a f

f ,inf

E (I 0)IR

0

A

aE (V)

a fE (I 0)

fI

f f fV R I

Σχήμα 3-12:Διαδικασία της αυτοδιέγερσης

Τώρα, εάν η διεύθυνση του μαγνητικού πεδίου που δημιουργείται από το αρχικό ρεύμα διέγερσης, έχει τέτοια φορά ώστε να ενισχύει το αρχικό μαγνητικό πεδίο του παραμένοντος μαγνητισμού, τότε σύμφωνα με το σχ.3-12, η μηχανή αυτοδιεγείρεται και θα ακολουθήσει μια δυναμική διαδικασία μέχρι τη πλήρη αποκατάσταση της τάσης. Στην περίπτωση εσφαλμένης σύνδεσης της πολικότητας του τυλίγματος διέγερσης, η παραγόμενη μαγνητική ροή θα αντιτίθεται σε εκείνη του παραμένοντος μαγνητισμού και η μηχανή δεν θα αυτοδιεγερθεί.Έτσι λοιπόν σύμφωνα με το σχ.3-12 και την (12), το αρχικό ρεύμα διέγερσης θα αυξήσει τη μαγνητική ροή ανά πόλο με αποτέλεσμα την αύξηση της επαγόμενης Η.Ε.Δ., η οποία με τη σειρά της θα δημιουργεί μεγαλύτερο ρεύμα διέγερσης κ.ο.κ.

39

Επιπλέον για λειτουργία κενού φορτίου, ισχύει ότι

(13) a fI I

(14)a a aE V I R

και

(15)f fV I R

Με αρκετά καλή προσέγγιση, στη λειτουργία χωρίς φορτίο, μπορούμε να αμελήσουμε την πτώση τάσης στην ωμική αντίσταση του τυλίγματος τυμπάνου. Στην περίπτωση αυτή η (15), παίρνει τη μορφή

(16)a f fE I R

Η σχέση αυτή σε άξονες είναι μια ευθεία γραμμή και η οποία είναι γνωστή ως ευθεία a f(E , I )διέγερσης. Η κλίση της ευθείας αυτής, είναι ίση με την τιμή της συνολικής ωμικής αντίστασης του κλάδου διέγερσης διακλάδωσης.

0

)(VEa

)(AI f

fRff RR '

crfR ,crff RR ,''

Σχήμα 3-13: Εξάρτηση του σημείου ισορροπίας από την κλίση της γραμμής διακένου.

Η τελική τιμή της τάσης κατά τη διαδικασία της αυτοδιέγερσης, βρίσκεται στο σημείο τομής των δύο χαρακτηριστικών, της καμπύλης μαγνήτισης και της ευθείας διέγερσης. Επομένως, για καθορισμένες στροφές, το τελικό σημείο ισορροπίας της τάσης όπως φαίνεται στο σχ.3-13 εξαρτάται από την κλίση της ευθείας διέγερσης, δηλαδή από τη συνολική τιμή της ωμικής αντίστασης του κλάδου διέγερσης.

40

Υπάρχει μια "κρίσιμη" τιμή,Rf,crτου κλάδου διέγερσης (όπου η αντίστοιχη ευθεία είναι εφαπτομένη της καμπύλης μαγνήτισης) , πέρα από την οποία η αντίσταση του παράλληλου κλάδου εάν αυξηθεί, δεν επιτρέπει τη δημιουργία ικανού ρεύματος διέγερσης για την αυτοδιέγερση της γεννήτριας. Στην περίπτωση αυτή λοιπόν, η μηχανή δεν αυτοδιεγείρεται. Εάν κάποια μηχανή έχει αρκετό καιρό να χρησιμοποιηθεί, ή μετά από εσφαλμένη σύνδεση, υπάρχει περίπτωση να έχει χάσει τον παραμένοντα μαγνητισμό της, και όπως είναι φυσικό να μην αυτοδιεγείρεται. Στην περίπτωση αυτή, θα πρέπει να ξαναδώσουμε τη χαμένη ποσότητα μαγνητισμού στο σιδηρομαγνητικό υλικό. Ένας απλός τρόπος, είναι με τη σύνδεση μιας πηγής συνεχούς ρεύματος στο τύλιγμα διέγερσης για μικρό χρονικό διάστημα.

2. Χαρακτηριστικές γεννητριών Σ.Ρ.υπό φορτίοΟι χαρακτηριστικές στις γεννήτριες Σ.Ρ. υπό φορτίο, διακρίνονται στην εξωτερική χαρακτηριστική, η οποία εκφράζει τη σχέση μεταξύ της τάσης ακροδεκτών συναρτήσει του ρεύματος στο φορτίο για σταθερή ταχύτητα περιστροφής και στη λεγόμενη εσωτερική χαρακτηριστική, η οποία εκφράζει την εξάρτηση της επαγόμενης Η.Ε.Δ. στο τύλιγμα τυμπάνου, συναρτήσει του ρεύματος στο φορτίο για σταθερή ταχύτητα περιστροφής. Οι χαρακτηριστικές αυτές, είναι διαφορετικές για κάθε κατηγορία γεννήτριας Σ.Ρ. και για το λόγο αυτό διαφέρουν και οι εφαρμογές τους. Στην ιδανική περίπτωση, για σταθερή ταχύτητα περιστροφής, θα θέλαμε η τάση ακροδεκτών σε μια γεννήτρια να συμπεριφέρεται σαν μια ιδανική ανεξάρτητη πηγή τάσης. Δηλαδή, το μέγεθος της να παραμένει σταθερό ανεξάρτητα από τις μεταβολές του φορτίου. Κάποιες από τα είδη των γεννητριών Σ.Ρ. προσεγγίζουν περισσότερο και κάποιες λιγότερο την ιδανική κατάσταση, όπως αυτή διατυπώθηκε. Ένα μέτρο για το βαθμό προσέγγισης, είναι η ρύθμιση της τάσης, η οποία εκφράζεται από τη σχέση

(17) nl fl

fl

V VVR % 100V

Όπου:Vnl= τάση ακροδεκτών κενού φορτίου, (V)Vfl= τάση ακροδεκτών πλήρους φορτίου, (V)Υπάρχουν οι εξής τρεις βασικές χαρακτηριστικές, με βάση τις οποίες μπορούμε να μελετήσουμε τη συμπεριφορά μιας γεννήτριας Σ.Ρ στην λειτουργία με φορτίο.

Εξωτερική χαρακτηριστικήΠαριστάνει τη μεταβολή της τάσης ακροδεκτών του τυλίγματος τύμπανου, συναρτήσει του ρεύματος του φορτίου, για σταθερή ταχύτητα περιστροφής του άξονα της μηχανής. Κατά τη διάρκεια της μεταβολής αυτής, δεν γίνεται καμία ρύθμιση του ρεύματος διέγερσης.

41

Δηλαδή η εν σειρά ρυθμιστική αντίσταση στο τύλιγμα διέγερσης παραμένει αμετάβλητη στην τιμή εκείνη που σε κενή λειτουργία η τάση στους ακροδέκτες του τυλίγματος τυμπάνου της μηχανής, είναι ίση με την ονομαστική τιμή της, υπό την προϋπόθεση βέβαια ότι και οι στροφές της μηχανής είναι οι αντίστοιχες ονομαστικές. Η αναλυτική έκφραση της εξωτερικής χαρακτηριστικής, σύμφωνα με τα παραπάνω είναι

Va = f(ΙL ) , n = σταθ. , Rf = σταθ.

Για την περίπτωση της ξένης διέγερσης, τα ρεύματα τυμπάνου και φορτίου προφανώς ταυτίζονται.

Εσωτερική χαρακτηριστική ή καμπύλη μαγνήτισης υπό φορτίο Η χαρακτηριστική αυτή, εκφράζει τη μεταβολή της τάσης ακροδεκτών του τυλίγματος τύμπανου συναρτήσει του ρεύματος διέγερσης, για σταθερό ρεύμα στο φορτίο, καθώς επίσης και σταθερή ταχύτητα περιστροφής. Όταν το ρεύμα στο φορτίο είναι μηδενικό τότε η καμπύληαυτή είναι η γνωστή "χαρακτηριστική εν κενώ". Η αναλυτική έκφραση της συγκεκριμένης χαρακτηριστικής είναι

Va = f (If ) , IL = σταθ., n = σταθ.

Χαρακτηριστική τύμπανουΗ χαρακτηριστική αυτή εκφράζει τη μεταβολή του ρεύματος διέγερσης Ιf συναρτήσει του ρεύματος ΙL του φορτίου, για σταθερή ταχύτητα και σταθερή τάση ακροδεκτών.Δηλαδή

If = f(IL ) , Va = σταθ., n = σταθ.

Η μορφή των παραπάνω χαρακτηριστικών, εξαρτάται από το είδος της μαγνητικής χαρακτηριστικής της μηχανής, καθώς επίσης και από το ρεύμα στο φορτίο.

Η επίδραση του φορτίου (ρεύμα τυμπάνου), εμφανίζεται ως:

2.1. Ωμική πτώσης τάσης στις αντιστάσεις των τυλιγμάτων τύμπανου και αντιστάθμισης

(18) a a acV I R R

οπούΙa = ρεύμα τυλίγματος τύμπανου, (Α)Ra= ωμική αντίσταση τυλίγματος τύμπανου, (Ω)Rac = ωμική αντίσταση των τυλιγμάτων αντιστάθμισης, (Ω)

42

2.2. Πτώση τάσης ψηκτρώνΗ πτώση τάσης στις ψήκτρες, εξαρτάται κυρίως από το υλικό κατασκευής τους καθώς επίσης και από την πυκνότητα του διερχόμενου σε αυτές ρεύματος. Σε ένα μικρό βαθμό, υπάρχει επίσης εξάρτηση των απωλειών αυτών από την ταχύτητα περιστροφής του συλλέκτη καθώς και την πίεση των ψηκτρών στο συλλέκτη, σχ.3-14.

Πτώση τάσης επί των ψυκτρών

Αντίσταση επαφής ψυκτρών

Πυκνότητα ρεύματος

Σχήμα 3-14: Εξάρτηση της πτώσης τάσης και της αντίστασης επαφής των ψηκτρών από τηνπυκνότητα του διερχόμενου ρεύματος.

Από το σχ.3-14παρατηρούμε ότι, η πτώση τάσης επί των ψηκτρών αυξάνει αυξανομένης της πυκνότητας του ρεύματος, αλλά όχι γραμμικά. Σε πρακτικές εφαρμογές, η πτώση τάσης αυτή θεωρείται σταθερή και ίση προς 1V σε κάθε ψήκτρα, ανεξάρτητα από την πολικότητα αυτής. Αν και έχει παρατηρηθεί ότι η πτώση τάσης αυτή επηρεάζεται και από τη σχετική φορά του ρεύματος, δηλαδή αν το ρεύμα ρέει από το συλλέκτη προς τις ψήκτρες ή αντίστροφα.

2.3. Αντίδραση επαγωγικού τύμπανουΓια λειτουργία χωρίς φορτίο, το μοναδικό πεδίο στο διάκενο της μηχανής είναι το μαγνητικό πεδίο του τυλίγματος της κύριας διέγερσης. Κατά την υπό φορτίο λειτουργία, το τύλιγμα τυμπάνου διαρρέεται από ρεύμα με αποτέλεσμα τη δημιουργία ενός πρόσθετου μαγνητικού πεδίου στο διάκενο της μηχανής. Η δράση του μαγνητικού πεδίου του τυλίγματος τυμπάνου, η οποία είναι ανάλογη του φορτίου (και κατ’ επέκταση του ρεύματος τυμπάνου) της μηχανής, έχει σαν αποτέλεσμα την παραμόρφωση του μαγνητικού πεδίου της κύριας διέγερσης και αυτή η παραμόρφωση είναι η αιτία για την εμφάνιση σοβαρών λειτουργικών προβλημάτωνόπως:

η μετακίνηση τους ουδέτερης ζώνης και η μείωση της μαγνητικής ροής στο διάκενο της μηχανής

43

Η μαγνητεγερτική δύναμη (Μ.Ε.Δ.) του τυλίγματος τυμπάνου όπως προαναφέραμε, αλληλεπιδρά με την αντίστοιχη Μ.Ε.Δ. του τυλίγματος διέγερσης, με αποτέλεσμα τη μεταβολή της πυκνότητας της μαγνητικής ροής στο διάκενο της μηχανής. Η επίδραση αυτή της Μ.Ε.Δ. του τυλίγματος τυμπάνου στην κύρια ροή του πεδίου διέγερσης, είναι γνωστή ως αντίδραση τυμπάνου, σχ.3-15.

N S

Ea Ia

ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ

Te

na

(α)

N S

ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ

Te

na

(γ) N S

Te

na

S

Te

na

N

ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ

ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ

(β)

(δ)

aF

fFtF

aFfF

tF

fF

aFtFfF

tF

Σχήμα 3-15: Αλληλεπίδραση πεδίων διέγερσης-τυμπάνου

Είναι άξιο παρατήρησης ότι, οι κατανομές των Μ.Ε.Δ. στις περιπτώσεις (α)-(γ) και (β)-(δ), είναι απόλυτα όμοιες, υπό την προϋπόθεση ότι τα αντίστοιχα ρεύματα καθώς και ο αριθμός των ελιγμάτων είναι ίσα.

2.4. Ουδέτερη ζώνη - Μετακίνηση των ψηκτρώνΟνομάζουμε ουδέτερη ζώνη, τον άξονα εκείνο, όπου το συνιστάμενο πεδίο στο διάκενο είναι μηδενικό. Κατά τη λειτουργία χωρίς φορτίο, όπου το μόνο πεδίο στο διάκενο είναι το πεδίο διέγερσης, η ουδέτερη ζώνη βρίσκεται στο μέσον της απόστασης μεταξύ δύο διαδοχικών πόλων, σχ.3-16.

44

Δρομέας

Γεννήτρια Κινητήρας

NS Ουδέτερηζώνη

Στάτης

fB

0fB

Σχήμα 3-16: Ουδέτερη ζώνη διπολικής μηχανής

Κατά την περιστροφή του δρομέα, έχουμε ολίσθηση των ψηκτρών επί των τομέων του συλλέκτη. Αποτέλεσμα της ολίσθησης αυτής, είναι το περιοδικό βραχυκύκλωμα δύο γειτονικών τομέων για κάθε εν επαφή ψήκτρα. Αλλά ανάλογα με το είδος της περιέλιξης του τυλίγματος τυμπάνου, σε δύο διαδοχικούς τομείς συνδέονται τα άκρα μιας ή περισσοτέρων σε σειρά συνδεδεμένων ομάδων, με αποτέλεσμα το στιγμιαίο βραχυκύκλωμά τους. Συνέπεια του γεγονότος αυτού, είναι η υπερθέρμανση των αντίστοιχων ομάδων, η απώλεια ενέργειας και η δημιουργία σπινθηρισμών στην επιφάνεια επαφής συλλέκτη-ψηκτρών, με αποτέλεσμα την πρόωρη φθορά τους.Προς αποφυγή των παραπάνω, τοποθετούμε τις ψήκτρες σε τέτοια θέση, ώστε τη στιγμή του βραχυκυκλώματος, οι αντίστοιχες ομάδες να έχουν τη μικρότερη δυνατή επαγόμενη ηλεκτρεγερτική δύναμη και κατά συνέπεια τα αντίστοιχα προκαλούμενα ρεύματα βραχυκύκλωσης την ελάχιστη τιμή.Από τα παραπάνω είναι προφανές ότι, κατά τη λειτουργία της μηχανής χωρίς φορτίο όπου στο διάκενο δρα μόνο το πεδίο διέγερσης, η φυσική θέση τοποθέτησης των ψηκτρών είναι στους άξονες των μαγνητικών πόλων του στάτη. Κατά τη λειτουργία με φορτίο και ανεξάρτητα αν η μηχανή λειτουργεί σαν κινητήρας ή σαν γεννήτρια, το συνιστάμενο πεδίο στο διάκενο προκύπτει από τη σύνθεση των δύο επιμέρους πεδίων, διέγερσης και τυμπάνου. Παρατηρούμε ότι, και στις δύο περιπτώσεις η μετακίνηση της ουδέτερης ζώνης είναι κάθετη στο συνιστάμενο πεδίο. Όμως το φορτίο των μηχανών δεν είναι ποτέ σταθερό, οπότε για να ελαττώσουμε τους σπινθηρισμούς θα πρέπει να έχουμε μια διαρκή μετακίνηση της ουδέτερης ζώνης, πράγμα το οποίο είναι πρακτικά αδύνατο. Η πρακτική λοιπόν που ακολουθείται, είναι η τοποθέτηση των ψηκτρών στη φυσική τους θέση (άξονας μαγνητικών πόλων) και η προσπάθεια παρεμπόδισης της μετακίνησης αυτής, εξουδετερώνοντας την επίδραση του τυλίγματος τυμπάνου με κατάλληλες μεθόδους, όπως η χρησιμοποίηση :

Τυλιγμάτων αντιστάθμισης και Βοηθητικών πόλων

45

Η εξασθένιση της συνιστάμενης μαγνητικής ροής, έχει σαν αποτέλεσμα τη μείωση της επαγόμενης τάσης στο τύλιγμα τυμπάνου και το γεγονός αυτό έχει ιδιαίτερη σημασία στην περίπτωση που η μηχανή λειτουργεί ως γεννήτρια. Επιπλέον η μείωση της μαγνητικής ροής, έχει σαν αποτέλεσμα την αύξηση των στροφών και το γεγονός αυτό μπορεί να δημιουργήσει σοβαρά προβλήματα στη λειτουργία των κινητήρων.

2.5. Μαγνητικοί πόλοι με τυλίγματα αντιστάθμισηςΟι αγωγοί του τυλίγματος αντιστάθμισης βρίσκονται στο στάτη σε κατάλληλες οδοντώσεις, στην εξωτερική επιφάνεια των κυρίων πόλων (σχ. 3-17).Συνδέονται σε σειρά με το τύλιγμα τυμπάνου και κατά τέτοιο τρόπο, ώστε κάθε αγωγός του τυλίγματος αντιστάθμισης να διαρρέεται σε κάθε χρονική στιγμή από ίσο και αντίθετης φοράς ρεύμα από εκείνο του γειτονικού αγωγού του τυλίγματος τυμπάνου. Αν τα δύο τυλίγματα έχουν τον ίδιο αριθμό αμπερελιγμάτων, η αντίδραση τυμπάνου σε ένα μεγάλο ποσοστό εξουδετερώνεται, με αποτέλεσμα τη μη μετακίνηση της ουδέτερης ζώνης και την εμφανή μείωση των σπινθηρισμών κατά τη μεταγωγή του ρεύματος τυμπάνου.

Ia

N SΦa

Φc

n

N SΦa

Φc

n

Ia

Tυλίγματα αντιστάθμισης

Σχήμα 3-17: Τυλίγματα αντιστάθμισης διπολικής μηχανής

2.6. Τυλίγματα βοηθητικών πόλωνΟι βοηθητικοί πόλοι ή εσωτερικοί πόλοι, τοποθετούνται ενδιάμεσα στους κύριους πόλους και διαρρέονται από το ρεύμα του τυλίγματος τυμπάνου, σχ.3-18.

46

Φa

Φc

Φa

Φc

N

N

S

n

S

N

N SN

N

S

N

N S

n

S

Βοηθητικοίπόλοι

(α) Κινητήρας (β) Γεννήτρια

Σχήμα 3-18: Τυλίγματα βοηθητικών πόλων, (α) Κινητήρας , (β) Γεννήτρια

Για λειτουργία γεννήτριας, τα τυλίγματα των βοηθητικών πόλων συνδέονται κατά τέτοιο τρόπο, ώστε κατά τη φορά περιστροφής του τυμπάνου μετά από κάθε βόρειο κύριο πόλο να υπάρχει ένας νότιος βοηθητικός πόλος και αντίθετα στην περίπτωση του κινητήρα.

3. Γεννήτρια ξένης διέγερσης υπό φορτίοΤο ρεύμα του πεδίου μιας γεννήτριας ξένης διέγερσης, είναι ανεξάρτητο του ρεύματος στο φορτίο.

2Anon

+

-aE

LRV

fV

aR

aI

1A1F 2F

fI

Σχήμα 3-19: Γεννήτρια Σ.Ρ. ξένης διέγερσης υπό φορτίο.

Για οποιαδήποτε τιμή του ρεύματος διέγερσης, η αντίστοιχη τιμή της επαγόμενης εν κενώ τάσης στο τύλιγμα τυμπάνου, υπολογίζεται από τη μαγνητική χαρακτηριστική της μηχανής. Για λειτουργία υπό φορτίο, έχουμε μείωση της τάσης των ακροδεκτών με την αύξηση του φορτίου. Η μείωση αυτή, οφείλεται στην αντίδραση του τυλίγματος τύμπανου και στην ωμική πτώση τάσης του τυλίγματος τύμπανου.Οι βασικές σχέσεις που ισχύουν για τη γεννήτρια Σ.Ρ. ξένης διέγερσης υπό φορτίο, είναι:

47

(19)a a aV E I R

(20)a LV I R

(21)a LI I

Στην περίπτωση που η γεννήτρια είναι εφοδιασμένη με τυλίγματα αντιστάθμισης ή λειτουργεί στο γραμμικό τμήμα της χαρακτηριστικής καμπύλης μαγνήτισης, δηλαδή εάν αγνοήσουμε την αντίδραση του τυλίγματος τυμπάνου, τότε για σταθερό ρεύμα στη διέγερση και για σταθερή ταχύτητα περιστροφής, η επαγόμενη Η.Ε.Δ. στο τύλιγμα τυμπάνου είναι σταθερή και ανεξάρτητη από τις μεταβολές του ρεύματος στο φορτίο (εσωτερική χαρακτηριστική-καμπύλη Ι, σχ.3-20).

Η εξωτερική χαρακτηριστική θα προκύψει από την αντίστοιχη εσωτερική χαρακτηριστική, μετά την αφαίρεση της πτώσης τάσης στην ωμική αντίσταση του τυλίγματος τυμπάνου και θα έχει τη μορφή της καμπύλης ΙΙ του σχ.3-20.

Πτώση τάσης από την αντίδραση τυμπάνου

aI (A)

II

V (V)

IaRa

III

I

Σχήμα 3-20: Χαρακτηριστικές υπό φορτίο γεννήτριας Σ.Ρ. ξένης διέγερσης

Στην περίπτωση που η μηχανή δεν διαθέτει τυλίγματα αντιστάθμισης και λειτουργεί στην περιοχή του κορεσμού, λόγω της αντίδρασης του τυλίγματος τυμπάνου θα υπάρξει μια εξασθένιση της μαγνητικής ροής του πεδίου, με αποτέλεσμα τη μείωση της επαγόμενης Η.Ε.Δ. στο τύλιγμα τυμπάνου. Στην περίπτωση αυτή, η εξωτερική χαρακτηριστική της γεννήτριας Va = f (ΙL ), n = σταθ., Rf = σταθ.θα έχει τη μορφή της καμπύλης ΙΙΙ του σχ.3-20.

4. Γεννήτρια παράλληλης διέγερσης υπό φορτίοΣε αντίθεση με τη γεννήτρια ξένης διέγερσης, στη γεννήτρια παράλληλης διέγερσης το τύλιγμα της διέγερσης διακλάδωσης δεν τροφοδοτείται από εξωτερική πηγή τάσης αλλά συνδέεται παράλληλα με το τύλιγμα τυμπάνου, σχ.3-21.

48

LI

aR

LR

+

-

V+

-aE

non

fI

aI

fR

Σχήμα 3-21: Γεννήτρια Σ.Ρ. παράλληλης διέγερσης υπό φορτίο

Με βάση το ισοδύναμο κύκλωμα του σχ.3-21, στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας για τη γεννήτρια Σ.Ρ. παράλληλης διέγερσης, ισχύουν οι ακόλουθες σχέσεις για τα τυλίγματα διέγερσης και τυμπάνου, αντίστοιχα

(22)a a aV E I R

(23)L LV I R

(24)a L fI I I

Σύμφωνα με το σχ.3-22, με την αύξηση του φορτίου η τάση ακροδεκτών της γεννήτριας παράλληλης διέγερσης ελαττώνεται περισσότερο σε σχέση με την περίπτωση της γεννήτριας ξένης διέγερσης, με τις ίδιες συνθήκες φόρτισης.

nlV

)(VV

)(AIL

Πτώση τάσης στην αντίσταση τυμπάνου

Πτώση τάσης λόγω της αντίδρασης

τυμπάνου

Πτώση τάσης λόγω της μείωσης του

ρεύματος διέγερσης

crI

Σημείο αποδιέγερσης

Σχήμα 3-22: Εξωτερικές και εσωτερικές χαρακτηριστικές μηχανής Σ.Ρ. παράλληλης διέγερσης.

49

Οι δύο αιτίες για τη μείωση της τιμής τάσης υπό φορτίο (πτώση τάσης στην ωμική αντίσταση του τυλίγματος τυμπάνου και αντίδραση του τυλίγματος τυμπάνου) στη γεννήτριας ξένης διέγερσης, υφίστανται και στην περίπτωση της γεννήτριας παράλληλης διέγερσης. Η διαφορά όμως έγκειται στο ότι, η μείωση της τάσης ακροδεκτών (η οποία αποτελεί παράλληλα και την τάση τροφοδοσίας του τυλίγματος διέγερσης) για τους δύο παραπάνω λόγους, επηρεάζει άμεσα και το ρεύμα στη διέγερσης με αποτέλεσμα της περαιτέρω μείωση της μαγνητικής ροής και ως εκ τούτου την περαιτέρω μείωση της τάσης ακροδεκτών. Για να μην υπάρχουν φαινόμενα αποδιέγερσης, θα πρέπει η γεννήτρια παράλληλης διέγερσης να λειτουργεί στην περιοχή του κορεσμού της μαγνητικής χαρακτηριστικής, όπου σε αντίθεση με τη γραμμική περιοχή οι μεταβολές στην επαγόμενη Η.Ε.Δ. του τυλίγματος τυμπάνου για τις αντίστοιχες μεταβολές του ρεύματος είναι κατά πολύ πιο μικρές.Στην περίπτωση που η ένταση του ρεύματος στο φορτίο αυξηθεί πάνω από την κρίσιμη τιμή του ρεύματος ( ), τότε η γεννήτρια θα αποδιεγερθεί και η τάση ακροδεκτών της θα L crI > Iμηδενιστεί.

5. Πειραματικό μέρος – πορεία εργασίας5.1. Γεννήτρια Σ.Ρ. ξένης διέγερσης εν κενώ1. Πραγματοποιείστε τη συνδεσμολογία του σχ.3-23 και με τη βοήθεια του κινητήρα, ρυθμίστε τις

στροφές του ζεύγους στις ονομαστικές στροφές της γεννήτριας.

n,TaE

aR

fR

fL

fV

V

AfI

1A

2A

Σχήμα 3-23 : Συνδεσμολογία της γεννήτριας ξένης διέγερσης εν κενώ

2. Για μηδενικό ρεύμα διέγερσης, μετρείστε την επαγόμενη τάση στο τύλιγμα τυμπάνου, που οφείλεται στον παραμένοντα μαγνητισμό του σιδηρομαγνητικού κυκλώματος.

3. Τροφοδοτείστε με τάση το τύλιγμα διέγερσης. Για διάφορες τιμές του ρεύματος Ιf, μέσω της ρυθμιστικής αντίστασης Rf, μετρείστε τις αντίστοιχες τιμές της επαγόμενης Η.Ε.Δ. Εa και συμπληρώστε τον πίνακα 1.

50

Πίνακας 1 : n = nno = ………………rpm

α/α Ιf (A) Ea (V)

1

2

3

4

5

6

7

4. Από τα δεδομένα του πίνακα 1, χαράξτε σε κατάλληλους άξονες τη χαρακτηριστική εν κενώ της μηχανής.

5. Υπολογίστε την αναλυτική έκφραση της γραμμής διακένου, καθώς και την κλίση της.

6. Ποια είναι τα όρια μεταβολής του ρεύματος διέγερσης, για τα οποία η στατική χαρακτηριστική βρίσκεται στη γραμμική περιοχή.

5.2. Γεννήτρια Σ.Ρ. παράλληλης διέγερσης εν κενώ

1. Μετρείστε την ωμική αντίσταση του τυλίγματος τυμπάνου

2. Πραγματοποιείστε τη συνδεσμολογία του σχ. 3-24.

aR

fR

fL V

aI LI

1A

2A1F 2FaE

A

V

A

Σχήμα 3-24: Συνδεσμολογία γεννήτριας παράλληλης διέγερσης

51

3. Με τη βοήθεια του κινητήρα του ζεύγους, περιστρέψτε τον άξονα της γεννήτριας στις ονομαστικές στροφές.

4. Με τη μεταβολή του ρεύματος διέγερσης, από το μηδέν έως 10% πάνω από την ονομαστική τιμή του, συμπληρώστε τον πίνακα 2.

5. Χαράξτε την χαρακτηριστική V = f (Ιf)για n = nno.

Πίνακας 2:n=nno =…………….Rpm

1 2 3 4 5 6 7 8

fI (A)

V(V)

5. Υπολογίστε την αναλυτική έκφραση της ευθείας διέγερσης στοσημείο ισορροπίας, καθώς και την τιμή της αντίστασης του τυλίγματος διέγερσης Rf

6. Υπολογίστε την κρίσιμη τιμή της αντίστασης του τυλίγματος διέγερσης.

5.3. Γεννήτρια Σ.Ρ. ξένης και παράλληλης διέγερσης υπό φορτίο

α) Πραγματοποιείστε τις συνδεσμολογίες που φαίνονται σχήματα 3-25 και 3-26.

fR A

A

V1A

2A

1A

2A

LRaE aE

fR aR aR

V

fV

Σχήμα 3-25: Συνδεσμολογία γεννήτριας Σ.Ρ. ξένης διέγερσης

52

fR

A

A

V1A

2A

1A

2A

LRaE aE

fR aR aR

V

Σχήμα 3-26: Συνδεσμολογία γεννήτριας Σ.Ρ. παράλληλης διέγερσης

Είναι ευνόητο ότι, ως κινητήρας στο ζεύγος δεν είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθεί μηχανή Σ.Ρ., μπορεί να είναι μια οποιαδήποτε ηλεκτρική μηχανή ακόμη και Ε.Ρ., αρκεί να μπορούμε εύκολα να ρυθμίζουμε τις στροφές.

β) Και για τα δύο είδη διατάξεων :

1. Ρυθμίστε τις στροφές στις αντίστοιχες ονομαστικές και κατόπιν με ανοιχτό τον διακόπτη Δ ρυθμίστε την αντίσταση της διέγερσης της γεννήτριας, έτσι ώστε εν κενώ να έχουμε την ονομαστική τάση στους ακροδέκτες της μηχανής.

2. Κατόπιν, διατηρείστε την Rf σταθερή στην τιμή αυτή. Κλείστε τον διακόπτη Δ και μεταβάλλοντας το φορτίο, συμπληρώστε τους Πίνακες 3 και 4. Ξένη διέγερση

Πίνακας 3:n =…………rpm1 2 3 4 5 6 7 8

LI (A)

aV (V)

Παράλληλη διέγερση

Πίνακας 4:n =…………rpm1 2 3 4 5 6 7 8

LI (A)

aV (V)

53

3. Χαράξτε τις αντίστοιχες εξωτερικές χαρακτηριστικές σε κοινούς άξονες.

Va = f(ΙL ) , n = σταθ. , Rf = σταθ.

4. Αποσυνδέστε το κύκλωμα από την τάση.

5. Περιγράψτε συνοπτικά την πειραματική διαδικασία

6. Διατυπώστε τις παρατηρήσεις και τα συμπεράσματα σας.

54

Άσκηση 4η

Λειτουργία κινητήρα Σ.Ρ. ξένης και παράλληλης διέγερσης εν κενώ και υπόφορτίο

1. Αρχή λειτουργίας των κινητήρων συνεχούς ρεύματος.Όταν αγωγός ενεργού μήκους βρίσκεται μέσα σε μαγνητικό πεδίο μαγνητικής επαγωγής Β και lδιαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα, τότε στον αγωγό ασκείται από το μαγνητικό πεδίο δύναμη F που τείνει να τον κινήσει. Αυτό ονομάζεται φαινόμενο κινητήρα.

Σχήμα 4-1: Αρχή λειτουργίας κινητήρα συνεχούς ρεύματος

Το μέτρο της δυνάμεως Fπου ασκείται στον αγωγό δίνεται από τη σχέση:

(1)F BI l

όπου: Β = μαγνητική επαγωγή του πεδίου, (Τ) , (Vs/m2), I = ένταση του ρεύματος που διαρρέει τον αγωγό, (Α)

= μήκος του αγωγού, (m)l

Σχήμα 4-2. Φορά δύναμης F

55

Η κατεύθυνση της δύναμης F (σχ.4-2) βρίσκεται εύκολα με τον κανόνα του αριστερού χεριού: όταν ο δείκτης δείχνει την κατεύθυνση των μαγνητικών γραμμών (από το βόρειο πόλο προς το νότιο) και ο μέσος δάκτυλος δείχνει τη φορά ροής του ρεύματος στον αγωγό, τότε ο αντίχειρας προσανατολισμένος κάθετα προς τα δυο άλλα δάκτυλα δείχνει την κατεύθυνση της δύναμης.

1.1. Βασική δομή – τύποι κινητήρων Ο στάτης μιας μηχανής Σ.Ρ., αποτελείται από το ζύγωμα, τους μαγνητικούς πόλους, τους βοηθητικούς πόλους, τον ψηκτροφορέα με τις ψήκτρες, το κιβώτιο ακροδεκτών και τα δύο καλύμματα. Το ζύγωμα είναι το κύριο μέρος του στάτη, αποτελεί τον κορμό της μηχανής, μέσω του οποίου

ενώνονται μηχανικά και μαγνητικά οι πόλοι. Κατασκευάζεται από χυτοχάλυβα ή μαλακό σίδηρο.

Οι μαγνητικοί πόλοι, αποτελούν τη διέγερση της μηχανής, δηλαδή την πρωτεύουσα πηγή μαγνητικής ροής στο διάκενο.

Οι βοηθητικοί πόλοι, τοποθετούνται μεταξύ των κυρίων πόλων και χρησιμεύουν για την αποφυγή των σπινθηρισμών του συλλέκτη από τη μετακίνηση της ουδέτερης ζώνης, κατά την υπό φορτίο λειτουργία.

Ο ψηκτροφορέας με τις ψήκτρες, χρησιμεύει για την προσαγωγή ή απαγωγή του ρεύματος, των τυλιγμάτων του δρομέα της μηχανής. Οι ψήκτρες, κατασκευάζονται από σκληρό άνθρακα, από γραφίτη ή από μίγμα άνθρακα και χαλκού.

Τέλος, τα καλύμματα χρησιμεύουν για τη στήριξη του άξονα του δρομέα, του ψηκτροφορέα και την προφύλαξη του εσωτερικού της μηχανής.

Ο δρομέας αποτελείται από τον άξονα, το επαγωγικό τύμπανο (πυρήνα και τύλιγμα), το συλλέκτη και τον ανεμιστήρα. Ο πυρήνας του επαγωγικού τυμπάνου καθώς και ο πυρήνας του στάτη, κατασκευάζονται από μονωμένα ελάσματα, για την όσο το δυνατόν περισσότερη μείωση των απωλειών από δυνορεύματα.Τα βασικά τυλίγματα μιας μηχανής Σ.Ρ. είναι δύο: το τύλιγμα διέγερσης το οποίο βρίσκεται στο σταθερό μέρος (στάτη) και το τύλιγμα τυμπάνου στο δρομέα. Κατασκευαστικά, τα τυλίγματα διέγερσης είναι συγκεντρωμένα, δηλαδή κάθε πόλος αποτελείται από μια ομάδα, όπου Ν ελίγματα διασυνδεδεμένα σε σειρά καταλήγουν σε δύο ακροδέκτες.Ο αριθμός των ελιγμάτων αυτών καθώς επίσης και η διατομή τους, καθορίζονται κυρίως από την ισχύ και κατ' επέκταση από την εγκαταστημένη ροή στο διάκενο, από τη γεωμετρία της μηχανής και από το είδος των σιδηρομαγνητικών υλικών.Το τύλιγμα τυμπάνου, σε αντίθεση με το τύλιγμα διέγερσης, είναι διανεμημένο. Αποτελείται από ομάδες, ομοιόμορφα διανεμημένες και κατάλληλα συνδεδεμένες στις οδοντώσεις (αύλακες), περί την περιφέρεια του διακένου. Τα άκρα των ομάδων αυτών, καταλήγουν στους τομείς του συλλέκτη.

56

Στο σχ.4-3, διακρίνονται τα βασικά τμήματα του κινητήρα συνεχούς ρεύματος:

Διάκενο

Ψήκτρες

Πόλοι

Περίβλημα

Δρομέας

Βοηθητικάτυλίγματα

Σχήμα 4-3: Δομή του κινητήρα συνεχούς ρεύματος

Τα τυλίγματα του στάτη διαρρέονται από το συνεχές ρεύμα του στάτη (ρεύμα διέγερσης) if και δημιουργείται το μαγνητικό πεδίο του στάτη (μαγνητικό πεδίο διέγερσης). Η κύρια διέγερση του κινητήρα συνεχούς ρεύματος, μπορεί να παρασχεθεί με τέσσερις διαφορετικούς τρόπους όπως φαίνεται στο σχ. 4-4: Ξένη διέγερση. Η διέγερση παρέχεται από ξεχωριστή πηγή, όπως φαίνεται στο σχ. 4-4 (α). Παράλληλη διέγερση. Η διέγερση παρέχεται από την πηγή τροφοδοσίας του επαγωγικού

τυμπάνου, όπως στο σχ. 4-4 (β). Διέγερση σειράς. Το κύριο τύλιγμα διέγερσης συνδέεται σε σειρά με το επαγωγικό τύμπανο

όπως στο σχ. 4-4 (γ). Σύνθετη διέγερση. Είναι συνδυασμός παράλληλης διέγερσης και διέγερσης σειράς, όπως

φαίνεται στο σχ. 4-4 (δ).

aV

ai

fV

fiaV

ai

fi

i

aV

ai

ai

aV

ai

fi

i

ai

Σχήμα 4-4: Τρόποι διέγερσης του κινητήρα συνεχούς ρεύματος: (α) Ξένη διέγερση,(β) παράλληλη διέγερση, (γ) διέγερση σειράς και (δ) σύνθετη διέγερση

57

1.2. Παραγωγή ροπήςΗ παραγωγή ροπής, οφείλεται στην προσπάθεια ευθυγράμμισης των δύο μαγνητικών πεδίων στάτη και δρομέα. Για λειτουργία κινητήρα, ανεξάρτητα του είδους της μηχανής, το μαγνητικό πεδίο του στάτη προηγείται πάντα του πεδίου του δρομέα. Στην περίπτωση του κινητήρα, ο ρόλος του συλλέκτη είναι η παραγωγή ροπής σταθερής διεύθυνσης. Η παραγόμενη ηλεκτρική ροπή δίνεται από την έκφραση

(2)a m a

Ps wT I K I4

όπου:

(3)m g

60 Ps wK K2 4

κατασκευαστική σταθερά της μηχανής.Σύμφωνα με την (2), ο έλεγχος της ροπής (και κατ’ επέκταση των στροφών) σε ένα κινητήρα Σ.Ρ., μπορεί να πραγματοποιηθεί είτε με τον έλεγχο της μαγνητικής ροής μέσω του ρεύματος της κύριας διέγερσης, είτε με τη μεταβολή του ρεύματος του τυλίγματος τυμπάνου, είτε και με συνδυασμένο έλεγχο και των δύο ρευμάτων. Αν και ο έλεγχος μέσω του πεδίου διέγερσης, λόγω των σημαντικά μικρότερων ρευμάτων σε σχέση με τα αντίστοιχα του τυλίγματος τυμπάνου, οδηγεί σε πιο οικονομικά και με μικρότερο όγκο συστήματα ελέγχου, προτιμείται ο έλεγχος μέσω του ρεύματος του τυλίγματος τυμπάνου. Ο λόγος είναι ότι, η αυτεπαγωγή του τυλίγματος διέγερσης είναι κατά πολύ μεγαλύτερη από την αντίστοιχη αυτεπαγωγή του τυλίγματος τυμπάνου, με αποτέλεσμα και η αντίστοιχη σταθερά χρόνου του τυλίγματος διέγερσης να είναι και αυτή με τη σειρά της αρκετά μεγαλύτερη από την αντίστοιχη σταθερά χρόνου του τυλίγματος τυμπάνου. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα, τα συστήματα ελέγχου μέσω του τυλίγματος τυμπάνου να είναι πολύ ταχύτερα από τα αντίστοιχα που ο έλεγχος γίνεται μέσω του ρεύματος της κύριας διέγερσης.Η αναπτυσσόμενη εσωτερική ή ηλεκτρομαγνητική ισχύς, δίνεται από τη σχέση

(4)m

em a a g a g a m60ωP E I K Φ nI K Φ I Tω

2π

1.3. Μόνιμη κατάσταση λειτουργίας κινητήρα ξένης διέγερσης – Ισοδύναμο κύκλωμα

Στο σχ. 4-5, φαίνεται το ισοδύναμο κύκλωμα του κινητήρα Σ.Ρ. ξένης διέγερσης. Με βάση το ισοδύναμο κύκλωμα του σχ. 4-5, ισχύουν οι ακόλουθες σχέσεις

(5)a a a aV V E R I

58

(6)f

ff

VIR

και (7) aI I

Όπου Ra η αντίσταση του τυλίγματος τυμπάνου και Rf η αντίσταση του τυλίγματος διέγερσης.

fR

1F 2F

aR

V

A

Ea

1A

2AA

V

I aI

fI T, n

P

fV

Σχήμα 4-5: Ισοδύναμο κύκλωμα κινητήρα Σ.Ρ. ξένης διέγερσης.

1.4. Μόνιμη κατάσταση λειτουργίας κινητήρα παράλληλης διέγερσης – Ισοδύναμο κύκλωμαΣτο σχ. 4-6, φαίνεται το ισοδύναμο κύκλωμα του κινητήρα Σ.Ρ. παράλληλης διέγερσης.

fR

1F 2F

aR

V

A

Ea

1A

2AA

V

I aI

fI

T, n

P

Σχήμα 4-6. Ισοδύναμο κύκλωμα κινητήρα Σ.Ρ. παράλληλης διέγερσης.

59

Με βάση το ισοδύναμο κύκλωμα του σχ. 4-6, ισχύουν οι ακόλουθες σχέσεις

(8)a a a aV V E R I

(9)f f fV V R I

και (10)a fI I I

1.5. Απώλειες στις μηχανές συνεχούς ρεύματοςΜέσω της ηλεκτρικής μηχανής (κινητήρα ή γεννήτριας), επιτυγχάνεται η σύζευξη και κατ’ επέκταση η μετατροπή, η ροή και η ανταλλαγή ενέργειας μεταξύ ενός ηλεκτρικού και ενός μηχανικού συστήματος. Στα διάφορα στάδια ροής της ενέργειας, υπεισέρχονται διαφόρων ειδών απώλειες. Επομένως, ανεξάρτητα από τη λειτουργία της μηχανής σαν γεννήτρια ή κινητήρα, η ισχύς στην είσοδο της ηλεκτρικής μηχανής θα είναι ίση με το άθροισμα της ωφέλιμης ισχύος στην έξοδό της και των διαφόρων απωλειών.

(11)in el,l mec,l mP V I P P P

Οι απώλειες ισχύος διακρίνονται, σε ηλεκτρικές, σε μηχανικές και σε μαγνητικές απώλειες.

Οι ηλεκτρικές απώλειες είναι κατά κύριο λόγο απώλειες χαλκού, δηλαδή απώλειες στις ωμικές αντιστάσεις των διαφόρων τυλιγμάτων της μηχανής (διέγερσης διακλάδωσης, διέγερσης σειράς, τυμπάνου, βοηθητικών πόλων, αντιστάθμισης). Ένα μικρό ποσοστό των ηλεκτρικών απωλειών, αντιστοιχεί στις απώλειες των ψηκτρών. Οι απώλειες αυτές, είναι ίσες με το γινόμενο του τετραγώνου της ενεργούς τιμής του ρεύματος που διαρρέει το τύλιγμα και της ωμικής αντίστασης του τυλίγματος.

(12)2 2el.l a a f fP I R I R

Οι μηχανικές απώλειες, διακρίνονται σε απώλειες τριβών και σε απώλειες ανεμισμού. Οι απώλειες τριβών οφείλονται στα έδρανα (ρουλεμάν) του άξονα, καθώς επίσης και σε ένα μικρό ποσοστό στις τριβές μεταξύ του συστήματος συλλέκτη-ψηκτρών. Οι απώλειες ανεμισμού, οφείλονται στη βεβιασμένη κυκλοφορία αέρα για την ψύξη της μηχανής, που προκαλείται από μια ειδική πτερωτή προσαρμοσμένη στον άξονα της μηχανής. Τόσο οι απώλειες τριβών όσο και οι απώλειες ανεμισμού, είναι ανάλογες της ταχύτητας του άξονα περιστροφής.

60

Οι μαγνητικές απώλειες, διακρίνονται στις απώλειες λόγω μαγνητικής υστέρησης και στις απώλειες λόγω των δινορρευμάτων, το άθροισμά τους αποτελεί τις λεγόμενες απώλειες του πυρήνα. Οι απώλειες υστέρησης εξαρτώνται από την επιφάνεια του βρόχου υστέρησης και από τη συχνότητα της επαγόμενης Η.Ε.Δ. Οι απώλειες των δινορρευμάτων εξαρτώνται και αυτές από τη συχνότητα της επαγόμενης Η.Ε.Δ., καθώς και από την πυκνότητα της μαγνητικής ροής. Προφανώς, η συχνότητα της επαγόμενης Η.Ε.Δ., είναι ανάλογη της ταχύτητας του άξονα περιστροφής. Στην ανάλυση των ηλεκτρικών μηχανών, αποτελεί κοινή πρακτική, η θεώρηση των μηχανικών απωλειών και των απωλειών πυρήνα σε έναν κοινό όρο, γνωστό ως απώλειες περιστροφής .

Ορίζουμε ως εσωτερική ή ηλεκτρομαγνητική ισχύ σε μια ηλεκτρική μηχανή Σ.Ρ. (ανεξάρτητα από τη λειτουργία της σαν γεννήτρια ή κινητήρα), το γινόμενο της επαγόμενης Η.Ε.Δ. στο τύλιγμα τυμπάνου και του ρεύματος τυμπάνου. Δηλαδή

(13)int em a aP P E I

Στην περίπτωση λειτουργίας κινητήρα, η εσωτερική ισχύς αντιπροσωπεύει το ποσοστό εκείνο της ηλεκτρικής ισχύος εισόδου που μετατρέπεται σε μηχανική ισχύ (ωφέλιμη συν μηχανικές απώλειες). Στην περίπτωση της γεννήτριας, η εσωτερική ισχύς αντιπροσωπεύει το ποσοστό εκείνο της μηχανικής ισχύος στην είσοδο που μετατρέπεται σε ηλεκτρική ισχύ (ωφέλιμη συν ηλεκτρικές απώλειες).Το διάγραμμα ροής ισχύος μια ηλεκτρικής μηχανής Σ.Ρ., δείχνεται στο σχ.4-7

mmin TP

mrr TP

aaIEP int

RIPcu2

Lout VIP

VIPin

mrr TP

aaIEP int

RIPcu2

LLout TP

(α)

(β)

Σχήμα 4-7: Διάγραμμα ροής ισχύος μηχανής συνεχούς ρεύματος Σ.Ρ.(α) Γεννήτρια (β) Κινητήρας

61

Ο βαθμός απόδοσης της ηλεκτρικής μηχανής ανεξάρτητα από το είδος της λειτουργίας της, δίνεται από τη σχέση

(14)out in los

in in

P P P(%) 100 100P P

Όπου= συνολικές απώλειες της μηχανής, (W)losP

1.6. Διερεύνηση των εξισώσεων του κινητήραΑν επιλύσουμε την ως προς την ένταση τυμπάνου Ιa, έχουμετη σχέσηa a a aV V E R I

(15)a aa

a

V EIR

Κατά την εκκίνηση του κινητήρα, Εa = 0, διότι και n = 0. Δηλαδή κατά την εκκίνηση του aE n

κινητήρα, η απουσία της Η.Ε.Δ. (η οποία επάγεται στο τύμπανο από το τύλιγμα διέγερσης) έχει σαν συνέπεια τη δημιουργία ενός ρεύματος εκκίνησης πολύ μεγαλύτερου του αντίστοιχου της ονομαστικής λειτουργίας, καθ' όσον η αντίσταση του τυλίγματος τυμπάνου έχει πολύ μικρή τιμή (Ra<5Ω). Συνήθως

(16)a,st a ,noI (7 10) I

Για να αποφύγουμε το δυσάρεστο αυτό φαινόμενο, συνδέουμε σε σειρά με το τύλιγμα τύμπανου "βοηθητική" αντίσταση εκκίνησης (Rεκκ>>Ra), έτσι ώστε το αντίστοιχο ρεύμα να ελαττωθεί μέσα στα όρια φόρτισης της μηχανής. Ο κινητήρας λοιπόν αρχίζει να επιταχύνεται, οπότε αναπτύσσεται Η.Ε.Δ, και σιγά-σιγά αφαιρούμε την αντίσταση αυτή. Ένας άλλος και περισσότερο αποδοτικός τρόπος εκκίνησης, επιτυγχάνεται με τη βοήθεια ενός τροφοδοτικού AC/DCμεταβλητής τάσης.Από τις παραπάνω σχέσεις, έχουμε την εξής σχέση για τις στροφές της μηχανής

(17)a a a

a a a fg f

V I Rn f (V , I , R , I )K (I )

Από την παραπάνω σχέση παρατηρούμε τα εξής

1. Οι στροφές του κινητήρα, είναι ανάλογες της τάσης τροφοδοσίας. Δηλαδή, αυξάνοντας την τάση τροφοδοσίας αυξάνονται οι στροφές, και αντιστρόφως.

62

aV (V)

n(rpm)

Σχήμα 4-8. Μεταβολή ταχύτητας κενού φορτίου συναρτήσει της τάσης τροφοδοσίας.

2. Οι στροφές είναι αντιστρόφως ανάλογες του φορτίου του κινητήρα. Πράγματι, αν ο κινητήρας είναι συνδεδεμένος σε "στερεό" δίκτυο, τότε V.= σταθ., οπότε κάθε αύξηση στο μηχανικό φορτίο του κινητήρα, συνοδεύεται από αντίστοιχη αύξηση της ηλεκτρικής ισχύος εισόδου και κατ' επέκταση της έντασης Ιa. Πρακτικά αυτό φαίνεται, από τον παράγοντα ΔV = IaRa. Μια πολύ βασική παρατήρηση είναι ότι, ο παράγοντας αυτός επηρεάζεται όχι μόνο από την ένταση του τυλίγματος τύμπανου Ιa, αλλά και από την τιμή της αντίστασης Ra. Αυτό σημαίνει ότι, αν τοποθετήσουμε κάποια μεταβλητή αντίσταση σε σειρά στο τύλιγμα τύμπανου, μπορούμε να επέμβουμε προκαλώντας μείωση των στροφών. Γενικά όμως η μέθοδος αυτή δεν εφαρμόζεται, λόγω υψηλών απωλειών χαλκού.

aI (A)

n(rpm)

Σχήμα 4-9. Μεταβολή ταχύτητας κενού φορτίου συναρτήσει του ρεύματος τυμπάνου.

3. Μια πολύ σπουδαία παράμετρος, με την οποία μπορούμε να προκαλέσουμε αύξηση των στροφών του κινητήρα με μηδαμινό κόστος ισχύος, είναι η ένταση του τυλίγματος διέγερσης If. Πράγματι, η παρεμβολή αντίστασης σε σειρά με το τύλιγμα διέγερσης, έχει σαν αποτέλεσμα την ελάττωση του ρεύματος διέγερσης (καθώς και της μαγνητικής ροής) και την αύξηση των στροφών.

63

fI (A)

n(rpm)

maxn

minn

f ,maxIf ,minI

Σχήμα 4-10. Μεταβολή ταχύτητας κενού φορτίου συναρτήσει του ρεύματος διέγερσης.

2. Χαρακτηριστικές υπό φορτίο κινητήρα Σ.Ρ. παράλληλης διέγερσηςΤο ισοδύναμο κύκλωμα του κινητήρα Σ.Ρ. παράλληλης διέγερσης, δείχνεται στο σχ. 4-11. Για σταθερή τάση τροφοδοσίας από το δίκτυο, η τάση στο τύλιγμα διέγερσης παραμένει σταθερή. Στην περίπτωση αυτή, η συμπεριφορά του κινητήρα Σ.Ρ. παράλληλης διέγερσης, είναι απολύτως όμοια με την αντίστοιχη του κινητήρα Σ.Ρ. ξένης διέγερσης .

fR

1F 2F

aR

Ea

1A

2A

V

I aI

fI

T, nΦορτίο

AR

Σχήμα 4-11: Ισοδύναμο κύκλωμα κινητήρα Σ.Ρ. παράλληλης διέγερσης

Το συνολικό ρεύμα που απορροφά ο κινητήρας από το δίκτυο, είναι ίσο με το άθροισμα των επιμέρους ρευμάτων του τυλίγματος τυμπάνου και της κύριας διέγερσης. Δηλαδή

(18)a fI I I

Η τάση τροφοδοσίας, είναι ίση με το άθροισμα της επαγόμενης Α.Η.Ε.Δ. στο τύλιγμα τυμπάνου και της πτώσης τάσης στην ωμική αντίσταση του τυλίγματος τύμπανου. Δηλαδή

(19)a a a aV V E R I

64

Όπου:

(20)a g m mE K n K

H τάση τροφοδοσίας, εφαρμόζεται επίσης και στα άκρα του τυλίγματος της διέγερσης διακλάδωσης, για το οποίο ισχύει

(21)f fV I R

Σε έναν κινητήρα παράλληλης διέγερσης (με τυλίγματα αντιστάθμισης και βοηθητικών πόλων), η ροή ανά πόλο του πεδίου διέγερσης, παραμένει πρακτικά ανεπηρέαστη από το ρεύμα τυμπάνου και επομένως θεωρείται σταθερή, για σταθερό ρεύμα διέγερσης. Στις μηχανές Σ.Ρ. η παραγωγή ροπής, οφείλεται στην προσπάθεια ευθυγράμμισης των δύο μαγνητικών πεδίων στάτη και δρομέα. Για λειτουργία κινητήρα, ανεξάρτητα του είδους της μηχανής, το μαγνητικό πεδίο του στάτη προηγείται πάντα του πεδίου του δρομέα. Στην περίπτωση του κινητήρα, ο ρόλος του συλλέκτη είναι η παραγωγή ροπής σταθερής διεύθυνσης. Θεωρώντας ότι οι μαγνητεγερτικές δυνάμεις των τυλιγμάτων διέγερσης και τυμπάνου, καταναλίσκονται εξ’ ολοκλήρου για την υπερνίκηση των μαγνητικών αντιστάσεων των διακένων και θεωρώντας ότι το κύμα πυκνότητας της μαγνητικής ροής στο διάκενο είναι καθαρά ημιτονοειδές, η παραγόμενη ηλεκτρική ροπή δίνεται από την έκφραση

(22)a m a

Ps wT I K I4

όπου:

(23)m g

60 Ps wK K2 4

κατασκευαστική σταθερά της μηχανής. Οπότε από τη (22) για σταθερή ροή υπάρχει αναλογία μεταξύ της παραγόμενης ροπής και του ρεύματος του τυλίγματος τυμπάνου. Δηλαδή

(24) m f aσταθT K Φ (I ) I

Σύμφωνα με τις (19) και (20), είναι

(25)a a a

mm m

E V I RK K

Συνδυάζοντας τις (24) και (25), προκύπτει η ακόλουθη έκφραση για την m f (T)

(26)

a

m 2m m

RV TK K

65

Η (26) σε άξονες αποτελεί μια ευθεία γραμμή, σχ 4-12 (α). m( ,T)

m (rad / s)

m,nl

m,fl

flT T(Nm)

T(Nm)

flT

a,noI aI (A)

BA

(α) (β)

Σχήμα 4-12: (α)Χαρακτηριστική γωνιακής ταχύτητας-ροπής (β) Χαρακτηριστική ροπής-ρεύματος τυμπάνου

Η κλίση της χαρακτηριστικής ωm = f (T) είναι αρνητική. Επομένως, εάν ο κινητήρας στρέφεται με κάποιο συγκεκριμένο αριθμό στροφών, μια απότομη αύξηση του φορτίου προκαλεί ελάττωση των στροφών και κατ' επέκταση της επαγόμενης Α.Η.Ε.Δ., με αποτέλεσμα την αύξηση του ρεύματος τυμπάνου, στην τιμή που απαιτείται από την αύξηση της ροπής. Στην περίπτωση αυτή, υπάρχει γραμμική εξάρτηση της χαρακτηριστικής ωm = f (T), καμπύλη Α (σχ.4-12). Στην περίπτωση που ο κινητήρας δεν διαθέτει τυλίγματα αντιστάθμισης και βοηθητικών πόλων, θα υπάρξει μια μικρή εξασθένιση της μαγνητικής ροής λόγω της αντίδρασης του τυλίγματος τυμπάνου, με αποτέλεσμα η μείωση των στροφών για τα ίδια φορτία (καμπύλη Β, σχ.4-12), να είναι μικρότερη από την αντίστοιχη της καμπύλης Α. Αυτό πρακτικά σημαίνει ότι, η αντίδραση του τυλίγματος τυμπάνου βελτιώνει την τιμή του συντελεστή ρύθμισης στροφών. Επίσης, η διακύμανση των στροφών για μια ευρεία περιοχή μεταβολής του φορτίου (και στις δύο περιπτώσεις Α και Β) είναι αρκετά μικρή και για το λόγο αυτό οι κινητήρες Σ.Ρ. παράλληλης και ξένης διέγερσης, καλούνται και κινητήρες σταθερής ταχύτητας. Οι κινητήρες παράλληλης διέγερσης, χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές που απαιτούν σχεδόν σταθερή ταχύτητα, αλλά όχι υψηλή ροπή εκκίνησης (π.χ. ανεμιστήρες, φυγοκεντρικές αντλίες κλπ.).Σύμφωνα με την (26), είναι προφανής η εξάρτηση της γωνιακής ταχύτητας περιστροφής από την τάση του τυλίγματος τυμπάνου, από τη μαγνητική ροή, από την ωμική αντίσταση του τυλίγματος τυμπάνου και από το φορτίο στον άξονα του κινητήρα. Δηλαδή

(27)m a af (V , , R , T)

Αυτό πρακτικά σημαίνει ότι, ο έλεγχος των στροφών σε ένα κινητήρα Σ.Ρ. ξένης ή παράλληλης διέγερσης μπορεί να γίνει με τους παρακάτω τρόπους, ξεχωριστά ή και συνδυασμένα:

66

Με μεταβολή της τάσης ακροδεκτών του τυλίγματος τυμπάνου. Με μεταβολή της μαγνητικής ροής. Με παρεμβολή ωμικής αντίστασης στο τύλιγμα τυμπάνου.Για τους δυο πρώτους τρόπους αναφερθήκαμε πρωηγουμένως, εδώ θα αναφερθούμε για τον τρόπο ελέγχου των στροφών με παρεμβολή ωμικής αντίστασης στο τύλιγμα τυμπάνου

2.1 Έλεγχος με παρεμβολή ωμικής αντίστασης στον κλάδο τυμπάνουΣύμφωνα με την (26), η παρεμβολή ωμικής αντίστασης σε σειρά με το τύλιγμα τυμπάνου για σταθερή τάση τροφοδοσίας και σταθερό ρεύμα στον κλάδο διέγερσης, αφήνει ανεπηρέαστη την ταχύτητα περιστροφής κενού φορτίου αλλά αυξάνει σημαντικά την κλίση, με αποτέλεσμα την περεταίρω μείωση των στροφών με την αύξηση του φορτίου, σχ.4-13.

0aeR

1aeR

12 aeae RR

)/( sradm

)(NmT

aeR

noT

Σχήμα 4-13: Επίδραση της παρεμβολής εξωτερικής ωμικής αντίστασης σε σειρά με το τύλιγμα τυμπάνου.

Για λειτουργία με σταθερή ροπή και κατά συνέπεια σταθερό ρεύμα τυμπάνου, η ηλεκτρομαγνητική ισχύς μειώνεται ανάλογα με τη μείωση των στροφών, με αποτέλεσμα την ανάλογη μείωση του βαθμού απόδοσης. Προφανώς, η μείωση του βαθμού απόδοσης οφείλεται στην ανάγκη αύξησης των απωλειών χαλκού στην πρόσθετη αντίσταση. Αυτό μεταφράζεται στο ότι, η συγκεκριμένη μέθοδος ελέγχου είναι αρκετά ενεργοβόρα και συνήθως εφαρμόζεται για μικρά χρονικά διαστήματα, όπως κατά τη διαδικασία της εκκίνησης για τον περιορισμό του ρεύματος τυμπάνου.

Οι χαρακτηριστικές ροπής – στροφών T = f(n), για V = σταθ., Rf = σταθ., Ra = μεταβ. και V = σταθ., Ra = σταθ. , Rf = μεταβ., με βάση τα παραπάνω, θα έχουν τη μορφή του σχ.4-14.

67

n(rpm)

f fR R

fR

a aR R

aR

fR .

T(Nm)

aR .

Σχήμα 4-14. Χαρακτηριστικές ροπής-στροφών, για V =σταθ.

3. Πειραματικό μέρος – Πορεία εργασίας3.1. Κινητήρας Σ.Ρ. ξένης και παράλληλης διέγερσης εν κενώ 1. Πραγματοποιείστε τις συνδεσμολογίες του σχ. 4-15.

fR

1F 2F

aR

A

Ea

1A

2AA

aI

fI T, n

mP

fV

V

IA

V

(α)

fR

1F 2F

aR

Ea

1A

2AA

I aI

fI

T, n

A

VV

(β)

Σχήμα 4-15: Συνδεσμολογία της άσκησης (α) ξένη διέγερση, (β) παράλληλη διέγερση

68

2. Πραγματοποιείστε πειραματικές μετρήσεις στον κινητήρα Σ.Ρ. ξένης και παράλληλης διέγερσης χωρίς φορτίο, καταγράψτε τα μεγέθη των αντιστοίχων οργάνων και συμπληρώστε τους παρακάτω πίνακες.

Κινητήρας Σ.Ρ. ξένης διέγερσης μεRf , If = σταθερά

α/α 1 2 3 4 5 6

Va (V)

n (rpm)

Κινητήρας Σ.Ρ. ξένης διέγερσης μεVa = σταθερά

α/α 1 2 3 4 5 6

If (A)

n (rpm)

Κινητήρας Σ.Ρ. παράλληλης διέγερσης μεRf , If= σταθερά

α/α 1 2 3 4 5 6

Va (V)

n (rpm)

Κινητήρας Σ.Ρ. παράλληλης διέγερσης μεVa = σταθερά

α/α 1 2 3 4 5 6

If (A)

n (rpm)

3. Σχεδιάστε τις χαρακτηριστικές

Στροφών–Τάσης τυμπάνου n = f(Va) και Στροφών – Ρεύματος Διέγερσης n = f(If).

4. Αποσυνδέστε το κύκλωμα από την τάση.

5. Διατυπώστε τις παρατηρήσεις και τα συμπεράσματα σας.

69

3.2. Κινητήρας Σ.Ρ. παράλληλης διέγερσης υπό φορτίο

1. Πραγματοποιείστε τη συνδεσμολογία του σχ. 4-16.

fR

A

A

V LR

aR

Ea

1A

2A

aI

fI

LI

fR

1F 2F

aR

Ea

1A

2AA

V

I aI

fI

T, n

A

V

AR

Σχήμα 4-16: Συνδεσμολογία της άσκησης

2. Πραγματοποιείστε πειραματικές μετρήσεις στον κινητήρα Σ.Ρ. υπό φορτίο, καταγράψτε τα μεγέθη των αντιστοίχων οργάνων και συμπληρώστε τον παρακάτω πίνακα.

α/α )V(Va aI (A) n(rpm) LV (V) LI (A) LP (W)

1

2

3

4

5

6

3. Με βάση τα πειραματικά αποτελέσματα, χαράξτε τη χαρακτηριστική στροφών – ρεύματος φορτίου, (n) = f(ΙL).

4. Έχοντας σταθερή την τάση τροφοδοσίας του κινητήρα στην αντίστοιχη ονομαστική τιμή της και μεταβάλλοντας το φορτίο, χαράξτε τη χαρακτηριστική ροπής-στροφών,για τρεις διαφορετικές τιμές της αντίστασης διέγερσης και στη συνέχεια για τρεις διαφορετικές τιμές της αντίστασης τύμπανου. Υπενθυμίζουμε ότι, η ηλεκτρομαγνητική ροπή Τem δίνεται από τη σχέση.

em em em2 nP T T60

70

όπου

a a a atE V I R

Επομένωςa a

emIT (Nm)2 n

60

όπου , η συνολική αντίσταση στον κλάδο του τυλίγματος τυμπάνουat a AR R R

V = Va= σταθ., Rf = σταθ.καιRA = μεταβ.

Τροφοδοτείστε τον κινητήρα με ονομαστική τάση. Μεταβάλλοντας το φορτίο του κινητήρα, συμπληρώστε τους παρακάτω πίνακες για τρεις διαφορετικές τιμές της συνολικής αντίστασης τυμπάνου.

α.

A1 at aR 0 , R R ...........

α/α )V(Va aI (A) aE (V) n(rpm) emT (Nm) LV (V) LI (A) LP (W)

1

2

3

4

5

6

β.

A2 at a A2R .......... , R R R ..........

α/α )V(Va aI (A) aE (V) n(rpm) emT (Nm) LV (V) LI (A) LP (W)

1

2

3

4

5

6

71

γ.

A3 at a A3R .......... , R R R ..........

α/α )V(Va aI (A) aE (V) n(rpm) emT (Nm) LV (V) LI (A) LP (W)

123456

V = Va= σταθ., Rf = μεταβ.καιRA = 0.Τροφοδοτείστε τον κινητήρα με ονομαστική τάση. Μεταβάλλοντας το φορτίο του κινητήρα, συμπληρώστε τους παρακάτω πίνακες για τρεις διαφορετικές τιμές της αντίστασης διέγερσης.α.

f1R ..........

α/α )V(Va aI (A) aE (V) n(rpm) emT (Nm) LV (V) LI (A) LP (W)

123456

β.

f 2R ..........

α/α )V(Va aI (A) aE (V) n(rpm) emT (Nm) LV (V) LI (A) LP (W)

1

2

3

4

5

6

72

γ.

f 3R ..........

α/α )V(Va aI (A) aE (V) n(rpm) emT (Nm) LV (V) LI (A) LP (W)

1

2

3

4

5

6

5. Με βάση τα πειραματικά αποτελέσματα, χαράξτε σε κοινούς άξονες για όλες τις περιπτώσεις τις χαρακτηριστικές στροφών – ροπής, (n) = f (Τem).

6. Αποσυνδέστε το κύκλωμα από την τάση.

7. Περιγράψτε συνοπτικά την πειραματική διαδικασία

8. Διατυπώστε τις παρατηρήσεις και τα συμπεράσματα σας.

73

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

[1] Μαλατέστα Β. Π., “Ηλεκτρικές Μηχανες ” 3η Έκδοση, , Εκδόσεις Τζιόλα, 2015

[2] Βερνάδος Γ.Π., Βυλλιώτης Αθ.Η., Μαλατέστα Β.Π., “Εργαστηριακές Ασκήσεις Ηλεκτρικών Μηχανών” , Εκδόσεις Τζιόλα, 2008

[3] Μαλατέστα Β. Π., Βυλλιώτη Αθ. Η., “Εργαστηριακές Ασκήσεις Ηλεκτρικής Κίνησης” , Εκδόσεις Τζιόλα, 2005

[4] Παπαδόπουλου Ε, “Ηλεκτρομηχανικά Συστήματα Μετατροπής Ενέργειας” Εκδόσεις Ε.Μ.Π., 1999

[5] Τεγόπουλου Ι.Α., “Ηλεκτρικές Μηχανές, Μέρος Α΄, Β΄” Εκδόσεις Συμμετρία, Αθήνα, 1986

[6] Ραυτόπουλου Ι. Γ, “ Μαθήματα Ηλεκτρικών Μηχανών ” Αθήνα, 1957

[7] Νικολαϊδη Ι. Ν, “ Ηλεκτρικαί Μηχαναί Σ.Ρ. και Ε.Ρ. ” Εκδόσεις Αφοί Λιόντη, Πειραιάς, 1967

[8] ChapmanJ.S., “Ηλεκτρικές Μηχανες AC-DC”, 3η Έκδοση, , Εκδόσεις Τζιόλα, 2003

[9] Ψωμιάδης Δ., “Εργαστήριο Ηλεκτρικών Μηχανών Ι και ΙΙ”, Εκδόσεις ΙΩΝ, 2004