Στοιχεία θεωρίας

 

α)Γεννήτριες

 

Είναι ηλεκτρικές μηχανές οι οποίες καταναλώνουν μηχανική ενέργεια και παράγουν ηλεκτρική. Ο συντελεστής απόδοσης τους είναι:

όπου  η ένταση του ρεύματος που παράγει η γεννήτρια. Η γεννήτρια αποτελείται από ένα περιστρεφόμενο τμήμα(ρότωρ) και ένα ακίνητο τμήμα(στάτωρ).Ο ρώτωρ αποτελείται από μεταλλικό πλαίσιο το οποίο περιστρέφεται μέσα σε μαγνητικό πεδίο σταθεράς εντάσεως.

 

β)Ηλεκτροκινητήρες

 

Είναι ηλεκτρικές μηχανές οι οποίες καταναλώνουν ηλεκτρική ενέργεια και παράγουν μηχανική.

Τροφοδοτώντας τις ψήκτρες του ρώτωρος με μια τάση  αυτός αρχίζει να κινείται μέσα στο μαγνητικό πεδίο του στάτωρος ενώ ταυτόχρονα αναπτύσσεται μια τάση αντίθετου φοράς η οποία λέγεται αντιηλεκτρεργετική δύναμη .

          To ρεύμα επομένως που διαρρέει τον ρήτορα είναι:

όπου Rρωτ  η ωμική αντίσταση του ρώτωρος.

          Ο συντελεστής αποδόσεως του κινητήρα είναι:

 

‘Eχουμε όμως

ή                  

δηλαδή η ωφέλιμος παραγόμενη ισχύς είναι .

 

Γεννήτριες συνεχούς τάσεως

 

   Σε μια γεννήτρια συνεχούς τάσεως οι ψήκτρες εφάπτονται σε δύο τομείς στους οποίους είναι χωρισμένος ο δακτύλιος στον οποίο καταλήγουν τα άκρα του πλαισίου. Το πλαίσιο περιστρέφεται με τέτοιο τρόπο ώστε οι ψήκτρες να διατηρούν την πολικότητα τους. Η παραγόμενη τάση είναι συνεχής αλλά κυμαινόμενη.

   Στην πράξη οι γεννήτριες έχουν πολλά πλαίσια προς εξομάλυνση της συνεχούς τάσεως.

Στην άσκηση μας το μαγνητικό πεδίο του στάτωρος παράγεται από ηλεκτρομαγνήτη τροφοδοτούμενο από πηγή και είναι ανεξάρτητο από την γωνιακή ταχύτητα του ρώτωρος.

          Η παραγόμενη τάση είναι:

όπου n ο αριθμός των πλαισίων του ρώτορος.

 

Μεταβολές της τάσεως κατά την φόρτιση.

Χαρακτηριστική καμπύλη γεννήτριας.

 

Η παραπάνω τιμή της τάσης δίνεται όταν αυτή λειτουργεί “εν κενώ”, δηλαδή όταν δεν καταναλίσκεται σε εξωτερικό κύκλωμα. Όταν όμως λειτουργεί “υπό φορτίο” η τάση θα είναι μικρότερη λόγω της εσωτερικής αντιστάσεως του πηνίου του ρώτωρος και λόγω σκεδάσεως των μαγνητικών γραμμών. Όσο αυξάνεται το καταναλισκόμενο ρεύμα τόσο ελαττώνεται η τάση. Η μέγιστη τιμή του ρεύματος προκύπτει όταν βραχυκυκλωθούν τα άκρα του πλαισίου (ρεύμα βραχυκυκλώσεως) οπότε μηδενίζεται η τάση.

 

 

 

 

ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ

 

 

Η διάταξη που χρησιμοποιείται (όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα)είναι κατ’ ουσία ένα ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος. Ένας ηλεκτροκινητήρας συνεχούς ρεύματος θέτει σε κίνηση μια γεννήτρια συνεχούς ρεύματος. Η παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς από τη γεννήτρια καταναλίσκεται από μια συστοιχία λαμπτήρων. Με τη βοήθεια ροοστάτη ελέγχουμε το ρεύμα που διαρρέει τον κινητήρα και κατά συνέπεια την ταχύτητα περιστροφής του. Η συστοιχία λαμπτήρων φέρει διακόπτες μεσώ των οποίων θέτουμε εντός ή εκτός κυκλώματος έναν ή περισσότερους λαμπτήρες  (μεταβαλλόμενο ωμικό φορτίο γεννήτριας).

Η γεννήτρια διαθέτει διακόπτη μέσω του οποίου τροφοδοτούμε  τον ηλεκτρομαγνήτη του στάτορα με συνεχή τάση προκείμενου να διεγείρουμε τη γεννήτρια.

   Τόσο ο ηλεκτροκινητήρας όσο και η γεννήτρια είναι συνδεδεμένοι με αμπερόμετρο και βολτόμετρο ούτος ώστε, ανά πάσα χρονική στιγμή να μετράμε την καταναλισκόμενη από τον κινητήρα ηλεκτρική ισχύ, όσο και την παραγόμενη (και καταναλισκόμενη στους λαμπτήρες) ηλεκτρική ισχύ από τη γεννήτρια.

   Τέλος, ο ρώτορας της γεννήτριας είναι συνδεδεμένος με ένα στροφόμετρο προκείμενου να μετριέται η γωνιακή ταχύτητα περιστροφής του ρώτορα της γεννήτριας.

 

 

 

 

 

 

 

ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ

 

ΜΕΛΕΤΗ ΕΝ ΚΕΝΩ

 

Με όλους τους λαμπτήρες εκτός κυκλώματος –οπότε Ιγ=0- θέτουμε σε λειτουργία τον ηλεκτροκινητήρα, διεγείρουμε τη γεννήτρια και μετρούμε την παραγόμενη τάση στις ψήκτρες της. Αυτή η διαδικασία επαναλαμβάνεται για αρκετές ταχύτητες περιστροφής της γεννήτριας. Τα αποτελέσματα καταγράφονται στο ακόλουθο πίνακα.

 

ΠΙΝΑΚΑΣ 1

 

α/α

ω(στρ/λ)

Vγεν(volts)

δω(στρ/λ)

δVγεν(volts)

1.

1050

52

70

2

2.

1225

65

70

2

3.

1400

75

70

2

4.

1575

87

70

2

5.

1680

105

70

2

 

Ακολουθεί η γραφική παράσταση της Vγεν =f(ω).

 

 

 

 


 

 

 

 

 

 

 


ΜΕΛΕΤΗ ΜΕ ΜΕΤΑΒΑΛΛΟΜΕΝΟ ΦΟΡΤΙΟ

 

 

 

Διατηρώντας (με τη βοήθεια του ροοστάτη) σταθερή τη γωνιακή ταχύτητα περιστροφής  του κινητήρα, μεταβάλουμέ το φορτίο θέτοντας εντός κυκλώματος ‘όλο και περισσότερους λαμπτήρες. Κάθε φόρα καταγράφουμε την τάση τροφοδοσίας του κινητήρα Vκ, το ρεύμα που τον διαρρέει Ικ, το ρεύμα που διαρρέει την αντίσταση φόρτου (λαμπτήρες) Ιγ καθώς και την τάση που εφαρμόζεται στην αντίσταση φόρτου (τάση γεννήτριας). Άμεσα υπολογίζεται η ισχύς του κινητήρα και της γεννήτριας (Νκιν, Νγεν αντίστοιχα) οπότε και ο συντελεστής απόδοσης του ζεύγους κινητήρα-γεννήτριας α. Τα παραπάνω καταγράφονται στον πίνακα 2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ΠΙΝΑΚΑΣ 2

 

 

α/α

Ικ(Α)

Vκ(βολτ)

Ιγεν

τάση γ.

συντελεστής απόδοσης α

Σφάλμα α

1050

1.

0,95

45

0,11

52

0,133801

0,016105

 

2.

1,1

54

0,23

50

0,193602

0,016114

 

3.

1,25

56

0,28

50

0,2

0,015167

 

4.

1,35

56

0,3

45

0,178571

0,013521

 

 

 

 

 

 

 

 

1225

1.

0,8

64

0

65

0

0,012695

 

2.

0,95

66

0,13

58

0,120255

0,012494

 

3.

1,1

73

0,25

57

0,177459

0,013336

 

4.

1,25

74

0,37

56

0,224

0,014750

 

5.

1,35

75

0,43

55

0,233580

0,014672

 

 

 

 

 

 

 

 

1400

1.

0,9

95

0

88

0

0,010292

 

2.

1,05

95

0,15

77

0,115789

0,010245

 

3.

1,17

97

0,28

72

0,177636

0,011646

 

4.

1,3

99

0,38

70

0,206682

0,012044

 

5.

1,45

100

0,42

67

0,194068

0,010712

 

 

 

 

 

 

 

 

1575

1.

0,95

111

0

100

0

0,009483

 

2.

1,05

105

0,15

86

0,117006

0,010210

 

3.

1,2

109

0,3

82

0,188073

0,011561

 

4.

1,35

110

0,37

78

0,194343

0,010803

 

5.

1,5

114

0,45

72

0,189473

0,009816

 

Στη συνέχεια σχεδιάζουμε τις γραφικές παραστάσεις Vκιν=f(Iκιν) και Vγεν=f(Iγεν) για τα διαφορετικά ω. Επίσης γίνεται το ίδιο για τον συντελεστή απόδοσης.

 

 

 

Eρωτήσεις του φυλλαδίου

 

          1)Συμφέρει να δημιουργείται σε ένα κινητήρα μεγάλη αντιηλεκτρεργετική δύναμη;

 

          Σίγουρα συμφέρει διότι έχουμε:

.Δηλαδή η ωφέλιμη παραγόμενη μηχανική ισχύ είναι .Άρα όσο πιο μεγάλη αντιηλεκτρεργετική δύναμη έχουμε τόσο πιο μεγάλη ωφέλιμη μηχανική ισχύ παίρνουμε.

 

          2)Ποια ροπή Μ πρέπει να εξασκείται στη γεννήτρια συνεχούς τάσης κατά τη λειτουργία της εν κενώ;

 

          Για να περιστρέφεται η γεννήτρια με γωνιακή ταχύτητα ω απαιτείται να ασκείται σε αυτή μια ροπή Μ τέτοια ώστε σύμφωνα με το αξίωμα διατήρησης της ενέργειας να ισχύει:

Mω=Wαπωλειών=Fαντιστάσεων*R    (όπου R η ακτίνα του ρώτορα)

Από αυτή προκύπτει ότι μια γεννήτρια ακόμα και αν δεν παράγει ενέργεια , πάντοτε θα καταναλίσκει μηχανική ισχύ προκειμένου να παραμένει σε περιστροφή ο ρώτορας.

          3)Εξηγήστε τη μορφή της χαρακτηριστικής καμπύλης =f()

 

Eδώ η γεννήτρια λειτουργεί υπό φορτίο και η τάση θα είναι μικρότερη από την περίπτωση  λόγω της εσωτερικής αντίστασης του πηνίου του ρώτορα και της σκεδάσεως των μαγνητικών γραμμών. Συνεπώς όσο αυξάνεται το  θα μειώνεται η  όπως παρατηρούμε και στο διάγραμμα. Η μέγιστη τιμή του ρεύματος προκύπτει όταν βραχυκυκλωθούν τα άκρα του πλαισίου οπότε η τάση μηδενίζεται.

 

  4)Εξηγήστε την εμφάνιση μεγίστου στην καμπύλη του συντελεστή απόδοσης.

Ο συντελεστής απόδοσης είναι μηδέν για Ιγεν=0 και στη συνέχεια αυξάνει αρκετά γλήγορα μέχρι μια μέγιστη τιμή όπου οι απώλειες πάνω στην ωμική αντίσταση των πηνίων του στάτορα είναι ίσες με το σύνολο των απωλειών λόγω σκέδασης των μαγνητικών δυναμικών γραμμών και των απωλειών λόγω μηχανικών αντιστάσεων στα σημεία έδρασης του ρώτορα. Περαιτέρω αύξηση του ρεύματος της γεννήτριας έχει ως συνέπεια την μείωση της τιμής του συντελεστού ισχύος μέχρι το μηδέν κατά τη βραχυκύκλωση (αφού Vγεν =0)

         

5)Εξηγείστε τους τρόπους διέγερσης μιας γεννήτριας.

 

  Ανάλογα με τον τρόπο σύνδεσης των πηνίων διεγέρσεως διακρίνουμε τριών ειδών διεγέρσεις:

α. Διέγερση εν σειρά.

Στην περίπτωση αυτή όλο το ρεύμα που διαρρέει το εξωτερικό κύκλωμα διέρχεται δια των πηνίων διέγερσης με αποτέλεσμα η μαγνητική ροή να είναι ανάλογη προς το ρεύμα αυτό. Γεννήτριες του τύπου αυτού δεν χρησιμοποιούνται γιατί η παραγόμενη τάση μεταβάλλεται πολύ όταν φορτίζεται η γεννήτρια.

β. Διέγερση παράλληλη.

Τα πηνία διέγερσης συνδέονται έτσι ώστε να διαραίονται πάντα από ρεύμα άσχετα με τη φόρτιση της γεννήτριας. Η παραγόμενη τάση ρυθμίζεται με ρύθμιση της έντασης του ρεύματος διέγερσης με τη βοήθεια ρυθμιστικής αντίστασης.

γ. Μικτή διέγερση.

Για τη μικτή διέγερση χρησιμοποιούνται δύο πηνία σε κάθε πόλο του ηλεκτρομαγνήτη εκ των οποίων το ένα παρεμβάλλεται σε σειρά ενώ το άλλο συνδέεται παράλληλα. Ο τύπος αυτός διέγερσης είναι αυτός που χρησιμοποιείται πιο συχνά. Συνήθως οι γεννήτριες συνεχούς ρεύματος φέρουν δύο ζεύγη πόλων και αντίστοιχα δύο ζεύγη πηνίων διέγερσης.[1][ΑΒ1] 

 

 


[1]

 [ΑΒ1]