ACŢIONĂRI ELECTRICE

OBIECTIVELE DISCIPLINEI

- Cunoasterea structurii si a caracteristicilor generale ale sistemelor de actionare;

- Cunoasterea principalelor tipuri de motoare electrice si a caracteristicilor lor functionale;

- Conoasterea aparatajului electric general: rol,caracteristici functionale, simbolizare, utilizari;

- Cunoasterea principiilor de alcatuir a schemelor electrice pentru realizarea principalelor functiuni ale sistemului de actionare, cum sunt: pornire-oprire; inversarea sensului de miscare, reglarea turatiei, franarea;

- Metode si scheme tipice de realizare a principalelor functiuni cum sunt: pornire-oprire; inversarea sensului de miscare, reglarea turatiei, franarea, pentru principalele tipuri de motoare electrice;

- Principii de alegere a motoarelor electrice in concordanta cu cerintele impuse de masina de lucru.

STRUCTURA CURSULUI

Capitolul I: Probleme generale privind sistemele de actionare si elemente de mecanica actionarilor;

Capitolul II: Masini electrice de curent alternativ;

Capitolul III: Masini electrice de curent continuu

Capitolul IV:Actionari electrice pas cu pas.

Structura generala a unui Sistem Electric de Actionare, Comanda si Reglare

• SF - subsistem de forţă (U,I mari); • SAP - subsistem de alimentare şi protecţie - care realizează funcţiile de conectare -deconectare şi de protecţie; • CR (CS) - convertizor rotativ (static) - care converteşte parametrii, energiei ; • SCR - subsistem de comandă şi reglare; • DID - dispozitiv de introducere a datelor (programarea parametrilor de acţionare); • CP - calculator de proces - pentru procesarea informaţiei în cadrul sistemului de comandă; • R - regulator – pentru stabilirea caracteristicii de reglare; • DC - dispozitiv de comandă a convertizorului; • CMM - convertorul mărimilor măsurate, prin care se supraveghează sistemul în vederea reglării parametrilor de acţionare. • SEM - subsistemul electromecanic ( M.E- motorul electric; T- transmisie; M.L-masina de lucru actionata ).

Ecuaţia fundamentală a mişcării Deoarece marea majoritate a motoarelor sunt rotative, se va considera mai întâi acest caz, avand sarcina

cuplata direct la axul motorului:

Considerând ω ≠ ct, energia cinetică a maselor în mişcarea de rotaţie se calculează cu formula: , unde J este momentul de inerţie al sistemului. Puterea dinamică ( variaţia în timp a energiei cinetice) este: , de unde , în care este cuplul dinamic (inerţial). Ecuaţia fundamentală de mişcare este dată de ecuaţia de echilibru a cuplurilor motor şi rezistente , , rezultă: ,unde este cuplul rezistent static din partea maşinii de lucru. Forma finala a ecuatiei fundamentale de miscare este:

-pentru miscarea de rotatie: : - pentru translatie: Fa = Fr + m . a

2

2 JW

jj Mdt

dWP

dt

dWMj

1jM

0Mjr MMM rM

dt

dJMM r

Raportarea cuplurilor rezistente statice şi a momentelor de inerţie la acelaşi arbore

Ecuaţia fundamentală de mişcare s-a dedus în ipoteza că toate componentele sistemului au aceeaşi viteză unghiulară. În realitate, datorită transmisiei , componentele sistemului au viteze unghiulare diferite. De aceea este necesară raportarea cuplurilor rezistente statice şi a momentelor de inerţie la acelaşi arbore. Aceasta presupune determinarea unor mărimi echivalente care să aibă acelaşi efect ca şi mărimile reale. De obicei raportarea se face la arborele maşinii electrice.

Pentru raportare se aplică principiul conservării energiei: puterea dezvoltată de mărimile raportate trebuie să fie egală cu puterea cerută de mărimile reale, ţinându-se seama şi de pierderi.

Raportarea mişcărilor de rotaţie la mişcarea de rotaţie Fie o transmisie cu roţi dinţate având arbori (inclusiv arborele ME şi al ML ). Lucrul mecanic elementar la

arborele k poate fi scris: dAkr’ - lucrul mecanic elementar pentru învingerea cuplului static rezistent ; dAkj’ - lucrul mecanic elementar pentru învingerea cuplului dinamic; ηk - randamentul transmisiei între motor şi arborele k Considerând întreaga transmisie, lucrul mecanic elementar dezvoltat de motor

t pe toţi arborii va fi: Dupa inlocuiri, rezulta: in care : si Astfel incat:

1n

k

kj

k

krk

dAdAdA

dtMdAdA

dAdAn

k

n

k

n

k k

kj

k

krk 00

0 0 0

n

k

n

k

k

k

kk

k

krk

dt

dJMM

0 0 00

0

n

k kk

krr

i

MM

00

n

k kk

k

i

JJ

020

dt

dJMM r

000 0

Stabilitatea statică a sistemelor de acţionare

Un sistem de actionare poate functiona in doua regimuri: - stationar (ω = ct), deci Mj = 0, => M = Mr ;

- tranzitoriu (ω ≠ ct), deci Mj ≠ 0, => M = Mr + Mj .

Regimul stationar are caracteristic un punct de funcţionare (A), care corespunde intersecţiei caracteristicii

mecanice a motorului cu caracteristica mecanică a maşinii de lucru , (vezi figurile.) .

În funcţie de forma acestor caracteristici el poate fi un punct stabil sau instabil de funcţionare.

Un sistem este static stabil într-un punct A1, corespunzator unui regim stationar, dacă atunci când apare o

perturbaţie mică şi cu variaţie lentă, fie din partea ME fie din partea ML, ansamblul ME-T-ML intră în regim

tranzitoriu, dupa care se stabilizeaza intr-un alt punct A2 corespunzator unui nou regim stationar.

sistem stabil sistem instabil

Matematic, conditia de stabilitate este: , de unde rezulta ca motorul trebuie sa aiba o caracteristica cu panta negativa.

M rM

A

r

A d

Md

d

dM

Motoare asincrone trifazate Sunt cele mai răspândite datorită avantajelor: simplitate constructivă; cost redus; fiabilitate ridicată şi

întreţinere uşoară; robusteţe; alimentare direct de reţea RST; caracteristica mecanica (semi)rigida. Constructiv, motorul se compune dintr-un stator şi un rotor. Statorul – pe rol de inductor, este prevăzut cu o înfăşurare trifazată cu ˝p˝ perechi de poli, alimentată de

la cele trei faze RST. Datorită dispunerii geometrice a înfăşurărilor statorice la 120 şi defazării fazelor RST cu acelaşi unghi, se creează un câmp magnetic învârtitor, al cărui maxim se roteşte cu turaţia de sincronism: , unde f este frecventa retelei.

Rotorul – pe rol de indus – poate fi realizat în două variante constructive: - tip colivie - două inele de capăt şi o serie de bare fixate între ele, astfel încât se creează spire în

scurtcircuit. Rezistenţa circuitului rotoric este de valoare foarte mică şi constantă ; - bobinat - realizat din tole şi prevăzut cu un sistem de înfăşurări trifazate cu acelaşi număr de perechi de

poli ˝p˝, capetele înfăşurărilor fiind legate la un colector format din trei inele montate pe axul motorului. Prin intermediul unor perii, înfăşurările pot fi legate direct - rezultând caracteristica naturală, sau indirect, prin rezistenţe suplimentare - obţinându-se caracteristicile artificiale.

Alunecarea turaţiei motoarelor asincrone : Turaţia rotorului n nu poate să atinga turaţia no, acest fenomen purtând denumirea de alunecare.

Alunecarea relativă se defineşte prin relaţia: Turaţia reprezintă tocmai turaţia relativă între câmpul magnetic învârtitor şi rotor. În regim motor , deci alunecarea . De obicei . Dacă , adică rotorul este

antrenat cu turaţie suprasincronă sau statorul este deconectat, motorul trece în regim de generator. Funcţionarea în regim motor este posibilă pentru .

p

fn

600

%1000

0

n

nns

nnn 0202 n 0s 02 n%65,1 s

10 s

Caracteristicile mecanice ale motoarelor asincrone trifazate

Se exprima prin relatia:

in care: ; M – moment curent; s – alunecarea:

Mcr – moment critic: scr – alunecarea critica;

r2 – rezistenta rotorului;

X1 , X2 – impedanta curcuitului rotoric, statoric;

Mp – moment de pornire;

Mn – moment nominal;

nn - turatia nominala ;

;

1 – caracteristica naturala a motorului cu rotor colivie;

2 – caracteristica naturala a motorului cu rotorul bobinat;

3 – caracteristici artificiale.

AB – zona de functionare instabila;

BD – zona de functionare stabila.

C – punct nominal de functionare ;

D – punct de functionare in gol ideal.

,

s

s

s

s

2MM

cr

cr

cr

21

2

XX

rscr

5,27,1 n

cr

M

M28,0

n

p

M

M

Pornirea motoarelor asincrone trifazate La pornire, deoarece , apare un curent de pornire care produce un şoc de sarcină, de curent, care provoacă o scădere a tensiunii din reţea, cu efecte negative asupra cuplului de pornire şi asupra funcţionării altor consumatori. De aceea, se admite pornirea directă a motorului (prin conectare directă) doar atunci când , dar când din aceeaşi reţea este alimentat şi iluminatul secţiei, se impune , unde este puterea transformatorului de alimentare a secţiei. Pornirea directa, poate fi realizata in doua moduri: a) pornirea manuala , prin intreruptor; b) pornirea automata, prin contactor. a) b) Metoda (a) se foloseste la puteri mici si frecvente reduse de comanda. Metoda (b) este cea mai utilizata la puteri mici si mijlocii si comenzi frecvente.

0nn 84np II

Pinst.2,0Pn

Pinst

Pinst.5,0Pn

Pornirea indirectă Este necesară la motoarele de putere mare, la care socul de curent la pornire este inacceptabil.

Motoarele cu rotorul în scurtcircuit pot fi pornite indirect prin urmatoarele metode:

- pornirea stea-triunghi ( ) ;

- prin introducerea în circuitul statoric a unor rezistoare sau bobine de pornire;

- cu ajutorul autotransformatoarelor coborâtoare de tensiune U.

Pornirea stea – triunghi

Metoda se poate aplica numai la motoarele electrice proiectate să funcţioneze cu înfăşurările statorice legate în Δ.

La pornire înfăşurările se leagă în Y , iar apoi , după accelerarea mişcării, se comută pe Δ, curentul absorbit din

retea reducandu-se astfel de trei ori.

= >

Y

3

lU

f

lf

U

II

lf

lf

UU

II

33

1

*3*

3

1**

3

1

*3

l

l

f

f

f

f

l

l

U

U

U

Z

Z

U

I

I

I

I

3

1*

3

12

2

l

l

U

U

M

M

Pornirea prin înserierea de rezistoare cu înfăşurările statorice Prin inserierea de rezistoare cu infăsurarile statorice in faza de pornire se reduce curentul absorbit de motor. In functie de numarul de rezistoare, pornirea se poate realiza in una sau mai multe trepte de pornire. Schema de pornire cu o treapta intermediara si temporizare cu releu de timp.

Pornirea cu bobine sau autotransformator Cu înfăşurătorile statorice se inserează nişte bobine reglabile manual L pe masură ce motorul accelerează. După atingerea turaţiei nominale, bobinele sunt scurtcircuitate de către contactele contactorului C1. Dacă contactele C2 sunt închise, pornirea se realizează prin autotransformator. Metoda permite reglarea continua a tensiuni motorului si controlul acceleratiei mişcarii. Se foloseşte la motoare de putere foarte mare şi porniri rare.

Pornirea motoarelor cu rotorul bobinat

La motoarele cu rotorul bobinat, limitarea curentului de pornire se poate realiza prin inserierea de rezistoare in circuitul rotoric. Pornirea se poate realiza intr-o singura treapta sau în mai multe trepte. În figura este prezentată o schemă de pornire în două trepte realizate prin introducerea a două grupuri de rezistoare R1 si R2 care sunt şuntate succesiv prin închiderea contactelor C21 si C31, utilizand in acest scop în schema de comandă două relee de temporizare d1 si d2. La pornire, in momentul iniţial, se pleacă din punctul A, motorul funcţionand pe caracteristica artificială 1 obţinută prin înserierea în circuitul rotoric a ambelor grupuri de rezistoare R1+R2. În punctul B, după scurgerea timpului de temporizare al releului d1, se închid contactele C21 care scot din circuit rezistoarele R1 , motorul trecand pe caracteristica artificială 2, punctul de funcţionare deplasandu-se din C în D. După scurgerea timpului de temporizare al releului d2 sunt scoase din circuit si rezistoarele R2, motorul funcţionand în continuare pe caracteristica naturală 3 (punctul de funcţionare se deplasează din E în F). Prin alegerea corecta a duratelor de temporizare, cuplul de pornire poate fi menţinut in intervalul (Mpmin - Mpmax). Metoda asigură curent de pornire mic şi cuplu mare de pornire, la limită egal cu momentul critic Mcr . Observaţie – prin utilizarea unui reostat trifazic, se poate realiza reglarea continuă a turaţiei motorului, atât la pornire cât şi în timpul lucrului.

Inversarea sensului de rotaţie al motorului asincron trifazat

Sensul de rotaţie al motorului asincron trifazat este dat de sensul de rotatie al câmpuluimagnetic învârtitor, care la rândul său este determinat de succesiunea fazelor. Pentru inversarea sensului de rotaţie este deci suficient să inversăm între ele oricare două faze. Acest lucru se poate realiza în două moduri: -manual, cu ajutorul reversoarelor de sens (fig. a),sau -automat, cu ajutorul contactoarelor (fig.b), în care se utilizează două contactoare C1 si C2, câte unul pentru fiecare sens de rotatie. a) b) Contactele auxiliare normal închise C13 şi C23 asigură interblocarea contactoarelor C1 si C2 pentru evitarea comandării simultane a acestora, fapt ce ar determina punerea în scurtcircuit a celor două faze..

Reglarea turaţiei motoarelor asincrone trifazate Prin reglarea turaţiei se înţelege modificarea voită a acesteia, potrivit unei anumite cerinţe de acţionare. Caile de actiune pentru reglarea turatiei rezulta din relatia: , si sunt urmatoarele: - schimbarea numărului perechilor de poli, p; - variaţia alunecării s; - alimentarea cu frecvenţă variabilă f. O a patra metoda de reglare a turatiei este prin reglarea tensiunii de alimentare. Reglarea turatiei se poate face manual sau automat, prin intermediul unui sistem de comandă. Reglarea turaţiei prin schimbarea numărului perechilor de poli p- este o metodă de reglare discretă a turaţiei care se aplică la motoarele asincrone cu rotorul de tip colivie. Nu se aplică motoarelor cu rotorul bobinat deoarece simultan cu modificarea numărului de poli la stator trebuie să se modifice corespunzător numărul perechilor de poli la rotor, ceea ce este complicat. De obicei se realizează două turaţii (3000/1500, 1500/750, 1000/500), mai rar trei sau patru turaţii. Se cunosc două modalităţi: 1) Utilizarea unei înfăşurări statorice speciale (Dahlander) şi: a) modificarea conexiunilor înfăşurării ; b) modulaţia amplitudinii pe pol. 2) Utilizarea a două înfăşurări statorice pe fază: a) o înfăşurare specială Dahlander plus o înfăşurare obişnuită, obţinandu-se trei turaţii (3000/1500+1000). b) două înfăşurări speciale Dahlander, rezultând patru turatii (3000/1500+1000/500). Comutarea înfăşurărilor se poate realiza manual (cu comutatoare) sau automat, utilizănd scheme de comandă corespunzătoare..

sp

fn 1

*60

Metoda 1.a: Presupune utilizarea unei înfăşurări speciale Dahlander cu două componente care se pot lega:

- a) în serie şi în fază, obtinandu-se un numar de poli p=2;

- b) în paralel şi în opoziţie de faza, rezultând p=1.

Exemplu de legare şi comutare a înfăşurărilor:

Schimbarea turaţiei se face la putere aproximativ constantă :

86,02

1 P

P

Reglare a turaţiei prin modificarea alunecării s Metoda se aplică motoarelor cu rotorul bobinat şi se realizează prin reglarea rezistenţei circuitului rotoric, care determina reglarea pantei curbei caracteristice astfel incat, la cuplu constant, se obţine reglarea continuă a turaţiei într-un domeniu de 15 - 20 % din turaţia nominală nn . Dezavantajele metodei sunt: - este neeconomic, deoarece cu cresterea rezistenţei circuitului rotoric cresc pierderile prin efect Joule - Lenz; - este instabil la încărcări mici; -reglarea se poate realiza numai pentru turaţii n < nnom; -reostetele dereglare sunt voluminoase; Metoda se aplică la motoarele de putere mică.

Reglarea turaţiei prin alimentarea cu frecvenţă variabilă Metoda se aplică pentru realizarea unor turaţii foarte mari (x 100 000 rot/min), care prin multiplicare mecanică nu ar putea fi realizate (apar vibratii, zgomote şi uzuri mari), si presupune alimentarea motorului la frecventa marita (x100-x1000 Hz) obtinuta cu echipamente speciale: - convertizoare de frecventa rotative - (frecventa fixa intre 300-2400 Hz,,randament ridicat, gabarit mare). Se utilizeaza la motoare de putere mare si turatie fixa; - generatoare electronice (statice)-(frecventa reglabila continuu si in limite largi, randament redus, cost ridicat). Se utilizeaza la puteri mici-mijlocii. La aceste motoare de turaţie marita, pentru realizarea unui moment de inerţie redus, rotorul este realizat constructiv in doua variante: -diametru mic şi lungime mare, sau rotor disc. Partea mecanică trebuie realizată în condiţii speciale: -echilibrare dinamică; -lagăre de rostogolire cu rulmenţi preselecţionaţi şi montaţi cu prestrângere; -lagăre cu sustentaţie aerodinamică, sau hidrostatica.

Oprirea şi frânarea motoarelor electrice asincrone trifazate

Oprirea unei miscari se poate face în două moduri:

-inerţial, prin consumarea energiei cinetice reziduale a sistemului prin frecările proprii din sistem, rezultând un timp de oprire mare si o precizie redusa;

-cu frânare (forţată), obţinându-se un timp de oprire redus şi o crestere a preciziei de oprire la cotă;

Frânarea forţată poate fi: -exterioară (cu frână mecanică), sau - interioara (electrica, prin motor).

Frânarea prin motor se poate face în trei moduri:

-prin contraconectare;

-prin metoda de frânare dinamică;

-prin metoda de frânare recuperativă.

Frânarea prin contraconectare -se realizează prin inversarea pentru

un timp scurt, determinat, a oricăror două faze de alimentare, urmată

de deconectarea completă a motorului de la reţea. Prin inversarea

sensului de rotaţie a câmpului magnetic înfăşurător se dezvoltă un

cuplu foarte mare de frânare care reduce rapid turaţia. Punctul de

funcţionare se deplasează din A în B şi coboară până în punctul C.

Dacă în C motorul nu este deconectat, începe rotirea în sens invers.

La aplicarea acestei metode apar solicitări dinamice mari.

Dacă frânarea se realizează pe caracteristica artificială 3 se obţine

un efect de frânare şi mai pronunţat, dar metoda este mai complicată

şi se poate aplica numai la motoarele cu rotorul bobinat..

Frânarea dinamică, sau în regim de generator nerecuperativ, constă în deconectarea statorului de la reţea şi

conectarea înfăşurătorilor statorului ( doua înseriate - la conexiunea stea) la o sursă de curent continuu. Motorul

se transformă astfel într-un generator sincron cu câmpul magnetic inductor fix în timp şi variabil în spaţiu,

iar rotorul ca indus. Energia electrică produsa este consumată (transformată în căldură ) pe rezistenţa circuitului

rotoric, sau pe o rezistenta de franare.

Punctul de funcţionare se deplasează din Aîn B, coborând apoi pe caracteristica 2 până în punctul O, în care

turaţia este zero, deci franarea este totala.

Cuplul de frânare este dat de relaţia: în care :Фe este fluxul de excitaţie, iar Ir - curentul rotoric.

Frânarea are loc ca urmare a trecerii de pe caracteristica 1 pe caracteristica 2. La turaţii mari, Mf este redus şi

când turaţia tinde spre zero, Mf tinde spre zero, ceea ce nu corespunde cel mai bine cerinţelor de frânare.

De aceea, pentru motoarele cu rotorul bobinat se

poate lucra pe caracteristica artificială 3 obţinută

prin introducerea unor rezistenţe suplimentare de

frânare în circuitul rotoric.

Reglarea Mf se poate face prin reglarea

curentului de excitaţie.

Schema permite oprirea inertiala - de la butonul b2,

sau cu franare - de la butonul b3.

ref IKM **

Frânarea recuperativă- se poate aplica numai la motoarele cu două turaţii şi constă în trecerea motorului de pe turaţia superioară pe turaţia inferioară.Prin aceasta motorul trece în regim de generator suprasincron (atâta timp cât rotorul are o turaţie mai mare ca no ), cu recuperarea energiei electrice produse, care este livrată la reţea. Punctul de funcţionare se deplasează pe traseul A – B – no . Frânarea nu este totală, ea are loc până la n = no, după care motorul trebuie deconectat şi aplicata în continuare o alta metoda de frânare până la oprirea totală.

Motoare asincrone speciale

Dintre motoarele asincroane speciale mai răspândite sunt:- motoarele asincrone monofazate cu rotor colivie;

- motoarele asincrone monofazate cu rotor bobinat si colector;- motoarele asincrone trifazate duble; - motoarele

asincrone trifazate cu colector cu alimentare în rotor.

a) motoarele asincrone monofazate cu rotor colivie sunt prezentate in figura urmatoare, in care :

1- stator prevazut cu doi poli si o infasurare alimentata in curent alternativ monofazat;

2- rotor tip colivie;

3- spira in scurtcircuit.

Datorita dispunerii in opozitie a polilor, apare un camp magnetic simetric care

schimba polaritatea cu frecventa curentului alternativ, astfel incat apar dificultati

privind determinarea sensului de rotatie al rotorului, care poate fi oricare. Pentru

definirea sensului de rotatie se ppevede spira in scurtcircuit 3 care creaza o asimetrie in

campul magnetic ce determina rotirea rotorului in sensul spirei. O alta solutie, aplicata

la motoarele de putere mai mare, utilizeaza o infasurare suplimentara decalata fata de poli care la pornire este

alimentata printr-un condensator de pornire, dupa care este deconectata.

b) motoarele asincrone monofazate cu rotor bobinat si colector sunt reprezentate in figura alaturata. Ele sunt

motoare de turatie mare (x1000-x10.000 rot/min),

realizand un moment de pornire mare la un curent

de pornire relativ mic (Ip < 3 In).

Turatia poate fi reglata cu ajutorul unor reostate.

Schimbarea sensului de rotatie se face prin

inversarea infasurarii statorice sau rotorice.

Prezinta o caracteristica mecanica rigida.

Pot fi alimentate si in curent continuu, fiind

considerate motoare universale.

Motoarele asincrone trifazate duble sunt alcatuite dintr-un rotor central tip colivie amplasat pe arborele motor,

un rotor intermediar prevazut la interior cu infasurari statorice iar la exterior tip colivie, si un stator cu infasurari

normale. Avand o singura pereche de poli fiecare rotor realizeaza o turatie de sincronism de 3000 rot/min, astfel

incat rotorul central se va roti cu o turatie apropiata de 6000 rot’min, deci dubla fata de un motor obisnuit.

Motoare de curent alternativ trifazate cu colector cu alimentare în rotor (Schrage)

Rotorul - are două înfăşurări separate pe fiecare fază: prima, dispusă la baza crestăturilor, constituie primarul unui

transformator rotativ în Δ alimentată de la reţea prin trei inele colectoare; înfăşurarea secundară, dispusă peste primar,

este, o înfăşurare cu prize multiple cu capetele legate la ploturile unui colector. Tensiunea indusă în înfăşurarea

secundară este culeasă de două seturi de perii A şi B şi aplicată la înfăşurarea statorică trifazată. Periile au poziţia

unghiulară β reglabilă, astfel că tensiunea U, de frecvenţă relativă f2 este reglabilă.

Apar urmatoarele situaţii:

- unghiul β pozitiv – se obţine rotire într-un sens, cu turaţie

suprasincronă faţă de Ur;

- unghiul β=0 (periile A şi B se află pe aceeaşi lamelă) - motor

asincron cu înfăşurarea indusului (stator) în scurtcircuit

(alunecarea depinde de rezistenţa înfăşurării statorice);

- unghiul β negativ – rezultă rotire în sens invers.

Pentru -180° < β < +180°, turaţia –n max < n < +n max ,

cu | n max = 2.no |. Pentru reducerea solicitărilor se limitează

turaţia la intervalul 0,5 no < n < 1,5 no.

Avantaje:- curentul absorbit este proporţional cu cuplul; caracteristica rigidă, ca a motorului de curent continuu cu

excitaţie derivaţie la reglarea fluxului de excitaţie ; cuplu mare de pornire Mp =(2 - 2,5).Mn, la curent de pornire mic ,

Ip < 2,5.In fiind posibilă pornirea directă până la puterea P = 60 [KW] ; raport de reglare a turaţiei până la 10/1 (chiar

50/1 la puteri mici);- sunt economice în exploatare.

Dezavantaje: sunt scumpe; au timp de pornire mare.

Arborele electric Arborele electric este un grup de maşini electrice interconectate în vederea sincronizării a două mişcări

realizate la distanţă, fără utilizarea unor legături mecanice.

Exemplul 1 – arbore electric realizat cu patru maşini electrice :

- m 1 , m 2 - motoare asincrone de actionare, cu rotor tip colivie;

- m 3 , m 4 - motoare asincrone cu rotorul bobinat, cu înfăşurările identice si legate în opoziţie.

Dacă: n1 = n2 (funcţionare sincronă), tensiunile electromotoare E3 si E4 induse în rotoarele lui m3 si m 4 sunt egale

si opuse, deci curenţii rotorici sunt nuli;

Dacă: n2 < n1, tensiunile electromotoare E3 si E4 nu mai sunt în antifază, rezultă tensiumea E ≠ 0 şi curentul

I= I3 +I4 . Se observă că I3 este în fază cu E3, dar I4 este în antifază cu E4 , deci m3 va lucra ca generator alimentand,

masina m 4, care va lucra ca motor, accelerând mişcarea n2 până ce din nou se obţine egalitatea n1 = n2 .

Această variantă se foloseşte atunci când puterile la cele două mişcări sunt aproximativ egale şi mari.

Dacă un motor acţionează un lanţ cinematic principal şi altul un lanţ cinematic de avans, se poate folosi un

arbore electric cu 3 maşini, sau chiar cu doua masini electrice:

Intotdeauna n2 < n1, Puteri mici

Masini electrice de curent continuu

Constructie si clasificare. Sunt formate dintr-un stator sau inductor, care poartă bobinele de excitaţie şi un rotor sau indus având înfăşurările legate la un colector cu perii, alimentate de la o sursă de curent continu. După modul de alimentare a inductorului se deosebesc patru tipuri de motoare de curent continuu: Cu excitatie serie: I = Ie = Ir = f(M) Cu excitaţie derivaţie: I = Ie + Ir ; Ie = ct.,Ф = ct. Caracteristică mecanică foarte elastică şi neliniară Caracteristică naturală (cn) rigidă şi liniară. Cu excitaţie separată: Ie , Ir,- reglabili independent Cu excitaţie mixtă: Ir = Ies ; I = Iep +Ir .

Caracteristică naturală rigidă, Motorul dispune de două fluxuri de excitaţie- serie şi Posibilităţi largi de reglare a turaţiei paralel - cu posibilităţi de reglare independentă.

Motoare de curent continuu cu excitaţie derivaţie Sunt mai raspândite, deoarece asigura o caracteristica mecanica rigida şi ofera posibilitaţi largi de reglare a turatiei:

Caracteristicile mecanice se obtin aplicand circuitului rotoric legea a doua a lui Kirchhoff : E = U - RR. IR .

Cum: E = ke . Ф . n , iar: M = km . Ф . IR , de unde: I = M / km . Ф ,

inlocuind, se obtine:

, in care:

U - tensiunea de alimentare; RR - rezistenta circuitului rotoric ;

Ф - fluxul de excitatie ; M - momentul motor ; Ke, Km -constante,

Expresia reprezinta ecuaţia unei drepte cu pantă inversă şi

ordonata la origine: no =U / ke . Ф.

1 – caracteristica naturala a motorului, care se prelungeste cu

caracteristica de generator recuperativ;

este o caracteristica rigida;

2 – caracteristici artificiale rezistive, obtinute prin introducerea de

rezistoare in circuitul rotoric; sunt caracteristici elastice;

3 – caracteristici artificiale de flux, obtinute prin reducera curentului

de excitatie; sunt caracteristici mai putin rigide ca cea naturala;

4 – caracteristici artificiale de tensiune, obtinute prin reducerea

tensiunii de alimentare; sunt caracteristici rigide;

5 – caracteristica masinii ca generator;

6 - caracteristica masinii ca motor cu rotatia in sens invers

M**K*K

R

*K

U

*K

I*RU

*K

En

2

me

r

ee

rr

e

Pornirea motorului de curent continuu

La pornire, la punerea motorului sub tensiune, deoarece n = 0 şi E = ke . Ф . n, rezulta E=0, iar din relaţia

tensiunilor rezulta: U = RR . IRpmax , deci curentul de pornire maxim este IRpmax = U / RR . Deoarece RR este mică, la

pornire apar curenţi mult mai mari decât curentul nominal IRn , IRpmax = ( 8 - 20 ) IRn , conform figurii.

IRMM – curentul de pornire maxim – maximorum (apare cand rotorul

este blocat intentionat); ta – timpul de pornire (de accelerare a miscarii).

Motoarele de mica putere, in principiu sub 1 [Kw], pot fi pornite

direct prin conectarea la sursa de alimentare.

La puteri mari, pentru limitarea socului electric si mecanic la

pornire, se impune: IRpmin.adm < IRpmax < IRpmax.adm , asigurata prin

metoda de pornire indirecta.

Schema de pornire directă cu reversarea sensului

IE – infasurare de excitatie;

d – releu de curent nominal, pentru prevenirea pornirii

motorului fara excitatie (se ambaleaza);

R si D – circuit pentru protectia infasurarii IE la tensiunea

de autoinductie, la intreruperea alimentarii acesteia;

C1 – contactor pentru pornirea spre dreapta;

C2 – contactor pentru pornirea spre stanga.

Inversarea sensului de rotatie al motoarelor de curent

continuu se realizeaza prin inversarea polaritati tensiunii

de alimentare la rotor, prin contactele principale

C11 si C21 .

Pornirea indirectă cu rezistenţe în circuitul rotoric

Se realizeaza prin introducerea în serie cu rotorul a unui reostat de pornire Rp ( a ), sau a unui grup de 2 -5

rezistoare fixe Rp1, Rp2,… (b ), dimensionate astfel ca:

Ponirea se face cu toate rezistoarele înseriate cu rotorul, iar pe măsură ce turatia se accelerează şi curentul scade,

se scurtcircuitează câte o rezistenţă până la eliminarea totală a lor. ; .

Pornirea in 3 trepte intermediare:

(A) ;

(B-C)

(D-E)

(F-G)

(N)

Metoda este neeconomică din punct de vedere energetic.

Socurile de curent depind de numarul de trepte de pornire.

Reostatul sau rezistorele se dimensionează ca putere

pentru o functionare de scurta durata

Pentru respectarea parametrilor de pornire se recomandă ca pornirea să se realizeze automat ,rezistoarele fiind

scurtcircuitate prin contactele unor contactori comandaţi în următoarele moduri:

-în funcţie de turaţia n, prin detectarea tensiunii electromotoare cu ajutorul unor relee de tensiune;

-în funcţie de curentul rotoric, folosind relee de curent;

-în funcţie de timp – folosind relee de timporizare.

admmax__pmax_pmin_p RRRpRRn IIIII

ppp

ipp RRRRR

i

max_0min_01 **

**

21321

pR

ppr

pR

ppprI

K

RRRnI

K

RRRRnn

0I**K

RRnn

max_Rp

pr

o

i

max_0min_02 **

**

121

pR

pr

pR

ppr IK

RRnI

K

RRRnn

max_0min_03 **

**

1

pRr

pR

pr IK

RnI

K

RRnn

Rn

r

on I**K

Rnn

nRRp II *5,2...5,1

max_

nmin RRp I*1,1...1,3I

Pornirea prin reglarea tensiunii de alimentare

Este folosită mai ales atunci când este necesară şi reglarea turatiei şi constă în variaţia continuă sau în trepte a

tensiunii la perii, 0 <U< Un , fluxul de excitatie ramanand constant, Ф = Фn.

Reglarea continuă a tensiunii U se poate realiza in urmatoarele moduri:

- cu convertizor rotativ – se aplică numai când este necesară şi reglarea turatiei n în limite foarte largi;

- cu convertizor static, care poate fi: - cu amplificator magnetic; - cu redresor comandat;- cu variatoare electronice.

Reglarea în trepte a tensiunii U se realizează prin transformator cu prize în secundar si redresor.

Reglarea se face pe baza relatiei: , in care este ordonata la origine.

(A) - ,=>

( B-C )- ;

(D-E )- ;

(F-G )- ;

(N ) –

Comutarea se poate realiza manual sau automat.

rr I*

*K

R

*K

Un

*K

Un i

io

rr R*IUmax_p

max_pmin_p r

r2

r

r1

1I*

*K

R

*K

UI*

*K

R

*K

Un

max_pmin_p r

r3

r

r2

2I*

*K

R

*K

UI*

*K

R

*K

Un

max_pmin_p r

r4

r

r3

3I*

*K

R

*K

UI*

*K

R

*K

Un

n

r4

nI*

*K

R

*K

Un

0I**K

R

*K

Un

max_pr

r1

A

Frânarea motorului de curent continuu În regim de frânare motorul primeşte putere mecanică de la arbore şi putere electrică de la reţea şi le transformă

ireversibil în căldură, dezvoltând totodată un cuplu de franare. Frânarea electrică se foloseşte în următoarele scopuri:

- menţinerea constantă a vitezei atunci când apar cupluri datorate unor forţe potenţiale sau variaza momentul rezistent;

- reducerea vitezei unghiulare impusă de procesul tehnologic sau în scopul opririi;

- menţinerea în repaus a organului de lucru atunci când apar cupluri destabilizatoare.

Avantajele frânării electrice: - lipsa uzurii mecanice; - gabarit redus (lipsesc frânele mecanice); - dezvoltarea unor

cupluri de franare cu valori controlabile; - posibilitatea recuperării parţiale a energiei (transformarea energiei cinetice

in energie electrică).

Metode de frânare electrica: - dinamică (în regim de generator fără recuperarea energiei); - recuperativă (în regim de

generator cu recuperarea energiei); - prin inversarea sensului de rotaţie (propriu-zisă); - cu reostat rotoric.

Frânarea dinamică a motorului c.c. Constă în decuplarea alimentării rotorului şi cuplarea lui pe o rezistenţă de

frânare Rf . Excitaţia fiind cuplată, motorul trece în regim de generator nerecuperativ, energia electrică produsă fiind

consumată (transformată în căldură) pe rezistenţa de frânare. Deoarece U=0 , rezultă:

, deci o

dreapta cu panta inversa ce trece prin origine(caracteristicile 2,3,4,5)

Momentul de franare este maxim pentru Rf =0 (caracteristica 5).

Punerea directa în scurt nu se utilizează datorită şocului termic şi

mecanic la care este supus motorul.

Frânarea dinamică este bruscă, dar Mf scade odată cu scăderea

turatiei , de aceea, pentru o oprire mai rapidă se recomanda

frânarea în trepte (pe caracteristicile 2,3,4,5), prin comutari

controlate automat, mentinand astfel Mf intre limitele admisibile.

2**

*

me

fr

KK

MRRn

Schemă de pornire – frânare dinamica cu o singură treaptă intermediara d1 - releu de curent nominal;

d2 - releu de tensiune pentru pornire; d3 - releu de tensiune pentru frânare;

C1 (C2 )- contactor de pornire (franare). Pornirea se realizeaza prin apasarea butonului b1, prin aceasta fiind alimentata bobina C1. Ca urmare se deschide contactul C13, iar apoi prin inchiderea

contactului C11 se realizeaza pornirea motorului cu rezistenta Rp inseriata cu rotorul. Prin cresterea

turatiei are loc variatia tensiunii la bornele rotorului care este detectata de releul de tensiune d2 , care la

valoarea programata a tensiunii isi inchide contactul d2 , suntând rezistenta de pornire Rp

(se sare din punctul B in punctul C). In continuare motorul functioneaza pe

caracteristica naturala 2. La oprire, prin apasarea butonului b2 se intrerupe

alimentarea bobinei C1, astfel incat, prin deschiderea contactului C11 se intrerupe alimentarea rotorului

(salt din punctul D in E), iar prin inchiderea contactului C13 se alimenteaza releul de tensiune d3

care isi inchide contactul d3. Prin alimentarea bobinei contactorului C2, acesta isi inchide

contactul C2, legand rezistenta de franare Rf in paralel pe circuitul rotoric. Energia electrica

produsa de masina electrica, care trece in regim de generator (caracteristica 3), este transformata in caldura pe rezistenta Rr + Rf pana la anularea

turatiei, cand d3 este eliberat.

Frânarea recuperativă. Are loc în cazul în care motorul conectat la reţea este obligat de mecanismul antrenat să se

rotească cu o turaţie mai mare ca cea de funcţionare: n > no . Deoarece U = k.Ф. no şi E = k.Ф. n, => E > U, deci din

relaţia: Ir = (U - E) / Rr => Ir < 0 si Mf = k.Ф. Ir < 0, deci motorul

trece în regim de generator (din A in B ) consumând energie mecanică si

dezvoltând un cuplu de frânare Mf .

Energia electrică produsă este furnizată reţelei.

Acelaşi efect de frânare recuperativă se obţine şi dacă se reduce

tensiunea de alimentare. Pentru U2 < U1 rezulta n1 < no , deci se

trece de pe caracteristica 1 pe caracteristica 2 (din A in C), pentru care

la turaţia n apare un Mf < 0 ce tinde spre zero pe măsură ce n −> n1 .

Franarea prin contraconectare. Constă în schimbarea sensului de circulaţie a curentului prin indus, realizata

prin schimbarea polarităţii tensiunii la bornele rotorului, in timp ce acesta continua sa se roteasca in sensul initial.

Prin schimbarea polaritatii:U −> -U, Ir −> - Ir , n −> - no si M −> - Mf.

Daca initial: ,

la franare:

Punctul de functionare se deplaseaza din A in B, iar apoi coboara in C.

Frânarea nu este totală, iar oprirea în C este dificilă, aparand

pericolul rotirii in sens invers.

Se lucrează pe caracterisica artificială 3 şi nu pe cea naturală 2 pentru

care apar solicitări electrice şi mecanice inadmisibil de mari.

Mk

RnM

k

R

k

Un rr *

**

** 202

f2

r

0f2

r M**k

RnM*

*k

R

*k

Un

Franarea cu reostat de franare înseriat cu rotorul Se realizeaza cu ajutorul unui reostat R f inseriat cu rotorul , motorul functionand pe caracteristicile artificiale

rezistive, conform figurilor urmatoare:

Daca R f = 0, motorul functioneaza pe caracteristica

naturala 1 in punctul A la turatia n, pentru care momentul

motor este egal cu momentul rezistent: MA = Mr .

Daca R f > 0, si motorul functioneaza pe caracteristica

artificiala 2, punctul de functionare se muta din A in B

pentru care momentul MB < Mr, astfel incat turatia se reduce

pana la anulare in punctul C in care sarcina este mentinuta

in echilibru fortat la punct fix .

Daca R f creste, panta caracteristicii creste, momentul

motor devine mai mic decat cel rezistent, M < Mr ,

si sistemul intra in decelerare, turatia scazind , putand sa

devina chiar negativa .

Daca R f scade, panta caracteristicii scade si turatia.

creste.

Asadar, la sarcina constanta, Mr = ct., prin reglarea

curentului rotoric se poate regla turatia in ambele sensuri,

sau se poate mentine sarcina la punct fix .

Reglarea turaţiei motorului de curent continuu

Motoarele de curent continuu sunt mai avantajoase în raport cu motarele de curent alternativ în ceea ce

priveste reglarea vitezei, având un domeniu de reglare mai mare şi fiind mai economice.

Caile de actiune pentru reglarea turatiei rezulta din relatia:

, fiind urmatoarele:

- prin reglarea curentului rotoric Ir , cu reostatul Rs;

- prin reglarea fluxului de excitatie Ф, prin reglarea Ie cu reostatul Re;

- prin reglarea tensiunii de alimentare U.

Reglarea turatiei prin reglarea curentului rotoric Ir se face in baza relatiei :

, conform

figurilor urmatoare, prin reglarea curentului

rotoric Ir cu reostatul serie Rs, prin aceasta

modificandu-se panta caracteristicii

mecanice, astfel incat la moment Mr constant

se modifica turatia n .

rr I*

*K

R

*K

Un

rsr I

k

RR

k

Un *

vb

Reglarea turatiei prin reglarea fluxului de excitatie Ф se poate face in doua moduri: - cu reostatul Re inseriat cu infasurarea de excitatie IE, sau prin alimentarea acesteia de la o sursa separata de tensiune reglabila U e. var. Motorul functioneaza pe caracteristici de flux de tipul 1, 2,…, pentru care prin scaderea Ф creste ordonata la origine no si panta m . Reglarea trebuie facuta respectand hiperbola de putere constanta . Reglarea turaţiei prin variaţia tensiunii de alimentare U. Metoda presupune o sursă proprie de alimentare a motorului, de tensiune reglabilă, şi se foloseşte atunci când se cere un domeniu larg de reglare a turatiei. Sursa poate fi: - un generator rotativ de c.c.; - o instalaţie de redresare cu tensiune reglabilă. Cum: , unde: reprezinta ordonata la origine, care este functie de tensiunea de alimentare U. Se obţine un domeniu larg de reglare a turaţiei la m = ct.

rr I*

*K

R

*K

Un

*K

Uno

Grupul generator - motor (Ward - Leonard) Este un sistem de masini electrice interconectate care permite reglarea turatiei motoarelor de curent continuu

la puteri mari si in limite foarte largi, in ambele sensuri de miscare. Se compune din urmatoarele elemente:

Mca- motor de curent alternativ trifazat, ce antrenează cele două generatoare de c.c.: E - excitatrice pentru alimentarea

infasurarilor de excitatie IEG şi IEM ; G- generator pentru alimentarea Mcc. Mca, G şi Mcc au puteri aproximativ egale,

iar E este de putere mult mai mică ( poate fi înlocuită cu un redresor la instalaţiile staţionare).

Prin reglarea ReE se reglează ФEE şi deci tensiunea UE de excitaţie a G şi Mcc. Prin reglarea ReG se reglează

ФEG , deci tensiunea U de alimentare a motorului Mcc . Inversarea polarităţii U, deci a sensului de rotaţie a Mcc, se

face prin perechile de contacte C1 şi C2 prin care se inversează ФEG (prin ReG se reglează deci turaţia n ).

Prin reglarea ReM se reglează ФEM , deci turaţia motorului Mcc . Uneori inversarea sensului Mcc se face prin

inversarea ФEM (prin inversarea polarităţii UE la IEM ).

Avantaje: -reglarea continuă a turaţiei în limite largi; -posibilitatea frânărilor lente sau bruşte (eventual cu recuperarea

energiei); -regimuri tranzitorii scurte; -utilizarea unor reostate de mică putere, deci cost redusşi randament ridicat;

Dezavantaje: -necesită cel puţin 3 maşini electrice; -puterea este de circa 3 ori mai mare ca cea necesară la ML, deci

randament global redus.

Utilizări: -maşini unelte mari; -laminoare; -macarale mari; -ascensoare rapide; -transport feroviar şi maritim.

Motoare electrice pas cu pas Motoarele pas cu pas sunt motoare sincrone modificate prevăzute cu un număr de înfăşurări de comandă alimentate

cu un sistem “m” fazat de impulsuri de tensiune dreptunghiulară. Mişcarea rotorului constă în deplasări unghiulare

elementare successive (pasi) de mărime determinată constructiv şi dependenta de modul de comandă.

M.e.p.p. se clasifică în funcţie de construcţia circuitului magnetic şi de numărul înfăşurărilor de comandă. Se

deosebesc două tipuri de bază:

- m.e.p.p de tip reactiv, cu rotorul format numai dintr-un jug confecţionat din tole;

- m.e.p.p. de tip activ, cu rotorul format din jug plus magneţi permanenţi sau electromagneţi, care pot fi:

- polifazate, sau – polistatorice (mai raspandite).

Principiul constructiv si functional al m.e.p.p. polistatorice este redat in figura urmatoare . Fiecare stator are un

număr de poli (dinţi) z şi câte o înfăşurare de comandă alimentată în

curent continuu ce asigură la stator o succesiune de poli magnetici N-S-N....

Cele “m” statoare sunt dispuse coaxial, cu polii pe aceeaşi generatoare,

avand pasul unghiular polar Өp care se calculeză cu relaţia: Өp = 360 / z.

Cele “m” rotoare, executate din pachete de tole, au pe circumferinţă

acelaşi număr de poli z, dar decalati unghiular cu unghiul Ө = Өp / m , care

reprezinta incrementul de deplasare al motorului pas cu pas.

Alimentând înfăşurările statorice după schema de comandă: 1-2 3-1-2-3-1,

ş.a.m.d., rotorul se va roti spre dreapta cu pasul Ө, iar pentru schema de

comandă: 1-3-2-1-3-2, ş.a.m.d. rotorul se va roti spre stânga cu acelasi pas.

Utilizând alte scheme de comandă a fazelor motorului putem realiza

“divizarea electrică” a pasului acestuia, fiind deci posibilă realizarea unor

paşi unghiulari mai mici (Ө / 2; Ө / 3, etc.) .

Echipamente de comandă a m.e.p.p.

Pentru comanda m.e.p.p. sunt necesare echipamente de comandă şi acţionare specifice, având schema bloc din figura, in care: DI – distribuitor de impulsuri pentru realizarea schemei de comandă necesara, având două intrări: 1- de frecvenţă, 2- comandă sens; A1;A2;A3 – amplificatoare de putere pe faze, pentru alimentarea înfăşurărilor motorului, cu sau fără forţarea păşirii; F1;F2;F3 – înfăşurările statorice (fazele) m.e.p.p., parte integrantă din motor. D.I. împreună cu A1,A2,A3 alcătuiesc echipamentul de comandă şi acţionare (ECAPP) specific motorului. Sistem de acţionare după o axă folosind un m.e.p.p. Pentru a realiza deplasarea sau poziţionarea pe o axă, utilizând un m.e.p.p., se poate folosi următoarea structură de comandă , în care: G.I. – generator de impulsuri; D.C. – dispozitiv de comandă; ECAPP – echipament specific m.e.p.p; MEPP – motor electric pas cu pas; S – şurub pentru transformarea mişcării de rotaţie în translaţie; M – masă mobilă; G – ghidaj. Pentru un număr de impulsuri ni, de frecventa f, unghiul de rotatie φ al m.e.p.p.se calculează cu relaţia: φ = ni .Ө = ni .360 / z . m [°] ; viteza unghiulara: ώ= f . Ө = 2 . π . f / z . m [rad/s]; pasul miscarii liniare: s = ps . Ө / 360 = ps / z . m [mm]; lungimea cursei liniare: l = s . ni = ps . ni / z . m [mm], si viteza liniara: v = f . s = f . ps / z . m [mm/s]. Amplificatoare electrohidraulice pas cu pas. Sunt agregate electrohidraulice care îmbină avantajele m.e.p.p. (frecvenţe mari de comandă) cu cele ale motoarelor hidraulice (cupluri mari de acţionare). Ele sunt alcătuite dintr-un m.e.p.p. de mică putere care comanda un distribuitor hidraulic de urmărire prin care se reglează debitul de alimentare al unui motor hidraulic rotativ (sau liniar) utilizat ca amplificator de cuplu (forţă).