COLEGIUL TEHNIC MOTRU

JUDETUL GORJ

LUCRARE

DE

ABSOLVIRE

CLASA: a XII-a H

PROFILUL: ELECTRIC

SPECIALIZARE: TEHNICIAN IN INSTALATIILE ELECTRICE

COORDONATOR PROF.

CHITULESCU

NICULINA

ABSOLVENT,

IOSU MADALIN ALEXANDRU

2016

2

TEMA: SCHEME DE

ALIMENTARE SI

COMANDA

PENTRU GRUPUL

GENERATOR

MOTOR

3

Cuprins

Argument ............................................................................................................... 1

1. Caracteristici de pornire .................................................................................. 2

2. Caracteristicile de functionare in sarcina ........................................................ 6

3. Caracteristicile de reglare a vitezei ............................................................... 11

Concluzie ............................................................................................................. 16

Bibliografie .......................................................................................................... 17

1

ARGUMEN

Motoarele electrice de curent continuu sunt masinile uzuale în actionarile cu reglaj continuu al

vitezei. Cunoasterea comportarii lor în momentul pornirii si la functionarea în sarcina, reglajul

vitezei si frânarea instalatiilor actionate sunt importante pentru configurarea corecta a sistemelor

de actionare .

a) Caracteristicile de pornire se refera la variatia în timp a curentului în procesul de pornire,

evaluarea raportului dintre valoarea maxima a curentului si curentul nominal, evaluarea timpului

de pornire, variatia în timp a cuplului si evaluarea raportului dintre cuplul maxim si cuplul nominal;

extinderea acestora se refera la metodele de reducere a socului de curent si a socului de cuplu în

procesul de pornire.

b) Caracteristicile de functionare sunt relatii între marimile principale care caracterizeaza

functionarea motorului, cuplul M, turatia n, curentul I, puterea utila P2 si randamentul , în

conditiile mentinerii constante a tensiunii de alimentare, de regula la valoarea nominala, Ub = Ubn.

În principal este vorba despre:

- caracteristicile de functionare propriu-zise: n, M, = f(P2);

- caracteristica de viteza, n(I), sau n(Ie);

- caracteristica mecanica, n (M).

c) Caracteristicile de reglare a vitezei se refera la metodele de reglare a vitezei, domeniul

de reglare a vitezei (nmin , nmax) si aprecierea economicitatii acestor metode.

d) Caracteristicile de frânare se refera la metodele prin care masina de curent continuu se utilizeaza pentru frânarea instalatiilor actionate, cu sau fara recuperarea energiei cinetice sub forma de energie electrica.

2

CAPITOLUL I

1. Caracteristici de pornire

Daca se neglijeaza caderea de tensiune la perii, ecuatia de regim permanent a circuitului

rotoric alimentat cu tensiunea Ub este:

Considerând cazul motorului cu excitatie independenta sau derivatie, în care înfasurarea de

excitatie a mai fost alimentata anterior conectarii circuitului rotoric, fluxul magnetic poate fi

considerat a fi o marime constanta, independenta de timp. În acest caz ecuatia de regim

tranzitoriu a circuitului rotoric este:

unde LA este inductivitatea circuitului rotoric, iar iA(t), n(t) valorile instantanee ale curentului

rotoric si turatiei.

Cuplul electromagnetic instantaneu fiind,

,

ecuatia dinamicii rotorului este :

unde Mr este cuplu rezistent ce trebuie învins de catre cuplul electromagnetic, iar J momentul de

inertie al ansamblului în miscare.

În primele momente ale pornirii, când este valabila inegalitatea

, variatia curentului rotoric este aproximata de ecuatia:

,

3

a carei solutie satisface conditia initiala, iA(0) = 0. Solutia iA(t) evidentiaza cresterea exponentiala

a curentului de la valoarea zero la valoarea stabilizata IAmax = Ub/RA, caracterizata de constanta de

timp electromagnetic151j98b 9;A = LA/RA.

Viteza de variatie a curentului se reduce în timp, iar turatia creste, asa ca ulterior primelor

momente ale pornirii se poate admite aproximatia . Înlocuind expresia

curentului:

rezulta ecuatia ce aproximeaza variatia turatiei în conditiile precizate:

Aceasta ecuatie ofera expresia constantei de timp a regimului tranzitoriu mecanic:

Deaoarece aceasta constanta de timp are valori mult superioare constantei de

timp electromagnetice A , cele doua regimuri tranzitorii, electromagnetic si mecanic pot fi

aproximate ca fiind succesive. Astfel, variatia curentului în indus în intervalul de pornire, fig. 2.58

este:

- initial,rezultatul regimului

electromagnetic tranzitoriu, în care curentul

creste de la zero la o valoare maxima,

având expresia aproximativa:

- ulterior, rezultatul regimului mecanic tranzitoriu, în care

4

curentul:

scade, datorita cresterii exponentiale a turatiei n(t).

Fenomenele sunt mai complexe atunci când înfasurarea de excitatie se conecteaza simultan

cu circuitul indusului. Fluxul magnetic nu mai este constant în timp, creste si el exponential în

timp de la valoarea rem la valoarea de regim permanent. Aceasta variatie are însa o constanta de

timp ex mult mai mare decât constanta de timp A a circuitului indusului, întrucât inductivitatea

excitatiei este importanta. Daca aceasta constanta de timp este comparabila sau mai mare decât

constanta de timp mecanica m, atunci poate rezulta un fenomen de ambalare a motorului,

respectiv de crestere a turatiei peste valoarea de regim permanent.

Reluarea rationamentului de mai sus pentru cazul motorului cu excitatie serie tine cont de

faptul ca fluxul inductor este proportional cu curentul indus, = k iA.

socul de curent Imax Ub/RA la pornire, de (5.6) In , poate fi uneori inadmisibil pentru

sursa de alimentare. socul de cuplu corespunzator , aflat în acelasi raport ca si curentul cu cuplul

nominal, poate fi uneori periculos pentru elementele cinematice ale instalatiei actionate. Valoare

ridicata a curentului de pornire poate fi în afara zonei de comutatie corecta, ceea ce înseamna

aparitia de scântei sau chiar "cerc de foc" la colector. Rezulta asadar necesitatea de a studia

metode de pornire în care aceste efecte nedorite sa fie atenuate sau chiar eliminate.

5

a) Pornirea cu reostat de pornire se aplica la toate tipurile de motoare, atunci când sursa

de alimentare asigura tensiune la borne Ub constanta. În cazul ca circuitul indusului se înseriaza cu

un reostat cu mai multe trepte de rezistenta, , fig. 2.59, expresia turatiei este:

Caracteristica n(IA) pentru Rp = 0 se numeste caracteristica naturala, celelalte fiind

denumite caracteristici artificiale. Panta caracteristicilor n(IA) pentru diverse valori k ale numarului

de trepte de rezistenta în circuit creste pe masura ce numarul k creste.

Figura 2.60 evidentiaza modul în care se coreleaza numarul de trepte ale reostatului de

pornire si valorile rezistentelor treptelor astfel încât în procesul de pornire cu acest reostat

curentul sa varieze între doua limite impuse (IAmax, IAmin). Valoarea Rp a rezistentei totale a

reostatului de pornire rezulta din conditia ca dependenta n(IA) corespunzatoare, sa treaca prin

punctul A, fig. 2.60. Pe masura ce turatia creste, curentul absorbit scade de la IAmaxla IAmin,

respectiv se trece din punctul A în B, fig. 2.60; în momentul corespunzator punctului B, urmare a

scurtcircuitarii unei trepte de rezistenta curentul variaza brusc de la IAmin la IAmax, respectiv se

trece din punctul B în C, fig. 2.60. Apoi în momentul în care curentul a scazut la valoarea IAmin se

scurtcircuiteaza o alta treapta si se parcurg succesiv starile DEFGHK, dupa care masina

functioneaza pe caracteristica maturala, curentul reducându-se de la IAmax la valoarea

corespunzatoare sarcinii de regim permanent, de exemplu In , fig. 2.60.

b) Pornirea cu tensiune de alimentare reglabila se aplica în instalatiile care necesita si

reglajul turatiei prin modificarea acestei tensiuni. O alta justificare a acestei solutii în cazul

motoarelor de putere mare o reprezinta dimensiunile si pierderile de energie exagerate în

reostatele de pornire.

6

CAPITOLUL II

2. Caracteristicile de functionare în sarcina

Cele doua tipuri principale de motoare de curent continuu, cu excitatie derivatie si cu excitatie serie au unele caracteristici de functionare în sarcina diferite, motiv pentru care vor fi analizate separat.

Motorul derivatie

a) Caracteristica vitezei în functie de curentul de excitatie, n(Ie), pentru Ub = constant si Mr = 0, denumita si caracteristica vitezei la mersul în gol, indica posibilitatea de reglaj al turatiei acestui tip de motor prin modificarea fluxului inductor. Variatia rezistentei reostatului de câmp Rc, fig. 2.61, de la valoarea zero catre o valoare maxim admisibila, impusa de turatia maxim admisibila a masinii sau a instalatiei, face ca turatia sa creasca conform relatiei:

Variatia n(Ie) este hiperbolica atâta timp cât circuitul magnetic este nesaturat si fluxul

este proportional cu curentul de excitatie, = kIe , fig. 2.62. Atunci când curentul de

excitatie tinde spre valori foarte reduse, turatia creste nepermis de mult; totusi limita

acesteia pentru Ie = 0 nu este infinita, deoarece fluxul se mentine la valoarearem,

iar curentul indus IA atinge o astfel de valoare încât termenul RAIA nu mai este

neglijabil în raport cu Ub.

b) Caracteristica vitezei la mersul în sarcina, n(I) , fig. 2.63, pentru Ub = constant si Ie =

constant, are expresia matematica data de relatia:

7

,

S-a tinut cont în succesiunea de egalitati de

mai sus de faptul ca curentul de excitatie este chiar si

la functionarea în gol mult mai mic decât curentul în

indus. Daca masina este necompensata din punctul de vedere al reactiei indusului, considerata a fi

demagnetizanta, fluxul magnetic scade în raport cu fluxul magnetic inductor pentru valori

importante ale curentului I si caracteristica n(I) are alura

Fig. 2.63 reprezentata cu linie întrerupta în figura 2.63.

c) Caracteristica mecanica este dependenta turatiei în functie de cuplul rezistent la ax,

n(Mr), pentru Ub = constant si Ie = constant. Din expresiile:

si ,

rezulta:

,

unde s-a notat cu n0 turatia de mers în gol, pentru cuplu rezistent nul. Cuplul de pornire, pentru n

= 0, are expresia:

În functie de acesta, caracteristica mecanica are

expresia:

Cuplul de pornire, care este proportional cu

curentul de pornire, este de 5..6 ori cuplul

8

nominal; prin urmare panta caracteristicii mecanice n(Mr), fig. 2.64, este redusa. Aceasta

înseamna ca turatia motorului derivatie scade relativ putin în sarcina în raport cu valoarea de

functionare.

Pentru diferite valori ale curentului de excitatie se obtin o familie de caracteristici

mecanice, caracterizate de turatii de mers în gol cu atât mai mari cu cât curentul de excitatie este

mai mic.

d) Caracterisitcile de functionare propriu-

zise reprezinta dependentele turatiei n, ale cuplului

M la ax si a randamentului în functie de puterea

utila P2, pentru tensiune la borne Ub si curent de

excitatie Ie constante.

Caracteristica n(P2) are alura caracteristicii

n(I) , deoarece P1 = UbI este puterea absorbita,

care în sarcina difera relativ putin de puterea utila P2. Pentru P2 = 0 turatia are

valoarea n0 = Ub / ke , întrucât RAIA << Ub.

Dependenta M(P2) este practic o dreapta, deoarece M = P2/ = 60P2/2n si turatia n este

putin dependenta de P2.

Motorul cu excitatie serie

Curentul de excitatie, curentul prin indus si curentul absorbit, fig. 2.66, au aceeasi valoare,

Fig. 2.67

9

a) Caracteristicile vitezei la mersul în sarcina , n(I), pentru Ub = constant are expresia

matematica data de relatiile:

.

Pentru valori reduse ale sarcinii, dependenta (I) este liniara, = k I, rezultând:

Aceasta înseamna o variatie practic hiperbolica a turatiei în functie de curentul absorbit, fig.

2.67. Datorita saturarii circuitului magnetic, la sarcini importante fluxul creste putin la cresterea

curentului. Scaderea turatiei devine practic liniara, cu o panta redusa, data de rezistenta totala

(RA+ Re).

b) Caracteristica mecanica, n(M), pentru Ub = constant, rezulta pe baza expresiilor:

Rezulta:

dependenta care are alura grafica din figura

2.68. Spre deosebire de motorul derivatie, a carui

turatie variaza nesemnificativ în functie de cuplul de

sarcina, despre care se afirma ca are o caracteristica

mecanica rigida, motorul serie are o caracteristica

mecanica elastica, supla. Aceasta adaptabilitate

naturala a turatiei în raport cu sarcina, în sensul

scaderii turatiei pe masura cresterii sarcinii, este favorabila utilizarii motorului în tractiunea

electrica.

10

Se remarca însa ca regimul de gol, când Mr 0, trebuie tratat ca un regim de avarie, ca

urmare a cresterii turatiei;

Motorul cu excitatie compund

În functie de modul de asociere a celor doua solenatii de excitatie, serie s si derivatie d ,

fig. 2.69, în sensul ca fluxurile ce le determina sa fie aditionale, respectiv diferentiale, si în functie

de ponderea acestora în fluxul inductor total, motorul cu excitatie compund poate avea

caracteristici diferite, în raport cu motoarele derivatie si serie.

Fig. 2.69 Fig. 2.70

Atunci când predominanta este excitatia derivatie si excitatia serie este diferentiata, ceea ce face ca fluxul inductor sa scada pe masura cresterii sarcinii, caracteristica mecanica poate fi rigida; curba (a) din figura 2.70 corespunde acestui caz, în care turatia ramâne practic neschimbata la cresterea sarcinii. Pentru excitatie serie diferentiala si mai puternica, motorul are o caracteristica de tipul (b), în care turatia creste odata cu cuplul dezvoltat. Daca excitatia derivatie este predominanta, iar excitatia serie este aditionala, atunci rezulta o caracteristica mecanica tip derivatie, (c), fig. 2.70, dar mai elastica, în sensul scaderii mai pronuntate a turatiei cu sarcina. Atunci când excitatia serie este predominanta, iar înfasurarea derivatie este conectata aditional, caracteristica tipic serie, fig. 2.68, este corectata, în sensul limitarii turatiei la valori mici ale cuplului si al reducerii vitezei de scadere a turatiei la cresterea cuplului.

11

CAPITOLUL III

3. Caracteristicile de reglare a vitezei

În cazul general, în care indusul este înseriat cu un reostat de rezistenta reglabila Rs ,

ecuatiile de functionare conduc la expresia turatiei:

Aceasta expresie pune în evidenta urmatoarele posibilitati de reglare a turatiei la un cuplu de

sarcina Mr dat:

- variatia rezistentei reostatului de reglaj Rs;

- modificarea fluxului magnetic ;

- variatia tensiunii de alimentare Ub.

Reglajul turatiei prin cresterea rezistentei circuitul indusului. În cazul motorului

derivatie compensat, al carui flux magnetic este independent de curentul de sarcina, expresia:

arata cresterea pantei caracteristicii mecanice n(Mr) odata cu cresterea rezistentei Rs. Aceasta este

12

o posibilitate de reducere a turatiei, cu atât mai consistenta cu cât regimul de sarcina este mai

important, fig. 2.71.

În cazul motorului serie IA = Ie = I. Daca sarcina este suficient de redusa pentru a

considera fluxul proportional cu curentul IA , respectiv ca motorul este nesaturat, ,

atunci expresia caracteristicii mecanice în prezenta reostatului de reglaj Rs este:

Daca la sarcini mari, motorul se satureaza atât de mult încât fluxul magnetic poate fi

considerat independent de sarcina = constant, atunci variatia n(Mr) este liniara, ca si la motorul

derivatie.

La un cuplu de sarcina dat turatia se reduce pe masura cresterii rezistentei Rs, fig. 2.72.

Deoarece puterea utila scade odata cu scaderea turatiei, randamentul actionarii scade,

puterea dezvoltata în reostatul Rs reprezentând o componenta de pierderi a bilantului conversiei

electromecanice a energiei.

13

Reglajul turatiei prin modificarea fluxului inductor. Modificarea fluxului inductor presupune

modificarea curentului de excitatie. Ca urmare a saturarii circuitului magnetic, cresterea acestui

curent în raport cu valoarea nominala la motorul derivatie determina o crestere moderata a

fluxului, efectul asupra reducerii turatiei fiind slab. Metoda este prin excelenta o metoda de

crestere a turatiei prin slabirea fluxului inductor. În general se foloseste pentru cresterea turatiei

pâna la nu mai mult de doua ori valoarea nominala. Peste aceasta limita, datorita reactiei

indusului, slabirea câmpului magnetic inductor poate avea efecte negative asupra stabilitatii si

comutatiei.

Reostatul de câmp Rc, prin actionarea caruia se modifica fluxul inductor, respectiv curentul

de excitatie Ie , este un reostat în serie cu înfasurarea de excitatie în cazul motorului derivatie, fig.

2.73, respectiv în paralel cu înfasurarea de excitatie la motorul serie, fig. 2.74.

Fig. 2.73 Fig. 2.74

14

Cele doua metode, prin cresterea rezistentei circuitului indusului si prin scaderea fluxului inductor

sunt complementare în raport cu sensul de reglaj al turatiei.

Reglajul turatiei prin modificarea tensiunii de alimentare are ca exemplu tipicactionarea

Ward - Leonard, respectiv grupul motor asincron - generator de curent continuu - motor de curent

continuu, fig. 2.75. Turatia ansamblului motor asincron M3~ - generator - excitatrice E este

practic independenta de regimul de sarcina, respectiv de cuplul rezistent la axul motorului care

antreneaza instalatia de actionat M.

Modificarea turatiei motorului M strict prin modificarea tensiunii la bornele indusului sau are loc

prin reglajul reostatului de câmp Rcg, care modifica de fapt curentul de excitatie al generatorului G

si prin urmare, tensiunea indusa. Turatia n a grupului s e poate regla si prin modificarea fluxului

inductor al motorului M, respectiv actionând asupra reostatul Rcm.

Actionarea este reversibila, sensul de rotatie putând fi inversat prin schimbarea pozitiei

oricaruia dintre cele doua inversoare k1, k2, fig. 2.75.

Aceleasi proprietati ale actionarii ofera acum o solutie mult mai ieftina, mai economica si

mai fiabila, care foloseste ca sursa de alimentare a indusului motorului un redresor comandat cu

tiristoare. Cel mai simplu redresor comandat, fig. 2.76, este constituit dintr-un transformator

trifazat, trei tiristoare T1, T2, T3 si bobina de netezire L a curentului debitat pe indusul motorului.

15

În cazul în care unghiul de comanda al intrarii în conductie a celor trei tiristoare este

zero, c = 0, acestea au comportament de diode; va conduce întotdeauna acel tiristor care are

potentialul anodului mai pozitiv decât celalalte. Întrucât curentul este mentinut constant în circuit

ca urmare a valorii mari a inductivitatii L, fiecare tiristor va conduce acest curent un interval de

timp t = T/3, T fiind perioada tensiunii. Curentul fiind constant, tensiunea la bornele indusului

este de asemenea constanta si egala cu valoarea medie a tensiunii redresate, fig. 2.76 b).

Daca se întârzie comanda de trecere în conductie a tiristoarelor, de exemplu c = 60, fig.

2.76 c), tiristorul comandat va continua sa conduca si dupa trecerea naturala prin zero a tensiunii

corespunzatoare, pâna la intrarea în conductie a tiristorului urmator, deoarece tensiunea de

autoinductie a bobine L tinde sa pastreze constant curentul continuu în circuit. Se observa

ca în acest caz valoarea medie a tensiunii Ub la bornele indusului scade pe masura ce c creste,

ajungând sa fie nula pentru c = 90, fig. 2.76 d). Pentru c > 90, valoarea medie a tensiunii

Ub schimba de semn. Se obtine astfel prin modificarea unghiului de comanda un reglaj comod,

continuu, economic si în limite foarte largi al turatiei.

16

Concluzii

Mașina sincronă este tipul de mașină electrică rotativă de curent alternativ care, pentru o

tensiune la borne de frecvență dată, funcționează cu o turație riguros constantă. Regimul de bază în

funcționarea mașinii sincrone este regimul de generator electric, la fel cum regimul de motor

este cel de bază pentru mașina asincronă. Mașina sincronă în regim de generator reprezintă baza

economică a producerii energiei electrice în toate centralele electrice actuale. În acest regim

de funcționare mașinile sincrone ating cele mai mari puteri nominale fiind cele mai mari mașini

electrice construite de om. Consideratii economice pledează pentru creșterea neîncetată a puterii nominale a

generatoarelor sincrone (scad investitiile specifice în lei/kW, crește randamentul). Cele mai

mari mașini sincrone actuale au atins puteri de 1200MW ca turbogeneratoare și 700MW ca

hidrogeneratoare. Regimul de motor sincron se folosește mai cu seamă datorită avantajelor față de

motoarele asincrone (randament mai ridicat, factor de putere mergând pâna la unitate, cuplu invariabil cu

turatia întrefier mai mare).

17

BIBLIOGRAFIE 1. BĂLĂ, C. ,,Maşini electrice”, Bucureşti, E.D.P., 1982

2. DORDEA, T. ,,Maşini electrice”, Bucureşti, E.D.P., 1980

3. FRANSUA, A., MĂGUREANU, R.,,Maşini şi acţionări electrice-Îndrumar de laborator”,

Bucureşti,I.P.B, 1982

4. SORAN, I. F.,Acţionări electrice,Litografia I.P.B.1990

5. TUNSOIU, Gh.,SERACIN, E.,SAAL, C. Acţionări electrice, Bucureşti, E.D.P., 1982

6. CIOC, I., NICA, C., „Proiectarea masinilor electrice”, Editura Didactica si Pedagogica,

Bucuresti 1994.

7. NICOLAIDE, A., „Masini electrice. Teorie. Proiectare”, Editura Scrisul Romanesc, Craiova

1975.