Masini Electrice de Curent Continuu

40
CUPRINS I. Mașina de curent continuu...................................... .............................6 II. Clasificarea mașinilor electrice..................................... ......................7 III. Elementele constructive ale mașinii electrice..................................... .8 IV. Principiul de funcționare al mașinii de curent continuu cu colector...................................... .............................................. ..........11 V. Ecuațiile de funcționare ale mașinii de curent continuu....................14 VI. Generatorul de curent continuu...................................... ...................16 1. Principiile de funcționare ale generatorului de curent continuu....18 5

description

proiect

Transcript of Masini Electrice de Curent Continuu

Page 1: Masini Electrice de Curent Continuu

CUPRINS

I. Mașina de curent continuu...................................................................6

II. Clasificarea mașinilor electrice...........................................................7

III. Elementele constructive ale mașinii electrice......................................8

IV. Principiul de funcționare al mașinii de curent continuu cu

colector..............................................................................................11

V. Ecuațiile de funcționare ale mașinii de curent continuu....................14

VI. Generatorul de curent continuu.........................................................16

1. Principiile de funcționare ale generatorului de curent continuu....18

2. Clasificarea generatoarelor............................................................20

VII. Motorul de curent continuu...............................................................21

1.Caracteristicile de funcționare ale motoarelor de curent

continuu.............................................................................................21

2. Principiile de funcționare ale motoarelor de curent continuu.......22

3. Caracteristicile motoarelor de curent continuu..............................24

4. Pornirea motoarelor de curent continuu........................................27

5. Reglarea vitezei în acționările cu motoare de curent continuu......28

6.Frânarea motoarelor de curent continuu cu excitație

derivație.............................................................................................28

VIII.Bilanțul energetic al mașinilor de curent continu..................................29

Bibliografie..................................................................................................31

5

Page 2: Masini Electrice de Curent Continuu

I. MAȘINA DE CURENT CONTINUU

Prin maşină electrică, de regulă rotativă, înţelegem acea maşină care converteşte puterea electrică în putere mecanică sau invers. Din punct de vedere funcţional, maşinile electrice sunt reversibile, altfel spus, regimul de lucru – de motor , generator, frână – este determinat de natura puterii primite. După natura tensiunii de alimentare, respectiv a tensiunii furnizate la borne, maşinile electrice sunt clasificate în: maşini de curent continuu și maşini de curent alternativ: asincrone, respectiv sincrone. Între primele aplicațtii ale fenomenului inducției electromagnetice, descoperit în anul 1831 de Faraday, se află mașina de curent continuu, respectiv dispozitivul de conversie electromecanică a energiei, funcționând pe principiul electromagnetic. Generatorul de curent electric pulsatoriu, inventat de Ritchie în 1833, marchează inventarea într-o formă primară a colectorului. Se succed apoi dezvoltări legate și de numele unor inventatori cum ar fi:

Hjorth – 1851, construirea generatorului cu autoexcitație; Siemens – 1856, construirea indusului în dublu T, respectiv plasarea înfășurărilor în

crestături; Pacinotti – 1860 construirea indusului în inel, prevăzut cu crestături, a cărui dezvoltare

industrială este făcută de Gramme începând cu anul 1866; Hefner-Alteneck – 1872, construirea indusului în tambur cu înfășurare într-un singur

strat; Weston – 1882, înfășurarea în două straturi; Mordey – 1883, utilizarea legăturilor echipotențiale; Mengos – 1884, înfășurarea pentru compensarea câmpului de reacție al indusului1.

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

6

Page 3: Masini Electrice de Curent Continuu

Utilizarea polilor de comutație datează din anul 1885, perioadă care încheie practic onfigurarea mașinii de curent continuu în structura în care aceasta se realizează și astăzi. Regimul de motor a fost și este preponderent în utilizarea mașinilor de curent continuu, ca urmare a posibilității reglării comode și în limite largi a turației. Mașinile de curent continuu sunt folosite în cele mai diferite domenii ale tehnicii. Ele sunt folosite în acționările cu reglaj de viteză, începând cu tracțiunea electrică urbană și feroviară și cuprinzând toate domeniile de acționări electrice de suplețe din metalurgie, mașini, unelte, instalații de ridicat și transport. Întâlnim mașini de curent continuu și în compunerea grupurilor electrogene de curent alternativ, folosite drept excitatoare, ca generatoare de sudură folosite în industria chimică, ca motoare și generatoare pentru antrenarea mecanismelor speciale, în automatizări sau în alte domenii. Puterea mașinilor de curent continuu variază de la ordinul de mărime al wattilor până la mii de kilowatti.

Maşinile de curent continuu au în regim permanent tensiunile la borne şi curentul în circuitul exterior. După principiul de funcţionare deosebim : maşini de curent continuu cu colector şi maşini de curent continuu fără colector ( unipolare ). Maşinile de curent continuu cu colector au fost din punct de vedere istoric primele generatoare de energie electromagnetică. Avantajele curentului alternativ sinusoidal, în transportul şi distribuţia energiei electrice au restrâns mult domeniul de foloșire a maşinilor de curent alternativ ca şi generatoare. Ca motoare de curent continuu sunt utilizate pe scară tot mai largă , mai ales odată cu dezvoltarea convertoarelor din electronica de putere , datorită posibilităţilor simple de reglare. Motoarele de curent continuu cu colector se folosesc cu succes în tracţiuni electrice ( tramvaie , troleibuze , trenuri electrice , electrocare ) , în acţionările care necesită limite largi de reglaj al turaţiei şi în unele automatizări , ca elemente de execuţie.

II. CLASIFICAREA MAȘINILOR DE CURENT CONTINUU

După tipul excitaţiei şi modul de conectare a înfăşurărilor de excitaţie, maşinile de curent continuu se clasifică în:

A) Maşini cu o singură înfăşurare de excitaţie, care poate fi alimentată:1. – de la o sursă separată (independentă);2. – în derivaţie (paralel) faţă de înfăşurarea rotorului;3. – în serie cu înfăşurarea rotorului.B) Maşini cu mai multe înfăşurări de excitaţie, care pot fi alimentate:1. – de la bornele înfăşurării rotorului, în serie şi derivaţie (excitaţie mixtă);2. – de la surse separate şi de la bornele înfăşurării rotorului, în cazul unor maşini

speciale.

7

A1 A2

F1

F2

A1 A2A1

A2

A1

A2

B1

B2

B1

B2

C2C2

C1

C1

a) b) c) d)

Page 4: Masini Electrice de Curent Continuu

Figura 2.1. Poșibilităţi de excitare a maşinilor de curent continuu: a) cu excitaţie independentă; b) cu excitaţie derivaţie; c) cu excitaţie serie; d) cu excitaţie mixtă

Pentru oricare din tipurile de mai sus, puterea de excitaţie este de ordinul câtorva procente (2-5%) din puterea nominală a maşinii. La tipurile de excitaţie separată şi derivaţie, curentul Ie, din înfăşurarea de excitaţie, reprezintă câteva procente din curentul nominal al maşinii, iar înfăşurările respective au multe spire şi rezistenţa ohmică importantă. La tipul de excitaţie serie, înfăşurarea este parcursă de curentul din indus şi ca atare se execută cu un număr mic de spire, având şi o rezistenţă ohmică redusă.

În funcție de transformarea energiei întâlnim:-motor: energie electrică- energie mecanică;-generator: energie mecanică- energie electrică;-convertizor: energie electrică- energie electrică.

III. ELEMENTE CONSTRUCTIVE ALE MAȘINII ELECTRICE

Ca orice mașină electrică rotativă, mașina de curent continuu este alcătuită dintr-un inductor, care în construcția clasică formează statorul, capabil să genereze în întrefier un câmp magnetic heteropolar și dintr-un indus, care constituie rotorul mașinii, între care se găsește un spațiu de aer numit întrefier. La mașina de curent continuu, întotdeauna armătura inductoare este fixă și este reprezentată de stator, iar armătura indusă este mobilă și este reprezentată de rotor.

În figura 3.1 pot fi evidențiate în detaliu elemente constructive specifice. Statorul mașinii din figură are 2p = 4 poli, denumiți poli principali sau poli inductori. În mașinile de curent continuu câmpul inductor este produs de înfășurarea de excitație așezată pe polii principali sau de magneți permanenți. Polii de excitație, totdeuna în număr par, sunt executați din tole de oțel electrotehnic cu grosimea de 0,5-1 mm strânse cu ajutorul unor nituri, pe care sunt fixate bobinele de excitație. Bobinele se construiesc din conductoare izolate de cupru pe șabloane având forma polilor sau direct în carcase izolate. Aceste bobine sunt izolate de miezul polar și de carcasă.

Bobinele polilor de excitație se leagă în serie și se alimentează în curent continuu. Legăturile bobinelor se realizează în așa fel încât fluxul magnetic să fie dirijat în dreptul unui pol dinspre stator spre rotor (pol nord), iar în dreptul polului următor în sens invers (pol sud). Câmpul magnetic creat de polii principali se închide prin jugul magnetic statoric, care poate îndeplini uneori și rolul de carcasă a mașinii, cazul din figura 3.1, prin întrefierul dintre stator și rotor și apoi prin miezul magnetic 2al rotorului. Jugul statornic îndeplinește trei funcții: funcția magnetică prin care seașigură închiderea liniilor de câmp magnetic inductor între polii 2 NICOLAIDE, A., „Masini electrice. Teorie. Proiectare”, Editura Scrisul Romanesc, Craiova 1975.

8

Page 5: Masini Electrice de Curent Continuu

consecutivi; funcția mecanică care susține polii principali și polii auxiliari, arborele și rotorul, dispozitivul de fixare și pe cel de ridicare, cutia de borne; funcția de protecție pentru polii inductori și pentru rotor.

Fig. 3.11 – carcasa; 2,3 – scuturi; 4 – pol principal; 5 – pol de comutație; 6 – miezul rotorului; 7 – bandaj; 8 înfășurarearotorului; 9 – ax; 10 – suport portperii; 12 – colector; 13 – capac exterior; 14, 15 – rulmenți; 16 – cutie de borne;17 – bulon; 18 – bobina polului de comutație; 19 – bobina polului de excitație; 20 – inel de ridicare;21 – ventilator; 22 – perie; 23 – colier port-perie.

Carcasa este un cilindru din oțel turnat sau sudat, în interiorul căruia sunt fixați prin șuruburi polii principali, iar la mașinile mai mari și polii auxiliari, numiți și poli de comutație. Statorul este format dintr-o carcasă de fontă sau de oţel în miezul căreia sunt fixaţi polii ( principali şi auxiliari ) cu bobinajele respective ( inductoare ) sau fără bobinaje în cazul magneţilor permanenţi . În părţile laterale ale carcasei sunt situate cele două scuturi ce poartă lagărele. La mașinile de puteri medii și mari între polii principali inductori se plasează polii de comutație, ale căror bobine sunt conectate astfel încât câmpul magnetic al acestora să alterneze de la un pol la altul (se folosește și denumirea de poli auxiliari pentru acești poli).

Statorul mai cuprinde: scuturile, sistemul de perii și portperii, palierele și bornele, un circuit magnetic și o înfășurare de excitație.

Indusul mașinii este sediul propriu zis al procesului de transformare a energiei, fiind compus din : miezul feromagnetic, arbore, înfășurarea indusă și colector. Miezul feromagnetic al rotorului se realizează din tole de oțel electrotehnic cu grosime de 0,5 mm, izolate între ele, în scopul micșorării pierderilor prin curenți turbionari. Aceste tole sunt executate din tablă laminată la rece, izolată cu oxizi ceramici. Tolele se împachetează direct pe arbore prin presare și sunt solidarizate de arborele rotorului cu ajutorul unei pene.

1 – pol principal; 2 – jug magnetic statoric; 3 – crestătură rotorică; 4 – miez magnetic rotoric; 5 – arbore; 6 – înfăşurare de excitaţie.

9

Page 6: Masini Electrice de Curent Continuu

Fig. 3.2. Secţiune transversală simplificată.Miezul rotoric se prezintă sub forma unui cilindru având la periferie crestături

deschise în care sunt plasate conductoarele înfășurării rotorice. Aceste conductoare sunt izolate față de pèreții crestăturii cât și între ele și sunt solidarizate cu miezul rotoric prin pene și bandaje.

Colectorul este o piesă caracteristică mașinii de curent continuu la care se leagă înfășurarea rotorică. Acesta este un corp cilindric constituit din plăcuțe de cupru, denumite lamele. Lamelele colectorului sunt izolate una față de alta și sunt izolate față de piesele de strângere. Capetele bobinelor înfășurării rotorice se lipesc cu cositor de aripioarele (stegulețele) lamelelor colectorului. Colectorul se rotește solidar cu rotorul. Pentru a realiza o legătură între înfășurarea rotorică care se învârtește și circuitele exterioare, pe colector freacă o serie de perii, fabricate în general din grafit. Prin intermediul unei piese speciale, portperie, periile realizează un contact sub presiune constantă cu lamele colectorului. Portperiile sunt fixate pe un colier cu o serie de tije.

La mașinile de putere mică, întrefierul are o lărgime de 1-3 mm, ajungând la mașinile de putere foarte mare până la 10-12 mm. În felul acesta, în valoare absolută întrefierul nu este mare, însă cu toate acestea, el are o mare influență asupra caracteristicilor mașinii și asupra funcționării ei.

Fig.3.3. Colectorul maşinii de curent continuu:1 - lamelă conductoare ; 2- lamelă izolantă; 3- steguleţ.

Forma exterioară a mașiniiMașina se execută într-o formă sau alta, în special în funcție de :

o Modul de protecție al mașiniio Modul de răcire al mașinii

Din punctul de vedere al modului de protecție se deosebesc :a) Mașini deschise, care nu sunt prevăzute cu protecția părților rotative sau a părților

conductoare de curent ;b) Mașini protejate, prevăzute cu o protecție a mașinii împotriva pătrunderii în

interior a corpurilor străine și a pătrunderii stropilor de apă;

10

Page 7: Masini Electrice de Curent Continuu

c) Mașini capsulate3, adică protejate împotriva aerului exterior, dar nu în mod ermetic. Dacă mașina are o construcție care impiedică timp de 4 ore pătrunderea umezelii în interiorul mașinii, atunci când aceasta este cufundată în apă, se numește ermetic închisă;

d) Mașini protejate împotriva exploziilor-sunt acelea care trebuie să suporte explozia gazului în interiorul mașinii fără a transmite flacăra din interiorul mașinii în exterior sau în sens invers.

Din punct de vedere al modului de răcire se deosebesc:- mașini cu ventilație naturală ;- autoventilate ;- mașini cu ventilație exterioară.

IV. PRINCIPIUL DE FUNCȚIONARE AL MAȘINII DE CURENT CONTINUU CU COLECTOR

Mașina de curent continuu cu colector este de fapt o mașină de curent alternativ, înzestrată cu un organ special, colectorul, care redresează curentul alternativ în curent continuu în condiții determinate.

Figura 4. Schema de funcționare a mașinii de curent alternativ

În figura 4. cei doi poli stabili N și S, produc un flux magnetic constant, ale cărui linii de forță sunt îndreptate, după regula generală, de la polul N către polul S. În spațiul dintre cei doi poli se rotește indusul, pe suprafața căruia se așează într-un plan diametral, spira ab-cd. Capetele spirei sunt legate de două inele fixate pe ax, așadar se rotesc cu aceeași viteză unghiulară ca și indusul. Pe inele freacă periile fixe A și B, la care se leagă circuitul exterior.

3 NICOLAIDE, A., „Masini electrice. Teorie. Proiectare”, Editura Scrisul Romanesc, Craiova 1975.

11

Page 8: Masini Electrice de Curent Continuu

Considerăm că indusul mașinii este pus în mișcare de către un motor primar oarecare (de exemplu o turbină cu abur având o viteză de rotație constantă n, în sens contrar acelor ceasornicului). Deoarece conductorii ab și cd se găsesc în condiții identice- unul față de polul N, iar celălat față de polul4 S, este suficient să urmărim un singur conductor, de exemplu conductorul ab. Valoarea instantanee a tendiunii electromotoare indusă în conductor la rotația indusului, se determină după legea inducției electromagnetice, formulată de Faraday:

în care,v- viteza de deplasare a conductorului față de câmpul magnetic ;l- lungimea părții active a conductorului (partea conductorului care taie liniile

câmpului magnetic) ;Bx- inducția magnetică în locul unde se găsește conductorul la momentul dat.

Deoarece valorile v și l rămân constante , relația de mai sus se poate scrie în modul următor :

,adică felul variației tensiunii electromotoare în conductor este în întregime determinat de felul distribuției inducției magnetice sub poli.

Porțiunea de circumferință a indusului, corespunzătoare unui pol, se numește pas polar. În figura 4 sunt în total doi pași polari, unul corespunzator polului N, iar celălalt corespunzător polului S.

În continuare, pentru simplificarea raționamentelor, considerăm că sub polii N și S inducția magnetică este distribuită după o lege sinusoidală (figura 4.1)

În acest caz, tensiunea electromotoare indusă în conductor prin rotația indusului variază în timp tot după o lege sinusoidală. Pentru a determina direcția acestei tensiuni electromotoare, metoda cea mai simplă este de a ne folosi de regula mâinii drepte.

Figura 4.1 Figura 4.2Forma sinusoidală a inducției Regula mâinii drepte magnetice (t.e.m.)

Regula constă în următoarele : se așează palma mâinii drepte în câmpul magnetic, astfel încât liniile de inducție magnetică să fie îndreptate spre palmă. Degetul mare se îndoaie

4 FRANSUA, A., MĂGUREANU, R.,,Maşini şi acţionări electrice-Îndrumar de laborator”, Bucureşti,I.P.B,

1982

12

Page 9: Masini Electrice de Curent Continuu

în planul palmei la 900 și se îndreaptă în direcția de mișcare a conductorului (figura 6 ) ; celelalte degete ale mâinii vor arăta direcția tensiunii electromotoare induse în colector.

Aplicând regula mâinii drepte la conductorul ab din figura 4 se poate vedea că atunci când trece sub polul N, în el se induce o t.e.m. îndreptată din planul desenului către privitor, iar când el trece sub polul S, atunci t.e.m. este dirijată în sens invers, dinspre privitor spre planul hârtiei. Astfel, în conductorul studiat se introduce o t.e.m. alternativă în timp, care iși schimbă sensul de două ori la fiecare rotație a indusului.

Timpul T, în care se produce o schimbare totală a t.e.m., se numește perioada t.e.m.. Numărul de perioade în unitatea de timp se numește frecvență. În general, când mașina are p perechi de poli, frecvența t.e.m. induse se determină după formula :

unde n este viteza de rotație a indusului.În figura 4 se vede că fiecare perie este legată prin inel numai cu un conductor

oarecare : peria A cu conductorul ab, iar peria B cu conductorul cd. Prin urmare, la bornele circuitului exterior ia naștere o tensiune alternativă în timp și prin el circulă un curent alternativ. Pentru a redresa acest curent, adică pentru a transforma dispozitivul într-o mașină prin al cărei circuit exterior să circule un curent redresat, se folosește colectorul.

Figura 4.3. Schema funcționarii mașinii de curent continuu

Principiul de funcționare este următorul : capetele spirei ab-cd se leagă la două segmente de cupru sau lamele de colector (figura 4.3), izolate unul de altul și față de ax și care se rotesc cu viteza unghiulară a indusului. Pe lamele colectorului freacă periile fixe A și B la care se leagă circuitul exterior. Spre deosebire de primul caz, poziția periilor A-B pe colector are o mare însemnatate. Pentru a obține rezultate cât mai bune, periile trebuie așezate în așa fel, încât ele să treacă de pe o lamelă pe alta, exact în momentul când t.e.m. indusă în spiră este zero. Ca și în cazul precedent, prin rotația indusului, în spira ab-cd, se vor induce tensiuni electromotoare alternative, dar fiecare din perii va veni în contact numai cu acea lamelă de colector și respectiv cu acel conductor, care se găsește sub polul dat. De exemplu, peria A vine întotdeauna în contact cu acea lamelă a colectorului la care este legat conductorul de sub polul N ; peria B vine întotdeauna în contact numai cu conductorul de sub polul S.

Deci în circuitul exterior, curentul circulă întotdeauna într-o singură direcție și anume de la peria A la peria B, cu alte cuvinte, se produce redresarea curentului alternativ indus în spira ab-cd, într-un curent pulsatoriu în porțiunea exterioară a circuitului (figura 4.4). Dacă mașina este acționată de un motor separat, adică dacă mașina funcționează ca generator,

13

Page 10: Masini Electrice de Curent Continuu

atunci peria A de la care curentul trece în circuitul exterior, se socotește pozitivă și se notează cu semnul plus, iar peria B, prin care curentul revine în mașină se socotește negativă și se notează cu semnul minus.

Figura 4.4. Curentul redresat

V. ECUAȚIILE DE FUNCȚIONARE ALE MAȘINII DE CURENT CONTINUU

Se consideră cazul maşinii cu înfăşurarea de excitaţie alimentată separat şi se determină relaţia dintre tensiunea electromotoare indusă, tensiunea la borne şi curentul prin înfăşurarea indusului, când maşina funcţionează în sarcină.

a. Maşina funcţionează ca generator. La mersul în gol al maşinii în înfăşurarea rotorului se induce o tensiune electromotoare Eo pe fiecare cale de curent, egală cu tenșiunea UAO care se poate măsura la bornele maşinii. Dacă maşina funcţionează în sarcină debitând un curent IA, tensiunea electromotoare indusă E va diferi faţă de E o, ca urmare a reacţiei indusului. Dar şi tensiunea UA la bornele maşinii va diferi faţă de tensiunea electromotoare E, datorită căderilor ohmice de tensiune în circuitul indusului.

Figura 5. Modul de asociere a sensurilor pozitive pentru tensiuni şi curenţi la un generator de c.c.

O relaţie între E, UA şi IA se poate scrie considerând circuitul maşinii-generator din fig.5 (cu sensurile pozitive conform regulii de asociere la circuitele generatoare) şi aplicând legea inducţiei electromagnetice unui contur plecând de la borna B care se închide prin înfăşurarea indusului, a polilor auxiliari şi eventual înfaşurarea de compensaţie, apoi de la borna A prin aer, pe o linie a tensiunii la borne, până la borna B de plecare:

14

Page 11: Masini Electrice de Curent Continuu

RAIA + ΔUP + UA = Eîn care RA însumează rezistenţa totală a circuitului (rezistenţa înfăşurării indusului, a înfăşurării polilor auxiliari şi a înfăşurării de compensaţie), iar ΔU P este căderea de tensiune în contactul perie-colector.

Relaţia de mai sus reprezintă ecuaţia de funcţionare a maşinii de curent continuu în regim de generator.

Dacă reacţia transversală a indusului este practic compensată, se poate conșidera şi Φ Φ0 atunci E Eo, iar ecuaţia de funcţionare se simplifică, după înglobarea lui ΔUp, în căderea ohmică de tensiune RAIA, adică:

RAIA+ UA = Eocu:

.

b. Maşina funcţionează ca motor.Se consideră că maşina este conectată la bornele A, B ale unei reţele de curent

continuu, absorbind curentul IA prin circuitul indusului, iar înfăşurarea de excitaţie este alimentată separat (fig.5.1)

Figura 5.1. Modul de asociere a sensurilor pozitive pentru tensșiuni şi curenţi la un motor de c.c.

Conductoarele înfăşurării rotorului fiind străbătute de curent şi aflându-se în câmpul polilor de excitaţie, asupra rotorului se va exercita un cuplu elec -tromagnetic de valoare:

care va pune în mişcare indusul în sensul dat de vectorul jxB δ. Mişcarea este accelerată până în momentul în care cuplul electromagnetic este egalat de cuplul total rezistent, apoi mişcarea devine uniformă cu viteza n. Secţiunile înfăşurării indusului rotindu-se în câmpul polilor de excitaţie, în spirele respective se induc tensiuni electromotoare, pe o cale de curent rezultând o tensiune electromotoare de valoare:

.

Ecuaţia de funcţionare a maşinii mergând ca motor se scrie considerând circuitul din figura 5.1(cu sensurile pozitive conform regulii de asociere la circuitele receptoare) şi aplicând legea inducţiei electromagnetice unui contur care începe de la borna A,

15

Page 12: Masini Electrice de Curent Continuu

străbate spirele înfăşurării rotorului, ale înfăşurării polilor auxiliari şi înfăşurării de compensaţie, ajunge la borna B şi se închide apoi prin aer la borna A, pe o linie a tensiunii la borne

RAIA + ΔUP - UA = E

sau incluzând pe ΔUp în căderea de tensiune RAIA și ordonând termenii:

UA=RAIA-E

VI. GENERATORUL DE CURENT CONTINUU

Mașina de curent continuu funcționează în regim de generator , în sensul ca primește energie mecanică pe la arbore și debitează energie electrică pe la bornele indusului. Din punct de vedere al modului de alimentare a înfășurării de excitație distingem mai multe tipuri de generatoare de curent continuu:

a. Generatoare cu excitație separată, caz în care înfășurarea de excitație este alimentată de la o sursă separată;

b. Generatoare cu autoexcitație, când înfășurarea de excitație este alimentată de bornele înfășurării rotorului(indusului);

Acestea din urmă se împart în : generatoare derivație, generatoare serie, generatoare cu excitație mixtă. Mărimile ce caracterizează funcționarea unui generator de curent continuu sunt : curentul de excitație, Ie, turația n, tensiunea electromotoare Ue , tensiunea la borne Ub și curentul în indus IA.5

Pentru funcționarea unui generator de curent continuu sunt importante următoarele caracteristici:- caracteristica de mers în gol, Ue = f(Ie), pentru IA = 0 și turație n constantă; reprezintă dependenţa între tensiunea la bornele indusului şi curentul de excitaţie, când circuitul indusului este deschis şi rotorul antrenat din exterior la turaţie nominală.

Fig.6

- caracteristica de mers în sarcină, Ub = f(Ie), pentru valoare dată a curentului IA în indus și turație n constantă; se ridică pentru rezistenţa de sarcină Rs = const. şi la turaţie nominală constantă. Se regleaza curentul de excitaţie în acelaşi sens notînd perechile de valori ale funcţiei : U b = f ( Ie ) / I = ct, n = n n

5 CIOC, I., NICA, C., „Proiectarea masinilor electrice”, Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti 1994.

16

Page 13: Masini Electrice de Curent Continuu

- caracteristica externă, Ub = f(IA), pentru valoare dată curentului de excitație Ie sau valoare dată a rezistenței Re a circuitului de excitație și turație n constantă;U b = f ( I ) / Ie = ct = IeN, n = n n Fig.6.1

- caracteristica de reglaj, Ie = f(IA), pentru tensiune la borne Ub dată și valoare constantă a turației n. Arată în ce sens şi cu cât anume trebuie variat curentul de excitaţie pentru ca, atunci când curentul de sarcină I variază tensiunea U la bornele generatorului să rămână constantă. Reprezintă dependenţa dintre curentul de excitaţie si curentul de sarcină exprimată de relaţia :

I e = f ( I ) / U b = U n = ct., n = n n= ct

17

Page 14: Masini Electrice de Curent Continuu

VI.1.PRINCIPIUL DE FUNCȚIONARE AL GENERATORULUI DE CURENT CONTINUU

Maşina de curent continuu este folosită îndeosebi ca motor electric datorită caracteristicilor mecanice avantajoase pe care le are. Ea poate funcţiona şi ca generator electric sau ca frână electromagnetică. Principial funcţionarea ca generator a maşinii de curent continuu poate fi explicată cu ajutorul schemei din figura de mai jos.

Fig.6.2Se consideră o spiră ce se poate roti (acţionată mecanic din exterior) într-un câmp

magnetic constant produs de nişte electromagneţi alimentaţi în curent continuu sau de nişte magneţi permanenţi (cazul din figură). Se ştie că în spiră se induce o tensiune electromotoare variabilă sinusoidal6 în timp:

cu valoarea efectivă Ue = BSω/ = 2 π f B S /

= 4.44 f B S Fig.6.3

6 NICOLAIDE, A., „Masini electrice. Teorie. Proiectare”, Editura Scrisul Romanesc, Craiova 1975.

18

Page 15: Masini Electrice de Curent Continuu

Forma de variaţie în timp a tensiunii electromotoare este reprezentată în figură cu linie întreruptă pentru α0 = 0.

În scopul redresării acestei tensiuni sinusoidale capetele spirei mobile se conectează la două segmente, 1 şi 2, ale unui inel colector. În cazul nostru latura spirei aflată sub polul nord este conectată la segmentul 1 al inelului colector iar latura aflată sub polul sud este conectată la segmentul 2 al inelului colector.

Tensiunea este culeasă cu ajutorul unor perii colectoare şi se alimentează cu această tensiune o sarcină (rezistenţă, consumator de curent continuu). Pentru cazul nostru segmentul de inel 1 este în contact cu peria 1 iar segmentul de inel 2 este sub peria colectoare 2. Atunci când latura spirei conetată la segmentul 1 iese de sub polul nord şi intră sub polul sud segmentul 1 al inelului colector iese şi el de sub peria 1 şi intră sub peria 2. În felul acesta la peria 1 este totdeauna conectată latura aflată sub polul nord iar la peria 2 este permanent conectată latura spirei aflată sub polul sud. Ca atare peria 2 a sistemului din figură se comportă ca borna pozitivă a unui generator iar peria 1 este borna negativă a generatorului, sensul de circulaţie al curentului (determinat cu regula mâinii drepte) fiind cel din figură.

Înfăşurarea generatorului care produce câmpul magnetic inductor, numită înăşurare de excitaţie, este situată în stator şi este alimentată în curent continuu. Câmpul magnetic inductor statoric poate fi produs şi cu ajutorul unor magneţi permanenţi. Înfăşurarea de excitaţie a maşinii de curent continuu poate fi alimentată în mai multe feluri: de la surse exterioare de curent continuu, când se zice că avem excitaţie separată, sau chiar de la bornele generatorului de curent continuu, când se zice că avem generator cu autoexcitaţie. În ultimul caz înfăşurarea de excitaţie poate fi conectată în paralel, în serie sau mixt faţă de înfăşurarea rotorică.

Înfăşurarea rotorică a generatorului de curent continuu, numită indusul maşinii, în care se induce tensiunea electromotoare este o înfăşurare specială de curent continuu care se conectează la un colector prevăzut cu mai multe segmente de inel izolate între ele.

Rolul colectorului este acela de a redresa mecanic tensiunea electromotoare indusă în rotor şi de a furniza în exterior o tensiune constantă (curent continuu).

Mărimile nominale ale maşinii de curent continuu sunt: regimul de funcţionare (generator sau motor) puterea nominală; la generatoare este puterea electrică disponibilă la borne iar la

motoare este este puterea mecanică la arbore, în kW, curentul la bornele principale (în circuitul exterior), în A, tensiunea la borne, în V, turaţia nominală, în rot/min, tensiunea şi curentul de excitaţie în regim nominal pentru maşina cu excitaţie separată, serviciul nominal şi gradul de protecţie

Generatoarele de curent continuu pot fi: cu excitaţie separată, cu excitaţie în derivaţie(paralel), cu excitaţie în serie sau cu excitaţie mixtă în funcţie de modul de conectare al înfăşurării de excitaţie fţă de înfăşurarea indusului

Relaţiile de bază pentru generatoarele de curent continuu sunt: pentru tensiunea electromotoare E = kE n Ф pentru cuplul electromagnetic M = kM Ф Ia

tensiunea la bornele generatorului U = E – Ra Ia unde kE şi kM sunt constante constructive, Ф este fluxul magnetic rezultant al maşinii, Ia este curentul indusului, Ra rezistenţa indusului, iar n este turaţia maşinii.

VI.2. CLASIFICAREA GENERATOARELOR

19

Page 16: Masini Electrice de Curent Continuu

După modul de conectare a excitației:a) Generatorul cu excitație separată la care înfăşurarea de excitaţie este alimentată de la o

sursă separată

b) generatoare cu autoexcitaţie - generatorul cu excitaţie derivaţie

- generatorul de c.c. cu excitaţie serie

20

F

ig.5. 4

Page 17: Masini Electrice de Curent Continuu

VII. MOTORUL DE CURENT CONTINUU

Maşinile electrice de curent continuu ca şi cele de curent alternativ sunt reversibile , putând funcţiona ca generatoare sau ca motoare după cum sunt antrenate sau antrenează mecanisme .

Atât la generatoare cât şi la motoare, după felul excitaţiei distingem : maşini cu excitaţie derivaţie ( paralel ) , serie sau mixtă ( compound ) .

Motoarele cu excitaţie derivaţie alimentate de la o sursă de tensiune constantă sau având numai înfăşurarea de excitaţie la tensiune constantă , iar indusul alimentat de la o sursă de tensiune variabilă ( motoare cu excitaţia alimentată separat ) sunt folosite la acţionarea maşinilor unelte grele ; în comparaţie cu motoarele asincrone , ele permit reglajul turaţiei în limite largi şi în mod continuu . Regimurile lor tranzitorii de pornire , frânare şi inversare a sensului de rotaţie au durată relativ scurtă , iar caracteristica de viteză este dură ( rigidă , adică viteza se modifică puţin când variază cuplul de sarcină ) .

Motoarele cu excitaţie serie sunt folosite în tracţiunea electrică , la acţionarea tramvaielor , troleibuzelor , electrocarelor , la demararea motoarelor autovehiculelor şi la unele macarale telescopice . Ele au caracteristică mecanică moale ( viteza scade mult la creşterea cuplului de sarcină ) , au cuplu mare la pornire , suportă mai bine suprasarcinile şi nu sunt sensibile la căderile mari de tensiune 7.

Motoarele cu excitaţie mixtă se utilizează la acţionările mecanismelor cu regim variabil , cu număr mare de conectări şi frânare dinamică la oprire . Caracteristicile lor sunt intermediare în raport cu cele ale motoarelor derivaţie şi serie .

VII.I. CARACTERISTICILE DE FUNCȚIONARE ALE MOTOARELOR DE CURENT CONTINUU

Unele proprietăţi importante , specifice regimurilor de funcţionare ale diverselor tiuri de motoare electrice , sunt conţinute în expreșiile analitice sau reprezentările grafice ale caracteristicilor naturale sau artificiale de funcţionare. Dintre cele mai importante caracteristici se menţionează : caracteristica cuplu-viteză ( caracteristică mecanică ) , caracteristica viteză – curent şi caracteristica randament- sarcină .

Regimurile elctromecanice permanente de funcţionare ale motoarelor de curent continuu sunt determinate de ecuaţiile de mai jos şi se referă la tensiunea la borne , tensiunea electromotoare de rotaţie , cuplul electromagnetic , echilibrul cuplurilor rotorice şi fluxul magnetic principal :

Cuplul rezistent Mr care se opune mişcării de rotaţie a rotorului include cuplul de sarcină al mecanismului antrenat, cuplul datorat frecărilor în lagăre, de ventilaţie şi cel corespunzător pierderilor în fierul rotorului. El trebuie dat în general grafic sau analitic ca funcţie de viteza de rotaţie Ω . Pentru simplificare se consideră uneori cazul particular când cuplul rezistent este un parametru independent de turaţie .

Fluxul magnetic Φ este o funcţie neliniară a curenţilor din înfăşurările maşinii . Dacă se consideră compensată reacţia indusului , prin efectul polilor auxiliari şi a unor înfăşurări de

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

21

Page 18: Masini Electrice de Curent Continuu

compensaţie, fluxul Φ se poate aproxima ca fiind egal cu cel inductor Φ0, adică o funcţie dependentă numai de curentul de excitaţie ( caracteristica de magnetizare a maşinii ) .Prin rezolvarea celor cinci ecuaţii de mai sus se pot determina mărimile E,I,Ω,M, Φ ce caracterizează regimul permanent .

VII.2 PRINCIPIUL DE FUNCȚIONARE AL MOTORULUI DE CURENT CONTINUU

Figura 7.2

Pentru a explica funcţionarea motorului de curent continuu şi pentru a pune în evidenţă reversibilitatea maşinii de curent continuu vom relua figura explicativă a funcţionării maşinii de curent continuu în regim de generator. Se înlocuiește sarcina (rezistenţa/consumatorul) alimentată de generator cu o sursă de curent continuu având polul + conectat la polul + al generatorului. Sursa va debita prin spira rotorică un curent electric având sens opus curentului pe care îl debita maşina în regim de generator. Pe figură am indicat sensul acestui curent prin nişte săgeţi-bloc. Asupra laturii spirei aflată sub polul nord va acţiona o forţă electromagnetică: F’ = B Ia’ l ,având sensul indicat în figură, iar asupra laturii aflată sub polul sud va acţiona o forţă egală şi de sens contrar. B este inducţia câmpului magnetic, l este lungimea laturii spirei aflată în câmp magnetic8 iar Ia’ este curentul din spira rotorică. Ca urmare asupra spirei va acţiona un cuplu electromagnetic: M’ = F’ d = B ( l d ) Ia’= B S Ia’ = Ф Ia’ care va roti spira în sensul de rotaţie pe care îl avea maşina în regim de generator.

În practică motoarele de curent continuu au în rotor o înfăşurare de curent continuu cu mai multe spire astfel că în expresia cuplului electromagnetic mai intervine numărul de spire şi alţi coeficienţi ce depind de construcţia maşinii:

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

sursă

-

+

F

+

_

22

Page 19: Masini Electrice de Curent Continuu

M’ = kM Ф Ia’Se remarcă şi de această dată rolul de redresor mecanic al colectorului (inel format din

două segmente) astfel că totdeauna sensul curentului prin spira/spirele de sub polul nord va fi acelaşi, deci şi sensul de acţiune al cuplului electromagnetic este acelaşi. S-au notat cu indicele “prim” mărimile corespunzătoare regimului de “motor” al maşinii de curent continuu. În regim de motor sensul curentului rotoric Ia’ este opus faţă de sensul curentului Ia debitat de generatorul de curent continuu.

Trebuie menţionat fapul că în spira ce se roteşte în câmpul magnetic produs de înfăşurarea de excitaţie de pe stator se va induce şi în acest caz o tensiune electromotoare a cărei expresie este aceeaşi ca la generator, iar sensul ei este de asemenea acelaşi cu cel de la generator, deci invers sensului curentului absorbit de motor:E = BSω/ = B S Ω / = Ф ( 2 π n / 60 ) / = kE n Ф

Deoarece valoarea acestei tensiuni electromotoare a maşinii de curent continuu este mai mică decât valoarea tensiunii de alimentare maşina va absorbi un curent electric şi va funcţiona în regim de motor electric. Coeficientul constructiv kE este în practică mai complex datorită construcţiei efective a maşinii; rotorul are o înfăşurare de construcţie specială conectată la lamelele unui colector pe care alunecă nişte perii colectoare prin intermediul cărora se alimentează cu curent continuu înfăşurarea rotorică numită şi în acest caz indusul motorului de curent continuu.

Câmpul magnetic inductor este produs de bobine situate pe polii statorici ai motorului; acestea constituie înfăşurarea de excitaţie a motorului de curent continuu. Alimentarea înfăşurării de excitaţie a motorului de curent continuu se poate face în mai multe feluri:

de la o sursă de curent continuu separată; motor cu excitaţie separată, de la bornele motorului, înfăşurarea de excitaţie fiind conectată în paralel cu

înfăşurarea principală (indusul, înfăşurarea rotorică); motor cu excitaţie derivaţie, de la bornele motorului, înfăşurarea de excitaţie fiind conectată în serie cu înfăşurarea

principală (indusul, înfăşurarea rotorică); motor cu excitaţie serie, de la bornele motorului, înfăşurarea de excitaţie având două porţiuni, una conectată în

paralel cu înfăşurarea principală (indusul, înfăşurarea rotorică) iar cealaltă conectată în serie cu indusul; motor cu excitaţie mixtă.

Schemele de conexiuni ale înfăşurării de excitaţie sunt aceleaşi ca la generatorul de curent continuu.

VII.3.CARACTERISTICILE MOTOARELOR DE CURENT CONTINUU

23

Page 20: Masini Electrice de Curent Continuu

Schema electrică echivalentă a unui motor de curent continuu este ca aceea prezentată în figura de mai jos.

Figura 7.3

În această schemă Ra reprezintă rezistenţa înfăşurării rotorice ( a indusului ) a motorului de curent continuu, U este tensiunea de alimentare a motorului iar Ia’ este curentul absorbit de motor (curentul principal din indusul motorului ). E reprezintă tensiunea electromotoare indusă în înfăşurarea rotorică, aceasta are sens opus curentului rotoric.

Ex este înfăşurarea de excitaţie a motorului alimentată cu tenșiunea Ue iar Ie este curentul absorbit de înfăşurarea de excitaţie.

Scriind teorema a II-a a lui Kirchhoff pentru circuitul indusului avem:-E = Ra Ia’ – U

de unde: Ia’ =

La pornire, când turaţia motorului este nulă, tensiunea electromotoare E indusă în înfăşurarea rotorică este nulă şi ca urmare, curentul absorbit de motor este foarte mare, el poate fi de 6...20 de ori mai mare decât curentul nominal. Prin urmare este necesară reducerea acestuia cu ajutorul unui reostat de pornire înseriat cu circuitul rotoric. Curentul de pornire al motorului va fi:

Valoarea turaţiei motorului de curent continuu se poate exprima astfel:

Această expreșie ne arată care sunt factorii ce influenţează turaţia motorului de curent continuu.

Cele două tipuri principale de motoare de curent continuu, cu excitație derivatie și cu excitație serie au comportament diferit la funcționarea în sarcină, motiv pentru care vor fi fianalizate separat.a) Caracteristica vitezei în functie de curentul de excitație, n(Ie), pentru tenșiune la borne Ub data și cuplu rezistent Mr nul, denumită și caracteristica vitezei la mersul în gol, indică posibilitatea de reglaj a turației acestui tip de motor prin modificarea fluxului inductor. Variația rezistenței reostatului de câmp Rc, de la valoarea zero către o valoare maxim admisibilă, impusă de turația maxim admisibilă a mașinii sau a instalației, face ca turația să crească.b) Caracteristica vitezei în funcție de curentul absorbit la mersul în sarcină, n(I), pentru valori date ale tensiunii la borne Ub și curentului de excitație Ie

c) Caracteristica mecanică este dependentă turației în funcție de cuplul rezistent la ax,

24

U

Ue

Ia’

Ie

Ra

EEx

Page 21: Masini Electrice de Curent Continuu

n(Mr), pentru valori date ale tensiunii la borne Ub și curentului de excitație Ie. Cuplul de pornire, care este proporțional cu curentul de pornire, este de 5..6 ori cuplul nominal; prin urmare panta caracteristicii mecanice n(Mr).d) Caracteristicile de funcționare propriu-zise reprezinta dependentele turației n, ale cuplului M la ax și randamentului în functie de puterea utila P2, pentru tensiune la borne Ub și curent de excitație Ie date.

Motorul de curent continuu cu excitaţie în derivaţie sau separată are o caracteristică mecanică n(M’) rigidă deoarece fluxul magnetic de excitaţie 9Ф este constant (tenșiunea Ue este constantă). Aceste motoare se folosesc în acţionări electrice unde turaţia este practic constantă independent de sarcină (cuplul M’). Regalarea turaţiei la aceste motoare se poate face prin modificarea tensiunii U de alimentare sau prin modificarea curentului de excitaţie (deci a fluxului de excitaţie Ф). Din expreșia turaţiei n se observă că la o eventuală funcţionare în gol a motorului, când M’ = 0, dacă fluxul de excitaţie Ф scade turaţia motorului poate creşte foarte mult.

Se prezintă în figura de mai jos caracteristica mecanică a motorului de curent continuu cu excitaţie derivaţie sau separată (cazul a) precum şi caracteristicile mecanice la modificarea tensiunii (cazul b) şi la modificarea curenului de excitaţie (cazul c).

Fig.7.4

Se observă că turaţia se poate modifica în limite largi prin modificarea tensiunii de alimentare (cazul b) dar este necesară o sursă de curent continuu cu tenșiune reglabilă.

Prin modificarea curentului de excitaţie turaţia se modifică, dar nu în limite prea largi. Se folosesc în practica acţionărilor electrice șisteme cs combină cele două principii de modificare ale turaţiei.

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

O M MMn

n n n

O Oa b c

Caracteristica mecanicăa motorului cu excitaţie derivaţie sau separată

Caracteristicile mecaniceale motorului cu excitaţie derivaţie sau separată lamodificarea tensiunii

Caracteristicile mecaniceale motorului cu excitaţie derivaţie sau separată lamodificarea excitaţiei

Ie=const. U=const.

25 M

Page 22: Masini Electrice de Curent Continuu

Motorul de curent continuu cu excitaţie serie are o caracteristică mecanică de forma celei prezentate în figura de mai jos.

Fig.7.5Caracteristica mecanică are o formă de variaţie suplă, favorabilă sistemelor de

tracţiune electrică. Astfel, se observă că la o creştere accidentală a cuplului rezistent, când intervine inerent o micşorare a turaţiei motorului (când maşina urcă o pantă, de exemplu) cuplul dezvoltat de motor creşte până ce va egala cuplul mecanic rezistent. Această caracteristică este extrem de utilă la maşinile de ridicat sau la maşinile de extracţie. Este important de menţionat faptul că motorul cu excitaţie serie nu poate funcţiona în gol , adică fără să antreneze mecanic un utilaj care să aibă un cuplu nrezistent. Dacă valoarea cuplului scade foarte mult turaţia motorului creşte la valori foarte mari, indmișibile. De aceea pentru a limita turaţia motorului la o valoare nmax este necesar ca valoarea cuplului să nu scadă sub o valoare minmă Mmin.

Turaţia motorului cu excitaţie serie se poate regla prin modificarea tensiunii de alimentare sau prin modificarea curentului de excitaţie.

Motorul de curent continuu cu excitaţie mixtă are două înfăşurări de excitaţie: una conectată în derivaţie (paralel) şi alta conectată în serie. De regulă înfăşurarea serie este cuplată magnetic adiţional rezultând astfel caracteristici mecanice de formă intermediară între cele ale motorului derivaţie şi serie. Asemenea motoare se folosesc în tracţiunea electrică, de exemplu la troleibuze. La aceste motoare se poate modifica uşor turaţia prin reglarea curentului de excitaţie.

Motorul cu excitație compund10

În functie de sensul solenațiilor de excitație, serie s și derivatie d , fluxurile asociate pot fi adiționale, respectiv diferențiale. În funcție de ponderea acestora în fluxul inductor total, motorul cu excitație compund poate avea caracteristici diferite, în raport cu motoarele de tip derivație, respectiv serie.

VII.4. PORNIREA MOTOARELOR DE CURENT CONTINUU10 CIOC, I., NICA, C., „Proiectarea masinilor electrice”, Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti 1994.

26

nn

MM

n

MmaxMmin Mn

nmax

O

Page 23: Masini Electrice de Curent Continuu

Problemele generale privind limitarea curenţilor şi a cuplurilor de pornire se pun şi în cazul motoarelor de curent continuu. Menţionăm trei preocedee de pornire : prin conectare directă , cu reostat de pornire şi prin reducerea tensiunii de alimentare .

a. Pornirea prin conectare directă se poate foloși numai la motoare de mică putereconstruite în mod special astfel încât curentul de pornire să nu depăşească valori de ordinul Ip = 5In. Motoarele de curent continuu uzuale, mai ales cele de mare putere, au rezistenţa internă foarte mică . Astfel pentru un motor de 100 kW rezistenţa inernă este de ordinul 5% Un/In. La pornire ( când turaţia şi tensiunea electromotoare sunt nule ) dacă se conectează indusul direct la reţea ( la motoarele cu excitaţia derivaţie şi mixtă după conectarea prealabilă a circuitului de excitaţie ) rezultă un curent de pornire de până la 20 In , care solicită periile, bobinajul şi arborele, la încălzire , respectiv la forţe şi cupluri electrodinamice inadmișibil de mari ; la colector poate apărea „focul circular” , iar reţeaua de alimentare este şi ea afectată de un şoc ce poate fi dăunător, în lipsa unei protecţii adecvate . De aceea pornirea prin conectare directă nu se foloseşte în mod uzual .

b. Pornirea cu reostat este metoda cea mai răspândită . Reostatul de pornire ,metalic, răcit în aer sau ulei , este conectat în serie pentru a reduce curentul de pornire la

valori de ordinul . El este divizat în câteva trepte care sunt comutate automat

sau manual pe măsură ce scade curentul , ca urmare a apariţiei şi a creşterii tensiunii

contraelectromotoare de rotaţie .

În figura 7.6. sunt reprezentate caracteristicile artificiale la pornirea cu reostat în

două trepte , şi , pentru care s-a ales Ipmax = 2In , iar Ipmin = 1,1 In .

Fig. 7.6c. Pornirea prin reducerea tensiunii de alimentare 11se foloseşte la unele instalaţii

de mare putere , mai ales în cazurile când sunt necesare porniri dese şi când reostatul de pornire este voluminos şi produce pierderi de energie însemnate. Pentru reducerea tensiunii de alimentare a indusului ( nu şi a inductorului ) se folosesc : maşini „subvoltoare supravoltoare ” conectate în serie , divizarea tensiunii de la baterii de acumularoare sau grup special motor generator .

VII.5. REGLAREA VITEZEI ÎN ACȚIONĂRILE CU MOTOARE DE CURENT CONTINUU

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

27

Page 24: Masini Electrice de Curent Continuu

Reglajul reostatic presupune introducerea unei rezistențe suplimentare, Rp, în serie cu înfășurarea indusului. Pentru a putea compara între ele metodele de reglare a turației se utilizează următorii indici: game de reglaj, domeniul, caracterul și indicele economic al reglajului.

Deși teoretic poate prezenta o gamă infinită, totuși pentru micșorarea pierderilor pe reostatul Rp, valorile acesteia sunt limitate la trei, maximum cinci. Domeniul reglajului este monozonal, toate caracteristicile artificiale reostatice fiind plasate sub caracteristica mecanică naturală. Caracterul reglajului care este continuu sau în trepte, în funcție de tipul reostatului utilizat. Indicele economic este favorabil din punct de vedere al investițiilor (reostatul este relativ ieftin), dar nefavorabil din punct de vedere al pierderilor.

Reglarea turației cu ajutorul tensiunii de alimentare, în cazul căreia mașina este alimentată de la o sursă de curent continuu, a cărei tensiune este reglabilă. Modificarea valorii tensiunii de alimentare a motorului conduce la modificarea turației de mers în gol ideal și implicit a turației. Gama de reglaj are valori importante, de ordinul zecilor și din motive de saturație, valorii tensiunii de alimentare sunt inferioare tensiunii nominale, ceea ce determină caracterul monozonal al reglajului. Reglajul cu ajutorul tensiunii este în general continuu, iar metoda nu implică apariția unor pierderi suplimentare, dar neceșită investiții deosebite.

Reglarea turației prin modificarea fluxului se realizează cu ajutorul reostatului suplimentar Rc, din circuitul înfășurării de excitație.Această metodă prezintă următoarele particularități: gama de reglaj are valori mici, domeniul este monozonal, caracterul este continuu sau în trepte, în funcție de tipul reostatului utilizat, indicele economic este favorabil din ambele puncte de vedere, întrucât se lucrează în circuite de curenți mici.

VII.6. FRÂNAREA MOTOARELOR DE CURENT CONTINUU CU EXCITAȚIE DERIVAȚIE

O mașină de curent continuu funcționează în regim de frână atunci când dezvoltă un cuplu negativ, opus mișcării. În cazul motoarelor cu excitație derivație se disting următoarele metode de frânare: frânare recuperativă, dinamică, contracurent.

Frânarea recuperativă este o metodă avantajoasă din punct de vedere al bilanțului energetic întrucât permite recuperarea energiei, însă nu permite oprirea mașinii, ci așigură doar o limitare a turației.

Frânarea dinamică se realizează prin decuplarea indusului de la rețea și se cuplează înfășurarea indusului pe o rezistență de frânare Rf, care este reglabilă, ceea ce permite modificarea corespunzătoare a cuplului de frânare. Mașina primește energie mecanică de la masele în mișcare și energie electrică pe la bornele înfășurării de excitație. Energia electrică obținută, după acoperirea pierderilor din motor, este dișipată pe rezistența de frânare.

Frânarea contracurent presupune parcurgerea următoarelor etape: se decuplează indusul de la rețea, se introduce, în serie cu această înfășurare, o rezistență de frânare Rf, se recuplează indusul astfel încât polaritatea tensiunii de alimentare să fie inversă față de cea inițială. Prin acest mod de frânare mașina primește atât energie electrică din rețea, pe la bornele ambelor înfășurări, cât și energie mecanică de la masele în mișcare. Întreaga energie rezultată, după acoperirea pierderilor din motor se dișipează pe rezistența de frânare. Mașina are deci un bilanț energetic nefavorabil. Această metodă permite obținerea unor cupluri de frânare importante chiar și la turație nulă.

VIII. BILANȚUL ENERGETIC AL MAȘINII DE CURENT CONTINUU

28

Page 25: Masini Electrice de Curent Continuu

A) Maşina funcţionează ca generator. Motorul primar transmite la arborele generatorului de curent continuu puterea mecanică:

P1 = M1 ,în care:

M1 - este cuplul activ transmis de motorul primar, care determină şi sensul de rotaţie;

- viteza unghiulară de rotaţie; Ω= 2n/60.Generatorul, presupus cu excitaţie separată, primeşte de la o sursă puterea

electricăPex = Uex Iex,

necesară producerii câmpului principal de excitaţie, putere care se consumă sub formă de pierderi Joule în înfăşurarea polilor de excitaţie. Dacă generatorul este autoexcitat, pierderile de excitaţie sunt suportate de motorul primar.

Din puterea mecanică primită de la motorul primar, o mică parte se consumă sub forma pierderilor, la mersul în gol (PM+V şi PFe), iar restul constituie puterea electromagnetică P, care, privită dinspre motorul primar, poate fi scrisă:

P = - M ,în care, M este cuplul electromagnetic al maşinii (cu semnul minus fiindcă este rezistent la arbore, maşina fiind în regim de generator).

.

Prin urmare, privită dinspre receptor, puterea electro-magnetică este o putere electrică, adică ea evidenţiază transformarea puterii mecanice în putere electrică, trans-formare care defineşte un generator electric. Din această putere, cea mai mare parte şi anume:

P2 = UAIA,se transmite, pe la borne, receptorului şi reprezintă puterea electrică utilă, iar restul acoperă pierderile Joule la contactul perie-colector (Up IA) şi în înfăşurările înseriate în circuitul indusului ( ). În figura 8 este redat bilanţul energetic al generatorului de curent continuu.

Întrucât:P1 = P + PM+V + PFe,

se poate scrie şi o relaţie corespunzătoare pentru cupluri, la turaţie constantă:M1 = - M + Mm + MFe,

în care:Mm – este cuplul corespunzător frecărilor şi pierde-rilor de ventilaţie;MFe – este cuplul corespunzător pierderilor în fier.

29

P1=M1∙Ω

P=E0IA=M∙ΩP2=UAIA

UexIex

RexI2ex

PM+V

PFe

RAI2A

∆Up∙IA

Page 26: Masini Electrice de Curent Continuu

Figura 8. Bilanţul puterilor generatorului de c.c. cu excitaţie separată.

B) Maşina funcţionează ca motor. În acest caz maşina absoarbe de la reţeaua electrică de alimentare puterea electrică:

P1 = UA IA

Presupunem că maşina are excitaţie separată, prin ur-mare, primeşte de la o sursă oarecare (eventual chiar de la reţea) puterea electrică necesară excitaţiei.

Din puterea electrică primită pe la borne, de la reţea, apoi prin perii în indus, o mică parte se consumă sub formă de pierderi Joule în contactul perii-colector (UpIA) şi în înfăşurarea rotorului, a polilor auxiliari, eventual, în înfăşurarea de compensaţie (

). Restul reprezintă puterea electromagnetică P, respectiv puterea electrică ce se transformă în putere mecanică, prin intermediul câmpului electromagnetic din motor. Prin urmare: .

Din această putere P, la arborele motorului se va dezvolta numai puterea mecanică utilă P2, care se obţine scăzând din puterea electromagnetică pierderile mecanice şi de ventilaţie şi pierderile în fier, respectiv: P2 = P – PM+V – PFe.

În baza relaţiilor de mai sus, în figura 8.1 s-a reprezentat bilanţul puterilor motorului de curent continuu. Dacă motorul antrenează un mecanism care opune la arborele maşinii un cuplu rezistent Mr, cuplul electromagnetic M, dezvoltat de motor, trebuie să fie mai mare decât cuplul rezistent, întrucât el trebuie să acopere şi cuplurile corespunzătoare frecărilor, ventilaţiei şi pierderilor în fier.

La turaţie constantă se poate scrie:M = Mr + Mm +MFe.

Figura 8.1. Bilanţul puterilor motorului de c.c.

BIBLIOGRAFIE

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

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

30

P2=Mr∙ΩP= - EIA= M∙Ω

P1=UAIA

UexIex

RexI2ex

PM+V

PFe

RAI2A

∆Up∙IA

Page 27: Masini Electrice de Curent Continuu

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.

31