2

FUNCŢIONAREA MAŞINII DE CURENT CONTINUU CA MOTOR

1. Constructie, principiu şi caracteristici de functionare

Motorul de c.c. prezintà aceleaşi elemente constructive ca şi generatorul de c.c. având inductorul fix (stator) şi indusul mobil (rotor).

De asemenea poate fi realizat atât cu excitatie separatà (fig.1) cât şi cu autoexcitatie (derivatie fig.2 serie fig.3 şi mixtà fig.4). Dintre acestea motorul cu excitatie separatà are caracteristici de functionare asemànàtoare celui derivatie putând fi studiate Impreunà, iar motorul cu excitatie mixtà prezintà caracteristici intermediare Intre ale motorului serie şi ale celui derivatie.

I=Ie

+ I + IIe Ia

+ I +Ie Ia

U U UU

Rsep

Rc

M=

IeRa

Rd Rs

M M= =

Ra Ra Rc

Rc

Rd Rs

M=

Ra

Rc- - - -

Fig. 0 Fig. 2 Fig. 3 Fig. 4

In regim de motor se alimenteazà atât Infàşurarea inductoare al càrui curent de excitatie Ie creeazà fluxul magnetic principal (e = Le Ie) cât şi Infàşurarea indusà al càrui curent Ia dà naştere fluxului de reactie al indusului (a = La Ia).

La motoarele de mare şi medie putere, peste cele douà fluxuri se mai suprapun: fluxul magnetic k al Infàşuràrii de compensatie (ce are rolul de a-l neutraliza pe a) şi fluxul c al Infàşuràrii auxiliare (care Imbunàtàteşte comutatia).

Câmpul rezultant din Intrefier (având fluxul de pol ) actioneazà asupra conductoarelor rotorice cu un cuplu electromagnetic de valoare medie :

M =KMIa (1)

care pune rotorul In mişcare cu turatia :

n U

K E

Ra

KE K M

M (2)

Sistemul perii - colector prin care se alimenteazà Infàşurarea rotoricà are rolul de invertor. El distribuie curentii prin conductoarele rotorice aşa fel Incât toate fortele electromagnetice care actioneazà asupra conductoarelor rotorice sà dea cuplu de acelaşi sens.

Curentul rotoric:

I U E

(3) Ra

este eliminat de tensiunea U la perii, tensiunea contraelectromotoare :

E KE n

şi rezistenta Ra a Infàşuràriirotorice.

(4)

In regim de motor, maşina excitata şi cuplata la o reţea de tensiune U absoarbe un curent I şi dezvolta la arbore un cuplu mecanic M la o turaţie n. Motoarele pot avea toate tipurile de excitaţie indicate in figura 2.3.

1.Pornirea motoarelor

In baza relaţiei (2.6) maşina poate dezvolta un cuplu la arbore daca este excitata, adica exista un flux inductor, şi daca indusul este parcurs de curent, adica maşina este alimentata de la o sursa. Sensul de rotaţie este impus de sensul cuplului care se poate schimba aşa cum se arata la punctul C5. La pornire, cand n = 0 şi E = keΦn = 0, relaţia (2.5) devine Un = RIp sau Un = βRIn, considerand Ip = βIn. Deci, avand in vedere menţiunea de la punctul D3, ca RIn = (0,05-0,15)Un, atunci β = Un/RIn ≈ 6-20, adica curentul de pornire Ip ar fi de 6 pana la de 20 de ori curentul nominal In. Maşinile de mica putere, la care RIn > 0,l5Un iar Ip < 6In şi timpul de pornire este sub o secunda, se pot porni prin conectare directa la reţea. Restul maşinilor trebuie pornite prin alimentarea la inceput cu o tensiune redusa de la o sursa sau prin introducerea in serie cu indusul a unui reostat de pornire de rezistenţa Rp pentru a limita curentul iniţial de pornire la valori Ip≤1,5-2In

(fig. 2.18). Pentru un curent Ip dat, tensiunea la borne trebuie sa fie U = IpR,, iar in cazul folosirii reostatului de pornire rezistenţa acestuia trebuie sa indeplineasca relaţia Un = (R + Rp) I p si:

(2.7)

Fig. 2.18. Schema de pomire cu reostat a motoarelor de c.c. cu excitaţie derivaţie.

Curentul Ip fiind limitat şi ştiind ca Φ ≈ kΦie, cuplul iniţial de pornire Mp = km,ΦIp nu mai poate fi marit decat prin creşterea curentului de excitaţie ie. La motorul serie, la care ie = Ia, este asigurat un cuplu bun de pornire, . La motoarele cu excitaţie separata reostatul de camp se da pe poziţia de rezistenţa minima pentru un curent ie maxim admis, iar la motoarele cu excitaţie derivaţie, în afara reostatului de camp care se pune pe pozijia Rc = 0, trebuie ca excitaţia sa fie legata la reţea, inaintea reostatului de pornire (fig. 2.18) pentru a nu micşora tensiunea de excitaţie la pornire cu valoarea Rp Ip. Din aceleaşi motive, motoarele derivaţie nu pot fi pornite prin alimentarea de la sursa cu tensiune variabila. Pentru un cuplu mai bun de pomire se mai folosesc motoare cu excitaţie mixta sau compound, la care infaşurarea serie este conectata adiţional.

Fiind indeplinite aceste condiţii, dupa cuplarea la reţea creşte turaţia n şi t.e.m. E = keΦn, iar pentru Ub = ct din relaţia (2.5) reiese ca scade I, dand posibilitatea sa scada o parte din rezistenţa Rp, pana se ajunge ca la bornele motorului sa se aplice tensiunea nominala Un.

Schimbarea sensului turaţiei, data la punctul C5, se face prin schimbarea polaritaţii tensiunii la bornele indusului sau a tensiunii de excitaţie, dar nu prin schimbarea polaritaţii la amandoua.

2 Caracteristicile motoarelor de c.c.

Daca in relaţia (2.5) se inloeuieşte E din relaţia (2.3) se obţine caracteristica in sarcina n(I):

(2.8)

iar daca in relaţia (2.8) se inlocuieşte Ia cu M din relaţia (2.6) se obţine caracteristica mecanica n (M):

(2.9)

unde n0 = U/ ke, Φ este turaţia ideala de mers in gol, cand M = 0 şi I = 0.La motoarele cu excitaţie separata sau derivaţie, la care Φ = const. şi U = const., n(I) şi n(M)

date de relaţiile (2.8) şi (2.9) reprezinta ecuaţiile a doua drepte la care ordonata la origine n0 depinde de tensiunea U aplicata la borne şi de fluxul Φ ≈ kΦie, iar panta depinde de rezistenţa interna R şi de flux (fig. 2.19). La motoarele cu excitaţie serie, la care ie = I şi Φ ≈ kΦI, n(I) şi n(M) reies tot din relaţiile (2.8) şi (2.9):

; (2.10)

şi, pentru U = ct, forma de variaţie este hiperbolica (fig. 2.20).

Fig. 2.19 Caracteristicile mecanice ale motoarelor Fig. 2.20 Caracteristicile mecanice ale motoarelor de c.c. cu excitaţie separată de c.c. cu excitaţie serie şi compound adiţional

Motoarele cu excitaţie mixta sau compound, cu infaşurarea serie conectata adiţional, in afara avantajelor aratate la pornire, au o caracteristica mai cazatoare deoarece, o data cu creşterea sarcinii, creşte fluxul şi din relaţiile (2.8) sau (2.9) reiese ca scade n pentru aceeaşi sarcina, fiind o combinaţie a caracteristicilor motoarelor cu excitaţie separata şi a celor cu excitaţie serie (fig. 2.20). In figurile 2.19 şi 2.20 se dau, in afara caracteristicilor naturale pentru valorile nominate ale parametrilor menţinuji constanţi, şi caracteristici artificiale care dau o imagine mai clara asupra posibilitaţilor de a obtine la acelaşi cuplu turaţii diferie.

3. Reglarea turaţiei motoarelor de c.c.

Din analiza relaţiilor (2.8) şi (2.9) reiese ca la I = ct sau la M = ct, turaţia se poate regla acţionand asupra tensiunii de alimentare U sau fluxului Φ deci a curentului de excitaţie ie. Reducerea fluxului la motorul serie se face şuntand infaşurarea de excitaţie cu o rezistenţa Rd (fig. 2.21). O alta metoda mai neeconomica este cea a modificarii pantei dreptei inseriind cu indusul o rezistenţa Rs şi ecuaţia (2.9) devine:

(2.9 ,a )

Atenţie! Intreruperea excitaţiei in timpul funcţionarii motorutui cu excitaţle separata sau derivaţle conduce la Φ ≈ 0, deci E ≈ 0 şi la U = ct.; din relaţia (2.5) reiese ca la creşte mult, iar din relaţia (2.8) ca maşina se poate ambala. Totuşi, daca cuplul rezistent la arbore Mr > M — km

ΦrI din cauza fluxului remanent Φr <<Φ, maşina se opreşte, iar curentul Ia =Ip conduce la incalziri periculoase. De aceea, circuital de excitaţie nu este prevazut cu siguranţe fuzibile sau alt tip de protecjie. Motorul serie, in baza relaţiilor (2.10), se am-baleaza la funcjionarea in gol. cand M ≈ Q (fig. 2.20); de aceea se foloseşte numai cuplat cu mecanismul de antrenat, cum este folosit in tracţiune, în Fig. 2.21 Schema pentru pornirea, inversarea instalaţiile de ridicat şi la motoarele serie de mica putere Sensului de rotaţie şi reglarea turaţiei alimentate in c.a. şi incorporate in aspiratoarele de praf, lamotorul serie.robojii de bucatarie, raşniţele de cafea, maşinile de gaurit etc.

Turatia motorului de c.c. se poate modifica prin:a) Inserierea cu rotorul a unui reostat de reglaj R, obtinând turatii

mai mici decât cea nominalà (fig. 9 - pentru excitatie separatà);b) scàderea fluxului inductor (micşorarea curentului de excitatie cu

ajutorul reostatului de câmp Re ) obtinând turatii mai mari decât cea nominalà (fig. 10 - pentru excitatie separatà;

c) prin scàderea tensiunii de alimentare rotorice, obtinând turatii mai mici decât cea nominalà (fig.10 - pentru excitatie separatà).

A

n Mn

0 A7

n Mr

R=0 n0 R=0

n Mr

''<'

'<A6

A4

A2

R'''>R''

R'

5

R''>R'

A3

A

n0

R'

R''>R'

n, Un

U'<Un

U''<U'

1

MI MII M M M

Fig. 8 Fig. 9 Fig. 10

Determinarea randamentului

Motorul de c.c cu excitatie separatà absoarbe pe la borne o putere electricà :

P1=UIa+ReIe2 (5)

şi dà la arbore o putere mecanicà :

P M 2 n

(6)2 260

Diferenta dintre cele douà puteri se disipà In motor sub formà de :a) pierderi mecanice - Pm - dependente de turatie ;b) pierderi In fierul rotoric - PFe2 - dependente de turatie ;c) pierderi In Infàşuràri :

Pj = Ra Ia2 +Ra Ia

2 (7)

d) pierderi la perii :

Pp = Up Ia (8)

dependente de càderea de tensiune la perii (Up 2V) ;e) pierderi suplimentare :

Ps 0.01 UN IN (I / IN)2 (9)

Randamentul se poate determina direct :

P2

P1

(10)

sau calculând pierderile totale :

P = Pm + PFe2 + Pj + Pp + Ps (11)

şi apoi randamentul :

1 P

P1Pierderile mecanice şi In fier se determinà dintr-o Incercare la mers In gol, cu relatia :

Pm + PFe2 = U I0 - Ra I02 (13)

unde I0 este curentul rotoric la mers In gol.

FUNCTIONAREA MAŞINII DE CURENT CONTINUU IN REGIM DE FRANA

Cand se impun franari rapide pentru oprirea sau schimbarea sensului de rotaţie a motorului, este intalnit regimul de frana (fig. 1.1, d). Astfel, inversand polaritatea tensiunii de alimentare şi pastrand semnul fluxului, se schimba polaritatea curentului din indus, deci şi sensul cuplului motor, M = kmΦIa,, cautand sa antreneze rotorul in sens invers faţa de turaţia pe care o avea. In acet caz, maşina primeşte energie mecanica pe la arbore de la mecanismul care in virtutea inerţiei cauta sa menţina turaţia motorului, şi energia electrica de la reţea pentru invingerea cuplului care menţine turaţia in sens invers. In asemenea regim, cand U şi Ia işi schimba semnul, din relaţia (2.5) reiese ca:

(2.11)

şi se impune limitarea curenţilor de franare If prin introducerea in momentul inversarii polaritaţii tensiunii a unei rezistenje Rf (fig. 2.22). Daca se urmareşte oprirea maşinii cand n = 0, se deschide K Şi se intrerupe alimentarea. Altfel, maşina va porni in sens invers şi Rf se scoate din circuit.

Atenţie! Inversarea sensului de rotaţie din mers nu se face prin inversarea curentului de excitaţie, deoarece apare un şoc mare de curent prin indus cand maŞina ramane fara excitaţie şi exista pericolul apariţiei cercului de foc la colector, care poate distruge colectorul.

Fig. 2.22. Schema de frânare a unul motor de c.c. cu excitaţile separata.

BILANŢUL DE PUTERI ŞI RANDAMENTUL MAŞINII DE CURENT CONTINUU

La o maşina de c.c., pierderile ireversibile de energie care apar in procesul conversiei electromecanice sunt:— in infaşurarea indusului şi a altor infaşurari inseriate cu ea -Pw = RI2;— in fierul indusului care se magnetizeaza periodic cand se roteşte in campul inductor —Pfe;— in lagare, la contactul perie-colector şi prin ventilaţie — Pfv

— la contactul mobil perie-colector, pierderile electrice — Ppe = ΔUpI;— in infaşurarea de excitaţie, pierderile Joule — Pex — Ueie Deci, pierderile totale intr-o maŞina de c.c. sunt:

(2.12)

Bilanţul de puteri pentru motoare şi generatoare este reprezentat intr-o forma sugestiva in figura 2.23. Deoarece marimile electrce se pot masura mai usor şi mai precis decat cele mecanice de la axul maşinii, in baza figurii 1.1 randamentul generatorului se determina cu relaţia:

(2.13)

unde P2 = UI este puterea cedata de generator, iar la motor:

(2.14)

unde P1 = UI este puterea primita de motor. Randamentul maşinilor normale creşte cu puterea avand valori intre 0,75

Şi 0,95. In practica, randamentul nu se mai determina prin incarcarea in sarcina a maşinii. Se masoara rezistenţa R la bornele de alimentare şi rezistenţa Re a infaşurarii de excitaţie, Şi, cu acestea, se pot determina pentru orice curent I =

βIn pierderile Pw , Pex şi Ppe luand ΔUp = 1,5... 4 V. Înecercand maşina in gol, ca motor tensiunea de lucru, cu excitaţie independenta, puterea absorbita

, dearece I0 = 2... 5% din In. Pierderile de frecare şi ventilatie Pfv, ca şi pierderile in fier PFe nu depind practic de sarcina, ci numai de turaţie.

Fig. 2.23 Bilanţul de puteri la masina de c.c.a ― regim de motorb ― regim de generator.

BIBLIOGRAFIE:Constantin Bala – Masini electriceMarius Babescu – Masini electriceToma Dordea – Masini electriceC. Lazu, V.Corlateanu – Masini electrice vol 1 si 2