Motorul electric de pornire - Demarorul

1 Pornirea motorului cu ardere interna

Pornirea motoarelor cu ardere interna se face prin invartirea arborelui cotit cu o turatie care depinde de tipul motorului. Invartirea arborelui cotit poate fi facuta manual sau cu un dispozitiv electric de pornire. Invartirea manuala se face cu o manivela ce actioneaza arborele cotit al motorului prin intermediul racului montat la partea din fata a arborelui. La automobilele moderne dispozitivul de pornire manuala a motorului lipseste intrucat dispozitivele de pornire electrice functioneaza in orice conditii. De asemenea dispozitivul de pornire manuala lipseste si la acele automobile care necesita un cuplu mare.

Dispozitivul electric de pornire este format dintr-un motor electric de pornire de curent continuu, alimentat de la bateria de acumulatoare a automobilului. In timpul pornirii, demarorul angreneaza prin intermediul unui pinion de pe axul sau, cu coroana dintata de pe volantul motorului, punand astfel in miscare arborele cotit.

Pornirea motoarelor cu aprindere prin scanteie are loc la o turatie minima a arborelui cotit 50 rot/min, daca instalatia de aprindere este cu baterie sau 100 rot/min daca instalatia de aprindere este cu magnetou. Motoarele diesel de pe automobile au turatia minima de pornire 200 rot/min, intrucat la turatii mici aerul din cilindru nu se incalzeste suficient pentru autoaprinderea combustibilului.

Momentul necesar rotatiei arborelui cotit, la pornire, este cuprins intre 5 si 20 kgf/m. Pentru a nu construi un demaror asa puternic intre demaror si arborele motorului se afla un angrenaj cu un raport de transmisie intre 10 si 16.

Cuplul rezistent de pornire

Arborele cotit al motorului inv inge la pornire un cuplu rezistent datorita rezistentelor de frecare si rezistentelor de compresiune.

Rezistenta de frecare se datoreaza frecarii pistoanelor de peretii cilindrilor, lagarelor si sistemelor de distributie, pompelor, supapelor. Dintre acestea, rezistenta de frecare cea mai mare este cea a pistoanelor si ca urmare este determinata in calculul cuplului. Ea creste cu atat mai mult cu cat vascozitatea uleiului de ungere este mai mare, in special la temperaturi scazute cand rezistentele de frecare la motor ating cele mai mari valori.

Pozitia arborelui cotit influenteaza foarte putin cuplul rezistent al fortelor de frecare.

Rezistenta de compresiune se datoreaza compresiunii amestecului de carburant. Ea nu depinde de temperatura ci numai de pozitia pistonului fiind maxima in punctul mort interior.

Pentru un calcul aproximativ al cuplului rezistent de pornire se foloseste urmatoarea relatie empirica:

M_r=c V_c

in care: M_r este cuplul rezistent (kgf),V_c - capacitatea cilindrica (l), c - un coeficient de calcul determinat experimental (kgfm/l)

Valoarea cuplului rezistent la diferite temperaturi depinde in mare masura de tipul, calitatea si vascozitatea uleiului si lubrifiantului, de constructia motorului, de tipul de lagare, de dimensiunile motorului.

La temperaturi scazute cuplul rezistent creste foarte repede cu marirea turatiei arborelui cotit. La pornire uleiul nu este intins pe toate suprafetele de frecare in contact si se porneste cu o alunecare aproape uscata, fapt care nu depinde de temperatura, astfel ca initial cuplul rezistent de pornire este acelasi pentru temperaturi diferite. Dupa pornire uleiul patrunde in toate suprafetele de frecare si rezistenta de frecare are loc intre particulele de ulei care formeaza o pelicula stabila, iar valoarea ei este minima. Marimea frecarii depinde de viteza de frecare, de vascozitate si de scaderea temperaturii; pe masura ce acestea cresc si frecarea creste.

La temperaturi joase, pelicula cea mai stabila de frecari minime are loc la o viteza de rotatie foarte mica, aproape ca nu se observa. Pe masura ce viteza de rotatie creste, creste si caldura degajata prin frecari, lucru care provoaca cresterea temperaturii uleiului dintre suprafetele de contact, vascozitatea scade astfel ca cuplul rezistent se micsoreaza.

Constructia motoarelor electrice de pornire

Particularitati

Regimul de functionare este de scurta durata astfel ca in general dimensionarea motorului electric este foarte stransa admitandu-se densitati foarte mari de curent prin circuitele electrice si de flux prin circuitele magnetice fara a exista pericolul supraincaazirii. Ca urmare chiar motoarele electrice de putere mare sunt dimensionate strans si au dimensiuni relativ mici.

Circuitul electric si magnetic al motorului electric de pornire este asemanator motoarelor serie de curent continuu obisnuite si nu se deosebeste cu nimic de ele.

Infasurarea indusului este confectionata din bare de sectiune dreptunghiulara din cupru si uneori din aluminiu. Cand se folosesc conductoare de sectiune cilindrica se pun mai multe in paralel. Tipul uzual al infasurari este ondulat.

Infasurarea inductoare este in general formata din patru poli uneori chiar hexapolara niciodata numai doi poli, corespunzator masinilor cu puteri mari de circa 100 W, de turatii mari si tensiuni mici.

Conductoarele infasurari sunt de sectiune mare, dreptunghiulare uneori chiar in paralel. Numarul de spire este foarte mic.

Constructia mecanica trebuie sa fie solida, mult mai tare si mai rezistenta ca la generatoare, intrucat trebuie sa dezvolte un cuplu de pornire foarte puternic.

Colectorul are o constructie obisnuita, lamelele sunt insa mult mai late din cauza densitatilor de curenti foarte mari care trec prin ele. Uneori pentru a se usura constructia perfect cilindrica a colectorului care in general are un numar mic de lamele se pot dispune cate doua lamele in paralel care au grosimile pe jumatate. Izolatia intre lamele nu se frezeaza la colectoarele motorului electric de pornire, pentru ca praful format prin uzura periilor sa nu scurtcircuiteze lamelele prin depunere. Astfel, inaltimea izolatiei este egala cu cea a lamelelor de cupru.

Periile colectorului se fac dintr-un aliaj cu continut foarte mare de cupru sau bronz, pentru a nu avea caderi mari de tensiune ai pentru a nu se uza prea repede. Densitatea de curent prin perii este de circa 60-100 A/cm² in momentul pornirii depasind de cateva ori densitatea normal admisibila pentru tipul respectiv de perii. Trecerea unui curent foarte mare impune un bun contact la perii pe colector, pentru a micsora caderea de tensiune de contact. In acest scop si forta de apasare a arcurilor pe perii se alege foarte mare, iar arcurile foarte puternice. Legaturile la perii trebuie sa fie ingrijit facute cu contacte electrice perfecte atat la perii cat si la bornele masinii.

Lagarele sunt in mod normal cu alunecare, uneori cu rulmenti cu role si nu sunt prevazute cu dispozitive speciale de ungere intrucat functionarea este de scurta durata. De cele mai multe ori se prevede numai un canal de legatura de la palnia de turnare a uleiului pana la arbore, in care se introduce in mod obisnuit un fitil de ungere imbibat cu ulei. Se folosesc cuzineti de bronz cu grafit avand compozitie 85% Cu, 9% Sn, 2%Zn si 4% grafit. Acesti cuzineti se imbiba cu ulei avand capacitatea de absorbtie de 10-30% in raport cu volumul total fapt care face ca ungerea sa se faca automat grafitul inlesnind acest lucru. Alte dispozitive de ungere nu sunt prevazute, ungerea lor fiind asigurata pana la reparatia generala cand se inlocuiesc.

Scuturile nu sunt prevazute cu dispozitive speciale de protectie a infasurarilor contra uleiului si scurgerilor de reziduuri intrucat acestea aproape ca nici nu exista, ca urmare a ungerii foarte reduse pentru functionarea de scurta durata.

2 Principiul de functionare si constructia demarorului

Principiul de functionare a demarorului se bazeaza pe interactiunea dintre campul magnetic al unui magnet si campul magnetic creat de un curent care trece printr-un conductor. Daca prin spira s aflata in campul magnetic H, trece un curent I, asupra ei va actiona cuplul fortelor F. Partea a-b a spirei va fi actionata de o forta F, la fel si partea c-d va fi actionata tot de o forta F, avand sensul din figura. Fortele F formeaza un cuplu care roteste spira in sens invers decat atunci cand motorul ar functiona ca generator.

In figura este reprezentata variatia momentului la arborele demarorului in functie de turatia lui. Cand turatia demarorului este mica, adica la pornire momentul este maxim si scade odata cu marirea turatiei. Aceasta variatie este tocmai cea corespunzatoare conditiilor de pornire a motorului care la inceput necesita un moment mare pentru invingerea inertiei volantului, precum si alte rezistente.

Constructia demarorului este reprezentata in figura de mai jos iar partile principale care il compun sunt:

Statorul compus din carcasa de otel 12 in interiorul careia se afla montate 4 piese polare 19 pe care se afla infaturarea de excitatie 20. Un capat al infasurari de excitatie este legat la borna izolata 18 iar celalalt se leaga la periile negative 14, izolate de masa. Carcasa 12 este inchisa cu capacele 5 si 16 care se fixeaza cu ajutorul tirntilor 17.

Rotorul este format din axul 9 pe care se gaseste fixat prin presare miezul 11 din tole de otel. In crestaturile miezului se gaseste infasurarea indusului 10. Datorita intensitatii mari a curentului care trece prin infasurarile de excitatie si a indusului, conductoarele acestor infasurari au o sectiune dreptunghiulara mult mai mare ca la generator.

Arborele rotorului 9 se monteaza pe bucse de bronz sau bronz grafitat 8 care se gasesc in capacele carcasei. Nu se utilizeaza rulmenti deoarece durata de functionare a demarorului este scurta.

Pe capatul exterior al arborelui rotorului se afla montat mecanismul de cuplare format din mufa 4 cu dispozitiv tip roata libera, pinionul 6, arcul 7, mansonul 3, mufa 21, parghia 1 articulata pe axul 22, arcul 2 de reducere al parghiei si contactorul 23.

Colectorul 13 este confectionat din placi de cupru, izolate intre ele si fixate rigid pe axul 9. De placile lui se leaga capetele sectiunilor infasurari indusului.

Periile 14 si 15 sunt fixate in suporturi portperii din capacul 16. Periile pozitive 15 se leaga la masa, iar periile negative 14 sunt legate la suporturile portperii izolate de masa. Periile se confectioneaza din material de cupru grafitat cu un continut mare de cupru pentru a avea o rezistenta cat mai mica.

3 Sisteme de comanda a mecanismului de cuplare a demarorului cu arborele motorului

Sistemul de cuplare al demarorului cu motorul trebuie sa indeplineasca urmatoarele conditii:

- transmiterea momentului de la demaror la motor sa aiba loc numai dupa angrenarea pinionului demarorului cu coroana volantului.

- demarorul sa se decupleze automat de motor, dupa pornirea acestuia, pentru a evita rotirea indusului de catre motor si deci smulgerea infasurari indusului din cauza turatiilor foarte mari.

3.1. Cuplarea comandata electromagnetic de la distanta poate fi realizata in diferite forme constructive. Demarorul din figura este prevazut cu cuplare prin releu electromagnetic.

Comanda parghiei 15 pentru a realiza cuplarea pinionului 17 cu coroana 16 este facuta de catre un releu de cuplare. Circuitul releului de cuplare se inchide prin apasarea butonului 3 care inchide circuitul unui releu auxilir. Releul de cuplare se compune dintr-un miez de fier gol in interior pe care se gasesc doua infasurari: infasurarea de cuplare 12 si infasurarea de retinere 13. In interiorul miezului se gaseste indusul mobil 14 care la un cap este legat de parghia 15 iar la celalalt prin intermediul unei tije poate inchide contactele 11. Releul auxiliar este compus, dintr-un miez pe care se afla infasurarea 8 si o lama metalica 9 care inchide sau deschide contactele 10.

Prin apasarea butonului 3 se inchide circuitul releului auxiliar care este urmatorul:

- borna pozitiva a bateriei 1;

- masa;

- peria pozitiva a generatorului 2;

- borna;

- borna 6;

- infasurarea 8;

- borna 7;

- butonul de pornire 3;

- ampermetrul 4;

- borna 5;

- borna negativa a bateriei.

La trecerea curentului prin infasurarea 8 a releului auxiliar se va magnetiza miezul acesteia. Miezul magnetizat va atrage lama metalica 9, invingand tensiunea arcului 20 si astfel inchide contactele 10.

Prin inchiderea contactelor 10 se face legatura intre demaror si baterie prin intermediul infasurari 12 si demarorul incepe sa se roteasca, realizandu-se cuplarea pinionului cu coroana. In acelasi timp se inchide si circuitul infasurarilor 12 si 13 ale releului de cuplare. Prin infasurarea 12 circuitul curentului este:

- borna pozitiva a bateriei;

- masa;

- periile pozitive ale demarorului 18;

- infasurarile indusului si ale excitatiei demarorului;

- borna demarorului;

- infasurarea 12;

- nodul 19.

Din nodul 19 curentul care circula prin cele doua infasurari va trece prin contactele 10, lama 9 si borna negativa a bateriei de acumulatoare. Campul electromagnetic produs de cele doua infasurari 12 13 va atrage indusul mobil 14 in interiorul miezului. In prima etapa o data cu deplasarea indusului mobil se va roti si parghia 15 cupland pinionul 17 cu coroana 16. Prin deplasarea mai departe a indusului se vor inchide contactele 11, inchizand circuitul demarorului cu bateria si scurtcircuitand infasurarea de cuplare 12, iar curentul in demaror vine direct de la baterie.

Circuitul curentului care trece prin demaror este urmatorul:

- borna pozitiva a bateriei;

- masa;

- periile pozitive ale demarorului;

- infasurarile indusului demarorului;

- periile negative ale demarorului;

- infasurarea de excitatie;

- borna demarorului;

- contactul mobil 11;

- borna negativa a bateriei de acumulatoare.

Dupa ce motorul a pornit, curentul care circula prin bobina 8 se va micsora datorita curentului dat de generator, care are sensul invers decat curentul bateriei. Prin micsorarea curentului, miezul bobinei 8 nu mai poate invinge tensiunea arcului 20 si se desfac contactele 10. In modul acesta se obtine intreruperea circuitului bobinei de retinere 13 care nu a fost scurtcircuitata iar arcul parghiei 15 o va readuce in pozitia punctata scotand pinionul 17 din angrenare.

3. Mecanismul de cuplare prin inertie

Mecanismul de cuplare prin inertie (bendix) este compus dintr-un pinion montat liber pe o bucsa filetata.

Filetul este realizat cu un pas foarte mare, bucsa 1 putand sa se deplaseze liber pe axul rotorului de care este solidarizata prin arcul elicoidal  

Arcul elicoidal, avand un capat fixat cu un surub de rotor, iar celalalt capat de bucsa filetata, realizeaza in acest fel un cuplaj elastic intre coroana 5 si demaror, care atenueaza socurile si loviturile puternice dintre dintii celor doua pinioane in timpul angrenarii. Pinionul 3 prevazut cu o masa excentrica 4 (contragreutate) este montat ca o piulita pe portiunea filetata a bucsei 1. In momentul rotirii demarorului, pinionul va avea tendinta sa ramana in urma datorita inertiei sale amplificata si de catre masa excentrica. Astfel, el se va insuruba pe filetul bucsei 1, efectuand o miscare de avans spre coroana dintata 5, fixata pe volant, cu care se angreneaza. Dupa pornirea motorului, coroana volantului capatind o viteza de rotatie din ce in ce mai mare va tinde sa roteasca pinionul mai repede decit il invarteste demarorul. In acest fel pinionul 3, rotindu-se mai repede decat bucsa 1 va incepe sa execute o miscare de desurubare, deplasandu-se inapoi pe bucsa si decuplandu-se in mod automat de coroana dintata a volantului. Acest sitem de cuplare are avantajul ca este simplu. Functionarea sa nu este insa silentioasa si este insotita de uzura pronuntata a dintilor pinioanelor. Pentru a asigura o deplasare usoara a pinionului demarorului, filetul bucsei trebuie curatat si ferit de ulei si praf sau alte impuritati.

Sensul de rotatie al cuplarii prin inertie poate fi spre stanga sau spre dreapta, iar sensul de deplasare al pinionului poate fi de la sau spre motorul electric de pornire. In functie de aceasta se executa si sensul filetului pe bucsa si sensul de spiralizare a arcului care in functionare trebuie sa se stranga.

Pentru a diminua socul care se produce la cuplarea pinionului de antrenare al electromotorului de pornire cu coroana dintata, la unele tipuri de demaroare se folosesc intrerupatoare actionate automat de pinion si o rezistenta suplimentara montata in serie cu infasurarile demarorului. Cuplarea in acest caz se va face in 2 etape. In etapa initiala demarorul este alimentat prin rezistenta cu un curent redus, care roteste pinionul de antrenare cu o turatie mica insa suficienta pentru deplasarea si cuplarea sa lina. Dupa cuplare, rezistenta este scoasa din circuit, demarorul primeste curentul maxim si porneste motorul dezvoltand un cuplu puternic.

4 Caracteristicile mecanice si regimurile de functionare ale motoarelor electrice de curent continuu

In timp ce motoarele asincrone in scurtcircuit s-au introdus peste tot unde se pretind una sau mai multe viteze discrete de rotatie motoarele de curent continuu isi pastreaza inca importanta pentru actionarile cu variatie continua de turatie intr-un domeniu relativ larg si cu schimbarea sensului de rotatie.

Schemele electrice ale motoarelor de curent continuu:

a-cu excitatie in derivatie; b-cu excitatie in serie; c-cu excitatie mixta.

IC - infasurare de compensatie;

PC - infasurarea polilor de comutatie sau auxiliari

Exd, Exs - infasurarea  de excitatie derivatie, respectiv serie;

Re, Rp - reostate de excitatie ,respectiv de pornire;

Intre motorul cu excitatie in derivatie si motorul cu excitatie separata sau independenta nu exista deosebiri in regimurile permanent si dinamic daca tensiune de alimentare a rotorului este invariabila. De aceea nu examinam separat motorul de curent continuu cu excitatie separata.

In analiza functionarii motoarelor de curent continuu vom admite ca reactia indusului este complet anihilata, iar rezistenta circuitului rotoric R_a invariabila.

4.1 Motorul de curent continuu cu excitatie in derivatie

Se stie ca tensiunea electromotoare E₀ indusa prin miscare in infasurarea rotorica de catre fluxul rezultant pe pol principal, pe o cale de curent este:

sau

, cu ,

unde

p este numarul de perechi de poli;

N - numarul de conductoare active ale infasurari rotorice;

A - numarul de perechi de cai de curent ale infasurari rotorice;

- fluxul magnetic rezultant pe pol principal in intrefier;

- viteza unghiulara a motorului;

n - turatia motorului.

Semnul minus al tensiunii electromotoare induse arata ca aceasta are sens invers cu curentul rotoric absorbit I_a.

Cuplul electromagnetic exercitat asupra rotorului motorului este:

I_a fiind curent rotoric.

Prin urmare, pentru o masina concreta de curent continuu sunt variabile relatiile :

unde c = kΦ este o cantitate constanta daca fuxul de excitatie pe pol principal Φ are o valoare invariabila schema echivalenta a circuitului rotoric al motorului de curent continuu derivatie sa desenat in figura 4-17; s-a presupus rezistenta reostatului de pornire R_p nula, ca si rezistenta reostatului de excitatie R_e. Schema  mentionata a rezultat adoptand pentru motor conventia referitoare la sensurile pozitive pentru dipolul receptor. Pentru obtinerea ecuatiei de functionare a motorului, respectiv a ecuatiei de echilibru a tensiunilor din circuitul sau rotoric, aplicam teorema a doua a lui Kirchhoff conturului Γ care incepe de la borna A, strabate infasurarea rotorului prin interiorul conductoarelor din care sunt realizate sectiile infasurari si ajunge la borna B, inchizandu-se prin aer la borna A. Se obtine

U fiind tensiunea aplicata circuitului rotoric, R_a rezistenta echivalenta infasurari rotorice inclusiv cea a infasurarilor polilor auxiliari si de compensatie iar caderea de tensiune perii-colector. In cele ce urmeaza se va neglija aceasta cadere de tensiune.

Eliminand I_a si E₀ intre ecuatia de mai sus si se obtine dependenta functionala Ω(M), ecuatia caracteristicii mecanice naturale a motorului de curent continuu derivatie:

Insa pentru M=0,; prin urmare Ω₀ are semnificatia vitezei unghiulare la functionarea in gol ideala a motorului cand cuplul electromagnetic dezvoltat ar fi nul.

Deoarece pentru o anumita valoare a fluxului de excitatiei, egala cu cea nominala pentru caracteristica mecanica naturala, ecuatia poate fi scrisa:

Ω=Ω₀-KM

cu K = R_a/k²Φ² = constant, putandu-se recunoaste imediat ca ecuatiile reprezinta analitic o dreapta in planul ΩOM, avand ordonata la origine Ω₀. Rezistenta indusului R_a fiind mica, caracteristica mecanica naturala a motorului de curent continuu derivatie este o dreapta putin cazatoare in planul ΩOM. Aceasta caracteristica are deci un grad de rigiditate mare, este dura.

Pentru trasarea caracteristicii mecanice naturale trebuie cunoscuta rezistenta R_a a infasurari rotorice. Uneori ea se indica pe tablita indicatoare in procente,

caracteristica mecanica naturala a motorului de curent continuu cu excitatie in derivatie:

1 - cu reactia indusului compensata

2 - cu reactia indusului insuficient compensata

unde rezistenta nominala R_aN a rotorului reprezinta raportul U_N/I_aN, dintre tensiunea nominala rotorica U_N si curentul rotoric nominal I_aN. Se obtine:

Daca nu cunoastem rezistenta R_a si nici nu o putem masura ea poate fi apreciata aproximativ, observand ca puterea de pierderi nominale in cuplul rotoric p_Cu2 reprezinta circa jumatate din pierderile nominale totale p_N adica

P_N fiind puterea mecanica utila nominala indicata pe tablita masinii. Insa , avand semnificatia randamentului nominal; aproximand curentul rotoric nominal I_aN prin curentul total absorbit de la retea I_N deducem:

Din analiza ecuatiei se desprind modalitatile de modificare a vitezei unghiulare la functionarea in gol ideala Ω₀, ca si a pantei sau gradului de rigiditate a caracteristicii mecanice a motorului de curent continuu derivatie. Se ajunge astfel la caracteristicile mecanice artificiale ale motorului de care ne ocupam: de tensiune, obtinute prin modificarea tensiunii de alimentare U, de flux magnetic, daca se modifica fluxul de excitatie pe pol principal Φ si reostatice, modificand rezistenta echivalenta a circuitului rotoric R_a. In practica variatia fluxului magnetic Φ poate avea loc doar descrescator fata de fluxul nominal daca tensiunea de excitatie este constanta.

Caracteristici mecanice artificiale ale motorului de curent continuu cu excitatie derivatie

a-de tensiune; parametru: tensiunea de alimentare U

b-de flux magnetic de excitatie

c-reostatice, prin inserarea de rezistoare in circuitul rotoric

Se observa ca variatia rezistentei echivalente rotorice R_A prin inserierea unui rezistor R₈ nu afecteaza viteza unghiulara de functionare in gol ideala Ω₀, care ramane constanta daca ceilantii parametri nu variaza, ci numai rigiditatea caracteristicilor mecanice reostatice. Acestea vor reprezenta, in consecinta, un fascicul de drepte ce au aceeasi ordonata la origine, Ω₀. Variatia fluxului de excitatie Φ influenteaza invers proportional pe Ω₀, ca si rigiditatea caracteristicilor mecanice artificiale de flux; acestea devin din ce in ce mai cazatoare odata cu scaderea lui Φ. Variatia descrescatoare a tensiunii de alimentare U conduce, la cuplu constant, la scaderea vitezei unghiulare deci a rigiditatii caracteristicilor. Scaderea lui U si viteza unghiulara de functionare in gol ideala Ω₀. Influenta descrisa anterior a variatiei marimilorΦ si u rezulta usor avand in vedere caderea de viteza unghiulara;

cat si caracteristica de magnetizare fiind curentul de excitatie, indicata in figura.

Caracteristica relativa de magnetizare la motorul de curent continuu cu excitatie derivatie

In primul cadran al planului ΩOM masina functioneaza ca motor, cu sensul de rotatie direct sau pe dreapta; in cadranul al treilea al aceluiasi plan masina functioneaza tot ca motor, dar avand sensul de rotatie invers sau pe stanga. In cadranele 2 si 4 functionarea masinii se face in regimuri de franare, masina electrica fiind actionats de masina de lucru.

La motoarele de curent continuu derivatie necompensate, slabirea fluxului de excitatie provocata de reactia indusului poate majora viteza de rotatie, ajungandu-se la o functionare instabila. Deoarece reactia indusului creste aproximativ patratic cu curentul rotoric, care creste pentru acelasi cuplu rezistent simultan cu scaderea fluxului de excitatie, aceste fenomene se accentueaza mai ales la functionarea cu suprasarcini si la functionarea cu flux magnetic de excitatie slabit. Pentru eliminarea acestei comportari nedorite la masinile de calitate inalta sau de mare putere se foloseste o infasurare speciala de compensatie; la puteri mici se folosesc infasurari ale unor poli auxiliari sau de comutatie, inseriate an circuitul rotorului.

4.2 Motorul de curent continuu cu excitatie in serie

La motorul de curent continuu cu excitatie in serie, utilizat mai cu seama in tractiunea electrica, este caracteristica inseriarea infasurarii rotorice cu infasurarea de excitatie. Din acest motiv ultima infasurare, trebuind sa suporte tot curentul motorului, are mai putine spire dar de sectiune mai mare, fiind mai robusta decat infasurarea de excitatie in derivatie. Schema electric s-a reprezentat in figura .

Daca rezistenta R_p a reostatului de pornire este nula iar rezistenta R_e a reostatului de excitatie este infinita, adica daca acest ultim reostat este intrerupt schema echivalenta in regim de motor al masinii de curent continuu cu excitatie in serie coincide cu schema echivalenta in acelasi regim a circuitului rotorului masinii cu excitatie in derivatie. Curentul rotoric coincide insa cu curentul de excitatie cat si cu curentul absorbit de la retea. Ecuatia de echilibru a tensiunilor in regim permanent sau cvasistationar va fi deci neglijand caderea de tensiune perii-colector:

fiind valabile relatiile, in ultima relatie avand I_a=I. Din ecuatia rezulta caracteristica de viteza cu sarcina:

Din punct de vedere formal ea nu se deosebeste de ecuatia aceleiasi caracteristici a motorului de curent continuu derivatie, numai ca fluxul Φ este o functie neliniara de curentul motorului I cu acelasi grafic.

Pentru sarcini reduse, deci la curenti mici absorbiti din reteaua de alimentare circuitul magnetic nu este saturat; fluxul de excitatie pe pol va fi proportional cu curentul si deci cuplul electromagnetic va fi

cu

Pentru curenti redusi cuplul electromagnetic M depinde practic de patratul curentului la motorul de curent continuu serie. In zona curentilor apropiati de curentul nominal sau avand valori supranominale circuitul magnetic este saturat si fluxul devine practic constant egal cu o anumita valoare . In aceasts situatie cuplul electromagnetic variaza proportional cu curentul

cu .

Pentru valori ale curentului motorului corespunzatoare cotului caracteristicii de magnetizare a miezului magnetic al masinii, dependenta M(I) este greu de redat analitic prin functii simple. De altfel aceasta ar implica cunoasterea precisa a curbei de magnetizare respectiv a calitatii de otel al circuitului magnetic al masinii. Desi in cele doua situatii mentionate anterior - curenti mari si curenti mici - s-ar putea obtine expresi analitice corespunzatoare pentru caracteristica mecanica naturala a motorului de curent continuu serie, aceste expresii nu sunt utilizate in practica. Firma constructoare furnizeaza de obicei caracteristica mecanica naturala Ω(M) uneori in valori relative si procentuale

Alteori furnizeaza curba Ω(I), caracteristica de viteza cu sarcina.

Caracteristica mecanica naturala a motorului de curent continuu cu excitatie in serie

Caracteristica mecanica naturala a motorului serie seamana intrucatva cu o hiperbola echilaterala raportata la asimptote cu axe coordonate. Puterea mecanica cedata pe arborele masinii de lucru in regim permanent sau stationar este practic constanta. De aceea o proprietate esentiala a motorului serie de curent continuu rezida in functionarea sa la putere constanta neexistand supraincarcarea sa. Motorul serie este deci autoregulator de putere. De aceea acest motor este apt pentru tractiune electrica sau pentru actionarea unor masini de ridicat .

Caracteristica mecanica naturala este cazatoare simultan cu cresterea cuplului fiind foarte elastica sau moale; viteza sa de rotatie depinde in mare masura de cuplul de sarcina de pe arborele sau. Examinand relatia se constata ca in situatia cand cuplul dezvoltat tinde spre zero atunci , viteza unghiulara tinde la infinit. In prezenta fluxului magnetic remanent, foarte mic fata de cel normal, viteza de rotatie va creste substantial. Motorul de curent continuu serie se ambaleaza in gol; eforturile centrifuge pericliteaza infasurarea rotorului si colectorul masinii, deci integritatea sa. Prin urmare motorul de curent continuu cu excitatie in serie nu poate functiona in gol, din motive de securitate mecanica si electrica. O functionare in gol poate fi acceptata doar la puteri nominale foarte reduse la care cuplul mecanic de frecari nu este neglijabil in raport cu cuplul nominal.

Motoarele de curent continuu serie trebuie sa fie intotdeauna cuplate rigid cu masina de lucru; nu sunt permise transmisii cu curele sau alte legaturi cinematice nerigide.

Cuplul M dezvoltat de catre motor la pornirea pe caracteristica sa naturala se calculeaza din relatia:

Insa la curentul de pornire va fi pe aceiasi caracteristica I=U/R_a=(15.20)I_N fiind asadar foarte mare intrucat rezistenta circuitului motor R_a este mica R_a=(0,050,07)R_N. Fluxul magnetic pe pol va fi cel corespunzator masinii saturate, Φ₀=constant si deci , proportional cu tensiunea de alimentare.

Supraincarcarea mecanica a motorului de curent continuu serie este limitata de saturatia polilor de comutatie ceeace provoaca o comutatie nesatisfacatoare la curenti mari deci scanteieri puternice la colector la acesti curenti. Cele descrise conduc la o supraincarcare mecanica admisibila λ=M_k/M_N=..2,5. Curentul de pornire I_p se limiteaza printr-un rezistor de pornire inseriat de rezistenta totala R_p astfel ca curentul de pornire sa nu depaseasca valoarea

In figura sunt prezentate diferite caracteristici mecanice reostatice si de tensiune, ca si curentul in functie de cuplul electromagnetic.

caracteristici ale motorului de curent continuu cu excitatie in serie:

1- naturala;

2 - reostatica;

3 - artificiala de tensiune.

Pentru construirea caracteristicilor mecanice reostatice obtinute prin inserierea de rezistente R₈ in circuitul motorului putem folosi urmatoarea metodica. Ecuatia caracteristicii naturale de viteza cu sarcina poate fi scrisa si sub forma:

cum am mai mentionat in R_a se include rezistenta infasurarii de excitatie serie si a altor infasurari serie. La inserierea rezistentelor R₈, motorul va lucra pe o caracteristica mecanica reostatica pe care viteza unghiulara va deveni.

cu R_A=R_a+R₈

Impartirea membru cu membru a relatiilor de mai sus rezulta:

Constructia caracteristicii mecanice reostatice, corespunzatoare unei anumite rezistente totale a circuitului motorului R_A se va desfasura astfel: atribuim cateva valori discrete I_k curentului (k=58), cuprinse de la valori foarte scazute la valori supranominale. Curentilor I_k le vor corespunde pe caracteristica naturala de viteza cu sarcina vitezelor unghiulare Ω_{k. I}nlocuindu-le in relatia in care se face Ω=Ω_k, se vor obtine vitezele unghiulare Ω_rk corespunzatoare respectiv acelorasi curenti I_k de pe caracteristica reostatica dorita. Aceasta poate fi construita deci punct cu punct. Pe masura cresterii rezistentei echivalente R_A a circuitului motorului se obtin caracteristici reostatice dispuse tot mai jos sub caracteristica mecanica naturala.

4.3 Motorul de curent continuu cu excitatie mixta

Dupa cum cunoastem acest motor este dotat cu doua infasurari de excitatie, una alimentata in derivatie si alta in serie cu infasurarea rotorica. In practica actionarilor electrice se utilizeaza cel mai des motorul de curent continuu mixt in montaj aditional, la care solenatiile celor doua infasurari se insumeaza aritmetic.

Caracteristicile mecanice ale motorului de curent continuu cu excitatie mixta sunt dificil de exprimat si cercetat pe cale analitica, datorita legii de variatie greu de relatat analitic, dintre fluxul de excitatie si curentul rotoric. Alura caracteristicilor mecanice este dependenta de preponderenta solenatiilor create de una sau alta din infasurarile de excitatie. La sarcina nominala se tinde insa ca solenatiile celor doua infasurari sa fie comparabile sau chiar egale.

La cupluri mici, deci la sarcini si curenti rotorici redusi ca valoare, viteza unghiulara a muotorului variaza pronuntat cu sarcina. Acest lucru se explica prin variatia sensibila a contributiei increarea fluxului inductor de catre solenatia infasurari de excitatie serie. Pentru sarcini comparabile cu sarcina nominala, circuitul magnetic se satureaza si fluxul rezultant de excitatie ramane aproximativ invariabil. Contributia infasurari serie de excitatie devine aproape constanta, chiar daca curentul sau sarcina variaza. In zona curentilor comparabili cu cei nominali, motorul cu excitatie mixta se comporta similar cu un motor cu excitatie derivatie. Caracteristica mecanica naturala este cu atat mai supla sau mai moale cu cat solenatia serie este mai importanta la functionarea nominala.

Motorul cu excitatie mixta posedao viteza finita la functionarea in gol ideala egala cu :

fiind fluxul infasurari de excitatie in derivatie, egal cu fluxul rezultant de excitatie daca fluxul dat de infasurarea de excitatie serie se anuleaza.

La sarcini reduse curentul absorbit de catre motor nu creste liniar cu cuplul ci mai incet, datorita prezentei infasurari de excitatie serie. La atingerea saturatiei circuitului magnetic functia I(M) devine functie liniara.

In figura sunt trasate orientativ caracteristicile mecanice reostatice obtinute pentru diferite rezistente echivalente circuitului serie al motorului fiind rezistenta aditionalp inseriatp cu rotorul. Aceste caracteristici prezinta aceeasi ordonata la origine, viteza unghiulara Ω₀ la functionarea in gol ideala.