Motoare de curent continuu

Masinile electrice sunt masini care transforma lucrul mecanic in energie electrica sau invers.

Dupa transformarea care are loc se deosebesc:

- generatoare care transforma energia mecanica in energie electrica;

- motoare care transforma energia electrica in energie mecanica.

Masinile electrice au trei regimuri de functionare:

- regimul de generator cand transforma energia mecanica in energie electrica;

- regimul de motor cand transforma energia electrica in energie mecanica;

- regimul de frana cand primesc atat energie electrica cat si mecanica si le transforma in caldura.

Masinile electrice functioneaza pe baza fenomenului de inductie electromagnetica.

Dupa principiul de functionare se clasifica in:

- masini electrice de curent continuu;

- masini electrice de curent alternativ.

Masinile electrice de curent alternativ sunt de trei feluri:

- sincrone;

- asincrone;

- cu colector.

Marimile nominale ale masinilor electrice sunt:

- puterea nominala <W>;

- tensiunea nominala <V>;

- tensiunea de excitatie;

- curentul nominal <A>;

- frecventa nominala <Hz>;

- turatia nominala <rot/min>;

- factorul de putere nominal.

Masina de curent continuu clasica, cu infasurare de excitatie si colector, a fost cea mai utilizata masina in actionarile electrice reglabile si pozitionari. Folosirea sa a fost determinata de posibilitatea obtinerii unui domeniu larg de variatie a vitezei, domeniu impus de majoritatea proceselor tehnologice.

Dupa mai bine de un secol de cand a fost conceputa popularitatea sa a inceput sa scada odata cu introducerea masinilor de curent alternativ in actionari electrice industriale tot mai complexe.

Dezavantajele masinii de curent continuu se datoreaza costului mai ridicat de fabricatie ai intretinere, determinat de uzura colectorului si a periilor si pericolului de functionare in medii inflamabile sau cu pericol de explozie.

1.1 Elemente constructive de baza ale masinii de curent continuu:

A Statorul (inductorul) produce un flux magnetic inductor necesar functionarii masinii si este format din:

- carcasa executata din material magnetic otel si rar fonta sub forma cilindrica pe care sunt fixati cu buloane polii de excitatie; carcasa si polii de excitatie formeaza partea fixa a circuitului magnetic prin care se inchid liniile campului magnetic de excitatie si pentru a asigura o valoare ridicata a inductiei electromagnetice pe o portiune cat mai mare a circumferintei indusului miezurile polilor de excitatie au catre indus o portiune mai lata numita piesa polara;

- poli principali executati din tole de otel stranse cu nituri; in partea dinspre rotor polul are o piesa polara sau talpa polara al carei rol este acela de a repartiza mai uniform fluxul in intrefier;

- poli auxiliari ce au rolul de a imbunatatii comutatia sunt executati din otel sau tole din otel si se monteaza intre polii principali;

- bobinele polare sunt bobinele de excitatie montate pe polii de excitatie si legate in general in serie si bobine auxiliare ce se monteaza pe polii de comutatie si sunt parcurse de curentul principal al masinii.

B Rotorul este format din:

- arbore executat din otel ce are rolul de a transmite cuplul mecanic;

- pachetul de tole al rotorului se executa din tabla silicioasa cu grosimea de 0,5 mm impachetata pe arbore si stransa intre suporti de bobinaj; este de forma cilindrica si are la exterior prevazute crestaturi in care se introduce bobinajul indus;

- colectorul este format din lamele de cupru de sectiune trapezoidala, izolate intre ele cu placi de micanita si izolate fata de piesele de strangere cu mansete conice de micanita sau cilindri izolanti;

- bobinajul indus este format din bobine executate din conductoare izolate de cupru, introduce i crestaturile pachetului de tole capetele fiind lipite la colector.

ventilator are rolul de a realiza o circulatie de aer necesara racirii masinii.

C Crucea portperii.

Pe colector freaca periile pentru a face legatura electrica intre bobinajul indus si cutia de borne. Periile se executa din praf de carbune, grafit sau praf de cupru prin presare. Ele sunt montate in casete metalice, numite portperii, care sunt fixate de o piesa de fonta sau otel denumita colierul sau crucea portperii. Legaturile intre portperii si placa de borne se fac din cablu de cupru izolat.

D Scuturile si lagarele au rolul de a permite montarea rotorului in interiorul statorului si rotirea lui.

E Cutia de borne face legaturile electrice din interiorul masinii ai legaturile electrice la reteaua electrica.

1.2 Campul magnetic al polilor de excitatie

Masina de curent continuu se construieste cu un numar par de poli de excitatie adica 2p poli de excitatie. Alimentand bobinajul de excitatie cu un curent si denumit curent de excitatie se produce un camp magnetic ale carui linii de forta se inchid prin carcasa, polii principali, intrefier si rotor. Conventional un pol nord este un pol al statorului din care ies linii de forta spre rotor iar un pol sud este un pol in care intra linii de forta.

Bobinele polilor sunt astfel legate incat dupa un pol nord urmeaza un pol sud iar dupa un pol sud unul nord.

Totalitatea liniilor de forta care ies sau intra intr-un pol al statorului formeaza fluxul inductor Ф.

Axele care unesc doi poli opusi se numesc axe polare. Bisectoarele axelor polare se numesc axe neutre geometrice .

Distanta masurata pe periferia indusului intre axele a 2 poli consecutivi se numeste pas polar.

τ = πD /2p, in care D este diametrul indusului

Distanta dintre doua perii succesive este egala tot cu un pas polar.

1.3 Infasurarile de curent continuu

Bobinajul rotorului este format din bobine identice introduse in crestaturile indusului si legate la colector. Dupa modul de legare a bobinelor la colector se deosebesc 2 tipuri principale de bobinaj:

- bobinaj buclat deoarece spirele bobinajului au forma unor bucle

- bobinaj ondulat deoarece spirele reprezentate in scheme au forma unor ondulatii.

1.4 Tensiunea electromotoare

Tensiunea electromotoare indusa intre periile unei masini de curent continuu se calculeaza luand in considerare conductoarele unei cai de curent. Daca se noteaza cu N numarul total de conductoare ale infasurarii si cu 2a numarul cailor de curent atunci numarul de conductoare in care se produce tensiunea electromotoare dintr-o cale de curent este deci:

e=e_ck=vlB_k

In relatia 1 s-a tinut seama ca tensiunile electromotoare e_ck se scriu conform relatiei e=vBl , avand factori comuni viteza v si lungimea l; inductia magnetica difera de la un conductor la altul fiind notata cu B_k pentru conductorul:

kє[1,].

Fara a comite o eroare prea mare suma din ultima expresie se poate calcula cu ajutorul valorii medii a inductiei magnetice pe o jumatate de perioada tinand seama ca exista relatia;

B_med=B_k

Viteza liniara se poate exprima ca raport intre lungimea l₁ a arcului parcurs de conductorul kla o rotatie completa si timpul t₁ necesar pentru efectuarea acestei rotatii.

Pentru calculul acestui raport se introduc notatiile:

t- lungimea arcului descris de conductorul k intre axele a doi poli succesivi numita pas polar s exprimata in metri;

n- turatia rotorului respectiv a conductorului k exprimata in rot/min;

2p-numarul polilor de excitatie.

Rezulta:

ν==

Introducand rezultatele in relatia 1 se obtine:

e= lB

Se noteaza cu:

Фe=τ/Bmed

Ф - reprezentand fluxul util al polului de excitatie determinat de liniile campului magnetic de excitatie printr-o portiune din suprafata indusului pentru care aria are lungimea l si latimea τ.

Tinand seama de fluxul util al polului de excitatie se obtine in final relatia:

e=NΦ

care serveste pentru calculul tensiunii electromotoare. Daca se utilizeaza constanta

ke=

rezulta:

e=k_eФ_en

Daca fluxul magnetic poate fi considerat constant se introduce constanta:

c_e=k_eФ_e

care permite calculul tensiunii electromotoare in raport cu o singura variabila si anume cu turatia:

e=c_en.

1.5 Clasificarea motoarelor de curent continuu

In functie de modul de conectare electrica a infasurarii de excitatie fata de infasurarea indusului motoarele de curent continuu se clasifica in:

-motoare de curent continuu cu excitatie separata sau independenta

-motoare de curent continuu cu autoexcitatie care pot fi:

1.cu excitatie in derivatie sau in paralel

2.cu excitatie in serie

3.cu excitatie mixta sau compound.

La masinile cu autoexcitatie tensiunea necesara circuitului de excitatie este produsa chiar de masina prin autoexcitatie pe baza fluxului magnetic remanent care exista in orice masina care a functionat anterior.

1.6 Cuplul motoarelor de curent continuu

Aplicandu-se tensiunea U la bornele unui motor de curent continuu prin infasurarea indusului va circula curentul Ia.

Prin interactiunea dintre campul inductor si curentul indus iau nastere fortele electromagnetice F, tangente la indus, care produc asupra indusului un cuplu M_e denumit cuplu electromagnetic. Acest cuplu pune in miscare rotorul in sensul sagetii ai, prin rotirea indusului, se induce in infasurarea rotorului o tensiune electromotoare E, al carui sens e invers decat sensul curentului ce circula prin infasurare.

Deci in timp ce la generatorul de curent continuu curentul in indus are acelasi sens cu cel al tensiunii electromotoare la motorul de curent continuu are sens invers cu cel al tensiunii electromotoare si rezulta:

U=E+ΔU

Sau pentru motorul cu excitatie separata:

U=E+R_a I_a.

Motorul absoarbe de la retea puterea P_a=UI. Scazand din aceasta pierderile in cupru in bobinajele de excitatie p_e si pierderile in cupru in bobinajul indusului p_cu=R_a I_a² rezulta puterea electromagnetica:

P_e=E I_a

Notandu-se cu Ω viteza unghiulara a indusului:

Ω =

puterea electromagnetica se mai poate scrie:

P_e=M_e Ω,

in care facandu-se inlocuirile P_e=EI_a, E= nΦ si Ω= rezulta

M_e==ΦI_a

adica cuplul electromagnetic este proportional cu fluxul si curentul din indus.

1.7 Pierderile si randamentul motorului de curent continuu

Daca din puterea electromagnetica se scad pierderile in fier produse in pachetul de tole al indusului ai pierderile mecanice, se gaseste puterea utila:

P_e=P_a-p_m-p_Fe

care poate fi scrisa si sub forma:

P=M*Ω,

in care M este cuplul util la arborele masinii.

Notand cu suma pierderilor, rezulta ca randamentul motorului de curent continuu va fi:

η==

1.8 Caracteristica mecanica a motoarelor de curent continuu

La motoare intereseaza sa se cunoasca modul cum variaza turatia n a motorului cand variaza cuplul de sarcina m adica curba n=f(M), cand ceilanti parametri sunt constanti. Rezulta:

U=E+R_aI_a=K_enФ+R_a I_a ,de unde:

n==Ia

Inlocuind in aceasta relatie valoarea lui I_a din relatia M_e =K_mΦI_a, si facand aproximatia MM_e rezulta expresia turatiei n in functie de cuplul M. Pentru motorul cu excitatie separata sau derivatie aceasta expresie este :

n=

Aceasta relatie arata ca n variaza liniar cu cuplul. La mersul in gol,

, iar pe masura ce creste cuplul, n scade.

Pentru motorul cu excitatie serie facandu-se abstractie de saturatia magnetica se poate considera ca fluxul este proportional cu curentul I_a adica Φ=.

Expresia cuplului devine:

adica cuplul este proportional cu patratul curentului, iar expresia turatiei devine:

.

Conform acestei relatii caracteristica mecanica a motorului cu excitatie serie are aspectul unei hiperbole. La mersul in gol,n₀ tinde spre infinit si din aceasta cauza motorul cu excitatie serie nu poate functiona in gol sau cu sarcini foarte reduse deoarece rotorul ar fi distrus de fortele centrifuge.

La motorul cu excitatie mixta diferentiala excitatia serie dezexcita masina pe masura ce sarcina creste si din aceasta cauza turatia nu mai scade ca la excitatia derivatie ci ramane constanta.

La motorul cu excitatie mixta aditionala excitatia serie provoaca o cadere mai mare a turatiei pe masura ce sarcina creste obtinandu-se o situatie intermediara intre cazul excitatiei derivatie si cea serie.

1.9 Ecuatia de miscare

Ecuatia de miscare se scrie pe arborele motorului sub forma :

unde:

M = M_mot - cuplul care intretine miscarea, numit cuplu motor;

M_rez - cuplul care se opune miscarii, numit cuplu rezistent;

- cuplul dinamic in care intervine momentul axial de inertie J al maselor aflate in miscare de rotatie pe arborele motorului si a utilajului antrenat de acesta.

In regim stationar viteza unghiulara este constanta ,Ω = constant. Prin urmare

si

M_mot = M_rez

In regim nestationar daca:

si sistemul motor-masina antrenata accelereaza.

Daca:

sistemul franeaza.

1.10 Ecuatiile diferentiale ale motorului de curent continuu cu excitatie serie

Infasurarea de excitatie este strabatuta numai de o parte a curentului prin indus. _Ra reprezinta rezistenta din circuitul indusului iar R_d o rezistenta variabila de slabire a campului. Considerand ca infasurarea indusului si infasurarea de excitatie datorita aranjarii geometrice nu sunt cuplate magnetic si ca masina functioneaza pe portiunea nesaturata a curbei de magnetizare, rezulta urmatoarele relatii

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

Ecuatia 1 se poate pune sub forma :

(6)

unde este constanta de timp a indusului. Ecuatia 2 se poate scrie :

(7)

unde este constanta de timp a circuitului de excitatie.

1.11 Reversibilitatea masinii de curent continuu

In regim de generator rotorul masinii este antrenat in miscarea cu turatia n de catre un motor exterior iar circuitul de excitatie este alimentat de la o sursa exterioara de tensiune continua. Tensiunea electromotoare indusa e are acelasi sens cu curentul I_a prin indus. Sensurile tensiunii la bornele U_a si cele ale curentului I_a se asociaza conform conventiei de la generatoare.

Cuplul electromagnetic al masinii este de sens contrar turatiei, deci este un cuplu rezistent. Masina transforma energia mecanica primita pe la arbore in energie electrica furnizata pe la borne.

In regim de motor indusul masinii este alimentat pe la borne de la o sursa externa de tensiune cu tensiunea a. Circuitul de excitatie trebuie de asemenea alimentat de la o sursa exterioara de tensiune. Sensurile tensiunii la bornele masinii U_a si ale curentului prin indus I_a se asociaza conform conventiei de la receptoare. Tensiunea electromotoare indusa e este acum de sens contrar curentului prin indus si din aceasta cauza se mai numeste si tensiune contraelectromotoare. Ea nu si-a schimbat sensul fata de functionarea ca generator, deoarece ea depinde numai de flux si de turatie iar in cazul nostru nu am schimbat sensul turatiei.

Cuplul electromagnetic exercitat de campul de excitatie asupra conductoarelor rotorice parcurse de curent va pune in miscare rotorul masinii. In acest caz turatia n si cuplul electromagnetic au acelasi sens deci cuplul electromagnetic este cuplu motor. Masina transforma energia electrica primita pe la borne in energie mecanica disponibila la arbore.

Ecuatia de echilibru a tensiunii la functionarea ca generator:

U_a=e-R_aI_a

Ecuatia de echilibru a tensiunii la functionarea ca motor;

U_a=e+R_aI_a

1.12 Masina cu indus tip toba

In prezent masinile de curent continuu uzuale se construiesc cu indusul tip toba datorita avantajelor pe care acesta le are fata de indusul tip inel. Miezul de otel al indusului tip toba este realizat din tole obtinute prin stantare din tabla de otel electrotehnic cu grosimea de 0,5 mm. Tolele sunt izolate intre ele printr-o pelicula de oxid izolant, sunt asezate cu crestaturile suprapuse si presate pe arbore. Se obtin in acest mod crestaturile de pe suprafata laterala a indusului. In crestaturi se aseaza laturile active ale bobinelor care construiesc infasurarea indusului.