Masini electrice de curent continuu

1 Constructie si clasificare

Sunt formate dintr-un stator sau inductor, care poarta bobinele de excitatie si un rotor sau indus avand infasurarile legate la un colector cu perii si alimentate de la o sursa de curent continua.

Dupa modul de alimentare a inductorului se deosebesc patru tipuri de motoare de curent continuu:

- cu excitatie serie (fig.45)

Prezinta o caracteristica mecanica foarte elastica si neliniara

Fig. 45

- cu excitatie derivatie (fig.46)

Prezinta o caracteristica naturala (cn) rigida si liniara.

Fig. 46

- cu excitatie separata (fig.47)

Prezinta o caracteristica naturala rigida, cu posibilitati largi de reglare a turatiei

Fig. 47

- cu excitatie mixta (fig.48)

Motorul dispune de doua fluxuri de excitatie: serie - , si paralel - , cu posibilitati de reglare independenta.

Fig. 48

Cele doua fluxuri pot sa se adune sau sa se scada, astfel ca fata de caracteristica (1) corespunzatoare motorului cu excitatie derivatie, pot sa apara urmatoarele cazuri:

- daca fluxurile celor doua infasurari se insumeaza algebric, rezulta caracteristica (2) neliniara si cu o dependenta pronuntata a turatiei cu momentul (caracteristica elastica);

- daca fluxurile se scad, se obtine o caracteristica rigida (3), sau chiar o caracteristica de tipul (4) care este insa instabila.

In actionarea instalatiilor industriale, cele mai raspandite sunt motoarele de curent continuu cu excitatie derivatie.

2. Motoare de curent continuu cu excitatie derivatie

Sunt cele mai raspandite la actionarea masinilor de lucru, deoarece asigura o caracteristica de actionare rigida si ofera posibilitati largi de reglare a turatiei.

2.1 Caracteristici mecanice:

In regim de motor, tensiunea electromotoare este opusa sensului curentului rotoric, astfel ca aplicand legea adoua a lui Kirchhoff la circuitul rotoric (fig.49), rezulta:

Fig. 49

Dar, , iar , de unde , astfel incat:

,

in care:

U - tensiunea de alimentare

Rr -rezistenta circuitului rotoric

-fluxul de excitatie

M - momentul motor

Ke,Km-constante,

deci ecuatia unei drepte cu panta inversa si ordonata la origine (pt. M=0):

, (numita turatie de mers in gol).

Asadar, putem scrie: , care reprezentata caracteristica naturala a motorului reprezentata grafic in figura 50 , curba 1.

Fig.50

Deoarece rezistenta rotorului si , , rezulta o caracteristica naturala rigida. Ea se prelungeste in cadranul II cu caracteristica generatorului recuperativ, care se obtine pentru

Pentru (-) se obtine similar caracteristica naturala 6, corespunzatoare rotatiei motorului in sens invers.

Caracteristicile artificiale 2- se obtin prin introducerea de rezistente aditionale Ra in circuitul rotoric. Cu cat cu atat si panta ,deci se obtine un fascicol de drepte ce trec prin (), avand panta crescatoare (caracteristici artificiale rotorice).

Caracteristicile artificiale 3 –se obtin prin reducerea fluxului de excitatie (deci a curentului de excitatie prin aceasta modificandu-se atat ordonata la origine cat si coeficientul unghiular b (), (caracteristici artificiale de flux).

Caracteristicile artificiale 4 -se obtin prin modificarea tensiunii de alimentare U a rotorului la motorul cu excitatie separata, (caracteristici artificiale de tensiune).

Daca si se obtine caracteristica 5 care trece prin origine si are panta dependenta de rezistenta circuitului rotoric (caracteristica masinii ca generator) .

2.2 Pornirea motorului de curent continuu

La punerea motorului sub tensiune deoarece si ,rezulta deci relatia tensiunilor devine:

Deoarece este mica, la pornire apar curenti de pornire mult mai mari decat curentul nominal:

Variatia curentilor de pornire este reprezentata in figura 51

Daca rotorul este blocat, se obtine curentul de pornire maxim maximorum .

La o pornire normala curentul rotoric atinge valoarea maxima , iar apoi, pe masura ce turatia n creste , curentul scade la valoarea nominala

De obicei: , ceea ce constituie o suprasolicitare electrica (si mecanica) atat a motorului cat si a instalatiei electrice. De aceea pornirea directa este permisa numai la motoare de putere redusa () si la porniri rare. La puteri mari se impune limitarea , deci este necesara pornirea indirecta.

Curentul de pornire trebuie limitat la intervalul .

Curentul rotoric se stabilizeaza la valoarea nominala dupa scurgerea timpului de accelerare (pornire) .

Fig. 51

Schema de pornire directa cu reversarea sensului (fig.52):

Fig. 52

In figura s-au notat :

sigurante fuzibile principale (de forta)

releu termic

sigurante pentru circuitul de comanda

releu de curent nominal, necesar ca in cazul intreruperii accidentale a circuitului de excitatie motorul sa nu se ambaleze datorita fluxului remanent (

dioda de protectie a IE impotriva tensiunii electromotoare de autoinductie care apare la intreruperea alimentarii circuituluide excitatie

-buton de oprire

-buton de pornire sens dreapta

-buton de pornire sens stanga

-contactor de functionare rotire dreapta

-contactor de functionare rotire stanga.

Rotirea in cele doua sensuri se realizeaza prin perechile de contacte si care asigura inversarea polaritatii tensiunii de alimentare a rotorului.

Ponirea indirecta cu rezistenta in circuit rotoric (fig. 53):

Se realizeaza prin introducerea in serie cu rotorul a unui reostat de pornire ( fig.53, a ) sau a unui grup de 2-5 rezistoare fixe ( fig. 53,b ), dimensionate astfel ca:

, (fig 51)

Ponirea se face cu toate rezistoarele inseriate cu rotorul, iar pe masura ce turatia se accelereaza si curentul scade, se scurtcircuiteaza cate o rezistenta pana la eliminarea totala a lor.

Se recomanda ca:

Corespunzator curentilor vom avea:

, deoarece

Fig. 53

Diagramele de functionare sunt prezentate in figura 54.

Pornirea se face in 3 trepte pe caracteristicile artificiale: AB – CD – EF – GN

Pornirea se face pe caracteristica 1 din punctul A pana in punctul B, cand se atinge turatia pentru care putem scrie :

Prin scurtcircuitarea lui se trece din pe caracteristica 2

                                                        Fig. 54

Motorul functioneaza pe caracteristica 2 pana la atingerea turatiei pentru care avem:

Prin scurtcircuitarea lui se trece din pe caracteristica 3

Proiect: Echipamente si instalatii de stingere a incendiului - prescriptii generale Eseu: Specificatie tehnica - fitinguri canalizare sudate din pvc

Motorul functioneaza pe caracteristica 3 pana la atingerea turatiei pentru care putem scrie:

Prin scurtcircuitarea lui se trece din si continua functionarea pe caracteristica naturala 4 pana in punctul nominal de functionare N .

Observatii:

-metoda este neeconomica din punct de vedere energetic, desi foarte utilizata ;

-pentru numar mic de trepte de pornire avem socuri mari de curent, dar reostatul este mai simplu. Pentru numar mare de trepte rezulta socuri mici, dar reostat scump;

-reostatul sau rezistorele se dimensioneaza ca putere pentru o functionare de scurta durata.

Pentru respectarea parametrilor de pornire se recomanda ca aceasta sa se realizeze automat,rezistoarele , fiind scurtcircuitate prin contactele unor contactori comandati in urmatoarele moduri:

-in functie de turatia n, prin detectarea tensiunii electromotoare cu ajutorul unor relee de tensiune, bazat pe relatia:

-in functie de curentul rotoric () – folosind relee de curent;

-in functie de timp – folosind relee de timporizare.

Primele doua metode prezinta avantajul ca parametrii de pornire sunt realizati la orice regim de lucru (sarcina).

Pornirea prin reglarea tensiunii de alimentare U (fig.55)

Este folosita mai ales atunci cand este necesara si reglarea n si consta in variatia continua sau in trepte a tensiunii la perii fluxul de excitatie ramanand constant:

Reglarea continua a tensiunii U se poate realiza:

- cu convertizor rotativ – se aplica numai cand este necesara si reglarea turatiei n in limite foarte largi

- cu convertizor static, care poate fi:

- cu amplificator magnetic

- cu redresor comandat

- cu variatoare electronice de tensiune continua

Reglarea in trepte a tensiunii U se realizeaza:

cu transformator cu prize in secundar

cu instalatii de redresare.

Asa cum s-a mai aratat, pentru motoarele de curent continuu, sunt valabile urmatoarele relatii:

sau

In care

reprezinta ordonata la origine care este functie de tensiunea U de alimentare, astfel ca la modul general putem scrie:

Deoarece la pornire se impune: , si corespunzator , cu , rezulta

Reglarea se face pe caracteristici artificiale, dupa cum urmeaza (fig. 55) :

Fig. 55

AB – functioneaza pe caracteristica 1 pana in B, pentru care putem scrie:

,

iar apoi se comuta pe caracteristica 2 (se sare in C) pentru care avem:

CD – functioneaza pe caracteristica 2 pana in D, pentru care putem scrie:

,

iar apoi se comuta pe caracteristica 3 (se sare in E) pentru care avem:

EF – functioneaza pe caracteristica 3 pana in F, pentru care putem scrie:

,

cand se comuta pe caracteristica 4 (se sare in G) pentru care avem:

functionarea motorului continuand pe caracteristica naturala.

2.3.Franarea motorului de curent continuu

In regim de franare motorul primeste putere mecanica de la arbore si putere electrica de la retea si le transforma ireversibil in caldura, dezvoltand totodata un cuplu de franare.

Franarea electrica se foloseste in urmatoarele scopuri:

- mentinerea constanta a vitezei atunci cand apar cupluri datorate unor forte potentiale (de inertie, gravitatie) sau variaza momentul rezistent .

- reducerea vitezei unghiulare impusa de procesul tehnologic sau in scopul opririi.

- mentinerea in repaus a organului de lucru atunci cand apar cupluri destabilizatoare.

Avantajele franarii electrice:

- lipsa uzurii mecanice

- gabarit redus (lipsesc franele mecanice)

- dezvoltarea unor cupluri de franare cu valori controlabile

- posibilitatea recuperarii partiale a energiei (transformarea energiei cinetice in energie electrica)

Metode de franare electrice:

dinamica (in regim de generator fara recuperarea energiei)

recuperativa (in regim de generator cu recuperarea energiei)

prin inversarea sensului de rotatie (propriu-zisa)

Franarea dinamica a motorului c.c.

Consta in decuplarea alimentarii rotorului si cuplarea lui pe o rezistenta de franare . Excitatia fiind cuplata, motorul trece in regim de generator nerecuperativ, energia electrica produsa fiind consumata (transformata in caldura) pe rezistenta de franare. Deoarece , rezulta:

, de unde:

deci, o dreapta ce trece prin origine cu coeficientul unghiular negativ. (caracteristicile 2, 3, 4,-fig. 56). Se observa ca, cu cat este mai mica, cu atat momentul de franare este mai mare, fiind maxim pentru (rotor in scurt circuit, caracteristica naturala ca generator 5). Punerea in scurt nu se utilizeaza datorita socului termic si mecanic la care este supus motorul.

Fig. 56

Franarea dinamica este brusca, dar scade odata cu scaderea , de aceea, pentru o oprire mai rapida se poate face franarea in trepte (caracteristicile 2,3,4,5), in cadrul unor comutari automate.

Exemplu-schema de pornire – franare cu o singura treapta intermediara (fig. 57):

Fig. 57

- releu de curent nominal

- releu de tensiune pentru pornire

- releu de tensiune pentru franare

- rezistenta de pornire (franare)

- contactor de pornire (franare)

Diagramele de functionare sunt reprezentate in figura 58:

Pornirea se realizeaza prin apasarea butonului , prin aceasta fiind alimentata bobina C1. Ca urmare se deschide contactul, iar apoi prin inchiderea contactului se realizeaza pornirea motorului cu rezistenta inseriata cu rotorul. Prin crestetea turatiei are loc variatia tensiunii la bornele rotorului care este detectata de releul de tensiune , care la valoarea programata a tensiunii isi inchide contactul ,suntand rezistenta de pornire (se sare din punctul B in punctul C). In continuare motorul functioneaza pe caracteristica naturala 2.

La oprire, prin apasarea butonului se intrerupe alimentarea bobinei C1, astfel incat, prin deschiderea contactului se intrerupe alimentarea rotorului (salt din punctul D in E), iar prin inchiderea contactului se cupleaza releul de tensiune care isi inchide contactul . Prin alimentarea bobinei contactorului C2, acesta isi inchide contactul C2, legand rezistenta de franare in paralel pe circuitul rotoric. Energia electrica produsa de masina electrica, care trece in regim de generator (caracteristica 3), este transformata in caldura pe rezistenta pana la anularea turatiei.

Fig 58

Franarea se realizeaza din E pana in F, cand releul , prin deschiderea contactului sau intrerupe alimentarea bobinei C2, care decupleaza rezistnta , in continuare oprirea fiind inertiala.

depinde de tensiunea de declansare a releului

Intensitatea franarii poate fi reglata prin alegerea corespunzatoare a valorii sau prin utilizarea unui reostat de franare.

Franarea recuperativa

Are loc in cazul in care motorul conectat la retea este obligat de mecanismul antrenat sa se roteasca cu o turatie mai mare ca cea de functionare:

Deoarece si , deci din relatia:

deci motorul trece in regim de generator consumand energie mecanica si dezvoltand un cuplu de franare. Energia electrica produsa este furnizata retelei.

La nivelul caracteristicilor de functionare lucrurile se petrec astfel (figura 59): punctul de functionare se muta din A in B, pentru care se dezvolta momentul de franare

Acelasi efect de franare recuperativa se obtine si daca se reduce tensiunea de alimentare (se trece pe caracteristica 2).

Pentru rezulta , deci se trece de pe caracteristica 1 pe caracteristica 2 (din AC) pentru care la turatia apare un , ce tinde spre zero pe masura ce

Fig. 59

Franarea prin contraconectare

Consta in schimbarea sensului de circulatie a curentului prin indus, realizata prin schimbarea polaritatii tensiunii la bornele indusului cu pastrarea sensului de rotatie;

Prin inversarea polaritatii:

Initial:

La franare:

Grafic, lucrurile se prezinta astfel (fig. 60) :

- punct de functionare (caracteristica 1)

La inversarea polaritatii: , si

, pentru care: si apare franarea din unde este necesara intreruperea alimentarii.

Franarea nu este totala, iar oprirea in C este dificila. Se lucreaza pe caracterisica artificiala 3 si nu pe cea naturala 2 pentru care apar solicitari electrice si mecanice inadmisibile.

a)    

b)    

Fig. 60

O alta metoda de franare este aceea cu reostat de franare inseriat cu rotorul (fig. 61) .

Marind rezistenta se schimba caracteristica de functionare si totodata si momentul motor (se trece de pe caracteristica 1 pe caracteristica 2), turatia scade din punctul B pana in punctul C pentru care avem turatie nula (s-a realizat oprirea) si ,

(a) (b)

Fig. 61

2.4 Reglarea turatiei motorului de curent continuu

Motoarele de curent continuu sunt mai avantajoase in raport cu motarele de curent alternativ in ceea ce priveste reglarea vitezei, avand un domeniu de reglare mai mare si fiind mai economice.

In montajul din figura 62 reglarea turatiei se realizeaza prin utilizarea a doua reostate ( pentru reglarea curentului rotoric sipentru reglarea fluxului de excitatie).

Fig. 62

Reglarea se realizeaza pe baza formulelor:

, dar

cu

si caile de reglare a turatiei

prin variatia tensiunii la bornele rotorului , la si

prin variatia fluxului de excitatie , la si

prin variatia tensiunii sursei de alimentare , la

Reglarea turatiei motorului de curent continuu prin variatia

Se realizeaza conform montajului de figura 63:

Fig. 63

- reostat serie - reostat derivatie

Reglarea se bazeaza pe relatiile:

,

De cele mai multe ori

,dar

- coeficientul unghiular al caracteristicii

, -pe caracteristica naturala

-pe caracteristica artificiala

Observatie.: teoretic dar practic

Dezavantaje :

- este voluminos si scump (functionare de durata)

- la mici, posibilitatile de reglare scad.

- randament redus ,deci se foloseste la motoare de puteri mici.

Reglarea turatiei motorului de curent continuu prin variatia (fig. 64)

Reglarea se poate face in doua moduri:

- cu reostat in circuitul IE, metoda aplicata la motoarele de puteri mici-mijlocii, cu excitatie in derivatie;

- prin utilizarea unei surse de tensiune reglabila pentru alimentarea independenta a IE.

Fig. 64

,

Cum: si

Observatie

- cu scaderea se obtin caracteristici artificiale tot mai elastice;

- deoarece caracteristica naturala 2 se obtine pentru turatia poate fi reglata numai in sens crescator;

- pentru , fluxul de reactie a indusului poate influenta mult de excitatie si caracteristica poate sa devina urcatoare (functionare instabila). Reglarea se limiteaza la domeniul :

- deoarece cu , acesta trebuie limitat din considerente termice trebuie sa ne incadram in hiperbola de putere ct.: , deci cu

- randament bun care scade putin cu cresterea datorita pierderilor pe si

Reglarea turatiei motorului de curent continuu prin variatia tensiunii de alimentare (fig.65)

Metoda presupune o sursa proprie de alimentare a motorului, reglabila, si se foloseste cand este necesar un domeniu larg de reglare. Sursa poate fi:

- un generator rotativ de c.c.;

- o instalatie de redresare cu tensiune reglabila.

Cum ,

Se obtine un domeniu larg de reglare a turatiei la

Fig. 65

Pentru reglarea turatiei la puteri mari se utilizeaza grupul generator - motor (Ward - Leonard) a carui schema este urmatoarea:

Fig. 66

- motor de curent alternativ trifazat ce antreneaza cele doua generatoare de c.c.: - excitatrice pentru alimentarea si - generator pentru alimentarea

si au puteri aproximativ egale, iar este de putere mult mai mica (ce poate fi inlocuita cu un redresor la instalatiile stationare).

Prin reglarea se regleaza si deci tensiunea de excitatie a si

Prin reglarea se regleaza , deci tensiunea de alimentare a motorului Inversarea polaritatii , deci a sensului de rotatie a se face prin perechile de contacte si prin care se inverseaza (prin se regleaza deci turatia

Prin reglarea se regleaza , deci turatia motorului . Uneori inversarea sensului se face prin inversarea (prin inversarea polaritatii la

Pornirea

se regleaza:     pe maxima

pe minima min si max

se selecteaza sensul de rotatie prin contactele sau

se porneste si se regleaza pana la obtinerea dorita;

se mareste turatia prin micsorarea (a tensiunii de alimentare a

se continua cresterea turatiei prin marirea (regl.

Obs.: daca scade scade si devine generator iar motor franarea sistemului

Oprirea(franarea):

se reduce turatia din (prin micsorarea rezistentei lui);

se reduce turatia din (prin marirea rezistentei lui);

cand se comanda schimbarea cu

se micsoreaza si apoi se mareste , prin aceasta turatia crescand in sens invers;

Avantaje

reglarea continua a turatiei in limite largi;

posibilitatea franarilor lente sau bruste (eventual cu recuperarea energiei);

regimuri tranzitorii scurte;

utilizarea unor reostate de mica putere cost redus si randament ridicat;

Dezavantaje

necesita cel putin 3 masini electrice;

puterea este de circa 3 ori mai mare ca cea necesara la

randament global redus.

Utilizari

masini unelte mari;

laminoare;

macarale mari;

ascensoare rapide;

transport feroviar si maritim.