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.

1 Caracteristici mecanice

In regim de motor, tensiunea electromotoare este opusa sensului curentului in indus, astfel ca aplicand legea a doua a lui Kirchhoff la circuitul acest circuit (conform cu figura), rezulta:

Dar, , iar , de unde , astfel incat:

,

in care:

U - tensiunea de alimentare

R_r - 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).

Putem deci scrie: , relatie care reprezinta caracteristica naturala a motorului, curba 1.

Deoarece rezistenta infasurarii indusului este foarte mica rezulta o inclinatie b a curbei si deci o caracteristica naturala rigida. Ea se prelungeste in cadranul al doilea cu o caracteristica de tip generator recuperativ, care se obtine pentru n > n₀

Pentru (-n₀) se obtine similar caracteristica naturala -1, corespunzatoare rotatiei motorului in sens invers.

Caracteristicile artificiale 2 (2a, 2b) se obtin prin introducerea de rezistente aditionale Ra in circuitul rotoric. Cu cat Ra este mai mare cu atat si panta b creste, si deci se obtine un fascicol de drepte care trec prin originea coordonatelor avand panta crescatoare (caracteristici artificiale rotorice).

Caracteristicile 3 (3a, 3b) se obtin prin reducerea fluxului de excitatie  (deci a curentului de excitatie I_e), si prin aceasta se modifica atat ordonata la origine cat si coeficientul unghiular b ( scade, iar n_o si b cresc), (caracteristici artificiale de flux).

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

Daca U_r = 0 T n₀ = 0 si se obtine caracteristica 5 care trece prin origine si are panta dependenta de rezistenta circuitului indusului (5a, 5b) - caracteristica masinii in regim de generator.

2 Pornirea motorului de curent continuu

La punerea motorului sub tensiune deoarece E = k_e ^x  ^x n si n = 0, rezulta
E = 0 deci relatia tensiunilor devine:

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

Variatia curentilor de pornire se poate analiza din reprezentarea alaturata.

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

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

De obicei , ceea ce constituie o suprasolicitare atat a motorului cat si a instalatiei electrice. De aceea pornirea directa este permisa numai la motoare de putere redusa (P < 1Kw), la porniri rare. La puteri mari se impune limitarea I_rpmax I_Rn, deci este necesara pornirea indirecta.

Curentul de pornire trebuie limitat la intervalul I_Rpmin < I_Rp < I_Rpmax.

Curentul rotoric I_Rp se stabilizeaza la valoarea nominala I_rn dupa depasirea timpului de accelerare (pornire) t_a.

2. a Schema de pornire directa cu inversarea sensului de rotatie

In figura s-au notat:

e₁ sigurante fuzibile principale (de forta)

e₂ releu termic

e₃ sigurante pentru

circuitul de comanda

d releu de curent

nominal, necesar ca in

cazul intreruperii

accidentale a circuitu-

lui de excitatie motorul

sa nu se ambaleze

datorita fluxului

remanent ()

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

b₁ - buton de oprire

b₂       - buton de pornire sens dreapta

b₃       - buton de pornire sens stanga

C1      - contactor de functionare rotire dreapta

C2      - contactor de functionare rotire stanga.

Rotirea in cele doua sensuri se realizeaza prin perechile de contacte C11 si C12 care asigura inversarea polaritatii tensiunii de alimentare a rotorului.

2. b Pornirea indirecta cu rezistenta in circuit rotoric (fig. 53):

Se realizeaza prin introducerea in serie cu rotorul a unui reostat de pornire R_p sau a unui grup de 2 - 5 rezistoare fixe dimensionate in asa fel incat:

,

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

Se recomanda ca:

Corespunzator curentilor vom avea:

, deoarece

Diagramele de functionare pentru pornirea se in 3 trepte conform cu caracteristicile artificiale: AB - CD - EF - GN.

Pornirea se face pe caracteristica 1 din punctul A pana in punctul B, cand se atinge turatia n₁ pentru care putem scrie :

Prin scurtcircuitarea lui R_p3 se trece din B in C pe caracteristica 2.Motorul functioneaza pe caracteristica 2 pana la atingerea turatiei n₂ pentru care avem:

Prin scurtcircuitarea lui R_p2 se trece din D in E pe caracteristica 3. Motorul functioneaza pe caracteristica 3 pana la atingerea turatiei n₃ pentru care putem scrie:

Prin scurtcircuitarea lui R_p1se trece din F in G si continua functionarea pe caracteristica naturala 4 pana in punctul nominal de functionare N .

Observatii:           

- metoda este ne economica din punct de vedere energetic, desi este 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 rezistoarele se dimensioneaza ca putere pentru o functionare de

scurta durata.

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

- in functie de turatia n, prin detectarea tensiunii electromotoare cu ajutorul unor

relee de tensiune, bazat pe relatia: E = k_e ^x  ^x n

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

- in functie de timp - folosind relee de temporizare.

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

2. c. Pornirea prin reglarea tensiunii de alimentare U

Este folosita mai ales atunci cand este necesara si reglarea n si consta in variatia continua sau in trepte a tensiunii la perii 0 < U < U_n 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 (vezi figura):

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.

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 M_r.

- 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)

3. a. 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
U = 0, rezulta:

, de unde: ,

deci, o dreapta ce trece prin origine cu coeficientul unghiular negativ. (caracteristicile 2, 3, 4,). 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.

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

3. b. Pornire - franare cu o singura treapta intermediara

d₁ - releu de curent nominal

d₂ - releu de tensiune pentru pornire

d₁ - releu de tensiune pentru franare

R_p, R_f - rezistenta de pornire (franare)

C₁, C₂ - contactor de pornire (franare)

Pornirea se realizeaza prin apasarea butonului , prin aceasta fiind alimentata bobina C₁. Ca urmare se deschide contactulC₁₃, iar apoi prin inchiderea contactului C₁₁ 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 d₂, care la valoarea programata a tensiunii isi inchide contactul d₂,suntand rezistenta de pornire R_p (se sare din punctul B in punctul C). In continuare motorul functioneaza pe caracteristica naturala 2.

La oprire, prin apasarea butonului b₂ se intrerupe alimentarea bobinei C1, astfel incat, prin deschiderea contactului C1 se intrerupe alimentarea rotorului (salt din punctul D in E), iar prin inchiderea contactului C₁₃ se cupleaza releul de tensiune care isi inchide contactul . Prin alimentarea bobinei contactorului C2, acesta isi inchide contactul C2, legand rezistenta de franare R_f 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 R_r + R_f pana la anularea turatiei. Diagramele de functionare, caracteristici mecanice si curent sunt redate mai jos.

Franarea are loc din E pana in F, cand releul d₃, prin deschiderea contactului propriu intrerupe alimen-tarea bobinei C2, care decupleaza rezistorul R_f, in continuare oprirea fiind inertiala.

M_fmin depinde de tensiunea de declansare a releului d₃.

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

3. c. 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 decat cea de functionare: n > n₀.

Deoarece si , deci din relatia:

T Ir < 0 T si motorul trece in regim de generator consumand energie mecanica (dezvoltand astfel un cuplu de franare), energia electrica produsa fiind furnizata retelei.

La nivelul caracteristicilor de functionare lucrurile se petrec astfel punctul de functionare se muta din A in B, pentru care se dezvolta momentul de franare M_f.

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

Pentru U₂ < U₁ rezulta n₁ < n₀, deci se trece de pe caracteristica 1 pe caracteristica 2 (din A in C) pentru care, la turatia n, apare un M_f < 0, ce tinde spre 0 pe masura ce n n₁.

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 ca in figura.

A - punct de functionare (caracteristica 1)

La inversarea polaritatii n₀ - n₀, si A B,
pentru care, M M_f; apare franarea din B C, cand va fi necesara intreruperea alimentarii.

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

3. d. Franarea prin marirea rezistentei

circuitului indusului

In acest caz se introduce un reostat de franare inseriat indusului. Marind rezistenta R_f se schimba caracteristica de functionare si totodata si momentul motor M (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 M_r = M_a,

5. Reglarea turatiei motorului de curent continuu

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

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

Reglarea se realizeaza pe baza relatiilor:

, dar          cu

, iar metodele de reglare a turatiei sunt:

1 - prin variatia tensiunii la bornele rotorului U_r, la n = ct. si  = ct.,

2 - prin variatia fluxului de excitatie , la U = ct. si U_r = ct.,

3 - prin variatia tensiunii sursei de alimentare U, la  = ct.

5.1. Reglarea turatiei motorului de curent continuu prin variatia U_r

Se realizeaza conform montajului din figura in care avem: U = U_alim,  = ct,

R_s - reostat serie, R_p - reostat derivatie (paralel)

Reglarea se bazeaza pe relatiile:

   ,

De cele mai multe ori T T , dar

T , in care, m este coeficientul unghiular al caracteristicii.

1.      , - pe caracteristica naturala,

2.      - pe caracteristica artificiala.

Observatie: teoretic 0 < n < n₀ dar practic 0,35 n₀ < n < n₀

Dezavantaje :

- R_s - este voluminos si scump (functionare de durata),

- la M_r mici, posibilitatile de reglare scad,

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

5.2. Reglarea turatiei motorului de curent continuu prin variatia 

Aceasta se poate face in doua moduri:

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

- prin utilizarea unei surse de tensiune reglabila pentru alimentarea independenta a IE , T ₁ < ₂

Cum insa: T n_o1 > n_o2 si m₁ > m₂

Observatie:

- cu scaderea  se obtin caracteristici artificiale tot mai elastice;

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

- pentru  << _n, 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  , I_r , acesta se limiteaza din considerente termice si trebuie sa ne incadram in hiperbola de putere ct.: N = n ^x M = ct., deci cu n , M

- randament care relativ putin cu cresterea turatiei datorita pierderilor pe R_e si R_r.

5.3. Reglarea turatiei motorului de curent

continuu prin variatia tensiunii de

alimentare.

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 de c.c. rotativ;

- o instalatie de redresare cu tensiune reglabila.

Intrucat T n_o = f(U), m = ct.; se obtine astfel un domeniu larg de reglare a turatiei la M constant.

Pentru reglarea turatiei la puteri mari se utilizeaza grupul generator - motor (Ward - Leonard) a carui schema se reda mai jos si are urmatoare componenta:

- M_ca - motor de curent alternativ trifazat care antreneaza cele doua generatoare de c.c. - E si G;

- E - excitatrice pentru alimentarea IE_G si IE_M;

- G - generator pentru alimentarea M_cc;

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

Prin reglarea R_eE se regleaza _EE si deci tensiunea U_E de excitatie a G si M_cc.

Prin reglarea R_eG se regleaza _EG, deci tensiunea U de alimentare a motorului M_cc. Inversarea polaritatii U, deci a sensului de rotatie a M_cc se face prin perechile de contacte C₁ si C₂ prin care se inverseaza _EG (prin R_eG se regleaza deci turatia M_cc).

Prin reglarea se regleaza _eM, deci turatia motorului . Uneori inversarea sensului se face prin inversarea _eM (prin inversarea polaritatii U_E pentru i_EM).

Pornirea:

se regleaza: R_eG pe R maxima

R_eM pe R minima T U min si _eM max

se selecteaza sensul de rotatie prin contactele C₁ sau C₂;

se porneste M_ca si se regleaza R_EE pana la obtinerea dorita;

se mareste turatia n prin micsorarea (a tensiunii de alimentare a M_cc);

se continua cresterea turatiei prin marirea R_eM (regl. ).

Obs.: daca _EG scade T U scade si M_cc devine generator iar G motor T franarea sistemului

Oprirea (franarea):

se reduce turatia din R_eM (prin micsorarea rezistentei lui);

se reduce turatia din R_eG (prin marirea rezistentei lui);

cand n = 0 se comanda schimbarea C₁ cu C₂;

se micsoreaza R_eG 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 T cost redus si randament  ridicat;

Dezavantaje:

necesita cel putin 3 masini electrice;

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

randament global redus.

Utilizari:

masini-unelte mari, utilaje mari pentru prelucrari la cald;

macarale mari;

ascensoare rapide;

transport feroviar si maritim.

6. Selsinul

Selsinul nu este propriu zis o masina motoare, ci un asa numit traductor de pozitie; il includem la acest capitol al masinilor electrice deoarece el dezvolta cuplu motor sau de franare. El mai este numit si transformator trifazic - monofazic, ca urmare a unor fenomene similare celor care se petrec intr-un transformator.

In acest caz infasurarea primara este trifazica (trei infasurari inseriate) iar cea secundara - monofazica. Astfel, cele trei bobine din primar (m) induc trei t.e.m. in infasurarea secundara (a), a caror rezultanta va avea o marime dependenta de pozitia indusului a fata de cele trei bobine primare. Cele doua masini m1 (sa o numit emitatoare) si m2 (receptoare) sunt legate in faza iar secundarele in faza si opozitie.

Sa presupunem deci ca pozitia celor doua indusuri a1 si a2 este aceeasi. In acest caz vectorii rezultantelor tensiunilor electromotoare din a1 si a2 sunt egali si au aceeasi pozitie. In aceasta situatie cei doi curenti i12 si i21 sunt egali si in opozitie, suma lor fiind egala cu 0.

Rotind indusul a1 (emitatorul) intr-un sens oarecare t.e.m. se modifica atat ca valoare cat si ca directie. In acest caz, suma celor doi curenti nu mai este 0 si bobina a2 va fi parcursa de un curent diferenta i12 - i21, care va determina un camp magnetic. Acesta din urma, in interactiune cu campul determinat de infasurarile inductorului, va produce un cuplu mecanic ce va roti pe a2 in sensul in care a fost rotit a1, pana cand noua pozitie a sa va coincide cu a rotorului emitatorului, adica pana cand cei doi curenti i12 si i21 se vor egala (suma lor va fi din nou 0).

Functionarea aceasta se produce numai teoretic atat de exact, deoarece pe masura ce diferenta dintre cei doi curenti scade, cuplul care determina ocuparea unei pozitii similare de catre a2 fata de a1 este din ce in ce mai redus si, la un moment dat, prea mic pentru ca sa mai asigure rotirea. Pentru a creste precizia aceste sisteme se alimenteaza cu curenti de frecventa ridicata, ceea ce duce la cresterea t.e.m. de inductie si astfel a valorilor absolute ale curentilor i12 si i21.