MOTOARE DE CURENT CONTINUU

1. MAŞINA DE CURENT CONTINUU

1.1. GENERALITĂŢI

Maşina de curent continuu este maşina electrică la care schimbul principal de energie cu o reţea se face în curent continuu.

Maşinile de curent continuu se caracterizează prin faptul că în circuitul exterior trece curent continuu,iar tensiunile electromotoare se induc numai prin mişcare. Ele pot fi cu colector ( redresor mecanic ) sau cu inele ( maşini unipolare ).

Maşina de curent continuu este utilizată atât în regim de motor cât şi în regim de generator; regimul de frână este întâlnit numai incidental în funcţionarea maşinii de curent continuu.

Maşinile de curent continuu cu colector au fost primele generatoare industriale de energie electromagnetică realizate pe baza inducţiei electromagnetice. Apariţia curentului alternativ sinusoidal, în special al sistemului trifazat de producere, transmitere şi distribuţie a energiei electrice, a restrâns mult domeniul de utilizare al maşinilor de curent continuu. Se mai folosesc generatoare de curent continuu pentru sudură, pentru autovehicule sau cu aplicaţii în electrochimie. Principala utilizare actuală a maşinii de curent continuu este cea de motor electric, datorită caracteristicilor electromecanice avantajoase pe care le prezintă. Motoarele de curent continuu se folosesc în tracţiunea electrică (tramvaie, troleibuze, locomotive electrice) , în industria metalurgică şi siderurgică pentru acţionarea unor mecanisme (laminoare, bluminguri, maşini de trefilat ) şi în general în acţionările care necesită reglajul turaţiei în limite largi.

La maşina de curent continuu câmpul magnetic inductor este fix faţă de armătura inductoare, realizată ca stator. Câmpul inductor poate fi produs cu ajutorul curentului continuu sau cu ajutorul magneţilor permanenţi ( la puteri mici ). Înfăşurarea prin care trece curentul continuu pentru producerea câmpului inductor se numeşte înfăşurare de excitaţie, iar curentul respectiv curent de excitaţie.

Indusul maşinii de curent continuu, realizat pe rotor este prevăzut cu o înfăşurare de curent continuu (de tip închis ), conectată la colector, organ caracteristic şi indispensabil al maşinii de curent continuu, care are rolul de a redresa curentul alternativ al indusului pentru a da în circuitul exterior un curent continuu.

Figura 1. Conexiunile maşinii de curent continuu :a-cu excitaţie separată, b-cu excitaţie derivaţie, c-cu excitaţie serie, d-cu excitaţie mixtă

2

Înfăşurarea de excitaţie a maşinii de curent continuu poate fi alimentată în diferite moduri : de la surse exterioare maşinii, când se spune că maşina are excitaţie separată, sau chiar de la bornele maşinii, când se spune că maşina este autoexcitată. După modul de conectare al înfăşurării de excitaţie maşinile cu autoexcitaţie pot fi : cu excitaţie în paralel sau în derivaţie, cu excitaţie în serie, sau cu excitaţie compund ( mixtă ).

1.2. ELEMENTE CONSTRUCTIVE

Maşina de curent continuu se compune, ca orice maşină electrică din două părţi principale :- statorul - partea fixă care este inductorul şi- rotorul - partea mobilă şi care reprezintă indusul maşinii.Statorul cuprinde carcasa cu scuturile portlagăr şi sistemul inductor cu poli aparenţi. Rotorul

este realizat ca indus al maşinii şi este prevăzut cu colector.

Figura 2a. Secţiune longitudinală printr-o maşină de curent continuuPn=85kW, Un=110V, n=600rot/min :

1-carcasa, 6-scut parte tracţiune, 7-scut parte opusă tracţiune, 8-ansamblu port - perie,9-conductă flexibilă spre cutia de borne, 10-cutia de borne, 11-pachet de tole rotor,

12-ansamblu bobinaj rotor, 13-ansamblu colector, 14-arbore, 15-ansamblu lagăr rulmentparte tracţiune, 16-ansamblu rulment parte opusă tracţiune, 17-ungător cu bilă, 18-sector

pentru vaselină, 19-ansamblu ventilator, 20-jaluzea, 21-ramă cu plasă, 22-şurub de punerela pământ, 23-inele de ridicare.

3

Figura 2b. Secţiune transversală printr-o maşină de curent continuuPn=85kW, Un=110V, n=600rot/min :

2-poli principali, 3-bobina de excitaţie ( înfăşurarea derivaţie plus înfăşurarea serie ),4-poli auxiliari, 5-bobina polului auxiliar.

Indusul maşinii de curent continuu este magnetizat alternativ datorită rotirii lui în câmpul inductor. Miezul indusului este un cilindru realizat din tole de oţel electrotehnic,de 0,5 mm grosime, izolate între ele cu lac sau oxizi. La periferia miezului indusului sunt practicate crestături sub forma unor canale longitudinale deschise sau semiînchise, prima formă prezentând avantaje tehnologice deoarece uşurează aşezarea înfăşurării în crestături. În crestături este dispusă înfăşurarea indusului, ale cărui conductoare sunt legate după anumite reguli la lamelele colectorului. Înfăşurarea rotorică este o înfăşurare simetrică închisă, ale cărui bobine sunt înseriate la lamelele colectorului.

Colectorul este un corp cilindric format din lamele de cupru ecruisat de secţiune trapezoidală, izolate unele faţă de celelalte cu micanită şi faţă de inelele de strângere speciale, cilindrice sau conice, care le consolidează în formă de coroană circulară. Fixarea lamelelor este uşurată prin forma în coadă de rândunică a bazelor lor. Fiecare lamelă de colector este prevăzută la unul din capete cu un canal radial în care se lipesc legăturile de la înfăşurarea indusului, sau cu steguleţe la care se leagă înfăşurarea indusului. Indusul şi colectorul se fixează pe arborele maşinii prin intermediul unor pene sau bucşe.

4

Figura 3. Colector cu forma bazei lamelei în coadă de rândunică:1-lamelă de colector, 2-con de strângere, 3-con izolant,

4-cilindru izolant, 5-steguleţe, 6-butuc, 7-nervură

Figura 4. Colector cu lamelă în formă de H

Între polii inductori şi miezul magnetic al rotorului, există un spaţiu de aer numit întrefier, prin care se închid liniile câmpului magnetic principal.

Inductorul este format din polii principali sau polii inductori şi din polii auxiliari sau polii de comutaţie. Polii principali servesc la crearea câmpului inductor. Ei au un miez pe care sunt aşezate bobinele de excitaţie concentrate , iar în partea către întrefier sunt prevăzuţi cu piese polare, care asigură o repartiţie mai favorabilă a inducţiei magnetice în întrefier. Polii inductori pot fi din oţel masiv sau ştanţaţi din tole de oţel de 1-2 mm grosime. Ei sunt fixaţi cu buloane de carcasă care are şi rol de jug magnetic pentru închiderea fluxului magnetic de la un pol la altul. De regulă carcasa este din oţel sau din fontă. Polii de comutaţie se realizează din oţel şi sunt prinşi de jug prin buloane. Pe polii de comutaţie se dispune o înfăşurare conectată în serie cu înfăşurarea indusului. La maşinile de putere mare, în piesele polare ale polilor inductori se dispune în crestături o înfăşurare de compensare în serie cu înfăşurarea indusului.

5

Figura 5. Pol principal ( de excitaţie ): 1-miezul polar, 2-piesă polară, 3-bobină de excitaţie, 4-izolaţie, 5-carcasa, 6-şurub cu cap hexagonal

Figura 6. Pol auxiliar : 1-miezul polar, 2-bobina polară executată din bară de cupru îndoită pe cant

Carcasa are şi rolul de a fixa maşina la locul de acţionare prin intermediul tălpilor. Ea se închide de o parte şi de alta prin scuturi. Scuturile servesc şi ca suporţi de lagăre (rulmenţi ), în care se roteşte arborele maşinii.

Pe suprafaţa exterioară a colectorului calcă periile realizate prin sinterizare din grafit artificial sau pulberi metalografitice. Periile sunt ghidate de portperii, prevăzute cu arcuri care apasă periile pe suprafaţa colectorului cu o anumită forţă. Portperiile sunt aşezate pe tije de susţinere fixate izolat pe un colier. Colierul se fixează de regulă pe un scut sau pe o piesă de ghidare, solidară cu carcasa şi poate fi rotit în anumite limite pentru a aduce periile în poziţia necesară unei funcţionări corecte a maşinii.

6

Capetele înfăşurărilor de excitaţie şi tijele periilor sunt legate la borne fixate pe o placă de borne solidară cu carcasa, fiind protejate într-o cutie de borne.

Figura 7. Perie şi portperie : 1-carcasa periei, 2-perie, 3-resort, 4-conductor flexibil

Figura 8. a - crucea portperiilor, b - fixarea crucii portperiilor pe palier1.3. MĂRIMILE NOMINALE

Regimul nominal de funcţionare al maşinii de curent continuu se caracterizează prin mărimile nominale, pentru care a fost dimensionată maşina şi care sunt înscrise pe plăcuţa indicatoare a maşinii :

- regimul de funcţionare (generator, motor )- puterea [kW] : la generatoare - puterea electrică la borne

la motoare – puterea mecanică la arbore- curentul la bornele principale [A]- tensiunea la borne [V]- turaţia nominală [rot/min]- tensiunea de excitaţie [V]

7

- curentul de excitaţie [A]- regimul de lucru ( de durată, intermitent, de scurtă durată )- gradul de protecţie - greutatea totalăMărimile nominalizate cele mai utilizate ale tensiunilor maşinilor de curent continuu sunt : - la generatoare : 115V, 230V, 460V- la motoare de uz general : 110V, 220V, 440V- la motoare de tracţiune electrică : 250V, 660V, 825V, 1320V, 1650V, 2640V, 3300V.Turaţiile nominale ale maşinilor de curent continuu se aleg în funcţie de necesităţile

acţionării în care se folosesc.

1.4. PRINCIPIUL DE FUNCŢIONAE A MAŞINII DE CURENT CONTINUU CA GENERATOR

Generatorul de curent continuu cel mai simplu se compune dintr-o spiră ale cărei capete sunt legate la două semiinele ( colector elementar ). Spira se roteşte în câmpul magnetic constant produs de doi poli magnetici.

Figura 9. Explicativă la principiul de funcţionare a maşinii de curent continuu ca generator : a-spiră legată la colector elementar rotită în câmp magnetic,b-variaţia tensiunii în spiră ( ue ), tensiunii la perii ( ub ) şi a

fluxului magnetic ( Φ ), la o rotaţie a spirei .

În spiră se produce o tensiune electromotoare alternativ sinusoidală :ue = Uem ∙ sin ωt = B∙l∙v∙ sin ωt unde :

ue = tensiunea electromotoareUem = valoarea efectiva a tensiunii electromotoareB = inducţia magnetică în întrefierl = lungimea activă a spireiv = viteza liniară periferică a spireiω = viteza unghiulară a spirei .

Între periile fixe care calcă pe cele două semiinele, apare o tensiune ub = | ue | , mereu de acelaşi sens, deoarece odată cu schimbarea sensului tensiunii electromotoare indusă în spiră ue ,se schimbă şi sensul de parcurgere al circuitului,prin comutarea care o realizează colectorul in momentele în care tensiunea electromotoare trece prin valoarea zero ( planul spirei este normal pe direcţia liniilor câmpului magnetic inductor ).Rolul colectorului generatorului de curent continuu

8

este de a redresa pe cale mecanică tensiunea electromotoare alternativă indusă în spiră. Tensiunea obţinuta la perii, în cazul unei singure spire este o tensiune pulsatorie, a cărei valoare variază între zero şi un maxim la fiecare jumătate de rotaţie a spirei. Pentru a obţine o tensiune continuă , la generatoarele reale nu avem doar o spiră, ci mai multe spire care constituie bobine, legate în serie, aşezate în crestături diferite ale rotorului. Colectorul este constituit din lamele la caresunt legate capetele bobinelor. Cu cât numărul bobinelor este mai mare, cu atât numărul lamelelor colectorului este mai mare, iar tensiunea obţinută la perii se apropie mai mult de o tensiune continuă.

Relaţiile de bază pentru generatoarele de curent continuu sunt :- tensiunea electromotoare : E = kE ∙ n ∙ Φ- cuplul electromagnetic : M = kM ∙ Φ ∙ IA

- tensiunea la bornele generatorului : U = E – IA ∙ RA unde : - kE şi kM sunt constante constructive- Φ este fluxul magnetic rezultant al maşinii- IA este curentul indusului- RA este rezisrenţa indusului- n este turatia maşinii

Cuplul electromagnetic care se exercită asupra rotorului maşinii de curent continuu este proporţional cu fluxul magnetic Φ şi curentul indusului IA şi nu depinde de turaţia n .

La funcţionarea maşinii în regim de generator, cuplul electromagnetic se opune mişcării.

Figura 10. Sensul cuplului electromagnetic şi al vitezei unghiulare la generatorul de curent continuu

1.5. ÎNFĂŞURĂRILE ROTORULUI MAŞINII DE CURENT CONTINUU

Înfăşurările rotorului maşinilor de curent continuu sunt înfăşurări închise, formate din bobine identice introduse în crestăturile indusului, capetele bobinelor fiind înseriate la lamelele colectorului. Mai multe spire conectate în serie cuprinse între două legături succesive la colector formează o secţie. Conductoarele unei laturi a secţiei formează un mănunchi.

9

Figura 11. Bobină executată pe şablon şi aşezată in crestăturile rotorului :1,2 - părţile active de ducere şi de întoarcere, 3,4 – părţile frontale

Figura 12. Secţii formate dintr-o singură spiră Figura 13. Secţii formate din două spire

Numărul total al secţiilor unei înfăşurări se notează cu S, iar numărul total de lamele ale colectorului cu K. Între cele două numere există relaţia : S = K .

Fiecare secţie are două mănunchiuri : - mănunchiul de dus ( reprezentat cu linie continuă ), aşezat întotdeauna în partea superioară

a crestăturii,-- mănunchiul de întors ( reprezentat cu linie întreruptă ), aşezat întotdeauna în partea

inferioară a crestăturii.După tipul indusului, înfăşurările pot fi : - înfăşurări de tip inel,- înfăşurări de tip tobă.Cele mai răspândite înfăşurări sunt cele de tip tobă.După modul de legare a secţiilor între ele, înfăşurările se clasifică în înfăşurări buclate şi

înfăşurări ondulate.

10

a bFigura 14. Paşii înfăşurării de curent continuu :

a-paşii înfăşurării buclate , b-paşii înfăşurării ondulate.

Paşii înfăşurării de curent continuu : y1 – pasul de dus al înfăşurării, exprimat în numărul de crestături între începutul şi sfârşitul unei secţii,y2 – pasul de întors al înfăşurării, exprimat în numărul de crestături între sfârşitul unei secţii şi începutul secţiei următoare,y – pasul rezultant al înfăşurării, exprimat în numărul de crestături între începuturile a două secţii consecutive,yk – pasul la colector,τ – pasul polar.

În cazul înfăşurărilor buclate există următoarele relaţii : y = y1-y2 , yk = y = 1 .Pentru înfăşurările ondulate relaţiile sunt : y = y1+y2 , yk = 2τ .La înfăşurările ondulate dacă se parcurge pe înfăşurarea indusului întreaga periferie a

colectorului, se ajunge la o lamelă vecină cu cea de la care s-a plecat.Dacă se notează cu Ze numărul total de crestături ale rotorului, este valabilă în general relaţia

: Ze = S = K .Pasul polar τ se poate exprima prin relaţia : τ = Ze / 2p2p – numărul total de poli ai maşinii .

Dispunerea conductoarelor în crestătură şi izolaţia crestăturii pentru rotoarele maşinilor de curent continuu se prezintă în figura 15.

Figura 15. Izolaţia crestăturii pentru rotoarele maşinilor de curent continuu :1 - conductor de bobinaj profilat emailat2 – izolaţie mănunchiuri ( micanită flexibilă )

11

3 – izolaţie de crestătură ( micafoliu )4 – izolaţie la fundul crestăturii ( stratifol )5 – izolaţie între straturi ( micafoliu )6 – izolaţie sub pană ( sticlotextolit )7 – pană ( lemn de fag impregnat ) .

1.6. CÂMPUL MAGNETIC DIN ÎNTREFIERUL MAŞINII DE CURENT CONTINUU

Câmpul magnetic rezultant din întrefierul maşinii de curent continuu este determinat de acţiunea simultană a înfăşurării de excitaţie (inductoare )parcursă de curentul de excitaţie Ie şi al înfăşurării indusului ale cărui conductoare sunt parcurse de curentul Ia . Câmpul magnetic produs numai de înfăşurarea de excitaţie la Ia = 0 se numeşte câmp inductor, iar câmpul magnetic produs de înfăşurarea indusului la Ie = 0 se numeşte câmp de reacţie.

12

a b cFigura 16. Câmpul magnetic în întrefier : a-câmpul magnetic inductor,

b-câmpul magnetic de reacţie, c-câmpul magnetic rezultant.

Axa de simetrie interpolară ( transversală ) în care inducţia magnetică a câmpului inductor este nulă se numeşte axă neutră geometrică ( nn’). Câmpul magnetic de reacţie al indusului prezintă simetrie în raport cu axa periilor dacă acestea sunt aşezate în axa nn’. Câmpul de reacţie este în acest caz transversal.

La funcţionarea în sarcină sunt parcurse de curenţi atât înfăşurarea de excitaţie cât şi cea a indusului. Compunând cele două câmpuri se obţine câmpul magnetic rezultant. Reacţia indusului întăreşte câmpul din întrefier sub una din marginile pieselor polare şi-l slăbeşte sub cealaltă margine, rezultând o distorsiune a liniilor de câmp. Ca urmare axa neutră magnetică ( mm’), în care se anulează câmpul magnetic rezultant, se decalează faţă de axa neutră geometrică.

1.7. COMUTAŢIA MAŞINII DE CURENT CONTINUU

În timpul funcţionării maşinii de curent continuu diferitele secţii ale înfăşurării rotorului trec dintr-o cale de curent în alta, această trecere conduce la scurtcircuitarea secţiei de către perii pentru un anumit interval de timp şi inversarea în acest timp a sensului curentului din secţie. Ansamblul fenomenelor care au loc în acest interval de timp se numeşte comutaţie.

Intervalul de timp în care are loc comutaţia ( Tk ) se calculează cu relaţia : Tk = bp / vc = 60 ∙ bp / π ∙ Dc ∙ n unde : bp este lăţimea periei, egală cu lăţimea lamelei de colector,vc este viteza periferică a colectorului,Dc este diametrul colectorului,n este turaţia maşinii .

13

Figura 17. Comutaţia unei secţii : a-începutul comutaţiei ( t = 0 ),b-moment intermediar, c-sfârşitul comutaţiei ( t = Tk )

Comutaţia poate fi : lineară, întârziată sau accelerată.În cazul comutaţiei lineare, densitatea de curent sub perie pe ambele lamele este constantă în

tot timpul comutaţiei. Alegând convenabil această densitate, nu vor apărea scântei periculoase sub perie şi comutaţia va fi corespunzătoare. Este o comutaţie ideală spre care se tinde.

La comutaţia întârziată curentul schimbă de semn într-un interval de timp mai mare faţă de comutaţia lineară. Muchia de intrare a perei este mai puţin solicitată decât muchia de ieşire la care pot să apară scântei periculoase în momentul în care peria părăseşte lamela. Fenomenul poate să apară când periile sunt pasate în axa neutră geometrică şi maşina nu are poli auxiliari.

La comutaţia accelerată curentul schimbă de semn într-un interval de timp mai mic faţă de comutaţia lineară, fiind mai solicitată muchia de intrare şi mai puţin cea de ieşire. Ca şi la comutaţia întârziată densitatea de curent sub perie este neuniformă solicitând intens unele porţiuni din perie.

14

Figura 18. Variaţia în timp a curentului la comutaţie :a-comutaţie lineară, b-comutaţie întârziată, c-comutaţie accelerată.

Scânteia la colector poate fi atât de natură electromagnetică, datorită inversării incomplete a curentului la finele perioadei de comutaţie cât şi de natură mecanică : ovalizarea colectorului, ieşirea unei lamele sau a izolaţiei, vibraţia portperiilor, presarea insuficientă a periilor pe colector.

Asigurarea unei comutaţii corecte, fără scântei la perii sau cu scânteiere minimă este esenţială pentru funcţionarea maşinii de curent continuu. Puterea limită a maşinilor de curent continuu este determinată de posibilităţile de stăpânire a calităţii comutaţiei. Funcţionarea îndelungată cu scântei la perii duce la uzura rapidă a periilor şi la deteriorarea colectorului, precum şi la creşterea pericolului de apariţie a cercului de foc la colector ( arc electric pe o parte din periferia colectorului ).

Comutaţia este determinată de valoarea maximă Umax a tensiunii dintre două lamele vecine. La maşinile de putere mare Umax < 25 – 28 V , la maşinile de putere medie Umax < 30 … 35 V şi la maşinile de putere mică Umax < 50 … 60 V , dacă sunt depăşite aceste limite atunci pot să apară scântei permanente între lamelele de colector , care ionizează spaţiul dintre perii intensificând producerea scânteierii.

Metode de îmbunătăţire a comutaţiei :- alegerea convenabilă a periilor- deplasarea periilor din axa neutră geometrică- utilizarea polilor auxiliari ( de comutaţie )- utilizarea înfăşurării de compensare

15

Figura 19. Perii cu rezistenţa transversală mărită : a-perie crestată,b-perie din fâşii separate de material izolant

Figura 20. Indusul cu colector cu periile decalate din axa neutră pentru îmbunătăţirea comutaţiei :a- la generator , b- la motor

16

Figura 21. Maşină de curent continuu cu poli auxiliari şi înfăşurare de compensare

1.8. MAŞINA DE CURENT CONTINUU CU POLI AUXLIARI

La maşina de curent continuu, polii auxiliari se aşează pe axa neutră a maşinii, producând un câmp magnetic local care induce în secţiunea S , în comutaţie, o tensiune electromotoare de rotaţie egală şi de semn contrar cu tensiunea electromotoare medie de autoinducţie. Tensiunea electromotoare de autoinducţie este proporţională cu curentul din înfăşurarea indusului. Va trebui ca şi tensiunea electromotoare de rotaţie să varieze proporţional cu curentul din înfăşurarea indusului, motiv pentru care înfăşurarea polilor auxiliari este înseriată cu înfăşurarea indusului.

Toate maşinile de puteri mijlocii şi puteri mari ( P > 1kW ) sunt prevăzute cu poli auxiliari . Polii auxiliari au miezul feromagnetic de secţiune mai mică de cât a polilor principali de excitaţie şi acest miez trebuie să funcţioneze nesaturat. Compensarea cu ajutorul polilor auxiliari se face independent de sarcina şi turaţia maşinii.

La generatoare, după un pol N principal urmează în sensul de rotaţie un pol S auxiliar, iar la motoare, după un pol N principal urmează tot un pol N auxiliar.

La maşinile de curent continuu de puteri foarte mari, pentru îmbunătăţirea comutaţiei se utilizează înfăşurări de compensaţie repartizate în crestăturile longitudinale din piesele polare ale polilor principali de excitaţie. Aceste înfăşurări sunt conectate tot în serie cu înfăşurarea indusului şi creează un câmp magnetic compensator contrar celui transversal . Pentru aceasta, sensul curentului prin înfăşurarea de compensare din crestăturile unui pol trebuie să fie în sens invers sensului curentului prin conductoarele din crestăturile rotorului situate în faţa polului respectiv.

17

Figura 22. Generator de curent continuu cu poli auxiliari

2. REGIMURI DE FUNCŢIONARE ALE MAŞINILOR DE CURENT CONTINUU

2.1 .REGIMUL DE GENERATOR AL MAŞINII DE CURENT CONTINUU

18

Maşina de curent continuu poate funcţiona în regim de generator, motor sau frână. În regimul de generator, maşina transformă puterea primită pe la arbore de la un motor (care antrenează generatorul ) în putere electrică. Pentru antrenarea generatorului de curent continuu motorul primar dezvoltă un cuplu activ cu acelaşi sens ca şi viteza de rotaţie. Dacă înfăşurarea de excitaţie este alimentată cu un curent Ie de la o sursă de curent continuu atunci la borne va apărea o tensiune U0 = E0 . Dacă între borne conectăm o rezistenţă oarecare, atunci în circuitul astfel format se va stabili un curent IA , care va parcurge înfăşurarea rotorului în acelaşi sens ca şi tensiunea electromotoare E0 .Câmpul magnetic de reacţie dat de curentul IA se va suprapune peste cel de excitaţie, dând un câmp magnetic rezultant în întrefier,al cărui flux magnetic pe pol Φ diferă cu câteva procente de valoarea Φ0 corespunzătoare lui IA = 0 ; Φ < Φ0 şi E < E0 .

După modul de alimentare a înfăşurării de excitaţie, generatoarele de curent continuu pot fi : - generatoare cu excitaţie separtă ( figura a ),- generatoare cu autoexcitaţie .În categoria generatoarelor cu autoexcitaţie avem : - generatoare cu excitaţie derivaţie ( figura b ),- generatoare cu excitaţie serie ( figura c ),- generatoare cu excitaţie mixtă ( figura d ).

Figura 23. Generatoare de curent continuu

În schemele din figură s-au notat cu :Re - rezistenţa reostatului de excitaţie,Ra - rezistenţa indusului şi a polilor auxiliari,Rs - rezistenţa reostatului de sarcină,a - întreruptor monopolar,Ia - intensitatea curentului din indus,

19

I - intensitatea curentului din circuitul de sarcină,Ie - intensitatea curentului din circuitul de excitaţie,U - tensiunea la bornele generatorului,M - motor primar de antrenare a rotorului generatorului.

Înfăşurarea de excitaţie a generatorului cu excitaţie separată ( independentă ) este alimentată de lao sursă separată de curent continuu. La generatoarele cu excitaţie derivaţie ( paralel sau şunt ) , infăşurarea de excitaţie este alimentată în paralel de la bornele generatorului. La generatoarele cu excitaţie serie, înfăşurarea de excitaţie este alimentată în serie cu alimentarea indusului. La generatoarele cu excitaţie mixtă, există două înfăşurări de excitaţie, una fiind alimentată în paralel de la bornele generatorului, iar cealaltă în serie cu circuitul indusului.

Puterea electrică necesară pentru a excita un generator este : Pe = (0,01…0,03)Pn .La generatoare cuplul electromagnetic acţionează asupra rotorului în sens opus sensului de

rotaţie .

2.2. REGIMUL DE MOTOR AL MAŞINII DE CURENT CONTINUU

Maşinile de curent continuu sunt reversibile, putând funcţiona atât în regim de generator cât şi în regim de motor.

Motorul electric transformă puterea electrică primită de la o reţea electrică în putere mecanică prin intermediul câmpului electromagnetic.

Dacă se aplică la bornele unei maşini de curent continuu o tensiune continuă U, prin înfăşurarea indusului va circula un curent Ia . Din interacţiunea dintre câmpul magnetic inductor al polilor inductori statorici şi curentul din indus, iau naştere forţe electromagnetice F tangente la indus, care raportate la axul maşinii produc asupra rotorului un cuplu electromagnetic M. Acest cuplu pune în mişcare rotorul. Prin rotirea indusului în câmpul magnetic inductor statoric, în înfăşurarea rotorică se va induce o tensiune electromotoare de mişcare Uc al cărui sens este invers sensului curentului ce circulă prin înfăşurare. Această tensiune (contraelectromotoare ) va genera în indus un curent de sens contrar curentului iniţial. Ca urmare, curentul care va circula prin indus va fi :

Ia = ( U – Uc )/Ra

Dacă nu ar fi această tensiune contraelectromotoare curentul în indus ar fi foarte mare şi ar arde înfăşurarea. La pornirea unui motor Uc = 0 căci maşina stă pe loc şi deci Ia = U /Ra . Reducerea curentului primit de indus la pornire se face cu ajutorul unei rezistenţe variabile legată în serie cu indusul numită reostat de pornire. Treptat această rezistenţă este micşorată şi la urmă este scoasă din circuit. Aceste rezistenţe nu sunt construite să suporte mult timp un curent puternic şi de aceea nu trebuie să se uite maneta pe un contact intermediar căci se ard.

Ecuaţiile motorului în regim staţionar sunt : U = E + RA ∙ IA +ΔUp E = k∙N∙n∙p∙Φ => n = U / (k∙N∙p∙Φ)M =km∙ IA ∙ ΦΦ = f (Ie)

20

După modul de conectare a înfăşurării de excitaţie motoarele electrice de curent continuu se pot clasifica în :

- motoare cu excitaţie separată (figura a ) - motoare cu excitaţie derivaţie (figura b )- motoare cu excitaţie serie (figura c )- motoare cu excitaţie mixtă (figura d )

În schemele din figura 24 semnifcaţia notaţiilor este :Re - rezistenţa reostatului de excitaţie,Ra - rezistenţa indusului şi a polilor auxiliari,Rp - rezistenţa reostatului de pornire,a - întreruptor monopolar,Ia - curentul din înfăşurarea indusului,I - curentul absorbit de motor,Ie - curentul din înfăşurarea de excitaţie,U - tensiunea de alimentare a motorului,

21

Figura 24. Motoare de curent continuu

2.2.1. MOTORUL CU EXCITAŢIE DERIVAŢIE

Pornirea motorului derivaţie se poate efectua fie cu ajutorul unui reostat conectat în serie cu indusul, fie prin alimentarea motorului de la o sursă cu tensiune reglabilă.

Curentul de pornire este mare în raport cu curentul nominal In deoarece în momentul pornirii turaţia n = 0 şi deci tensiunea electromotoare este nulă. Curentul absorbit creşte foarte repede până la o valoare maximă Ip , de la care începe să scadă pe măsură ce creşte turaţia tinzând spre valoarea finală If . Curentul ajunge la valoarea Ip în aproximativ 0,02 s .

22

Figura 25. Variaţia turaţiei şi a curentului indusului în raport cu timpul de pornire.

La motoarele derivaţie, trebuie să se conecteze mai întâi circuitul de excitaţie şi după ce s-a stabilit fluxul magnetic de regim se conectează circuitul indusului. Şocul de curent la pornire este periculos atât pentru motor din cauza comutaţiei grele cât şi pentru reţea. Odată cu şocul de curent are loc un şoc de cuplu deoarece M =km∙ IA ∙ Φ . Pentru a limita curentul de pornire se folosesc reostate de pornire conectate în serie cu indusul, a căror rezistenţă variază în trepte sau continuu în aşa fel încât Ip ≈ (1,2…1,6)In .

Reglajul turaţiei motorului derivaţie se face prin următoarele procedee : - cu ajutorul unui reostat de rezistenţă reglabilă Rr conectat în serie cu indusul, procedeu

denumit reglaj reostatic,- prin reglarea tensiunii U la bornele indusului (necesită o sursă reglabilă de curent

continuu )- prin variaţia fluxului de excitaţie (cu un reostat în circuitul de excitaţie ).

23

Figura 26. Variaţia curentului şi a turaţiei la pornirea motorului de curent continuu cu reostate de pornire conectate în serie cu indusul.

Motorul derivaţie are o caracteristică mecanică dură. La motorul derivaţie necompensat fluxul magnetic Φ scade datorită reacţiei indusului, ca urmare turaţia poate să crească la valori mari ale cuplului M .

Figura 27. Caracteristica mecanică a motorului derivaţie : 1- motor necompensat, 2- motor compensat

2.2.2. MOTORUL CU EXCITAŢIE SERIE

24

Spre deosebire de motorul derivaţie, motorul serie are o caracteristică mecanică elastică. La sarcini mici motorul serie prezintă pericolul ambalării, deoarece turaţia crşte mult, prin urmare nu trebuie lăsat să funcţioneze în gol. La pornire, motorul serie dezvoltă cuplu maxim, de aceea se utilizează în tracţiunea electrică şi în acţionări cu gamă largă de turaţii.

Figura 28. Caracteristica mecanică a motorului serie.

Pornirea motorului serie se efectuează cu ajutorul unui reostat pentru limitarea curentului de pornire şi reglajul cuplului, astfel încât să se asigure o pornire lină, fără şocuri.

Reglajul turaţiei motorului serie se poate efectua fie cu ajutorul unui reostat conectat în serie cu motorul, fie prin alimentarea motorului de la o sursă de tensiune reglabilă.

Figura 29. Caracteristicile mecanice la reglajul turaţiei motorului serie : a – cu ajutorul unui reostat, b – prin reglajul tensiunii de alimentare.

Reglarea turaţiei prin modificarea fluxului magnetic de excitaţie se realizează conectând în paralel cu înfăşurarea de excitaţie o rezistenţă reglabilă, prin aceasta micşorându-se curentul de excitaţie, deci şi fluxul magnetic, rezultând o creştere a turaţiei.

25

Figura 30. Schema electrică pentru conectarea în derivaţie cu înfăşurarea de excitaţie, a rezistenţei Rd la motorul serie.

Figura 31. Caracteristicile mecanice ale motorului serie pentru diferite valori ale curentului de excitaţie.

3. ALTE TIPURI DE MAŞINI DE CURENT CONTINUU

3.1. MAŞINI DE CURENT CONTINUU CU MAGNEŢI PERMANENŢI

26

Maşinile de curent continuu cu magneţi permanenţi se folosesc în prezent pe scară largă datorită îmbunătăţirii procedeelor de fabricaţie şi a performanţelor acestor magneţi. Avantajele acestor maşini sunt : construcţie mai simplă, greutate mai mică, dimensiuni de gabarit mai mici, pierderi reduse şi deci randament ridicat. Maşinile cu magneţi permanenţi au cost mai ridicat, deoarece magneţii permanenţi au încă un cost ridicat ; în plus îşi pot modifica în timp caracteristicile,fie prin îmbătrânirea magneţilor, fie sub influenţa unor câmpuri magnetice puternice cu acţiune demagnetizantă. Materialele cele mai utilizate în construcţia magneţilor permanenţi sunt aliaje pe bază de cobalt, crom, aluminiu şi ferite moi ; se mai folosesc şi magneţi ceramici. Caracteristica de bază a materialului magneţilor permanenţi este curba de demagnetizare. Pentru magnetizarea magnetului permanent se folosesc bobine străbătute de curent continuu sau de pulsuri puternice de curent care să satureze materialul. Magnetizarea se face fie cu magnetul separat de circuitul magnetic al maşinii, fie cu magnetul înglobat în circuitul magnetic al acesteia. Pentru a evita demagnetizarea în timpul funcţionării datorită câmpului magnetic de reacţie, se utilizează pentru talpa polară un material de mare permeabilitate magnetică pentru a dirija liniile de câmp în afara magnetului.

Pentru îmbunătăţirea performanţelor se utilizează diferite sisteme constructive funcţie şi de calităţile magnetului permanent. La varianta din figura 32 se obţine o construcţie compactă şi o consolidare corespunzătoare cu menţinerea performanţelor tehnice. Câmpul magnetic de reacţie se închide prin tălpile polare iar magneţii permanenţi se află în afara acestui câmp. La această variantă tehnologia de realizare este mai costisitoare.

27

Figura 32. Motor de curent continuu cu magneţi permanenţi1-carcasă de aluminiu; 2-magnet permanent; 3-polul maşinii;

4-secţie de comutaţie; 5-rotor; 6-tălpi de prindere; 7-ax

O construcţie compactă şi simplă tehnologic, tipică pentru magneţi cu inducţie mică se prezintă în figura 33. Suprafaţa polară a celor doi magneţi este mult mai mare decât suprafaţa polului maşinii realizându-se în acest fel o inducţie magnetică corespunzătoare în întrefier.

28

Figura 33. Motor de curent continuu cu magneţi permanenţicu inducţie remanentă mică

1-jug statoric; 2a şi 2b- magneţi permanenţi

3.2. MAŞINA DE CURENT CONTINUU CU ÎNTREFIER AXIAL

Maşina de curent continuu cu întrefier axial şi rotor disc este o variantă constructivă a maşinii de curent continuu. Sistemul inductor este format din polii dispuşi pe o armătură de oţel care reprezintă carcasa statorului. Polii inductori statorici se realizează de regulă din magneţi permanenţi din ferită anizotropă. Rotorul are forma unui disc plat şi este compus dintr-un suport realizat din materiale rezistente la căldură, pe bază de sticle sau compoziţii silicoorganice.

29

Înfăşurarea rotorică constă din lame conductoare subţiri, neizolate, dispuse pe ambele părţi ale discului. Conductoarele înfăşurării rotorice se pot dispune prin procedee ale tehnicii fotochimice a circuitelor imprimate ( la motoare mici ), fie prin procedee mecanice de ştanţare. Numărul de conductoare este limitat de condiţiile de realizare tehnologică a înfăşurării. În scopul obţinerii unor tensiuni electromotoare cât mai mari şi care să nu fie influenţate de nesimetriile câmpului magnetic se utilizează înfăşurări ondulate simple. Spirele înfăşurării se realizează prin conexiunile de la capetele marginale superioare şi inferioare, care străbat discul izolant şi care fac legătura dintre conductoarele de pe cele două feţe ale discului. La aceste înfăşurări periile calcă direct pe conductoare. Polii inductori sunt aşezaţi în partea frontală a inelului, de o parte sau de ambele părţi. Laturile active ale unei spire sunt constituite din cele două porţiuni situate pe părţile frontale ale discului rotoric. Pentru a realiza o lungime mai mare a porţiunilor active ale spirei, acestea se dispun curbat. Câmpul magnetic de reacţie a indusului este mic datorită intrefierului axial cu o lăţime relativ mare şi a reluctanţei magnetice mari a polilor inductori. La aceste maşini puterea pe unitatea de masă este mare datorită în special condiţiilor bune de răcire a conductoarelor înfăşurării indusului ( se adoptă densităţi de curent de 10 ori mai mari decât la maşinile de curent continuu uzuale ) ; au inerţie redusă , au caracteristici mecanice liniare, gamă largă de turaţii. Se aplică în acţionările care necesită moment de inerţie redus. Dezavantajele acestor maşini sunt : realizarea mai dificilă a înfăşurării rotorice, discul este deformabil, tensiunea la borne redusă ( 30 V ).

Figura 34. Elemente componente ale maşinii de curent continuu cu întrefier axial

30

Figura 35. Rotor compus dintr-un disc suport şi din înfăşurarea indusului

3.2.1. MAŞINI DE CURENT CONTINUU UNIPOLARE

Acest maşini se numesc unipolare sau aciclice şi cuprind unul sau mai multe discuri de cupru sau de bronz care se rotesc într-un întrefier axial şi se află sub acţiunea unui câmp magnetic de inducţie B , produs de un sistem de bobine de excitaţie.

La maşina unipolară de tip radial se aşează o perie pe arbore şi altă perie pe marginea exterioara a discului, obţinându-se la perii o tensiune electromotoare care produce curenţi foarte mari. Expresia tensiunii electromotoare indusă într-un disc este:E = vmed ∙ B ∙ l unde l = r2 –r1 este porţiunea din raza discului care se află în câmpul magnetic B.

La maşina unipolară dublă de tip radial cele două discuri sunt montate mecanic şi electric pe acelaşi arbore si sunt conectate în serie, obţinându-se tensiunea electromotoare 2E.

Aceste maşini au avantajul că evită colectorul, dar au şi dezavantaje: tensiuni la perii mici iar periile se uzează repede la viteze periferice mari.

31

Figura 36. Maşina unipolară dublă de tip radial1 - bobină de excitaţie ; 2 – disc ; p,p’ – perii

Un alt tip de maşină unipolară este maşina de tip axial. Rotorul în acest caz este un disc din bronz, alamă, sau oţel, care se roteşte într-un întrefier unde este produs un câmp magnetic de două bobine concentrice, montate într-o carcasă de oţel care constituie statorul. Dacă l este lungimea activă a razei rotorului atunci tensiunea electromotoare la periile P şi P’ este E =2 ∙Vmed ∙ B ∙ l.

Aceste maşini nu au o răspândire largă, totuşi sunt domenii de aplicare unde au avantaje importante: traductor de turaţie (tensiunea obţinută la borne este strict proporţională cu turaţia ).

32

Figura 37. Maşina unipolară de tip axial1 - bobină de excitaţie ; 2 – rotor ; p,p’ – perii

33

BIBLIOGRAFIE

1. Galan Nicolae, Ghiţă Constantin, Cistelecan Mihai, „Maşini electrice”, Editura didactică şi pedagogică, Bucureşti, 1981.

34