1_masina de cc

5. Maina de curent continuu

.

MAINA DE CURENT CONTINUUELEMENTELE CONSTRUCTIVE DE BAZ ALE MAINII DE CURENT CONTINUU Ca orice main electric rotativ, maina de curent continuu se compune dintr-un inductor i un indus, ntre care exist un spaiu de aer numit ntrefier. ntotdeauna la mainile de curent continuu inductorul este fix, constituind statorul mainii, iar indusul este mobil, constituind rotorul. Elementele constructive de baz ale mainii de curent continuu pot fi identificate din fig. 5.1.

Fig. 5.1. Seciune longitudinal i transversal printr-o main de c.c. 1-carcas; 2-pol principal cu bobina de excitaie; 3-miez feromagnetic rotor; 4-arbore; 5-nfurare rotor (indus); 6-colector; 7-perii; 8-cruce portperii; 9,10-scut port - palier; 11-ventilator; 12-rulmeni; 13-plac borne; 14-pol auxiliar cu bobina lui.

Carcasa este un cilindru din oel turnat sau sudat, n interiorul cruia sunt fixai prin uruburi polii principali iar la mainile mai mari i polii auxiliari, numii i poli de comutaie. n mainile de c.c. cmpul inductor este produs de nfurarea de excitaie aezat pe polii principali sau de magnei permaneni (fig. 5.2). Polii de excitaie, totdeauna n numr par, sunt executai din tole de oel electrotehnic cu grosimea de 0,5 1 mm strnse cu ajutorul unor nituri, pe care sunt fixate bobinele de excitaie. Bobinele se construiesc din conductoare izolate de cupru pe abloane avnd forma polilor sau direct n carcase izolante. Aceste bobine sunt izolate de miezul polar i de carcas. Bobinele polilor de excitaie se leag n serie i se alimenteaz n curent continuu. Legturile bobinelor se realizeaz n aa fel nct fluxul magnetic s fie dirijat n dreptul unui pol dinspre stator spre rotor (pol nord), iar n dreptul polului urmtor n sens invers (pol sud). Statorul mai cuprinde: scuturile, Fig. 5.2. Circuitul magnetic al mainii de c.c. sistemul de perii i portperii, palierele i bornele. Indusul mainii este sediul propriu-zis al procesului de transformare a energiei, fiind compus din: miezul feromagnetic, arbore, nfurarea indus i colector. Miezul feromagnetic al rotorului se realizeaz din tole de oel electrotehnic cu grosimea de 0,5 mm, izolate ntre ele, n scopul micorrii pierderilor prin cureni turbionari. Aceste tole sunt executate din tabl laminat la rece, izolat cu oxizi ceramici. Tolele se mpacheteaz direct pe arbore prin presare i sunt solidarizate de arborele rotorului cu ajutorul unei pene. Miezul rotoric se prezint sub forma unui cilindru avnd la periferie crestturi deschise n care sunt plasate conductoarele nfurrii rotorice. Aceste conductoare sunt izolate fa de pereii crestturii ct i ntre ele i sunt solidarizate cu miezul rotoric prin pene i bandaje.


.

Colectorul este o pies caracteristic mainii de curent continuu la care se leag nfurarea rotoric. Acesta este un corp cilindric constituit din plcue de cupru, denumite lamele. Lamelele colectorului sunt izolate una fa de alta prin micanit i sunt izolate fa de piesele de strngere. Capetele bobinelor nfurrii rotorice se lipesc cu cositor de aripioarele(steguleele) lamelelor colectorului. Colectorul se rotete solidar cu rotorul. Pentru a realiza o legtur ntre nfurarea rotoric care se nvrtete i circuitele exterioare, pe colector freac o serie de perii, fabricate n general din grafit. Prin intermediul unei piese speciale-portperie-periile realizeaz un contact sub presiune constant cu lamelele colectorului. Portperiile sunt fixate pe un colier cu o serie de tije. Periile sunt legate la cele dou borne ale mainii alternativ: una la o born, iar urmtoarea la cealalt born. Ele sunt plasate simetric la periferia colectorului. Numrul lor este egal cu numrul polilor de excitaie. PRINCIPIUL DE FUNCIONARE A MAINII DE CURENT CONTINUU Maina de curent continuu poate fi considerat ca o main de curent alternativ prevzut cu un redresor special colectorul intercalat ntre indusul propriu-zis i circuitul exterior. Pentru comparaie, se consider cazul unui generator de curent alternativ monofazat. n spira care se nvrtete ntr-un cmp magnetic omogen, n jurul unui ax perpendicular pe direcia cmpului, cu o vitez unghiular constant , se induce o t.e.m. variabil n timp, care schimb semnul de dou ori la o rotaie complet a indusului. Dac presupunem c n timpul rotirii spirei, fluxul care o strbate variaz sinusoidal, atunci i t.e.m. indus va descrie o sinusoid complet n timpul unei rotaii complete (fig. 5.4). Legnd capetele spirei la dou inele fixate pe axul de rotaie i izolate de acesta i plasnd pe cele dou inele a i b fixe n spaiu, conectate la un circuit exterior, maina va debita n acel circuit un curent alternativ. S presupunem acum c cele dou capete ale spirei sunt legate la dou segmente de inel, fixate pe axul rotorului i izolate att ntre ele ct i fa de arbore. Aceste segmente constituie cel mai simplu colector cu dou lamele Fig. 5.4. T.e.m. ntr-o spir Fig. 5.6. Curentul prin sarcin (fig. 5.5). Spira are dou laturi active: MP i RQ. n conductorul MP, care trece prin dreptul polului nord se induce o t.e.m. dirijat de la P ctre M pentru sensul cmpului i al vitezei de rotaie ales. Cnd acelai conductor trece prin dreptul polului sud, t.e.m indus este dirijat n sens invers, de la M la P. Deoarece conductoarele active se gsesc n condiii identice din punct de vedere magnetic, ns n cmpuri de polaritate diferit, t.e.m indus n ele sunt n orice moment egale i de sens contrar. n circuitul spirei considerate aceste t.e.m. au ns acelai sens, deci ele se adun dnd t.e.m. rezultant a spirei. Fig. 5.5. Schema de funcionare a mainii de curent continuu Peria a se gsete n permanen n contact cu lamela colectorului la care este legat conductorul care se afl n dreptul polului nord. Peria b freac tot timpul pe lamela colectorului la care


.

este legat conductorul care se afl n dreptul polului sud. Presupunem c nchidem, n situaia din figura 5.5, circuitul exterior periilor, pe o rezisten. Curentul va circula prin spir n direcia RQPM, iar n exterior de la peria a la peria b. Cnd conductorul MP a ajuns n partea inferioar, n dreptul polului sud, iar conductorul RQ n partea superioar, sub polul nord, curentul va circula n spir n sensul MPQR (invers fa de situaia precedent), dar n exterior curentul va circula tot de la peria a ctre b, ntruct de data aceasta peria b calc pe lamela la care este legat conductorul MP. n figura 5.6 este reprezentat variaia curentului n circuitul exterior; se observ c pulsaia negativ a curentului din spir a fost redresat. T.e.m. indus ntr-o secie a nfurrii rotorice este o mrime periodic alternativ n timp. Faptul c la perii se poate culege o tensiune continu se explic numai prin intermediul colectorului i a sistemului de contacte alunectoare perii-lamele. S presupunem c maina se rotete cu vitez constant i c periile sunt plasate n axa neutr(adic scurtcircuiteaz cele dou lamele atunci cnd cele dou laturi ale seciei ajung n axele interpolare), polii mainii fiind excitai. n spirele seciei se induce o t.e.m. es care variaz alternativ n timp. Se observ c peria legat la borna A a mainii este n contact ntotdeauna (exceptnd cazul n care scurtcircuiteaz cele dou lamele) numai cu acea lamel a colectorului la care este legat latura de secie care se afl momentan sub polul nord, n timp ce peria legat la borna B este n contact electric numai cu acea lamel la care este legat latura de secie ce se afl sub polul sud. Tensiunea electric uAB ce apare ntre bornele A i B respectiv ntre cele dou perii care n permanen i pstreaz fiecare polaritatea, i anume: borna A este mereu pozitiv, iar borna B mereu negativ. Aceast tensiune pulseaz ntre un maxim i zero. Valoarea sa medie pe care o notm cu UAB0 este egal cu valoarea medie a t.e.m. es pe o alternan pe care o vom nota cu: UAB0 = E0 = 2LvwsBmed Prin urmare, colectorul reprezint un dispozitiv care transform tensiunea alternativ u12 care apare ntre lamelele 1 i 2 ntr-o tensiune pulsatorie uAB, dar mereu pozitiv ntre bornele A i B. Aceast tensiune pulsatorie reprezint de fapt t.e.m. indus n secia considerat, cu deosebirea c alternanele negative ale t.e.m. au devenit pozitive, realizndu-se redresarea alternanelor negative. CMPUL MAGNETIC AL POLILOR DE EXCITAIE Considerm o main de curent continuu cu doi poli, cu nfurrile polilor de excitaie parcurs de curent(fig.5.8).Axa polar B,B med,0

0rem

Ie

Fig. 5.8. Spectrul liniilor cmpului magnetic al polilor de excitaie.

Fig. 5.10. Variaia induciei magnetice(fluxului) n ntrefier n funcie de curentul de excitaie.

Liniile cmpului magnetic al polilor de excitaie ies din polul nord, ptrund n rotor i ies prin polul sud, nchizndu-se apoi prin carcas. Miezul feromagnetic al mainii avnd o permeabilitate foarte mare n raport cu aerul, liniile de cmp strbat ntrefierul aproape radial. Fcnd abstracie de existena crestturilor rotorului, ntrefierul sub piesa polar este uniform i crete brusc n intervalul dintre piesele polare. n consecin, cmpul magnetic al polilor de excitaie este uniform i de aceeai valoare absolut sub cei doi poli de nume contrar i nul n axa de simetrie interpolar(axa neutr).


.

Convenim s considerm cmpul de sub polul nord ca pozitiv i cel de sub polul sud ca negativ. Evident, cu ct curentul de excitaie este mai mare cu att cmpul este mai puternic sub pol. Exist deci o relaie de proporionalitate ntre inducia cmpului magnetic i curentul Ie din nfurrile de excitaie. Aceast proporionalitate este real la valori reduse ale curentului Ie , ct timp diferitele pri ale circuitului magnetic al mainii rmn nesaturate. Dac curentul de excitaie crete intervine fenomenul de saturaie, situaie n care inducia B a cmpului magnetic din ntrefier nu mai crete proporional cu acesta. Dac maina a mai fost excitat nainte, deci dac a circulat curent prin bobinele de excitaie ale polilor, la dispariia curentului de excitaie, Ie = 0, cmpul magnetic al polilor nu scade la zero. Polii de excitaie pstreaz deci un cmp remanent Brem. Variaia funciei B = f(Ie) pe baza celor expuse este reprezentat n figura 5.10. Se numete pas polar partea ce revine unui pol din periferia rotorului: D (5.1) =2p

unde: D - diametrul rotorului; 2p - numrul de poli ai mainii. Dac lum ca origine de spaiu un punct situat la periferia rotorului pe axa interpolar, fluxul magnetic corespunztor unui pol al mainii este: 0 = B 0 Ldx0

(5.2)

n care : Bo este inducia magnetic n ntrefier ntr-un punct aflat sub piesa polar; Ldx aria infinitezimal, elementul de arie fiind orientat spre interiorul rotorului Considerm c inducia ar fi constant la o valoare medie Bmed,, deci: 0 =LBmed. (5.3) Pentru o main ale crei dimensiuni geometrice L i sunt date, fluxul o al unui pol este funcie numai de curentul de excitaie Ie. Pentru o main dat, dependena o = f(Ie) este identic (dar la alt scar) cu dependena B = f(Ie) reprezentat n figura 5.10. Inducia medie n ntrefier, sub un pol, poate fi calculat cu relaia: 1 k (5.4) Bmed = Bi k i =1 n care Bi reprezint o ordonat a funciei B (x) corespunztoare benzii i , dac intervalul de nsumare (0, ) s-a mprit n k pri egale. TENSIUNEA ELECTROMOTOARE INDUS NTR-O SECIE ROTORIC Presupunem c rotorul mainii este rotit n cmpul polilor de excitaie i c n dou crestturi ale rotorului situate la periferia acestuia la distana y1 una de alta se afl plasate ws spire ale nfurrii rotorului, care formeaz o bobin aparte, denumit secie de nfurare. Atunci cnd secia cu cele ws spire ale sale rotete cu viteza de rotaie n, fluxul fascicular printr-o spir oarecare t, n rotaia sa, latura de ducere a seciei considerate (prin latur de ducere se nelege ansamblul conductoarelor seciei care, n raport cu sensul de parcurgere a spirelor, strbat cresttura care le conine dinspre colector spre partea opus a rotorului; prin latur de ntoarcere se nelege ansamblul conductoarelor seciei care strbat cresttura cealalt, nspre colector) se afl n cmpul polilor de excitaie, la distana x msurat la periferia rotorului, din dreptul axei interpolare de simetrie. Cealalt latur a seciei, latura de ntoarcere, va fi plasat n cmp la distana x + y1, n raport cu aceeai ax de referin. T.e.m indus este:es = d d = dt dt

saue s = ws d dtx + y1

Bx

d0

( x) Ldx

Coordonata x este o funcie de timp: x = x0 + vt. Cu aceasta t.e.m. indus n secie va fi:


.

dx (5.5) [ B 0 ( x) B 0 ( x + y1 )]ws = Lvws [ B 0 ( x) B 0 ( x + y1 )] dt adic t.e.m. indus prin rotaie n secia considerat depinde de viteza de rotaie a rotorului v=Dn i de diferena dintre induciile magnetice din ntrefier, n dreptul laturii de ducere i respectiv de ntoarcere. Dac y1 = , caz care se ntlnete de cele mai multe ori n practic, atunci B0 (x+y1) = B (x + ) = - B (x), deoarece B (x) este o funcie alternativ cu perioada 2 . n concluzie: es = 2Lvws B (x) (5.6) adic t.e.m. depinde n acest caz numai de inducia din dreptul laturii de ducere a seciei. Dac aceasta se afl n cmpul unui pol nord, atunci t.e.m. este pozitiv i are acelai sens cu sensul pozitiv ales de parcurgerea spirelor seciei. Dac secia se afl cu latura de ducere pe axa interpolar de simetrie, t.e.m. este nul. Dac latura de ducere a seciei se afl n cmpul unui pol sud, atunci t.e.m. este negativ, sensul ei fiind invers sensului pozitiv ales. Valoarea t.e.m. variaz deci n timp, depinznd de poziia seciei n cmpul polilor de excitaie. Dac viteza de rotaie este constant, t.e.m. este o mrime alternativ n timp. es = L

CONEXIUNILE MAINILOR DE CURENT CONTINUU nfurarea de excitaie a mainii ce c.c poate fi alimentat de la surse exterioare mainii, cnd maina este cu excitaia separat sau chiar de la main, fiind n acest caz autoexcitat. Mainile autoexcitate pot avea nfurarea de excitaie conectat n derivaie, n serie sau compound (fig.5.23).U U

U

Ia

+

-

Ia

+

Iea U b

Ie

+

U

-

I

+

-

Ia

+ Ie

c d

Fig. 5.23. Schema de principiu pentru excitarea mainilor de curent continuu: a - excitaie separata; b - excitaie derivaie ; c - excitaie serie; d - excitaie compound.

FUNCIONAREA GENERATORULUI DE CURENT CONTINUU


.

CU EXCITAIE SEPARAT n regim de generator, maina transform puterea primit la arbore de la motorul care o antreneaz, n puterea electric. Principiul de funcionare. Ecuaia de tensiuni Presupunem ca maina de curent continuu este angrenata de motorul primar cu o viteza de rotaie n i ca dezvolta cuplul activ Ma cu acelai sens ca i viteza de rotaie, rezultnd o putere mecanica P1=Ma. Generatoarele pot avea mai multe tipuri de excitaie. Considerm un generator avnd o excitaie separat sau independent. n aceste condiii, n seciile nfurri rotorice, rotite n cmpul magnetic al polilor de excitaie, se vor induce t.e.m ,nct ntre bornele A i B ale mainii va apare o tensiune UAo egal cu t.e.m. Eo indus ntr-o cale de curent. Dac ntre aceste borne conectm o rezisten oarecare, t.e.m. Eo va da natere unui curent Ia, care va strbate nfurarea rotorului, avnd n seciile nfurrii acelai sens ca i t.e.m. Eo. n cazul funcionrii n sarcin, tensiunea Ua la bornele nfurrii rotorului va fi diferit de t.e.m. Eo ,datorit cderilor de tensiune, determinate de trecerea curentului prin nfurarea rotorului, nfurarea polilor auxiliari i prin periile mainii. Aplicnd teorema a 2-a a lui Kirchhoff unui contur care pornete de la borna A2, trece prin nfurarea polilor auxiliari, nfurarea rotorului, borna A1 i prin aer, napoi la A2 i, aplicnd convenia de sensuri pentru dipolul generator, rezult: (5.13) RAIA+UA=Eo RA reprezint rezistena total a nfurrii rotorului i a nfurrii polilor auxiliari, care totdeauna sunt legate n serie. Cderea de tensiune n contactul perie-colector U s-a neglijat, fiind foarte mic (1,5 4)V. Relaia (5.13) se numete ecuaia de funcionare a mainii n regim de generator. Ea se mai poate scrie i sub forma: (5.13) UA = E0 - RAIA - Up Mrimile care caracterizeaz funcionarea generatorului de curent continuu sunt UA, IA, n i curentul de excitaie. Generatoarele de curent continuu au urmtoarele caracteristici: - caracteristica de funcionare n gol, - caracteristica extern i caracteristica de reglaj. Caracteristica de funcionare n gol Caracteristica Eo=f(Ie) la n=ct i Ia=0 se ridic experimental considernd maina cu excitaie independent, cu ntreruptorul K deschis i citind la voltmetru V valoarea tensiunii Eo pentru diferite valori ale curentului de excitaie Ie, citite la ampermetrul Ae. (fig.5.25). La Ie=0, maina are o tensiune remanent Ur de 3 pn la 10% din tensiunea nominal Un situat n zona cotului curbei.E0 UA

Ur 0 Fig.5.25. Caracteristica la funcionarea n gol a mainilor de curent continuu

Ie 0 IAN

IA

Fig.5.26. Carcteristica extern a generatorului de curent continuu

Caracteristica extern


.

Dac Ie=ct ,atunci Eo=ct, i din relaia (4.13) rezult c dac curentul de sarcin Ia crete, tensiunea la bornele mainii scade treptat conform unei curbe numit caracteristica extern a generatorului. Prin urmare, maina transform puterea mecanic primit de la motorul primar n putere electric cedat unui receptor. Deci maina funcioneaz n regim de generator electric. Cderea nominal de tensiune este de 515% din tensiunea nominal, valorile mai mari fiind pentru mainile mai mici. Bilanul puterii Puterea mecanic transmis mainii de curent continuu de ctre motorul primar, prin intermediul arborelui va fi: PI = M a = Pm + PFe + P unde: Pm - reprezint pierderile datorit frecrilor mecanice Pfe - pierderile n fierul motorului; P- partea din puterea mecanic primit de main i care se transform n putere electric. La rndul ei aceeai putere electromagnetic are dou componente: (5.15) P =U A I A + RA I 2 = E I A A i anume: - puterea P2=UAIA care se transmite receptorului conectat la bornele mainii i reprezint puterea electric util - puterea RAIA reprezint pierderile Joule n nfurrile rotorului i polilor auxiliari. FUNCIONAREA GENERATORULUI DE CURENT CONTINUU CU EXCITAIE DERIVAIE Generatorul cu excitaie derivaie este cel mai rspndit tip de generator de curent continuu. Acesta este un generator auto excitat, care nu are nevoie de o surs exterioar de curent continuu pentru alimentarea nfurrii de excitaie. Excitaia este alimentat de nsi nfurarea rotorului cu care este legat n derivaie (fig.5.28). S presupunem c rotorul acestui generator este rotit de motorul primar cu o vitez de rotaie constant. Dac maina a mai funcionat anterior i prezint o anumit magnetizaie remanent, apare la borne o tensiune Ur cnd ntreruptorul K este deschis (fig.5.29). Maina se poate excita dac prin nchiderea comutatorului K curentul de excitaie produce un flux care se adaug la fluxul remanent. Dac la nchiderea lui K, Ur scade, se comut K pe cealalt poziie. Cnd sensul lui Ie dat de tensiunea Ur este corespunztor, fluxul produs ntrete fluxul remanent, iar t.e.m. va crete i o dat cu ea, curentul Ie, pn la stabilirea unui echilibru ntre tensiunea la borne i curentul de excitaie n zona cotului curbei. Curentul de excitaie crete liniar cu tensiunea, dar, n zona cotului curbei, la aceleai valori de cretere ale curentului, valorile de cretere ale tensiunii scad, pn la stabilirea unui echilibru.I Ie E1 IA G V K Ae Re A2A

E2

UA

R

K

Fig. 5.28. Schema de principiu pentru ncercarea generatorului cu excitaie derivaie


.

Se aplic legea induciei electromagnetice circuitului format din nfurarea rotorului i nfurarea de excitaie (ntreruptorul K deschis) i folosind notaiile: e0 - t.e.m. instantanee la un moment dat t oarecare din intervalul de timp n care se desfoar procesul de autoexcitare, ie curentul respectiv din circuit, Re rezistena nfurrii de excitaie, Rc rezistena reostatului de cmp, Le inductivitatea nfurrii rotorului. Obinem: i (5.16) e0 = ( Re+Rc+RA)ie + ( Le +LA) e t Prin urmare, unei tensiuni electromotoare e0 date i corespunde un anumit curent de excitaie ie, care verific ecuaia de mai sus. De asemenea, unui anumit curent de excitaie ie i corespunde o anumit t.e.m. indus e0, exact ca la generatorul cu excitaie separat, conform relaiei e0=f(ie), reprezentat printr-o caracteristic (curba a din fig.5.29). e0 c A a M

B b Etem eb

cr0

C ie

Fig. 5.29. Explicativ pentru procesul de autoexcitare

ntre e0 i ie exist deci o dubl dependen. Dac Rc=ct., Re i RA fiind mrimi date pentru o main dat, cderea de tensiune (Re+Rc+RA)ie variaz proporional cu ie i poate fi reprezentat grafic printr-o dreapt, numit dreapta excitaiei (linia b). Din triunghiul dreptunghic OBC, rezult c tg = BC =Rc+Re+RA OC Prin urmare, fiecrei valori Rc a rezistenei reostatului de cmp i corespunde o dreapt care trece prin origine, dar care are o pant diferit (un unghi diferit). n figura 5.30, segmentul pe ordonat ntre caracteristica a de mers n gol e0=f(ie) i dreapta b reprezint diferena: e0-( Rc+Re+RA)ie=( Le+LA) ie Acest segment care depinde de variaia n timp a curentului ie poate fi considerat ca o msur a intensitii procesului de autoexcitare. Acest proces se ncheie atunci cnd diferena e0(Rc+Re+RA)ie=0, respectiv t.e.m. e0 nu mai variaz n timp. Deci acest proces de autoexcitare este terminat atunci cnd e0 i respectiv ie au atins valorile corespunztoare punctului M de intersecie a curbelor a i b din figura 5.29. Observm c procesul de autoexcitare este convenabil pentru funcionarea generatorului dac punctul de intersecie M se afl n zona cotului curbei a sau dup acest cot, adic dac rezistena Rc variabil a reostatului de cmp are o astfel de valoare nct dreapta b s se afle sub poriunea liniar a caracteristicii a, adic este ndeplinit inegalitatea : Rc+Re+RA0,15 Un, deci Ipn2. Prin urmare, micorarea curentului de excitaie conduce la creterea vitezei de rotaie i a curentului absorbit de nfurarea indusului, n condiii de cuplu constant. Caracteristicile mecanice obinute prin aplicarea acestei metode sunt redate n figura 5.42.

Fig. 5.42. Caracteristicile mecanice alemotorului cu excitaie derivaie, la flux variabil

Fig. 5.432. Conectarea reostatului de cmp pentru reglarea vitezei motorului cu excitaie serie

Remarcm faptul c, dac cuplul rmne constant, odat cu micorarea fluxului de excitaie curentului IA absorbit de motor crete.

1_masina de cc

Documents