9. MAINA DE CURENT CONTINUU

9.1. Generaliti i definiii

n sistemele de acionare electric, maina de curent continuu prezint o larg utilizare, n special datorate caracteristicilor sale, dar i avantajelor rezultate din reglarea turaiei. Principala utilizare este aceea de motor electric, dar maina poate fi utilizat ca i generator sau frn electromagnetic.n construcie normalizat, cmpul inductor al mainii de curent continuu, denumit i excitaie, este fix n raport cu armturile inductoare i se realizeaz sub forma unor poli apareni, care susin nfurrile alimentate n curent continuu. La mainile de curent continuu de puteri mici, sunt rspndite variantele cu excitaia sub form de magnei permaneni. Extrem de rar poate fi ntlnit varianta constructiv inversat, cnd excitaie este amplasat pe partea mobil a mainii de curent continuu.Indusul mainilor de curent continuu este amplasat de regul, n varianta normalizat, pe partea mobil i se realizeaz sub forma unor nfurri speciale de curent continuu, de tip nchis, conectat la colector, nfurri care fac legtura cu reeaua de curent continuu prin periile colectoare. Rolul colectorului este acela de redresor n cazul generatorului de curent continuu, sau de comutator al cilor de curent ale indusului motorului.Dup modul de conectare a nfurrii inductoare, denumit i de excitaie, n raport cu indusul mainii de curent continuu, se deosebesc urmtoarele variante constructive, (figura 9.1): cu excitaie separat excitaia i indusul sunt alimentate de la surse diferite de energie electric; cu excitaie paralel; cu excitaie serie; cu excitaie mixt.

9.2. Mrimi nominale

9.3. Elemente constructive ale mainii de curent continuu

(figura 9.2)

9.4. Principiul de funcionare a mainii de curent continuu

(figura 9.3)

9.5. Tensiunea electromotoare a mainii de curent continuu

Tensiunea electromotoare indus ntr-o spir a indusului este:

n care, pasul diametral al spirei;F este integrala nedefinit, ;a; a + limitele de integrare pe axa x;v viteza de deplasare a spirei;l lungimea activ a spirei indusului;B(a); B(a + ) valorile induciei magnetice, corespunztoare limitelor de integrare a i a + .Deoarece curba induciei magnetice este alternant simetric, ceea ce presupune c B(a + ) = - B(a), valoarea tensiunii electromotoare induse va fi, (figura 9.4):.Fiecare cale de curent, cuprins ntre periile colectoare, este compus din mai multe spire, (), distribuite n mod uniform la periferia indusului. Tensiunea electromotoare a spirelor aflate pe poriunea de lungime elementar da, din periferia indusului, este:.Tensiunea electromotoare indus n toate spirele aferente unei ci de curent este: ,n care este fluxul magnetic inductor al unui pol al mainii de curent continuu.Prin exprimarea vitezei periferice v n funcie de turaia n, pasul polar i numrul de poli 2p,,iar numrul de spire , n funcie de numrul total de spire N ale indusului i de numrul 2m al cilor de curent,,tensiunea electromotoare va fi:,n care este o constant care este proprie maini i depinde numai de construcia ei. Expresia tensiunii electromotoare poate fi utilizat cu aproximaie i n cazul nfurrilor care nu au pasul egal cu pasul polar .

9.6. Cuplul electromagnetic al mainii de curent continuu

Puterea electromagnetic transmis rotorului poate fi exprimat sub forma:,n care I este curentul prin indusul mainii de curent continuu. Prin explicitarea tensiunii electromotoare, se va obine relaia:,n care - constant care este proprie maini i depinde numai de construcia mecanic a mainii.Cuplul electromagnetic frneaz indusul n cazul generatorului, iar n cazul motorului antreneaz indusul.

9.7. Funcionarea mainii de curent continuu ca generator

Dependent de modul de alimentare al excitaiei generatorului, pot fi distinse urmtoarele tipuri, (figura 9.5): generator cu excitaie separat excitaia este alimentat de la o surs diferit de energie electric; generator cu excitaia derivaie sau paralel cu indusul; generator cu excitaia serie cu indusul; generator cu excitaie mixt; generatorul are dou nfurri, dintre care una este n serie, iar cealalt n paralel cu indusul.n cazul generatoarelor de mic putere, excitaia se poate realiza i sub forma unor magnei permaneni; aceste generatoare prezint caracteristici identice cu generatoarele cu excitaie separat.Diversele tipui de conectri ale excitaiei cu indusul, determin caracteristici diferite pentru fiecare generator n parte. Fenomenele electromagnetice care au loc n generatoare sunt aceleai.Astfel: - tensiunea electromotoare indus:, cuplul electromagnetic:, tensiunea la bornele generatorului, dedus cu teorema a doua a lui Kirchhoff, aplicat indusului:.Semnificaiile mrimilor care au intervenit n ecuaiile de mai sus sunt: i - constante constructive specifice generatorului de curent continuu; - fluxul magnetic pe pol, produs de nfurrile de excitaie; , - rezistena, respectiv curentul indusului.Transformrile energetice care au loc n generatorul de curent continuu sunt sistematizate n diagrama energetic din figura 9.6, cu semnificaiile:

Figura 9.6. Diagrama energetic a generatorului de curent continuu.

puterea mecanic primit la arbore: , pierderile mecanice i cu ventilaia: , pierderile pentru magnetizarea indusului: , puterea electromagnetic const din transferul, conversia puterii mecanice n putere electric, n circuitul indusului: ; pierderile prin efect Joule Lentz n nfurrile indusului: ; puterea necesar excitaiei, (dac aceasta este preluat din cea oferit de generator n cazul excitaiilor derivaie, serie sau mixt), ; puterea de excitaie care poate fi primit dintr-o excitaie separat i care, oricum se va transforma n cldur: .Prin luarea n considerare a acestor pierderi, randamentul generatorului de curent continuu, poate fi exprimat sub forma:

i este cuprins ntre 0,75 i 0,95, pentru puteri nominale ntre 1 i 10.000 kW; pentru puteri mai mici, randamentul poate fi inferior acestor valori.

9.8. Caracteristicile generatorului de curent continuu(figurile 9.7, ... 9.12)

9.9. Funcionarea mainii de curent continuu ca motor electric

Maina de curent continuu poate funciona n regim de generator sau de motor electric. Ca generator electric, maina primete energie mecanic la arbore, pe care o transform n energie electric la bornele indusului iar ca motor electric, maina primete energie electric la bornele sale i furnizeaz putere mecanic la arbore. Trecerea de la un regim la altul este posibil n mod continuu, fr schimbare de conexiuni.Fie generatorul de curent continuu cu excitaie separat, conectat la reeaua a crei tensiune este U. Dac E este tensiunea electromotoare furnizat de generator, curentul furnizat de indus este:.Prin micorarea treptat a tensiunii electromotoare E, n raport cu tensiunea reelei U, pe care generatorul debiteaz, (fie prin micorarea turaiei generatorului, sau a excitaiei, fie prin creterea tensiunii U), curentul va scdea treptat, pn la zero, dup care acesta i va schimba semnul; prin aceasta generatorul va trece n regim de motor electric, se va schimba semnul i sensul puterii electrice, dar i semnul cuplului electromagnetic al mainii. n regim de motor electric sensul curentului electric este invers sensului tensiunii electromotoare.Pentru ca puterea absorbit la borne s fie pozitiv i n regimul de motor electric, se va adopta convenia de la receptoare, iar pentru comoditate se vor menine notaiile de la generator, (figura 9.13).Pentru motor, ecuaiile de tensiuni devin:,iar expresiile cuplui i a tensiunii electromotoare rmn identice, ca i n cazul generatorului de curent continuu:,.

Figura 9.13. Asocierea sensurilor de referin pentru regimul de motor de curent continuu cu excitaie separat.

Modurile de conectare ale excitaiei cu indusul motoarelor de curent continuu, (rmn identice cu cele de la generatorul de curent continuu) i determin caracteristicile proprii de funcionare.Transformrile energetice din motorul de curent continuu conduc la diagrama energetic, prezentat n figura 9.14.Figura 9.14. Diagrama energetic a motorului de curent continuu.

Din puterea absorbit de motor din reeaua electric: , o parte se pierde n excitaia mainii: , o alt parte se pierde prin efect Joule Lentz n nfurrile indusului: , iar restul reprezint puterea electromagnetic, putere care se transfer n circuitul rotoric al indusului, la nceput ca putere electric, iar la urm ca o putere mecanic: . Din puterea electromagnetic se acoper pierderile cu magnetizarea indusului i pierderile mecanice i cu ventilaia motorului , restul se transfer la arbore, ca putere mecanic util : . Ca urmare a acestor pierderi, randamentul motorului de curent continuu va fi:

i este cuprins ntre 0,75 i 0,95, pentru puteri nominale ntre 1 i 10.000 kW.

9.10. Caracteristicile motoarelor de curent continuu