Motorul electric

Introducere

In procesele industriale se pune problema de a pune in miscare sisteme mecanice. Se spune despre acestea ca trebuie actionate.

Principala componenta de sistem, care are rolul de a transforma o anumita forma de energie (electrica, hidraulica, pneumatica, termica) in energie mecanica de miscare, este motorul.

Denumirea unei actionari (electrica, hidraulica, pneumatica) provine de la tipul de motor folosit. In continuare vor fi tratate actionarile electrice.

In ultimii ani, 60-70% din energia electrica disponibila este consumata pentru actionari ce folosesc motor electric. Actionarile electrice sunt foarte larg raspandite in aplicatii industriale si servicii.

Motivele pentru care actionarile electrice sunt atat de raspandite:

disponibilitatea cvasigenerala a energiei electrice (mai ales in mediile industriale) ;

robustetea materialelor electrice, in sensul ca permit supraincarcari in limite largi din partea sarcinii mecanice ;

posibilitatea de racordare simpla la sursa de energie (la retea

Se numeste sistem un ansamblu de componente interconectate care, operand impreuna, obtin performante superioare sumei performantelor individuale ale elementelor componente.

Schema bloc a unui sistem de actionare este cea din figura de mai jos.

Figura 1 introducere schema bloc sistem de actionare electrica

Motorul electric

Sunt utilizate: motorul de current continuu (MCC motorul de current alternative (MCA) - foarte frecvent motor asincron, motorul pas cu pas (MPP) sau motorul fara perii.

Motorul de curent continuu (MCC) are ca principal avantaj faptul cap ermite reglarea turatiei sale prin simpla schimbare a tensiunii la bornele sale. Din acest motiv, pana nu demult, acest motor era folosit in majoritatea sistemelor de actionare electrica. Prin modul sau de comanda, MCC ofera o mai mare flexibilitate decat alte tipuri de motoare electrice. MCC prezinta insa o serie de dezavantaje:

gabarit mai mare decat MCA pentru aceeasi putere dezvoltata la arbore;

pret de cost mai mare decat MCA (mai mult: fier, cupru si manopera la fabricatie) ;

apar probleme la eliminarea caldurii din rotor. Comanda se aplica pe infasurarea rotorica care se incalzeste, rotorul aflandu-se in interiorul motorului;

existenta periilor colectoare care se uzeaza in timp si trebuie inlocuite, deci necesita manopera de intretinere; existenta scanteilor (in mediile explosive trebuie luate masuri speciale antiex) .

Cu toate aceste dezavantaje MCC continua sa fie folosit in aplicatii in care se cere pozitionarea precisa in conditii de sarcina mecanica redusa (aplicatii specifice sferei serviciilor) .

Exemple de variante noi de MCC:

a)      servomotor cu rotor disc si intrefier axial, avand infasurarea rotorica realizata sub forma unui pachet de placi extrem de subtiri de cupru (obtinute ca si cablajul imprimat prin metode fotochimice) si legate compact; s-a obtinut astfel un tip de motor fara bobinaj rotoric, cu moment de inertie-raportat la arbore-extrem de redus si cu constante de timp foarte mici (se obtin astfel performante dinamice excelente

b)      MCC fara perii-brushless DC-cel mai nou tip de servomotor, care are proprietati asemanatoare cu MCC, cu motorul sincron si cu MPP. Are rotorul din magnet permanent si se comanda in stator. Infasurarile statorului se comanda in impulsuri de tensiune (ca si MPP), iar impulsurile se aplica in sincronism cu pozitii discrete ale rotorului (care sunt sesizate cu traductoare de pozitie amplasate constructiv in interiorul sau Este considerat MCC deoarece cuplul dezvoltat este proportional cu valoarea curentului din infasurari (ca la MCC Are dezavantajul unui pret de cost ridicat datorita materialului magnetic de excelenta calitate din care este alcatuit roturul.

Motorul de curent alternativ (MCA)-cel mai utilizat in actionari este cel asincron, care in raport cu MCC are urmatoarele avantaje:

robustete mai mare;

pret de cost mai scazut, atat tehnologiei de fabricatie, cat si datorita gabaritului mai redus la aceeasi putere dezvoltata;

lipsa periilor in varianta cu motor in scurtcircuit;

fiabilitate mai ridicata;

posibilitatea de a fi folosit in mediile explozive.

Principalul dezavantaj al MCA este acela ca nu isi modifica turatia prin simpla modificare a tensiunii la borne. Pentru a modifica turatia MCA este necesar sa se modifice atat amplitudinea cat si frecventa tensiunii de alimentare aplicata la bornele sale.

Exista trei metode de modificare a turatiei motoarelor de curent alternativ:

a)      metoda U/f = ct, este considerata metoda clasica de reglare a masinii asincrone, prin care se realizeaza modificarea turatiei cu modificarea simultana a amplitudinii si a frecventei tensiunii de alimentare astfel incat raportul dintre valoarea efectiva a tensiunii si frecventa acesteia sa ramana constant. Micsorarea lui U si f asigura scaderea turatiei, iar cresterea lor determina cresterea turatiei. Aceasta metoda nu permite reglarea in limite largi deoarece o crestere mare a lui U pericliteaza izolatia infasurarii, iar o scadere accentuata a lui f poate produce saturatia miezului.

b)      metoda de comanda cu orientare dupa camp consta, in esenta, in urmarirea fazorului fluxului magnetic rotitor din intrefierul masinii si utilizarea acestuia ca axa de referinta pentru un calcul matematic, care inseamna transformarea ecuatiilor masinii trifazate in ecuatiile aferente unei masini bifazate cu infasurari perpendiculare (ca si la MCC Prin acest calcul masina trifazata se transforma intr-o masina bifazata echivalenta. Se aplica apoi comenzile pentru masina echivalenta si din aceste comenzi se calculeaza comenzile ce trebuiesc aplicate (in realitate) masinii trifazate. In ultimii ani au fost realizate microprocesoare si microcontrolere specializate care pot efectua extrem de rapid aceste calcule. Matematica necesara acestor transformari este cunoscuta de la teorie (de mult timp iar aceste microprocesoare si microcontrolere, noi si dedicate, permit efectuarea in timp real a tuturor calculelor necesare.

c)      metoda prin accelerarea campului (metoda Yammamura) este cea mai moderna metoda si are la baza tot o transformare de la modelul trifazat la modelul bifazat, dar axele sunt alese intr-un mod mai convenabil astfel incat numarul de calcule sa fie mai scazut, iar reglarea mai eficienta. Progresele in domeniul electronicii de putere, a circuitelor inteligente de putere, a microprocesoarelor si a microcontrolerelor (de uz general sau dedicate) permit implementarea suficient de facila a operatiilor si calculelor pretinse de comanda MCA si, intrucat principiile teoretice au fost deja bine puse la punct, comanda relativ complicata a MCA nu mai reprezinta astazi un impediment in competitia cu MCC.

Motorul pas cu pas (MPP) a fost considerat la momentul aparitiei cel mai potrivit motor pentru a fi comandat cu mijloace digitale, intrucat el a fost conceput ca si convertor biunivoc impuls electric- increment de deplasare. Dar cu timpul s-a dovedit ca acest motor are niste dezavantaje importante:

este hot functioning (tipic 100⁰C);

nu poate fi incarcat cu sarcina maxima pentru care a fost proiectat, deoarece la incarcari mari pierde pasi;

schema electronica de comanda este sofisticata;

din secventa de impulsuri, cu care el ar trebui in principiu comandat, trebuie facuta o anume distributie a acestor impulsuri la infasurarile rotorului;

pentru cresterea cuplului dezvoltat, la schemele de comanda se adauga din ce in ce mai multe elemente;

infasurarile de comanda in curent constant, deci se obtine un randament energetic scazut. In ultimii ani se observa o restrangere a domeniilor de aplicare a MPP, acesta fiind utilizat mai ales in aplicatii de mica putere.     

Dupa publicarea la 29 august 1831, intr-o forma generala calitativa si cantitativa, a legii inductiei electromagnetice de catre Faraday, istoria dezvoltarii masinilor electrice se confunda practic, pana spre sfarsitul secolului, cu cea a perfectionarii masinilor de curent continuu. Incepand cu masinile elementare cu magneti permanenti si indusi in forma de inel, trecand apoi la excitatia independenta si indus cilindric, apoi la autoexcitatie si colector perfectionat, masina de curent continuu a constituit pioneratul constructiei de masini electrice.

Odata cu aparitia si dezvoltarea producerii, transportului si distributiei energiei electrice in curent alternativ, rolul si ponderea fabricatiei masinii de curent continuu a inceput sa scada, constructia si exploatarea sa fiind mai dificila in raport cu masinile de curent alternativ si in special in comparatie cu motoarele asincrone. Se parea ca insusitea de baza a masinii de curent continuu, functionand ca motor, respectiv posibilitatea reglarii comode si in limite largi a turatiei, poate fi suplinita de masinile de curent alternativ cu colector, de montajul in cascada al masinilor de curent alternativ sau prin comanda turatiei motoarelor asincrone cu variatoare de frecventa.

In ultimul timp insa masina de curent continuu-avem in vedere motoarele de curent continuu perfectionate-capata din nou o deosebita importanta in actionarile cu reglaj de viteza, incepand cu tractiunea electrice urbana si feroviara si cuprinzand toate domeniile de actionari electrice suple din metalurgie, masini unelte, instalatii de transportat si ridicat etc. Definitorie pentru aceasta resuscitare a motorului de curent continuu este evolutia actionarilor auxiliare a liniilor de laminare din metalurgie: in anii '60 se utilizau motoare asincrone de constructie speciala de frecvente joase alimentate de convertizoare de frecventa rotative, apoi de motoare asincrone standard alimentate prin convertizoare statice de frecventa, pentru ca in ultimii ani sa se generalizeze utilizarea motoarelor de curent continuu, comandate prin mutatoare.

Principii constructive si functionale

Elemente constructive de baza

Masina de curent continuu, ca orice masina electrica rotativa, este compusa din doua parti constructive de baza:

statorul, partea fixa, imobila, reprezentand inductorul masinii;

rotorul, partea mobila sau partrea indusa a masinii care roteste in interiorul statorului.

Elementele statorului sunt: carcasa ce cuprinde jugul statoric, polii de excitatie si infasurarea concentrata respectiva de curent continuu, polii de comutatie (auxiliari) si infasurarea corespunzatoare, scuturile (capacele) frontale cu lagare cu rulmenti sau de alunecare, sistemul perii si portperii, cutia de borne.

Rotorul este constituit din: miezul (parchetul) rotoric, care prezinta la periferie dinti repartizati uniform, iar spre interior jugul rotoric fixat pe arbore, infasurarea rotorica distribuita uniform in crestaturi ale miezului rotoric, colectorul, ventilatorul.

Elementele constructive pot fi urmarite in figura de mai jos.

Figura 2.1

Carcasa (jugul statoric) reprezinta partea mobila in care se fixeaza polii de excitatie si prin care masina este fixata in fundatie prin intermediul unei talpi de prindere si buloane, La masinile de putere mai mare de cateva sute de wati, carcasa si jugul statoric (care serveste drept drum de inchidere al fluxului magnetic produs de polii de excitatie) reprezinta una si aceeasi piesa constructiva. Pentru a oferi fluxului magnetic o reluctanta cat mai mica, carcasa se construieste din fonta sau din otel turnat, uneori din tabla groasa de otel sudata.

La masinile mici si la cele alimentate prin instalatii de redresare cu gama larga de reglare a vitezei, jugul statoric este realizat din tole de otel electrotehnic de 0.5-1 mm grosime. La masinile mici aceste tole sunt stantate in forma adecvata, incat se realizeaza dintr-o data si polii de excitatie. In aceste cazuri, jugul statoric se fixeaza pe carcasa, care nu mai serveste la conducerea fluxului magnetic si care se realizeaza din materiale neferomagnetice (de obicei aliaje de aluminiu in scopul micsorarii greutatii De ambele parti ale carcasei se fixeaza prin buloane (cazul masinilor mai mari) sau tije filetate si piulite (cazul curent al masinilor mici) scuturile sau capacele masinii, care poarta lagarele de alunecare sau cu rulmenti in care se roteste arborele rotoric.

Figurile 2.2 si 2.3

Polii de excitatie (principali) se construiesc din tole de otel electrotehnic de 0.5-1 mm grosime, stranse pachet cu ajutorul unor buloane nituite. Polii se prind in carcasa prin buloane. Ei poarta bobinele de excitatie strabatute de curentul de excitatie.

In partea catre rotor, miezul polar se termina cu asa-numita talpa a polului sau piesa polara. Scopul ei principal este de a inlesni trecerea fluxului magnetic prin zona ingusta de aer care separa polul de rotor, zona denumita intrefier. Capetele talpii polului sunt taiate putin oblic. Din punct de vedere mecanic, talpa polului serveste pentru asigurarea pozitiei bobinei, montata pe miezul polului.

In aceeasi figura este aratat unul dintre mijloacele de izolare a bobinei de miezul polului. Bobina se monteaza pe o caseta dintr-un material izolator si se fixeaza pe o caseta speciala, montata pe miez.

Bobinele de excitatie se realizeaza dintr-un conductor rotund sau profilat de cupru. Conductorul este izolat pentru a nu se produce scurtcircuite intre spirele bobinei. Bobinele polilor de excitatie se leaga intre ele in serie sau in paralel si se alimenteaza prin bornele din cutia cu borne. Legaturile bobinelor se realizeaza de asa maniera, incat fluxul magnetic al unui pol sa fie dirijat dinspre piesa polara spre rotor (pol nord iar cel al unui pol vecin dinspre rotor spre piesa polara respectiva (pol sud) .

Figura 2.4

Polii de comutatie (auxiliari ca si cei principali constau dintr-un miez care se termina cu talpa polului si din bobina infasurata pe miez. Ei se aseaza exact in axa de simetrie (axa neutra) dintre polii principali si se fixeaza pe jug cu buloane. Miezul polilor auxiliari - adeseori, dar nu totdeauna - se confectioneaza din otel electrotehnic laminat. Bobinele polilor de comutatie se realizeaza tot din conductor izolat de cupru, rotund sau profilat, si se leaga intre ele in serie sau in paralel, fiind strabatute de curent continuu.

Miezul rotoric se construieste din tole de otel electrotehnic de forma circulara, cu dinti si crestaturi de profil foarte variat. De obicei grosimea acestor tole este de 0.5-1 mm.

Tolele separate se izoleaza una de alta printr-un strat subtire de lac sau printr-un strat de oxid. Grosimea izolatiei este de 0.03-0.05 mm. O astfel de constructie a miezului are drept scop reducerea curentilor turbionari care se dezvolta in miez la rotirea sa in campul magnetic. Curentii turbionari duc la pierderi de energie care se transforma in caldura. La miez masiv, aceste pierderi ar fi foarte mari si acestea ar duce la reducerea randamentului masinii si la o incalzire foarte ridicata.

De obicei miezul rotoric este alcatuit din cateba pachete de tole. Pentru imbunatatirea racirii, intre pachete se lasa asa-numitele canale de racire de 8-10 mm. Deseori se fac si canale axiale, asa cum se poate observa in figura de mai jos.

Miezul rotoric se preseaza de ambele parti prin dispozitive de apasare care se fixeaza pe arbore. In directia axei, lungimea miezului depaseste lungimea polului cu cate 2-5 mm de fiecare parte. Aceasta se face pentru ca sa se reduca la minimum variatiile permeantei circuitului magnetic in care se ivesc la micile deplasari ale rotorului.

Figura 2.5

Infasurarea rotorica consta din sectii (bobine) care se pregatesc pe sabloane speciale si se aseaza in crestaturile miezului. Infasurarea se izoleaza de miez cu grija si se consolideaza in crestaturi, de cele mai multe ori cu ajutorul unor pene speciale de lemn sau alt material izolant.

Capetele bobinelor, adica partile care ies afara din crestaturi, se fixeaza cu bandaje cu sarma de otel (la masini mici cu bandaje de sfoara) pentru a nu fi aruncate spre exterior atunci cand rotorul se invarteste.

Figura 2.6 a si b

Colectorul este un subansamblu caracteristic masinii de curent continuu. Colectorul are forma cilindrica, fiind construit din placute de cupru, denumite lamele, izolate una fata de cealalta printr-un strat de micanita si, de asemenea, izolate de piesele de strangere. Capetele sectiilor infasurarii rotorice se lipesc direct in aripioarele lamelelor cu un aliaj cu cositor sau se utilizeaza ca piese intermediare niste stegulete (cazul masinilor de putere mai mare

La masinile de putere mai mica, colectorul se realizeaza din lamele solidarizate si totodata izolate intre ele cu ajutorul unui material rasinos sintetic (de exemplu bachelita Colectorul se roteste solidar cu rotorul masinii.

Figura 2.7

Periile care freaca pe colector realizeaza o legatura intre infasurarea rotorica care se invarteste si bornele masinii care sunt imobile. Periile sunt realizate din material conductor in general pe baza de grafit, care asigura frecari si uzuri mai reduse. Prin intermediul unor piese speciale, portperiile, periile realizeaza un contact sub presiune constanta cu lamelele colectorului. Presiunea constanta este asigurata de un arc si o parghie de apasare. Un colier, posedand o serie de tije si fixat de obicei de scutul dinspre colector al masinii, sustine portperiile. Periile sunt legate galvanic intre ele, si anume periile de numar impar (socotite la periferia colectorului) se leaga la o borna a masinii, iar periile de numar par la cealalta borna. Periile sunt plasate la distanta egala la periferia colectorului, iar numarul de randuri de perii este egal cu numarul de poli de excitatie ai masinii.

Caracteristicile motorului de curent continuu

Prezentand o importanta deosebita in actionarile cu reglaj de viteza, cunoscand in prezent o larga dezvoltare, ca fabricatie si utilizare, motoarele de curent continuu capata o raspandire din ce in ce mai mare in tractiunea electrica, actionarea masinilor unelte, in metalurgie, instalatii de transportat si ridicat etc.

Aprecierea calitatii unui motor de curent continuu este determinata de ansamblul urmatoarelor caracteristici:

de pornire;

de functionare;

de reglarea vitezei;

de franare.

a)      caracteristicile de pornire se refera in principal la:

- variatia in timp a curentului in procesul de pornire si determinarea raportului  ;

h- variatia in timp a timpului de pornire si determinarea raportului , sau a plajei de variatie a cuplului de pornire in cazul pornirii cu reostat;

- timpul de pornire  ;

- economicitatea pornirii, sub aspectul energiei disipate in perioada de pornire, costul aparatajului de pornire si siguranta de exploatare.

b)      caracteristicile de functionare sunt constituite de relatiile dintre principalele marimi care determina functionarea motorului: in conditiile in care se pastreaza constante si rezistentele din circuitul indusului si excitatiei, acestea fiind:

- caracteristicile de functionare propriu-zise, reprezentand functiile :

- caracteristica de viteza : la mersul in sarcina (uneori la motoarele cu excitatie derivatie sau separata se ridica si caracteristica de viteza : , la mersul in gol) ;

- caracteristica mecanica , foarte importanta pentru calculul actionarilor.

c)      caracteristicile de reglare a vitezei se refera la:

- domeniul de reglare  ;

- modul de reglare a vitezei, continua sau in trepte;

- economicitatea reglarii sub aspectul pierderii de energie, costul aparatajului de reglare si siguranta in exploatare.

d)      caracteristicile de franare constituie o extindere a caracteristicii mecanice pentru regimuri speciale de lucru ale masinii de curent continuu, si anume:

- functionarea in regim de frana propriu-zisa;

- regimul de franare prin trecerea in generator cu recuperarea energiei;

- regimul de franare prin trecerea in generator fara recuperarea energiei (franarea dinamica

Reglarea vitezei motoarelor de curent continuu

Motoarele de curent continuu prezinta, in privinta reglarii vitezei (manual sau automat avantaje nete fata de motoarele de curent alternativ, atat in privinta limitelor de reglare, cat si a economicitatii reglarii. In unele cazuri, motoarele de curent continuu sunt din acest motiv de neinlocuit. Necesitatea reglarii vitezei la cuplu constant este evidenta cand este vorba de instalatii de tractiune electrica, laminoare, masini-unelte etc.

Din studiul expresiei vitezei de rotatie , rezulta imediat metodele de reglare a vitezei, si anume:

a)      variatia tensiunii ; la bornele motorului de tensiune U a retelei electrice de alimentare data;

b)      variatia fluxului de excitatie;

c)      variatia tensiunii U a sursei de alimentare.

Calitatile reglarii vitezei realizate prin oricare din metodele sus aratate se apreciaza un cuplu rezistent constant la arbore sau cu buna aproximatie .

Reglarea vitezei prin variatia tensiunii la bornele motorului

Modificarea tensiunii aplicate la bornele motorului in conditiile unei tensiuni constante a retelei electrice de alimentare si a unui curent excitatie constant se poate realiza prin rezistente variabile in serie cu infasurarea rotorului.

Fig 2.60

Considerand notatiile din figura de mai sus, se pot scrie urmatoarele ecuatii de functionare:

de unde rezulta: , in care . Aceasta insemnand ca noua caracteristica mecanica artificiala reprezinta tot o dreapta.

Fig 2.61

Daca este variabil, se obtine o familie de drepte de pante variabile o data cu , dar de aceeasi ordonata la origine.

Din figura de mai sus rezulta foarte clar ca pentru cuplul constant (de exemplu ) , motorul se poate roti cu viteza variabila daca este variabila. Teoretic este posibila functionarea motorului la orice viteza intre 0 si aproape la cuplul dat. Practic, insa, domeniul de reglare a vitezei se limiteaza la 0.3-.

Aceasta metoda de reglare a vitezei este caracterizata prin:

a)      putere utila proportionala cu viteza de rotatie, cu atat mai scazuta cu cat viteza de rotatie este mai mica, in timp ce puterea absorbita este constanta, deci randament din ce in ce mai slab la viteze din ce in ce mai reduse ;

b)      racirea masinii din ce in ce mai dificila spre viteze mici de rotatie din cauza ventilatiei din ce in ce mai slabe a motorului;

c)      o comutatie mai buna la viteze mai mici;

d)      limite de reglare a vitezei, cu atat mai largi cu cat cuplul este mai mare;

e)      metoda este foarte neeconomica prin pierderea importanta de putere in rezistenta , impunand, in consecinta, investitii relativ importante, rezistenta fiind voluminoasa si relativ scumpa;

f)       se poate varia viteza numai intr-un singur sens si anume sub .

nu este acelasi lucru cu rezistenta de pornire, ea fiind calculata pentru lunga durata, putand ramane permanent in circuitul motorului, dar putand a fi utilizata si ca rezistenta de pornire, dar nefiind permisa intrebuintarea rezistentei de pornire ca rezistenta de reglare.

Reglarea vitezei prin variatia fluxului de excitatie

Schimbarea vitezei se poate realiza si prin variatia curentului de excitatie cu ajutorul reostatului de camp , presupunandu-se si =0. Pentru motorul cu excitatie derivatie, rezulta astfel ca . Pentru 2 valori diferite si ale curentului de excitatie rezulta 2 valori diferite ale fluxurilor: , respectiv . Luand <, si tinand cont de faptul ca , rezulta ca >, iar din relatia , tinand seama ca termenul nu afecteaza decat cu cateva procente suma , rezulta ca , insemnand ca micsorarea curentului de excitatie conduce la cresterea vitezei de rotatie si a curentului absorbit de infasurarea rotorului in conditii de cuplu constant. Caracteristicile mecanice care se obtin astfel sunt ilustrate in figura de mai jos.

Fig 2.62

Odata cu micsorarea fluxului de excitatie curentul absorbit de motor creste. Daca acest curent depaseste valoarea maxima admisibila din punct de vedere al incalzirii masinii, functionarea in acest regim nu este permisa decat pentru scurta durata. In grafic hiperbola echilatera corespunde ecuatiei si delimiteaza doua domenii. Functionarea motorului in domeniul hasurat nu este permisa decat pentru scurta durata pentru ca .

Putem spune ca aceasta metoda este caracterizata de urmatoarele:

a)      puterea absorbita de la reteaua electrica de alimentare creste la cuplu constant, proportional cu curentul o data cu viteza de rotatie, cand curentul de excitatie este micsorat; puterea utila creste la micsorarea curentului de excitatie, iar randamentul este afectat in mult mai mica masura decat la metoda precedenta (doar prin cresterea pierderilor din infasurarea rotorului) ;

b)      pe masura ce fluxul de excitatie este mai mic, cuplul admisibil dezvoltat de motor scade;

c)      comutatia este mai dificila datorita cresterii vitezei de rotatie simultan cu cresterea curentului ;

d)      viteza se poate regla in ambele sensuri in raport cu situatia cand curentul de excitatie are valoarea nominala, dar fluxul nu poate fi marit prea mult peste valoarea nominala, circuitul magnetic saturandu-se si necesitand un curent mult prea mare de excitatie;

e)      metoda de reglare a vitezei bazata pe variatia fluxului de excitatie este sensibil mai economica decat cea precedenta, fiindca pierderile in reostatul de camp sunt foarte mici;

f)       investitiile sunt relativ mici, fiindca reostatul este dimensiuni relativ mici;

g)      in cazul slabirii accentuate a campului de excitatie si al cresterii insemnate a curentului din infasurarea rotorului, poate aparea o functionare necorespunzatoare a motorului.Intr-adevar, in acest caz, campul de excitatie fiind slab, iar campul de reactie transversala foarte puternic, fluxul rezultant scade mult in raport cu fluxul , iar caracteristica mecanica poate deveni urcatoare (in figura de mai sus sunt curbele cu linie intrerupta) , ceea ce poate conduce la functionarea nestabila a motorului. De aceea, reglarea vitezei prin aceasta metoda este admisa numai in limitele 1-3.

Aceste lucruri se pot aplica si la motorul cu excitatie serie, cu singura deosebire ca este nevoie de un reostat in paralel cu infasurarea rotorului pentru a se putea varia curentul prin infasurarea de excitatie.

Fig 2.63

Reglarea vitezei prin variatia tensiunii U a sursei de alimentare

Metoda generator-motor se aplica numai atunci cand este nevoie de o reglare a vitezei in limite foarte largi, in acest caz fiind nevoie de o sursa proprie de alimentare a motorului, adica de un generator de curent continuu propriu sau de o instalatie de redresare cu tensiune reglabila.

Grupul generator-motor, numit si grupul Ward Leonard a aparut acum aproximativ un secol si a reprezentat punctul de placare pentru diferite scheme moderne de actionare cu elemente de actionare statica.

Principiul de functionare a grupului generator-motor il constituie reglarea vitezei unui motor de curent continuu cu excitatie independenta sau serie, alimentat cu tensiunea variabila de la un generator propriu. Schema simplificata este reprezentata mai jos. Atunci cand in componenta grupului exista si un volant este denumit uneori grup Ward Leonard-Ilgner.

Fig 2.64

Motorul de curent continuu cu excitatie ce antreneaza masina de lucru este alimentat cu tensiunea variabila de generatorul de curent continuu , care la randul sau este antrenat de motorul , care poate fi un motor asinscron in scurtcircuit (pentru puteri mici) , unul cu inele sau un moto r sincron (pentru puteri ridicate) sau un motor Diesel (de exemplu pentru locomotivele Diesel-electrice) . Pentru ca grupul generator-motor sa primeasca din reteaua de alimentare numai energie de curent alternativ, este necesara inca o masina , care sa furnizeze tensiune continua constanta pentru alimentarea infasurarilor de excitatie ale motorului si . Aceasta masina, care este de fapt un generator derivatie cu autoexcitatie-este numit excitatoare, avand o putere nominala mult mai mica decat a celorlalte masini electrice din componenta grupului, de puteri sensibil egale.

Inversarea sensului de rotatie a motorului se realizeaza prin inversarea polaritatii tensiunii generatorului , fie prin inversarea curentului de excitatie a motorului. In figura 2.64 inversarea polaritatii tensiunii generatorului are loc prin alimentarea infasurarii de excitatie printr-o punte cu contacte, schema de comanda a contactoarelor trebuid a prevedea interblocarea acestora ( sa nu poata fi anclasat decat daca este declansat si invers

Pentru explicarea principiului de functionare se presupun masinile in repaus si fara tensiune. Se porneste motorul de antrenare si se regleaza tensiunea excitatoarei prin rostatorul de excitatie . Inaintea pornirii motorului se verifica daca reostatul de excitatie al generatorului este pe pozitia de rezistenta maxima, iar reostatul de excitatie al motorului pe pozitie de rezistenta minima. Se stabileste sensul de rotatie dorit pentru comandand in mod corespunzator inchiderea contactelor si . In continuare se excita treptat prin reostatul generatorul , pana la tensiunea corespunzatoare vitezei tensiunii acestuia si deci a turatiei motorului.

Daca tensiunea de la bornele generatorului devine mai mica decat tensiunea electromotoare indusa prin miscare in infasurarea rotorica a lui , situatie care apare la infasurarea brusca a curentului de excitatie a generatorului si folosita la franari rapide, si schimband intre ele regimul de functionare. trece in regim de generator (franare recuperativa energia cinetica acumulata de piesele in miscarea de rotatie ale masinii de lucru fiind transferata, cu pierderi mici arborelui masinii , care va functiona ca motor. Daca viteza lui devine superioara vitezei de sincronism, atunci masina presupusa asincrona va furniza energie electrica generatorului.

La tensiunea nominala de alimentare a motorului si la fluxul nominal, se va obtine viteza nominala a acestei masini. Daca masinile principale si ale grupului sunt de constructie speciala, prin marirea tensiunii generatorului peste tensiunea nominala se obtin viteze supranominale. Viteza motorului poate fi marita si mai mult prin micsorarea fluxului sau de excitatie. Prin variatia excitatiei generatorului se obtine un domeniu de reglare a vitezei de circa 8 :1. Daca se modifica si fluxul de excitatie a motorului se obtine un domeniu de 25 :1. Daca se adauga un sistem automat de reglare a vitezei, gama de viteze poate deveni 100 :1.

Pentru stabilirea ecuatiei caracteristicilor mecanice ale motorului , se considera schema echivalenta a circuitului rotoric comun al masinilor si , din fig 2.65, in regim stationar. Indicii G si M se refera fie al generator=, respectiv motor= . reprezinta rezistenta totala a circuitului rotoric al celor 2 masini. Astfel se poate scrie: , in regim stationar si .

Cuplul electromagnetic al motorului este .

Si eliminand intre relatiile anterioare marimile rezulta: .

Se observa ca in situatia motorului in sistemul generator-motor, caderea de viteza este mai mare decat cea corespunzatoare motorului alimentat nemijlocit de la o retea. In primul caz , in expresia caderii de viteza intervine factorul , rigiditatea caracteristicii mecanice a motorului functionand in sistemul generator-motor fiind mai mica. Deducem astfel ca putem efectua reglarea vitezei in doua moduri:

a)      mentinem fluxul de excitatie al motorului constant, in general al valoarea sa nominala, si modificam tensiunea electromotoare a generatorului, prin variatia fluxului de excitatie al generatorului cu ajutorul rostatului  ;

b)      mentinm constanta a lui la valoarea sa nominala si micsoram actionand asupra reostatului .Variatia simultana a celor doua fluxuri nu se utilizeaza in practica, preferandu-se succesiunea indicata. In acest mod se obtine un domeniu foarte mare de reglare a vitezei si valori acceptabile pentru curentul din circuitul rotoric al masinii principale.

Fig 2.66

Caracteristicile mecanice prezinta doua zone: prima corespunde motorului cu excitatie independenta alimentata cu tensiune variabila, caracteristicile mecanice fiind drepte paralele cu caracteristica mecanica naturala, iar cea de-a doua zona corespunde functionarii cu flux diminuat a motorului cu excitatie independenta, caracteristicile fiind drepte a caror rigiditate scade pe masura ce fluxul motorului se micsoreaza.

Limita minima pana la care se poate modifica viteza motorului fara sisteme automate de reglare, este , deoarece la viteze mici tensiunea la bornele generatorului se apropie ca valoare de caderea de tensiune din circuitul indus motorului. Din acest motiv, o variatie mica a sarcinii produce o modificare importanta a vitezei si chiar oprirea motorului.

Viteza maxima este limitata la , din cauza conditiilor de comutatie, de rezistenta mecanica a rotorului si de stabilitatea statica.

Caracteristicile mecanice nu sunt reprezentate in figura de mai sus in toate cele 4 cadrane, dar masina poate functiona in toate regimurile.

Pentru a reprezenta variatia cuplului maxim asmisibil si a puterii maxime admisibile, domeniul de viteze se imparte in doua subintervale: pana la viteza nominala si peste viteza nominala. Evident, curentul rotoric limiteaza valorile maxim admisibile ale cuplului sau puterii. Pentru prima zona, in care , fluxul de excitatie al motorului este constant (la valoarea nominala) , iar tensiunea la borne variabila (sub ) . Deci limitand curentul la valoarea , limitam cuplul maxim admisibil la valoarea , in timp ce puterea variaza proportional cu viteza. In zona a-2-a, in care , fluxul este diminuat si tensiunea la bornele motorului este constanta (la valoarea nominala) . Curent rotoric limitat insemnand acum putere limitata absorbita de motor si deci si putere dezvoltata limitata ( in timp ce cuplul maxim admisibil scade cu fluxul la curent dat-fig 2.67.

Grupul Ward Leonard se utilizeaza pentru actionarea masinilor de lucru care necesita reglarea in limite largi, franari si reversati frecvente (laminoare reversibile, masini-unelte mari, macarale-portal, teleferice de persoane, ascensoare de mare capacitate si viteza, instalatii de foraj la mare adancime etc.

Principalele avantaje ale grupului Ward-Leonard sunt:

a)      domeniu mare de reglare a vitezei, cu variatie lina si practic continua, pornind de la zero; in mod obisnuit limita maxima a domeniului de reglare a vitezei nu depaseste 20 :1, marirea domeniului prin variatia tensiunii generatorului la peste 10 :1 nu este posibila, din pricina magnetismului remanent al masinilor grupului si caracteristicilor mecanice moi la viteze reduse;

b)      in afara pierderilor normale din masinile grupului, spre deosebire de sistemele convertor electronic-motor, nu se produc pierderi suplimentare;

c)      posibilitatea de a se accelera rapid masinile de lucru cu momente axiale de inertie mari; pentru aceeasi masina de lucru, durata pornirii cu grup generator-motor este inferioara fata de cazul pornirii reostatice a motorului cu excitatie independenta, alimentat cu tensiune constanta;

d)      franarea sistemului generator-motor poate fi lina sau foarte rapida; la o micsorare lenta a tensiunii generatorului, astfel ca , franarea este lina, iar cand tensiunea generatorului se micsoreaza brusc se produce o franare foarte rapida, cu recuperarea energiei cinetice acumulate in corpurile cu miscarea de rotatie;

e)      datorita conectarii directe a motorului la generator, atat la pornire, cat si la franarea sistemului G_M nu este necesara introducerea de rezistoare in circuitul principal; trecerea aparatelor de comanda in circuitele de excitatie face ca puterea, costul si gabaritul acestora sa fie scazut.

Dexavantajele grupului generator-motor sunt:

a)      cost ridicat datorita numarului mare de masini si gabaritul ridicat;

b)      putere totala instalata mare, de circa trei ori mai mare decat puterea necesara pentru actionarea masinii de lucru;

c)      randament global mic pentru grupuri de putere mica si mijlocie. Pentru puteri mici, la randamente individuale ale masinilor de , randamentul global este de circa  ; la puteri ridicate, cu randamente individuale de ordinul , randamentul global este de .

Domenii de utilizare