Generatorul de curent continuu

Masina de curent continuu

Principiul de functionare al generatorului de curent continuu

Masina de curent continuu este folosita indeosebi ca motor electric datorita caracteristicilor mecanice avantajoase pe care le are. Ea poate functiona si ca generator electric sau ca frana electromagnetica. Principial functionarea ca generator a masinii de curent continuu poate fi explicata cu ajutorul schemei din figura de mai jos.

Se considera o spira ce se poate roti (actionata mecanic din exterior) intr-un camp magnetic constant produs de niste electromagneti alimentati in curent continuu sau de niste magneti permanenti (cazul din figura). Se stie ca in spira se induce o tensiune electromotoare variabila sinusoidal in timp:

cu valoarea efectiva U_e = BSω/= 2 f B S / = 4.44 f B S

Forma de variatie in timp a tensiunii electromotoare este reprezentata in figura cu linie intrerupta pentru α₀ = 0.

In scopul redresarii acestei tensiuni sinusoidale capetele spirei mobile se conecteaza la doua segmente, 1 si 2, ale unui inel colector. In cazul nostru latura spirei aflata sub polul nord este conectata la segmentul 1 al inelului colector iar latura aflata sub polul sud este conectata la segmentul 2 al inelului colector.

Tensiunea este culeasa cu ajutorul unor perii colectoare si se alimenteaza cu aceasta tensiune o sarcina (rezistenta, consumator de curent continuu). Pentru cazul nostru segmentul de inel 1 este in contact cu peria 1 iar segmentul de inel 2 este sub peria colectoare 2. Atunci cand latura spirei conetata la segmentul 1 iese de sub polul nord si intra sub polul sud segmentul 1 al inelului colector iese si el de sub peria 1 si intra sub peria 2. In felul acesta la peria 1 este totdeauna conectata latura aflata sub polul nord iar la peria 2 este permanent conectata latura spirei aflata sub polul sud. Ca atare peria 2 a sistemului din figura se comporta ca borna pozitiva a unui generator iar peria 1 este borna negativa a generatorului, sensul de circulatie al curentului (determinat cu regula mainii drepte) fiind cel din figura.

Infasurarea generatorului care produce campul magnetic inductor, numita inasurare de excitatie, este situata in stator si este alimentata in curent continuu. Campul magnetic inductor statoric poate fi produs si cu ajutorul unor magneti permanenti. Infasurarea de excitatie a masinii de curent continuu poate fi alimentata in mai multe feluri: de la surse exterioare de curent continuu, cand se zice ca avem excitatie separata, sau chiar de la bornele generatorului de curent continuu, cand se zice ca avem generator cu autoexcitatie. In ultimul caz infasurarea de excitatie poate fi conectata in paralel, in serie sau mixt fata de infasurarea rotorica.

Infasurarea rotorica a generatorului de curent continuu, numita indusul masinii, in care se induce tensiunea electromotoare este o infasurare speciala de curent continuu care se conecteaza la un colector prevazut cu mai multe segmente de inel izolate intre ele. Rolul colectorului este acela de a redresa mecanic tensiunea electromotoare indusa in rotor si de a furniza in exterior o tensiune constanta (curent continuu).

Marimile nominale ale masinii de curent continuu sunt:

• regimul de functionare (generator sau motor)
• puterea nominala; la generatoare este puterea electrica disponibila la borne iar la motoare este este puterea mecanica la arbore, in kW,
• curentul la bornele principale (in circuitul exterior), in A,
• tensiunea la borne, in V,
• turatia nominala, in rot/min,
• tensiunea si curentul de excitatie in regim nominal pentru masina cu excitatie separata,
• serviciul nominal si gradul de protectie

Generatoarele de curent continuu pot fi: cu excitatie separata, cu excitatie in derivatie (paralel), cu excitatie in serie sau cu excitatie mixta in functie de modul de conectare al infasurarii de excitatie fta de infasurarea indusului

Relatiile de baza pentru generatoarele de curent continuu sunt:

• pentru tensiunea electromotoare    E = k_E n Ф
• pentru cuplul electromagnetic    M = k_M Ф I_a
• tensiunea la bornele generatorului    U = E - R_a I_a

unde k_E si k_M sunt constante constructive, Ф este fluxul magnetic rezultant al masinii, I_a este curentul indusului, R_a rezistenta indusului, iar n este turatia masinii.

Principiul de functionare al motorului de curent continuu

Pentru a explica functionarea motorului de curent continuu si pentru a pune in evidenta reversibilitatea masinii de curent continuu vom relua figura explicativa a functionarii masinii de curent continuu in regim de generator. Sa inlocuim sarcina (rezistenta/consumatorul) alimentata de generator cu o sursa de curent continuu avand polul + conectat la polul + al generatorului. Sursa va debita prin spira rotorica un curent electric avand sens opus curentului pe care il debita masina in regim de generator. Pe figura am indicat sensul acestui curent prin niste sageti-bloc. Asupra laturii spirei aflata sub polul nord va actiona o forta electromagnetica:

F' = B I_a' l

avand sensul indicat in figura, iar asupra laturii aflata sub polul sud va actiona o forta egala si de sens contrar. B este inductia campului magnetic, l este lungimea laturii spirei aflata in camp magnetic iar I_a' este curentul din spira rotorica. Ca urmare asupra spirei va actiona un cuplu electromagnetic:

M' = F' d = B ( l d ) I_a'= B S I_a' = Ф I_a'

care va roti spira in sensul de rotatie pe care il avea masina in regim de generator.

In practica motoarele de curent continuu au in rotor o infasurare de curent continuu cu mai multe spire astfel ca in expresia cuplului electromagnetic mai intervine numarul de spire si alti coeficienti ce depind de constructia masinii:

M' = k_M Ф I_a'

Se remarca si de aceasta data rolul de redresor mecanic al colectorului (inel format din doua segmente aici) astfel ca totdeauna sensul curentului prin spira/spirele de sub polul nord va fi acelasi, deci si sensul de actiune al cuplului electromagnetic este acelasi. S-au notat cu indicele "prim" marimile corespunzatoare regimului de "motor" al masinii de curent continuu. In regim de motor sensul curentului rotoric I_a' este opus fata de sensul curentului I_a debitat de generatorul de curent continuu.

Trebuie mentionat fapul ca in spira ce se roteste in campul magnetic produs de infasurarea de excitatie de pe stator se va induce si in acest caz o tensiune electromotoare a carei expresie este aceeasi ca la generator, iar sensul ei este de asemenea acelasi cu cel de la generator, deci invers sensului curentului absorbit de motor:

E = BSω/= B S Ω / = Ф ( 2 n / 60 ) / = k_E n Ф

Deoarece valoarea acestei tensiuni electromotoare a masinii de curent continuu este mai mica decat valoarea tensiunii de alimentare masina va absorbi un curent electric si va functiona in regim de motor electric. Coeficientul constructiv k_E este in practica mai complex datorita constructiei efective a masinii; rotorul are o infasurare de constructie speciala conectata la lamelele unui colector pe care aluneca niste perii colectoare prin intermediul carora se alimenteaza cu curent continuu infasurarea rotorica numita si in acest caz indusul motorului de curent continuu.

Campul magnetic inductor este produs de bobine situate pe polii statorici ai motorului; acestea constituie infasurarea de excitatie a motorului de curent continuu. Alimentarea infasurarii de excitatie a motorului de curent continuu se poate face in mai multe feluri:

• de la o sursa de curent continuu separata; motor cu excitatie separata,
• de la bornele motorului, infasurarea de excitatie fiind conectata in paralel cu infasurarea principala (indusul, infasurarea rotorica); motor cu excitatie derivatie,
• de la bornele motorului, infasurarea de excitatie fiind conectata in serie cu infasurarea principala (indusul, infasurarea rotorica); motor cu excitatie serie,
• de la bornele motorului, infasurarea de excitatie avand doua portiuni, una conectata in paralel cu infasurarea principala (indusul, infasurarea rotorica) iar celalta conectata in serie cu indusul; motor cu excitatie mixta.

Schemele de conexiuni ale infasurarii de excitatie sunt aceleasi ca la generatorul de curent continuu.

Caracteristicile motoarelor de curent continuu

Schema electrica echivalenta a unui motor de curent continuu este ca aceea prezentata in figura de mai jos.

In aceasta schema R_a reprezinta rezistenta infasurarii rotorice ( a indusului ) a motorului de curent continuu, U este tensiunea de alimentare a motorului iar I_a' este curentul absorbit de motor (curentul principal din indusul motorului ). E reprezinta tensiunea electromotoare indusa in infasurarea rotorica, aceasta are sens opus curentului rotoric.

Ex este infasurarea de excitatie a motorului alimentata cu tensiunea U_e iar I_e este curentul absorbit de infasurarea de excitatie.

Scriind teorema a II-a a lui Kirchhoff pentru circuitul indusului avem:

-E = R_a I_a' - U

de unde:    I_a' =

La pornire, cand turatia motorului este nula, tensiunea electromotoare E indusa in infasurarea rotorica este nula si, ca urmare, curentul absorbit de motor este foarte mare, el poate fi de 620 de ori mai mare decat curentul nominal. Prin urmare este necesara reducerea acestuia cu ajutorul unui reostat de pornire inseriat cu circuitul rotoric. Curentul de pornire al motorului va fi:

Valoarea turatiei motorului de curent continuu se poate exprima astfel:

Aceasta expresie ne arata care sunt factorii ce influenteaza turatia motorului de curent continuu.

Motorul de curent continuu cu excitatie in derivatie sau separata are o caracteristica mecanica n(M') rigida deoarece fluxul magnetic de excitatie Ф este constant (tensiunea U_e este constanta). Aceste motoare se folosesc in actionari electrice unde turatia este practic constanta independent de sarcina (cuplul M'). Regalarea turatiei la aceste motoare se poate face prin modificarea tensiunii U de alimentare sau prin modificarea curentului de excitatie (deci a fluxului de excitatie Ф). Din expresia turatiei n se observa ca la o eventuala functionare in gol a motorului, cand M' = 0, daca fluxul de excitatie Ф scade turatia motorului poate creste foarte mult.

Se prezinta in figura de mai jos caracteristica mecanica a motorului de curent continuu cu excitatie derivatie sau separata (cazul a) precum si caracteristicile mecanice la modificarea tensiunii (cazul b) si la modificarea curenului de excitatie (cazul c).

Se observa ca turatia se poate modifica in limite largi prin modificarea tensiunii de alimentare (cazul b) dar este necesara o sursa de curent continuu cu tensiune reglabila.

Prin modificarea curentului de excitatie turatia se modifica, dar nu in limite prea largi. Se folosesc in practica actionarilor electrice sisteme cs combina cele doua principii de modificare ale turatiei.

Motorul de curent continuu cu excitatie serie are o caracteristica mecanica de forma celei prezentate in figura de mai jos. Caracteristica mecanica are o forma de variatie supla, favorabila sistemelor de tractiune electrica. Astfel, se observa ca la o crestere accidentala a cuplului rezistent, cand intervine inerent o micsorare a turatiei motorului (cand masina urca o panta, de exemplu) cuplul dezvoltat de motor creste pana ce va egala cuplul mecanic rezistent. Aceasta caracteristica este extrem de utila la masinile de ridicat sau la masinile de extractie. Este important de mentionat faptul ca motorul cu excitatie serie nu poate functiona in gol , adica fara sa antreneze mecanic un utilaj care sa aiba un cuplu nrezistent. Daca valoarea cuplului scade foarte mult turatia motorului creste la valori foarte mari, indmisibile. De aceea pentru a limita turatia motorului la o valoare n_max este necesar ca valoarea cuplului sa nu scada sub o valoare minma M_min.

Turatia motorului cu excitatie serie se poate regla prin modificarea tensiunii de alimentare sau prin modificarea curentului de excitatie.

Motorul de curent continuu cu excitatie mixta are doua infasurari de excitatie: una conectata in derivatie (paralel) si alta conectata in serie. De regula infasurarea serie este cuplata magnetic aditional rezultand astfel caracteristici mecanice de forma intermediara intre cele ale motorului derivatie si serie. Asemenea motoare se folosesc in tractiunea electrica, de exemplu la troleibuse. La aceste motoare se poate modifica usor turatia prin reglarea curentului de excitatie.