MASINA DE CURENT CONTINUU

MASINA DE CURENT CONTINUU

A.   DEFINITIE, CLASIFICARE DUPA EXCITATIE, DOMENII DE UTILIZARE

1.DEFINITIE

Se numeste masina electrica de curent continuu, acea masina electrica la care schimbul principal de energie cu o retea se face in curent continuu.

2.CLASIFICARE DUPA EXCITATIE

La masinile de curent continuu, statorul este in general, inductor, iar rotorul este indus.    

Dupa modul de interconectare a celor doua circuite/infasurari electrice- de pe inductor (de excitatie), respectiv de pe indus se deosebesc urmatoarele categorii de masini de curent conti-nuu:

a) cu excitatie separata- cand cele doua infasurari sunt separate;

b) cu excitatie derivatie- cand infasurarea de excitatie si infasurarea indusului sunt conec-tate in paralel;

c) cu excitatie serie- cand cele doua infasurari- de excitatie si a indusului- sunt inseriate si parcurse deci de acelasi curent;

d) cu excitatie mixta (compound)- cand exista doua infasurari de excitatie: una in serie cu infasurarea indusului, si cealalta, in paralel cu aceeasi infasurare.

La masinile cu excitatie mixta (compound) exista doua variante determinate de modul in care se compun campurile magnetice inductoare produse de cele doua infasurari de exci-tatie, si anume:

d compound auditional - cand campurile magnetice se aduna ( liniile lor au acelasi sens)

d compound diferential - cand campurile magnetice se scad (liniile lor au sensuri cont-rare)

In figura 1 sunt reprezentate semnele conventionale pentru masinile de c.c cu diferite tipuri de excitatie; se indica, de asemenea, si notatiile consacrate pentru capetele infasurarilor.

3.DOMENII DE UTILIZARE

Datorita caracteristicilor lor, masinile de c.c se utilizeaza in cele mai diferite domenii ale tehnicii.

Motoarele de c.c se folosesc in diferite sisteme de actionare electrica la turatii varia-bile in limite largi si cuplu mare la pornire si anume:

- in tractiunea electrica (la tramvaie, troilebuze, locomotive electrice, electrocare)

- in metalurgie ( la laminoare, transportoare, mecanisme de furnal, poduri rulante, masini de ridicat)

- in industria prelucratoare ( la masini unelte)

- in industria extractiva ( la masini de extractie miniera)

- in automatica.

Generatoarele de c.c se utilizeaza:

- la incarcarea bateriilor de acumulatoare;

- ca generatoare de sudura ( avand constructie speciala)

- ca surse pentru instalatii de foraj, pentru industria chimica, pentru nave maritime si locomotive electrice

B.    PARTICULARITATI CONSTRUCTIVE

Circuitul magnetic este compus din:

a)miezul magnetic statoric format din "jug" (masiv sau din tole groase), "poli princi-pali"( in general, din tole groase) si "poli auxiliari"( masivi sau din tole groase).

b)miezul magnetic rotoric, realizat numai lamelat, din tole subtiri de otel electrothenic, prevazute la periferie cu cresaturi. in scopul asigurarii unei raciri eficente, miezul rotoric se confectioneazain general din pachete de tole intre care se creeaza canale radiale de racire; uneori, se prevad si canale axiale de racire, obtinute prin gaurirea tolelor pe toata lungimea rotorului.

Sistemul de infasurari este compus din:

a) infasurarea de excitatie, de tip concentrata (bobina polara plasata pe fiecare pol princi-pal), care are rolul de a produce campul magnetic inductor.

b) infasurarea de comutatie, de tip concentrata (bobina polara plasata pe fiecare pol de comutatie, numit si pol auxiliar);

c) infasurarea de compensatie, de tip repartizata (plasata in crestaturi realizate in talpa polilor principali

d) infasurarea indusului, de tip repartizata ( plasata in crestaturile rotorice)

Infasurarea indusului, infasurarea de comutatie si infasurarea de compensatie sunt inserate, iar notatiile utilizate pentru aceste infasurari sunt prezentate in fig.2.

Sistemul perii-colector permite obtinerea, in circuitul exterior, a unui curent care are permanent acelasi sens (la generator), respectiv alimentarea cu tensiune continua a infasurarii indusului (la motor). Periile si apasate pe colector cu ajutorul unui dispozitv numit port-perie. Suportul port-periilor, numit port-perii, are tot atatea tije de sustinere a port-periilor cati poli are masina.

Astfel spus, colectorul este un "comutator" rotativ care permite obtinerea/transmiterea unei tensiuni continue la periile de la/spre infasurarea indusului.

Principiul reversibilitati la masinile de c.c

Principiul reversibilitati energetice a masini de c.c permite deductia ca intre generatoarele si motoarele de c.c nu exista diferente constructive in esentiale si ca o masina de c.c poate asigura conversia electro-magnetica a energiei in ambele sensuri: ea poate functiona, asadar atat ca generator, cat si ca motor.

In regim de motor, masina de c.c, excitata si cuplata la o retea de tensiune continua, absoarbe un curent I si dezvolta, un cuplu mecanic M, la o turatie n. motoarele pot avea toate tipurile de excitatie indicate in fig 1.

C. PORNIREA MOTORULUI DE C.C

O masina de c.c poate dezvolta un cuplu la arbore daca este excitata (adica, daca exista flux inductor) si daca indusul este parcurs de curent (adica daca masina este alimentata de la o sursa).

Sensul de rotatie (al turatiei n) este impus de sensul cuplului care se poate modifica prin schimbarea sensului fie al curentului de excitatie, fie al curentului indus.

La pornire, cand n = 0 si E = ke* n = 0, relatia devine:

Ub=RaIp   

sau, considerand curentul de pornire Ip, ca un multiplu al curentului nominal,

Ip=βIa ( 2 )

iar    Ub=β RaIn ( 3 )

in care β - factor de multiplicare a curentului nominal la pornirea motorului.

Avand in vedere relatia:

RaIn U= (0,05..0,15) Un

Un 1 ( 4 )

rezulta β = ―― =――― ≈ 620

RaIn 0,05..0,15

Curentul de pornire Ip rezulta de 6..20 ori mai mare decat curentul nominal. Masinile de putere mica ( la care corespund caderi de tensiune mari, spre limita de 15 si chiar mai mult ) pot inregistra un curent la pornire: Ip≤ 6In

In plus, dimensiunile lor nu determina o inertie prea mare, astfel incat timpul de pornire este scurt ( sub o secunda) si valoarea mentionata in relatia ( 4 ) nu dauneaza bunei functionari a motorului: aceste motoare se pot porni prin conectare directa.

Restul motoarelor trebuie pornite prin metode care sa asigure reducerea valorii curentului absorbit la pornire. Aceste metode sunt:

-reducerea tensiunii de alimentare prin utilizarea unei surse de tensiune variabila;

-introducerea in serie cu indusul a unei rezistente suplimentare (reostat de pornire cu rezistenta

Rp).

Prima metoda necesita cheltuieli mari de investitii, dar este foarte avantajoasa sub raport

energetic. A doua metoda este ieftina, dar pierderile, prin efect Joule Lenz pe rezistenta reostatului de pornire, determina scaderea eficientei.

Valoarea reostatului de pornire Rp poate fi calculata astfel incat sa se realizeze o limitare impusa a curentului de pornire: Un ~ T-R in care se impune :

Ip < (1,5..2)In ( 5 )

Limitarea valorii curentului absorbit la pornire are efecte pozitive asupra functionarii motorului, insa limiteaza valoarea cuplului initial (de pornire).

Valoarea acestui cuplu: M_p = k_mOI_p, nu mai poate fi marita decat prin cresterea curentului de excitatie Ie. De aceea, la motoarele de c.c. cu excitatie separata, reostatele de camp din circuitul de excitatie se regleaza astfel incat rezistenta sa fie minima, deci curentul de excitatie Ie sa fie maxim (admisibil). La motoarele de c.c. cu excitatie derivatie, se procedeaza la fel si, in plus, infasurarea de excitatie se alimenteaza direct de la retea (deci la tensiune constanta) si nu la periile motorului, pentru a nu micsora tensiunea aplicata acestei infasurari cu caderea de tensiune pe reostatul de pornire R_PI_P figura ( 3 ).

Acesta este motivul pentru care motorul de c.c. cu excitatie derivatie nu poate fi pornit prin alimentare cu tensiune scazuta. Pentru a realiza un cuplu mai mare la pornire, se utilizeaza motorul cu excitatie compound (mixta) la care infasurarea serie este conectata aditional.

Schema de pornire cu reostat a motoarelor de c.c. cu excitatie derivatie fig.( 3 )

In figura ( 3 ) este prezentata schema de principiu a montajului pentru pornirea cu reostat a motorului de c.c. cu excitatie derivatie. Fiind indeplinite conditiile enumerate (Rc min, Iemax si constant) se inchide intrerupatorul K si se realizeaza alimentarea motorului cu tensiune continua.

Turatia creste si, drept urmare, creste si t.e.m. E = k_e * Φ * n, iar pentru Ub = const. din ecuatia de tensiuni pentru regimul de motor rezulta ca scade curentul I_a, dand posibilitatea sa se scada treptat rezistenta R_p, pana se ajunge ca la bornele motorului 'Sa se aplice tensiunea nominala U_n, moment in care R_p

U_b=E R-I_a = E + (R_a+R_p)I_a

Daca pornirea se face prin alimentarea de la o sursa de tensiune variabila, dupa scaderea curentului, corespunzatoare primei trepte a tensiunii aplicate, se creeaza posibilitatea cresterii tensiunii la borne: cresterea curentului absorbit la valoarea impusa de noua tensiune este urmata de o alta scadere a acestuia datorita cresterii turatiei s.a.m.d., pana cand motorul este alimentat la tensiunea nominala.

Sensul de rotatie al motorului se modifica:

fie prin schimbarea sensului curentului de excitatie;

fie prin schimbarea polaritatii tensiunii la borne (deci a sensului curentului prin indus),

Insa, in nici un caz prin schimbarea simultana a sensului celor doua marimi.

1. CARACTERISTICILE MECANICE ALE MOTORULUI DE C.C. CU EXCITATIE INDEPENDENTA

Din punctul de vedere al sursei de alimentare pentru infasurarea de excitatie, un motor de c.c. cu excitatie derivatie poate fi considerat un motor cu excitatie independenta, cu conditia ca tensiunea la bornele excitatiei sa fie constanta (chiar daca aceasta tensiune provine de la aceeasi retea care alimenteaza indusul, cele doua circuite sunt independente).

In cele ce urmeaza deci, se va subintelege comportarea identica a celor doua tipuri de motoare de c.c: cu excitatie independenta si cu excitatie derivatie.

REGLAREA TURATIEI MOTOARELOR DE CC:

Din analiza ecuatiilor caracteristicilor mecanice ale motoarelor de c.c, rezulta ca, la un cuplu constant (sau, echivalent, la un curent de sarcina constant) turatia se poate modifica actionand asupra:

- tensiunii de alimentare a rotorului;

-fluxului de excitatie;

-rezistentei suplimentare din circuitul rotoric.

Reglarea vitezei prin modificarea tensiunii de alimentare a rotorului (indusului) permite obtinerea unei game largi de valori atat inferioare vitezei de baza, cat si superioare acesteia (reglaj bizonal). Randamentul reglarii este bun, insa cheltuielile de investitii (pentru sursa de tensiune variabila) sunt mari.

Reglarea vitezei prin diminuarea fluxului magnetic de excitatie (fie cu un reostat de camp - in cazul motoarelor de putere mica, fie prin alimentarea infasurarii de excitatie de la o sursa de tensiune variabila - in cazul motoarelor de putere mare) este un reglaj monozonal (numai pentruΦ<Φn), se obtin doar viteze mai mari decat viteza de baza. Randamentul metodei este bun, cheltuielile de investitii sunt mici, iar gama de reglaj, de asemenea, mica (fluxul de excitatie nu poate fi redus prea mult - vezi limita de stabilitate).

Reglarea vitezei prin modificarea rezistentei suplimentare inseriate in circuitul rotoric permite obtinerea unor viteze mai mici decat viteza de baza (reglaj monozonal) si intr-o gama limitata, deoarece cu cat creste rezistenta din circuitul rotoric, cu atat scade randamentul prin cresterea pierderilor suplimentare pe rezistenta de reglaj.

Observatia 1. Pentru motorul de c.c. cu excitatie serie, modificarea curentului de excitatie I_e, independent de curentul prin indus, este posibila prin suntarea excitatiei cu o rezistenta variabila, asa cum se arata in figura ( ), prin inchiderea intrerupatorului Ke.

Schema din figura 4. permite si realizarea pornirii si reversani de sens la motorul de c.c. cu excitatie serie.

3. INVERSAREA SENSULUI DE ROTATIE LA MASINILE DE C.C

La motorul de c.c, sensul de rotatie ( sensul turatiei) este dat de sensul cuplului, iar acesta, la randul sau, este determinat de sensul fluxului inductor si de sensul curentului prin indus.

Modificarea sensului de rotatie prin schimbarea sensului uneia din cele doua marimi ( flux magnetic inductor sau curent prin indus) nu se recomanda a fi efecuata in timp ce motorul functioneaza ( se roteste deja intru-un sens).

La motorul de c.c cu excitatie derivatie, intreruperea excitatiei in timpul functionarii (intre-

rupere necesara pentru comutarea polaritatii tensiunii la bornele infasurarii) conduce la anularea fluxului magnetic inductor, deci si a t.e.m induse si, cum tensiunea tensiunea la borne este constanta, rezulta ca ea se repartizeaza exclusiv pe rezistenta indusului, generand un curent foarte mare prin acesta. De asemenea, din ecuatia caracteristicii mecanici rezulta ca se poate ambala ( fluxul magnetic inductor nul figureaza la numitorul fractiilor din expresia caracteristicii mecanice). De asemenea daca motorul actioneaza o masina de lucru ce opune un cuplu rezistent la arbore mai mare decat cuplul electromagnetic al motorului, acesta din urma se opreste si curentul ce apare prin indus, comparabil cu curentul la pornire, provoaca incalziri periculoase.

De aceea, circuitul indusului se prevad protectii la supracurenti (in general sigurante fuzibile)

Obervatia 2. Inversarea sensului de rotatie din mers nu se face prin inversarea curentului de excitatie, deoarece apare un soc mare de curent cand masina ramane fara excitatie.

La motorul de c.c. cu excitatie serie intreruperea excitatiei in timpul functionarii conduce la diminuarea cuplului electromagnetic si deci la ambalarea motorului, daca acesta functiona in gol. Pentru a evita aceste situatii, motorul de c.c. cu excitatie serie se foloseste numai cuplat cu mecanismul antrenat.

4.FRANAREA MOTORULUI DE C.C

In regim de frana, masina de c.c. primeste energie electrica de la reteaua de alimentare si energie mecanica de la mecanismul antrenat, si le transforma pe ambele in caldura disipata pe rezistentele din circuitul indusului.

Regimul de frana poate fi impus de necesitatea:

-fie de a opri rapid un motor;

-fie de a schimba sensul de rotatie al acestuia.

Astfel, prin inversarea polaritatii tensiunii de alimentare (pastrand sensul fluxului magnetic inductor) se schimba sensul curentului prin indus, deci si sensul cuplului motor, astfel incat acest cuplu tinde sa antreneze rotorul in sens invers fata de sensul in care se rotea motorul.

Masina primeste, in acest caz:

-energie mecanica pe la arbore, de la mecanismul antrenat care, in virtutea inertiei, cauta sa mentina turatia motorului;

energie electrica pe la borne, de la reteaua de alimentare, pentru invingerea cuplului care mentine turatia in sens invers.

In acest regim, cand Ub si I_a isi modifica semnul, reiese ca:

Un+E Un

If =--------->Ip≤------- (6)

Ra Ra

Curentul de franare, fiind mai mare decat curentul la pornire (chiar in lipsa reostatului de pornire R_p), se impune limitarea acestuia prin introducerea - in momentul inversarii polaritatii tensiunii a unei rezistente Rr care se inseriaza cu rezistenta de pornire R_p.

MASINA ASINCRONA

A. DEFINITIE, CLASIFICARE, UTILIZARI

GENERALITATI SI DEFINITII

Definitie: Se numeste masina asincrona orice masina de ca. care, la frecventa data a retelei, functioneaza cu o turatie variabila cu sarcina.

Prima propunere de masina 'electrica' de lip asincron a fost facuta in de G. Ferraris. Perfectionari ulterioare importante s-au facut in perioada de catre N. Tesla si D. Dobrovolschi.

in prezent, masinile asincrOTese^executaintr-Q^ainalarga de puteri (de la cativa wati pana la 5 kW); limita puterii pentru care se. pot construi masinile asincrone (determinata de rezistenta mecanica a rotorului) este de 12 MW pentru masinile bipolare si de 20 MW pentru masinile tetrapolare.

PARTI COMPONENTE

Principalele parti componente ale unei masini asincrone sunt:

. statorul, compus din carcasa, miezul feromagnetic si infasurarea statorica;

Carcasa, executata de obicei din fonta (uneori din otel) are rolul de suport al miezului, realizat ca miez cu poli plini (cu crestaturi) din tole de otel electrotehnic cu grosimea de 0,5 mm, izolate intre ele. Miezuri cu poli aparenti se intalnesc numai la unele tipuri de micromotoare monofazate.

Infasurarea statorica, de ca., de tip repartizat, este plasata in crestaturile identice, echidistante, practicate la periferia interioara a miezului.

La masinile de putere mica si mijlocie, carcasa serveste si pentru fixarea, pe cele doua parti laterale, a scuturilor portlagare.

rotorul este format dm miezul rotoric (fixat pe arborele masini;) si infasurarea rotorica.

Miezul rotoric este de tip cu pol: plini si realizat din toie de otel electrotehnic, cu grosimea de mm. izolate sau nu, intre ele. infasurarea rotorica de tip repartizat, poate fi realizata ca si cea din stator, pentru acelasi numar de poli si acelasi numar de faze (rotor bobinat) sau sub forma de infasurare in colivie (rotor in scurtcircuit)! in primul caz, daca infasurarea este trifazata, fazele infasurarii rotorului se conecteaza totdeauna in stea. iar capetele libere ale fazelor sunt legate la trei inele colectoare (fixate pe arbore si izolate fata de acesta), pe care calca periile colectoare. Masinile de acest tip sunt prevazute si cu un dispozitiv de ridicare a periilor si de scurtcircuitare a inelelor, pentru a elimina pierderile prin frecarea intre inele si perii, si pentru reducerea uzurii periilor. infasurarile bobinate se executa, in general, din cupru, iar cele in colivie din aluminiu turnat sub presiune (la masini mici si mijlocii), respectiv din.cupru, bronz sau alama (la masini mari), ventilatorul, fixat la unul dintre capete, pe arbore, pentru activarea aerului de racire (prezent la majoritatea masinilor asincrone)

intrefierul, este spatiul de aer dintre stator si rotor care permite miscarea relativa a rotorului fata de stator si prin intermediul caruia se asigura cuplajul magnetic intre cele doua infasurari - statorica si rotorica - ale masinii.

Pentru, a asigura un cuplaj cat mai bun, masinile asincrone se executa cu un
intrefier cat mai mic (intre mm la motoarele de putere mica si medie si
intre mm-la motoarele de putere mare). Marimea intrefierului se alege,
constructiv, in functie de puterea si turatia masinii, la valorile cele mai mici
admisibile din punct de vedere mecanic. Cu cat intrefierul este mai mare, cu atat
creste energia reactiva absorbita din retea' pentru magnetizare, deci functionarea
are loc cu un factor de putere scazut.

CLASIFICAREA MASINILOR ASINCRONE

Dupa numarul de faze ale infasurarii statorice, masinile asincrone se impart in:

- masini monofazate (realizate, de obicei, pentru puteri pana la 0,5 kW);

- masini polifazate, de regula, trifazate.

Dupa forma constructiva a rotorului, sau echivalent, a infasurarii rotorice, masinile asincrone sunt:

-cu rotorul bobinat

-cu rotorul in scurtcircuit.

Semnele conventionale utilizate pentru masinile asincrone, conform standardelor, sunt prezentate in figura

a b

Fig. Semne conventionale pentru masinile asincrone:

a cu inele;

b cu rotorul in scurtcircuit

UTILIZARI

Masina asincrona este una din principalele masini de ca. si se utilizeaza mai ales ca motor datorita:

constructiei sale robuste:

sigurantei in functionare;

costului redus;

proprietatilor bune in regim de motor (pornire simpla, caracteristici de functionare convenabile, posibilitati de modificare a turatiei si de utilizare in scopul franarii electrice).

Din aceste motive, majoritatea actionarilor electrice industriale in curent alternativ se realizeaza in prezent cu motoare asincrone: masini-unelte, macarale, pompe, poduri rulante etc. in ultimii ani, chiar pentru actionari cu viteza reglabila, motoarele asincrone sunt preferate motoarelor de curent continuu datorita avantajelor oferite, precum si datorita progreselor din domeniul electronicii de putere prin care s-au diminuat considerabil preturile invertoarelor de tensiune (surse de tensiune alternativa variabila).

Motoarele asincrone monofazate sunt frecvent utilizate in actionari electrocasnice, la ventilatoare, aeroterme, pompe, masini de spalat rufe, polizoare, masini de gaurit etc.

Ca generator electric, masina asincrona este net inferioara masinii sincrone, principala ei deficienta fiind aceea ca, pentru a putea furniza putere electrica activa, generatorul asincron este nevoit sa ia din retea putere reactiva. De aceea, masina asincrona nu se foloseste ca generator in cadrul marilor centrale electrice. in ultimul timp, in stransa legatura cu necesitatea dezvoltarii centralelor electrice de mica putere de tip hidro si eoliene, generatorul asincron si-a gasit o intrebuintare in astfel de centrale, unde poate functiona si la turatie variabila (avantaj pe care generatorul sincron nu il are).

CARACTERISTICILE M = f(n) SI M = f(s) NATURALA SI ARTIFICIALE; PUNCTE SPECIFICE

PRINCIPIUL DE FUNCTIONARE

Prin analogie cu masina de c.c, se poate considera ca o masina asincrona
este excitata in ca.: campul magnetic inductor este produs de o infasurare trifazata
alimentata de ia un sistem simetric de tensiuni

Intrucat masina asincrona se utilizeaza mai ales ca motor, se va face referire, in continuare, la acest regim.

Curentul alternativ necesar functionarii in regim de motor este absorbit de la reteaua de distributie la care este cuplata masina: el are o componenta activa care determina cuplul la arbore al masinii si o componenta reactiva (inductiva) necesara pentru magnetizarea circuitului magnetic. Componenta de magnetizare

Fig.    Caracteristica naturala si cele artificiale obtinute pentru diverse valori ale rezistentelor

rotorice.

C.   PORNIREA MOTORULUI ASINCRON CU ROTORUL BOBINAT

Ca si la motorul de c.c., problema pornirii motorului asincron rezida in
diminuarea curentului absorbit la pornire. La motorul asincron cu rotorul bobinat,
acest obiectiv se realizeaza prin marirea rezistentei circuitului rotoric. De aceea,
motorul asincron cu rotorul bobinat se porneste pe caracteristici artificiale
reostatice prin introducerea unui reostat trifazat simetric in circuitul rotoric.
Datorita dependentei dintre alunecare si rezistenta rotorica este evident ca
pornirea se poate face la un cuplu marit, fapt care este de dorit, pentru reducerea
timpului de pornire.

Schema de principiu a circuitului de forta pentru pornirea reostatica cu rezistente simetrice in rotor, este reprezentata in figura in care s-a considerat rezistenta rotorica reglabila in trei trepte.