MOTOARE DE CURENT CONTINUU. PRINCIPII CONSTRUCTIVE SI FUNCTIONALE. METODE DE COMANDA

MOTOARE DE CURENT CONTINUU. PRINCIPII CONSTRUCTIVE SI FUNCTIONALE. METODE DE COMANDA

1. Constructia si functionarea motoarelor de curent continuu. Clasificare

Motoare cu excitatie electronagnetica

Motoare cu excitatie prin magneti permanenti

Sevomotoare utilizate in sistemele automate

Cu rotor disc (SMRD)

Cu rotor pahar (SMRP)

Cu rotor lung(SMRL)

Cu comutatie electronica (SMCE)

Motoare pas cu pas (SMPP)

Chestiuni de studiat:

Analiza elementelor constructive

Realizarea campului magnetic de excitatie

Materiale utilizate pentru realizarea circuitelor magnetice

Determinarea caracteristicii mecanice pentru motoare de curent continuu cu magneti permanenti. Determinarea experimentala a constantei K_Eφ_E si a rezistentei impulsului R_A. Determinarea turatiei de mers in gol real si ideal.

4. Determinarea caracteristicii de comanda n=f(U_A) a unui motor cu rotor disc.

5. Determinarea caracteristicii de comanda a unui motor de curent continuu folosind o schema de comanda cu circuitul integrat βAA 145 si convertor de tip Gaudet.

6. Analiza unei scheme de comanda in punte "H" a unui servomotor de curent continuu cu excitatie magnetica.

7. Concluzii

Motorul de curent continuu a fost inventat in 1873 de Znobe Gramme prin conectarea unui generator de curent continuu la un generator asemanator si masina sa a inceput sa se roteasca, realizand conversia energiei electrice absorbite de la generator.

Motorul de curent continuu are pe stator polii magnetici si bobinele polare concentrate care creeaza campul magnetic de excitatie. Pe axul motorului este situat un colector ce schimba sensul curentului prin infasurarea rotorica astfel incat campul magnetic de excitatie sa exercite in permanenta o forta fata de rotor.

In functie de modul de conectare a infasurarii de excitatie motoarele de curent continuu pot fi clasificate in:

- motor cu excitatie independenta - unde infasurarea statorica si infasurarea rotorica sunt conectate la doua surse separate de tensiune

- motor cu excitatie paralela - unde infasurarea statorica si infasurarea rotorica sunt legate in paralel la aceeasi sursa de tensiune

- motor cu excitatie serie - unde infasurarea statorica si infasurarea rotorica sunt legate in serie

- motor cu excitatie mixta - unde infasurarea statorica este divizata in doua infasurari, una conectata in paralel si una conectata in serie.

Infasurarea rotorica parcursa de curent are una sau mai multe perechi de poli magnetici echivalenti. Rotorul se deplaseaza in campul magnetic de excitatie pana cand polii rotorici se aliniaza in dreptul polilor statorici opusi. In acelasi moment, colectorul schimba sensul curentilor rotorici astfel incat polaritatea rotorului se inverseaza si rotorul va continua deplasarea pana la urmatoarea aliniere a polilor magnetici.

Pentru actionari electrice de puteri mici si medii, sau pentru actionari ce nu necesita camp magnetic de excitatie variabil, in locul infasurarilor statorice se folosesc magneti permanenti.

Oricare ar fi sistemul de actionare, motorul de actionare este caracterizat in regimul stationar de o relatie intre viteza de rotatie (Ω) si cuplu (M) cu numele de caracteristica mecanica.

Aspectul caracteristicii statice e determinat de domeniul de utilizare al motorului si permite incadrarea acestuia in mai multe categorii:

- caracteristica rigida: verifica conditia Ω = constant, oricare M M_max si e specifica motoarelor sincrone

- caracteristica dura: viteza scade foarte putin cu cresterea M si practic liniar si este specifica motoarelor de curent continuu, cu excitatie deviatie sau independenta precum si motoare asincron trifazat si motor diesel;

- caracteristica elastica : variatia vitezei de rotatie este pregnant cu cresterea M in linii mari.

In cadrul servomotoarele de curent continuu cu circuite imprimate cu rotor disc, rotorul este de forma unui disc pe care se afla imprimata infasurarea dupa tehnica realizarii cablajelor.

Acesta este un motor cu flux axial, cu un design foarte compact si care, prin utilizarea unor magneti din pamanturi rare, are dimensiuni reduse. Aceste motoare au o inertie redusa, ceea ce duce la un raport cuplu - inertie foarte bun o atingerea rapida a vitezei de regim. Avand un numar mare de perii si segmente pe colector se obtine un cuplu neted. Inductanta redusa a masinii permite o viata lunga a periilor si lucrul la viteza mare.

Motorul pas cu pas este un tip de motor sincron cu poli aparenti pe ambele armaturi. La aparitia unui semnal de comanda pe unul din polii statorici rotorul se va deplasa pana cand polii sai se vor alinia in dreptul polilor opusi statorici. Rotirea acestui tip de rotor se va face practic din pol in pol, de unde si denumirea sa de motor pas cu pas. Comanda motorului se face electronic si se pot obtine deplasari ale motorului bine cunoscute in functie de programul de comanda. Motoarele pas cu pas se folosesc acolo unde este necesara precizie ridicata (hard disc, copiatoare).

Magnetul permanent este un material feromagnetic care prezinta un camp magnetic remanent ce poate fi mentinut practic constant pe o perioada indelungata.

Marimile caracteristice care stau la baza alegerii magnetilor permanenti pentru masinile electrice sunt valoarea inductiei remanente B_r, intensitatea campului magnetic colectiv H_c si energia magnetica localizata in magnet avand densitatea (raportata la volum):

W=BH

Intreprinderile producatoare de magneti permanenti definesc un magnet permanent din punct de vedere energetic prin produsul (BH)_max.

Cei mai utilizati magneti permanenti in constructia masinilor electrice sunt magneti de tip Alnico, un aliaj ce contine intre 10% si 40% cobalt, restul aluminiu si fier. Acestia ofera o inductie remanenta ridicata, dar si un pret de cost ridicat. Magnetii sunt obtinuti prin turnare dupa ce au fost omogenizati la temperaturi inalte si raciti in camp magnetic. Pentru marirea campului lor coercitiv sunt supusi la tratamente de revenire. Cei mai buni magneti din aceasta clasa sunt cei anizotropi cu cristale orientate.

In tara noastra se fabrica magneti Alnico 700, Alnico 1500 avand inductii remanente intre 0.7T si 1.2T, campuri coercitive intre 70 KA/m si 160 KA/m si energii maxime pana la 90 KJ/m³, aceste performante fiind aliniate la nivelul celor mai bune realizari pe plan mondial.

Pentru magnetii permanenti clasici limita economica pentru care aceasta solutie este superioara excitatiei electromagnetice este de 10 KW, insa pentru aliajele cu pamanturi rare, aceasta limita se gaseste intre 100 KW si 1000 KW, ceea ce reprezinta un mare avantaj

MODUL DE LUCRU

Incarcarea motorului de curent continuu cu un cuplu rezistent controlat se realizeaza cu schema din figura 1

Figura 1.

Cuplul electromagnetic al motorului electric este dat de relatia:

M=K_EФ_EI_A   

In regim stationar (la turatie constanta), rezulta egalitatea cuplurilor:

M=M_R (2)

Unde M_R reprezinta cuplur rezistent la arborele motorului electric format din urmatoarele componente:

M_R = M_fv+K_EФ_EI_S (3)

Cuplul M_fv reprezinta cuplul total de frecari si ventilatie la motor si generator, iar M_g = K_EФ_EI_S reprezinta cuplul rezistent al generatorului electric controlat prin curentul de sarcina I_S. Cele doua masini sunt identice din punct de vedere constructiv si cuplate direct pe acelasi arbore.

Din ecuatia de tensiuni a motorului electric studiat rezulta relatia:

Pentru a determina parametrii motorului electric (R_A, K_EФ_E) vom stabili pentru sisitem doua puncte de functionare distincte la aceeasi tensiune U_A=U_A1=constant, prin modificarea cuplului rezistent M_R=f(R_S). Rezulta:

Rezolvand acest sistem de ecuatii se obtine:

Se vor reface masuratorile pentru o alta valoare a tensiunii de alimentare U_A = U_A2 = ct din care vor rezulta valorile (R_A)₂ si (K_EФ_E)₂. In final se vor calcula parametrii motorului:

In laborator se vor adopta urmatoarele valori: U_A = 5V si U_A = 10V. Achema electrica completa a platformei de laborator este prezentata in figura 2:

Determinarea turatiei motorului se face cu ajutorul unui traductor de tip generator de curent continuu conform figurii 3, cuplat direct pe arborele comun al masinii electrice:

Figura 3

Constanta traductorului fiind rezulta :

Datele masurate sunt sistematizate in tabelul de mai jos:

se va testa caracteristica statica Ω = f(I_A) conform figurii 4, pentru U_A = U_A si U_A = U_A2

Figura 4

Pentru U_A 5V avem urmatorul grafic:

Pentru U_A 10V avem urmatorul grafic:

Dupa determinarea constantei K_EФ_E se va determina cuplul de mers in gol M_Ro

M_Ro M_fv pentru I_S = 0

Adica: K_EФ_EI_Ao = M_Ro = M_fv

I_Ao= 1A pt U_R=1V deci M_Ro= 0,054;

se vor trasa caracteristicile mecanice Ω = f(M) (13) pentru cele 2 tensiuni de alimentare U_A si respectiv U_A

Pentru tensiunea U_A = 5V

I=[7,3];

omega=[74.8,89.76];

M=0.054*I;

plot(M,omega);

ylabel('Omega');

xlabel('M');

title('omega = f(M)');

Pentru tensiunea U_A = 10V

I=[7.9,6.2];

omega=[142.12,187];

M=0.054*I;

plot(M,omega);

ylabel('Omega');

xlabel('M');

title('omega = f(M)');

Observatie:

deoarece caracteristica mecanica este o dreapta care trece prin cele doua puncte particulare, este suficient sa calculam cuplurile electromagnetice M K_EФ_EI_A corespunzatoare punctelor 1 si 2 din figura 4. Pe aceste caracteristici prelungite sa intersecteze axele de coordonate se vor determina turatiile de mers in gol real si ideal si cuplurile de pornire M_P = K_EФ_EI_Ap

Cele doua masini electrice fiind identice din punct de vedere constructiv si cuplate pe acelasi arbore, se poate verifica parametrul K_EФ_E masurand tensiunea electromotoare a generatorului: E_o = K_EФ_EΩ in regim de mers in gol (R_S→∞, I_S = 0) pentru o anumita turatie Ω.

Se va determina caracteristica de comanda Ω=f(U_c) a unui motor de curent continuu cu excitatie magnetica folosind montajul din figura 6.

Figura 6

Figura 7

Schema subsistemului de actionare reversibila comandat cu variator de tensiune continua

6) Concluzii

Cuplul dezvoltat de motor este direct proportional cu curentul electric prin rotor si cu campul magnetic de excitatie. Reglarea turatiei prin slabire de camp se face, asadar, cu diminuare a cuplului dezvoltat de motor.

La motoarele serie acelasi curent strabate infasurarea de excitatie si infasurarea rotorica. Din aceasta consideratie se pot deduce doua caracteristici ale motoarelor serie

pentru incarcari reduse ale motorului, cuplul acestuia depinde de patratul curentului electric absorbit

motorul nu trebuie lasat sa functioneze in gol pentru ca in acest caz valoarea intensitatii curentului electric absorbit este foarte redusa si implicit campul de excitatie este redus, ceea ce duce la ambalarea masinii pana la autodistrugere

Motoarele de curent continuu cu excitatie serie se folosesc in tractiunea electrica urbana si feroviara (tramvaie, locomotive).

Schimbarea sensului de rotatie se face fie prin schimbarea polaritatii tensiunii de alimentare, fie prin schimbarea sensului campului magnetic de excitatie. La motorul serie, prin schimbarea polaritatii tensiunii de alimentare se realizeaza schimbarea sensului ambelor marimi si sensul de rotatie ramane neschimbat.

Motorul serie poate fi folosit si la tensiune alternativa, unde polaritatea tensiunii se inverseaza o data in decursul unei perioade. Un astfel de motor se numeste motor universal si se foloseste in aplicatii casnice de puteri mici si viteze mari de rotatie.