Notiuni generale despre masini de curent continuu. Constructia si principiul de functionare

Notiuni generale despre masini de curent continuu. Constructia si principiul de functionare

Toate masinile electrice, inclusiv masinile de c.c. sunt reversibile, adica una si aceeasi masina poate functiona atat ca generator, cat si ca motor. De aici decurge similitudinea (asemanarea) corespunzatoare a circuitelor magnetice si electrice la generatoare si motoare si de asemenea si identitatea proceselor fizice din masinile de c.c. Aceasta permite examinarea comuna a seriei de probleme referitoare la generatoarele, dar si la motoarele de c.c. Principiul de functionare al masinilor de c.c. se bazeaza pe fenomenul inductiei electromagnetice si interactiunii conductoa-relor parcurse de curenti cu cimpul magnetic fix in spatiu si constant in timp.

Inductorul este statorul, in interiorul caruia se plaseaza partea mobila a ma-sinii (rotorul), in canalele caruia sunt dispuse spirele infasurarii indusului, adica in-dusul este rotorul. Prin urmare, in masinile electrice de c.c. se induc t.e.m. in spire-le mobile ale rotorului iar conductoarele rotorice prin care trece curentul, interac-tioneaza cu campul magnetic imobil. Schema de principiu a masinii de c.c., este prezentata in fig.4.1.

Fig.4.1 Schema de principiu a masinii de c.c.

Din figura se observa ca statorul contine carcasa masinii de care sunt fixati polii principali cu infasurarile lor de excitatie a caror destinatie este de a crea campul magnetic de baza. Statorul poate sa contina si poli auxiliari (in figura nu sunt prezentati), destinatia lor fiind examinata la pct.4.2.

Carcasa masinilor de c.c. se realizeaza masiv, din otel turnat, incat datorita marimii constante si imobilitatii campului magnetic, in aceasta parte a masinii lip-sesc pierderile datorita curentilor turbionari si fenomenului de histerezis.

In interiorul inductorului se plaseaza armatura cilindrica a indusului, fixata pe arbore. In crestaturile de pe suprafata acesteia se plaseaza infasurarea indusului. Referitor la miezul magnetic al indusului, la rotirea sa in campul magnetic imobil, in el se induc curenti turbionari. Iata de ce acesta se realizeaza ca un pachet din tole subtiri stantate din table de otel electrotehnic si izolate una fata de alta. Vederea unei astfel de tole subtiri este prezentata in fig.4.2.

Fig.4.2. Vedere a unei tole a miezului magnetic rotoric

stantata din tabla de otel electrotehnic

Pentru reducerea pierderilor datorita curentilor turbionari, miezul magnetic al polilor principali ai masinii de asemenea se realizeaza din tole de otel electro-tehnic. Vederile exterioare ale celor doua parti de baza ale masinii de c.c. (induc-torul si indusul) sunt prezentate in fig.4.3. Pe langa acestea, o parte specifica a masinilor de c.c. este asa numitul colector. El este un corp cilindric inelar, ce cuprinde lamelele 1 de cupru izolate intre ele (fig.4.4).

Colectorul se fixeaza izolat pe arborele indusului, iar lamelele lui, separat se conecteaza cu infasurarea indusului potrivit unor anumitor reguli. Pe colectorul in rotatie aluneca periile din grafit sau cupru grafitat, imobile in procesul de functio-nare, cu ajutorul carora se obtine legatura electrica dintre infasurarea indusului in rotatie si circuitul extern al masinii.

Fig.4.3 Vederi exterioare pentru armaturile rotorica (indusul)

si statorica (inductorul) ale unei masini de c.c.

Lamele de colector

Fig.4.4 Vedere combinata cu sectiune longitudinala a colectorului masinii de c.c.

Destinatia colectorului este de a inchide prin procedeu corespunzator infasu-rarea indusului, incat in circuitul exterior (la consumator) sa se obtina t.e.m. de sens constant in regimul de generator sau la arborele masinii sa se creeze moment electromagnetic de sens constant in regimul de motor.

Pentru clarificarea rolului colectorului, mai intai se examineaza principiul de functionare al generatorului electric. In fig.4.5 se prezinta schema de principiu a masinii electrice simple cu o pereche de poli principali imobili (nord N si sud S), care creaza fluxul magnetic de marime constanta cu sensul de la N la S. In spatiul dintre poli se plaseaza indusul (partea rotativa a masinii), pe suprafata caruia in plan diametral este fixata spira ab-cd.

Capetele spirei sunt conectate la doua inele fixate pe arborele masinii, izolate fata de el si intre ele. Pe cele doua inele calca cele doua perii A si B la care se leaga circuitul exterior. In acesta este conectat conventional ca consumator o lampa electrica.

Se considera indusul rotit de un motor primar (nu este aratat in figura) cu viteza unghiulara Ω (sau turatia) in sensul invers de miscare al acelor ceasornicului. Potrivit legii inductiei electromagnetice, t.e.m. indusa in conductorul ce roteste in campul magnetic continuu (constant), se determina cu expresia:

Deoarece conductoarele ab si cd ale spirei se afla in conditii identice - unul fata de polul N, iar celalalt fata de polul S, este suficient a se examina procesul, prin care intr-un dintre ele (ex. conductorul ab) se excita t.e.m.

Pe intreaga lungime activa l a conductorului, adica acea parte a lui, care intersecteaza liniile magnetice ale campului, inductia B are una si aceeasi valoare. Daca conductorul se deplaseaza cu viteza v (v - este viteza periferica a conducto-rului) fata de campul magnetic, valoarea t.e.m. induse in el este e=Blv. In mod cu totul similar se determina si valoarea t.e.m. induse in conductorul cd.

Sensurile celor doua t.e.m. in cele doua conductoare se determina potrivit regulii mainii drepte si sunt indicate in fig.4.5 cu sageti. Din figura se observa ca t.e.m. rezultanta din spira ab-cd reprezinta suma t.e.m. induse in cele doua conduc-toare, adica . Sub actiunea acestei t.e.m., in circuit trece curent electric in sensul de la peria A la peria B. Atunci cand spira se roteste cu acel unghi incat ea se afla in axa neutra geometrica - a.n.g. perpendiculara pe axa polilor inductori, t.e.m. indusa in conductoare este nula.

La deplasarea conductorului ab in zona polului S si conductorului cd in zona polului N, t.e.m. induse sunt opuse celor aratate in fig.4.5, si curentul din circuitul exterior trece de la peria B la peria A.

Fig.4.5 Explicativa privind principiul de functionare

al generatorului de curent alternativ

In consecinta in infasurarea indusului se induce t.e.m. alternativa si genera-torul in raport cu circuitul exterior reprezinta un generator de curent alternativ. Curba t.e.m. din infasurarea indusului si din circuitul exterior este prezentata in fig.4.6 a si prezinta o forma trapezoidala (nesinusoidala), deoarece campul magne-tic nu este uniform distribuit in intrefierul dintre inductor si indus.

Se considera schimbata forma masinii examinate pana acum, incat capetele spirei ab-cd in locul celor doua inele se conecteaza la doua segmente de cupru (doua semiinele-lamele de colector), fig.4.7.

Fig.4.6 a, b Formele t.e.m. indusa in spira in rotatie

inainte de redresare (a) si dupa redresare (b)

Fig.4.7 Masina de c.c. cu colectorul compus din doua semiinele de cupru

(explicativa pentru functionarea generatorului de c.c.)

Atunci, prin rotatia spirei, periile A si B se conecteaza tot timpul cu conduc-torul care se afla in zona unuia si aceluiasi pol (in cazul periei A - cu conductorul de sub polul N si peria B - cu conductorul de sub polul S). Prin acest procedeu, t.e.m. alternativa indusa in infasurarea indusului se redreseaza prin ansamblul colector-perii, iar curentul prin circuitul exterior totdeauna trece in sensul de la peria A la peria B. Prin urmare, masina examinata reprezinta generatorul de c.c. cu bornele "+" - peria A si "-" peria B, in raport cu circuitul exterior. Curba t.e.m. din circuitul exterior este prezentata in fig.4.6 b.

Atunci cand masina functioneaza ca motor, infasurarea indusului se conec-teaza prin perii si colector la sursa de energie electrica (fig.4.8).

Fig.4.8 Masina de c.c. in regimul de functionare ca motor

Prin conductoarele infasurarii indusului trece curentul I_a ce interactioneaza cu campul magnetic de baza de inductie B, creat de polii de excitatie ai masinii. Asupra conductoarelor ab si cd cu lungimea activa l se exercita fortele mecanice , unde este unghiul dintre sensurile cu-rentului I_a si inductiei magnetice B. Sensurile fortelor electromagnetice se deter-mina potrivit regulii mainii stangi. Fortele ce actioneaza asupra spirei ab-cd, deter-mina cuplul de forte prin care se creaza momentul electromagnetic M=Fd, unde d este departarea intre punctele de aplicatie ale fortelor. Sub actiunea acestui moment rotorul masinii se roteste in sensul invers miscarii acelor de ceasornic. Pentru a se intretine rotorul in miscare este necesar ca momentul electromagnetic sa aiba unul si acelasi sens.

In acest sens, la trecerea conductoarelor ab si cd din zona unui pol in zona celuilalt pol, este necesar a se schimba si sensul curentului prin ele. Aceasta se realizeaza prin ansamblul colector-perii. In acelasi timp, trecandu-se de la regula mainii stangi la regula mainii drepte, se observa ca, la sensuri identice ale liniilor magnetice si curentului din infasurarea indusului, sensurile de rotatie ale rotorului in regimurile de motor si generator sunt opuse.

Pentru a se obtine constante nu numai ca sens, dar si ca marime, t.e.m. la generatoare si cuplul electromagnetic la motoare, in crestaturile rotorului se plasea-za un numar mai mare de spire conductoare numite sectii. Prin sectie se intelege o parte a infasurarii indusului, care consta din una sau mai multe spire conectate in serie. Capetele sectiilor se conecteaza la doua lamele de colector. In consecinta, in acest caz, colectorul este compus nu din doua segmente ci dintr-o multime de lamele de colector.

Departarea dintre inceputul si sfarsitul fiecarei sectii, masurata pe colector, in numar de lamele de colector se numeste pasul la colector. In fig.4.9 este prezen-tata dispozitia de principiu a conductoarelor sectiei 1 si lamelelor de colector 2.

Fig.4.9 Dispunerea de principiu a conductoarelor sectiei 1 si lamelelor de colector 2

Fig.4.10 a, b Schema desfasurata a infasurarii

buclate simple (a); forma unei sectii buclate (b)

Procedeul de conexiune al sectiilor separate intr-o infasurare comuna deter-mina schema infasurarii. Cele mai simple scheme sunt cele buclate (forma de bucla) si ondulate (forma de unda). In fig.4.10 a, b sunt prezentate corespunzator forma generala a infasurarii buclate simplu desfasurata si forma unei sectii buclate.

In fig.4.11 a si b este prezentata forma generala a infasurarii schemei ondu-late simplu desfasurata si forma unei sectii ondulate.

Secție

Fig.4.11 a, b Schema desfasurata a infasurarii ondulate simplu (a),

schema unei sectii ondulate (b)

Infasurarea indusului se separa prin periile masinii in ramuri paralele (cai de curent). Prin cale de curent se intelege sectii conectate in serie ale infasurarii in care se induc t.e.m. cu unul si acelasi sens.

Se admite a se nota prin a numarul perechilor cailor de curent in paralel, iar numarul cailor de curent in paralel este 2a. Acest numar depinde de tipul infasura-rii. Astfel, la infasurarea ondulata (simpla 2a=2p; multipla 2a=2m), iar la infa-surarea buclata (simpla 2a=2p; multipla 2a=2mp). Se considera ca prin p se no-teaza numarul perechilor de poli ai masinii, iar numarul de poli este 2p.

La masinile electrice de c.c. se utilizeaza si notiunea de pas polar, notat cu , prin care se intelege portiunea din circumferinta exterioara a indusului, cores-punzatoare unui pol. Daca D - diametrul indusului, pasul polar este .