TIPURI DE MASINI ELECTRICE CURENT CONTINU

Electronica electricitate

TIPURI DE MASINI ELECTRICE CURENT CONTINU

Masina de curent continuu in constructia sa cea mai frecventa, numita si masina cu colector (sau cu comutator mecanic) se caracterizeaza prin prezenta curentului continuu in stator si a curentilor alternativi in rotor, acestia din urma fiind redresati printr-un sistem de perii ce calca pe lamele de colector. Masina de curent continuu se foloseste preponderent in cele doua regimuri cunoscute, de motor si de generator.

In regim de motor, la puteri de aproximativ 10 MW pana la diviziuni de wati se utilizeaza: la actionari din industria metalurgica, chimica, textila, la masini-unelte, in tractiunea electrica feroviara si urbana, la mori de macinat minereuri, in industria extractiva, la instalatii de ridicat, la unele actionari specifice din compunerea automobilelor, la jucarii etc.

In regim de generator se foloseste: ca sursa de c.c. in tractiunea diesel-electrica, pe nave maritime sau la aeronave, sursa de excitatie pentru generatoare sau motoare sincrone (excitatoare sau subexcitatoare), surse de sudare in c.c., pentru traducerea analogica a turatiei (tahogenerator) si acceleratiei s.a.

Puterea este limitata din cauza colectorului mecanic, a carei prezenta diminueaza timpul de viata si implica cheltuieli suplimentare de mentenanta. Fenomenul de comutatie, insotit uneori de aparitia de scantei la contactul perii-colector restange domeniul de utilizare a masinii de c.c. in constructie clasica. In ultimul timp se constata o inlocuire tot mai frecventa a masinii de c.c. pe de o parte cu masinile asincrone asociate cu convertoare statice de frecventa in regimul de motor, iar pe de alta parte - cu redresoarele statice avand componente electronice de putere, in regimul de generator.

Dupa principiul de functionare, mai precis dupa tipul de camp inductor (de excitatie) utilizat, masinile de c.c. se impart in doua mari categorii: masini de c.c. heteropolare, la care polii inductori se succed pe o periferie alternand in ceea ce priveste polaritatea creata pe directie radiala si masini homopolare, la care polii inductori creeaza un camp ce se manifesta pe directie axiala. Masinile de c.c. din prima categorie au o larga raspandire, in timp ce masinile din categoria a doua se folosesc doar in scopuri speciale, de exemplu ca surse de curenti intensi dar la tensiuni mici. Data fiind diferenta dintre cele doua tipuri, in ceea ce priveste aria de utilizare, in cele ce urmeaza toate referirile se vor face la masinile de c.c. heteropolare, cu exceptia celor la care se va specifica in mod expres ca este vorba de masinile homopolare.

Aceasta metoda are la baza chiar definitia axei neutre. Se excita masina in curent continuu cu I_e=ct, se roteste rotorul din exterior la o viteza apropiata de viteza nominala (n=ct) si se masoara tensiunea indusa la perii, figura 1.

Se modifica pozitia colierului pana cand tensiunea masurata este maxima; in aceasta pozitie fiind fixat colierul port-perii. In cele ce urmeaza se va face o justificare a afirmatiei.

Fie o masina de c.c. bipolara, excitata, Fig.2.

Se va deduce dependenta tensiunii induse de unghiul de decalare a periilor, a , in regimul de functionare la gol.

Inductia magnetica in intrefier, (componenta sa radiala sau normala) se poate exprima in functie de unghiul facut de directia care intereseaza cu directia axei orizontale de pe fig. 2, notata cu OX

(1)

Tensiunea indusa intr-o spira (sectie, daca sunt inseriate w_s spire) este data de:

(2)

Daca se noteaza cu v viteza liniara a conductorului spirei (sectiei) atunci:

sau (3)

Se considera deplasarea spirei cu coordonata liniara dx echivalenta cu doua secvente consecutive in timp. In prima secventa se deplaseaza latura L₁ cu dx, iar variatia fluxului prin spira datorita "scaderii" suprafetei este

    (4)

In a doua secventa se deplaseaza L₂ cu dx, iar variatia fluxului prin spira datorita "cresterii" suprafetei este:

    (5)

Variatia fluxului prin spira va fi cea obtinuta prin suprapunerea secventelor, adica:

    (6)

Daca spira este cu pas diametral, atunci iar relatia (6) devine:

Pentru sectia considerata, rezulta din (2) si (3):

(7)

In cazul cand periile sunt plasate in axa neutra, se obtine tensiunea la perii insumand expresia (7) de la x=0    la x=pD/2, sau daca se face referire la unghiul a atunci se iau limitele a a p fig. 3 a, adica:

, (8)

k este numarul de sectii inseriate pe calea de curent, este inductia medie pe un pas polar, este numarul de conductoare pe calea de curent, N este numarul de conductoare pe indus, iar . Se obtine:

; (9)

Inductia medie se poate calcula din:

(10)

Daca periile sunt decalate cu unghiul fata de axa neutra, atunci:

    (11)

unde suma se considera pe intervalul de valori ale lui de la la .

Acestei sume ii corespunde o valoare medie care se determina astfel:

(12)

intrucat curba inductiei este simetrica in raport cu .

Retinand numai primul termen, fundamentala inductiei, integrala (12) devine:

(13)

Asadar, se poate aprecia ca in cazul decalarii periilor cu unghiul , indiferent de sens, inductia medie pe pol devine mai mica de ori decat in cazul cand acestea sunt plasate in axa neutra. Se poate ajunge imediat la expresia tensiunii induse la gol:

(14)

Daca exista o decalare a periilor din axa neutra cu un unghi a , valoarea tensiunii obtinute la voltmetru este data de relatia aproximativa:

    (14

unde: U_m0 - este tensiunea maxima masurata la perii cand acestea sunt plasate in axa neutra.

Sensibilitatea relativa:

(15)

tinde spre zero pentru unghiuri tinzand la zero, incat aceasta metoda se poate considera de precizie redusa. Altfel spus, este destul de greu de apreciat cand valoarea tensiunii induse la perii este maxima pentru a se obtine pozitia ideala a plasarii periilor in axa neutra.

O alta influenta importanta asupra marimii tensiunii induse o are si curentul de scurtcircuit obtinut in sectiile aflate in comutatie. De exemplu, la deplasari reduse ale periilor in sensul rotatiei masinii, curentii de scurtcircuit tind sa mareasca fluxul generatorului. Aceasta influenta este cu atat mai pronuntata cu cat numarul sectiilor scurtcircuitate, aflate simultan in comutatie, este mai mare in raport cu numarul sectiilor cuprinse intre perii. De asemenea, influenta spirelor scurtcircuitate asupra tensiunii induse depinde si de gradul de saturatie a masinii incat pentru cresterea preciziei metodei, este indicat ca incercarea sa se efectueze in conditiile unui curent mare de excitatie si pe cat posibil la viteza de rotatie mica.

Alte cauze care pot conduce la diminuarea preciziei metodei sunt: modificarile de contact ale traseului perie-colector, variatiile de viteza ale motorului de antrenare pe timpul incercarii.

3.2. Metoda vitezelor egale ca motor

Se alimenteaza masina, cu excitatie separata, de la o sursa de tensiune constanta, (fig. 4), in asa fel incat, la mersul in gol, viteza masurata cu un tahogenerator sa fie apropiata de cea nominala.

Se modifica pozitia colierului port-perii pana cand viteza motorului este maxima (pozitionare grosiera). Viteza de rotatie a motorului depinde de fluxul polilor principali, al polilor de comutatie (auxiliari), al reactiei indusului si al sectiilor scurtcircuitate de perii, primul fiind, evident, preponderent. Intrucat motorul trebuie sa realizeze un cuplu electromagnetic care sa invinga cuplul de pierderi in gol, in situatia ideala a existentei in masina numai a fluxului de excitatie, din conditia:

    (16)

rezulta ca la α₀ = 0, curentul I_AO este minim. Asadar, o pozitionare aproximativa a periilor in axa neutra se poate realiza daca se cauta situatia I_AO = minim. Pentru o pozitionare mai precisa se inverseaza sensul tensiunii aplicate, pastrandu-se valoarea precedenta a acesteia si se urmareste ca in celalalt sens de rotatie viteza de regim permanent sa fie egala cu cea de la prima incercare (curentul fiind, de asemenea, la aceeasi valoare si trecand prin minim). Dupa cateva incercari succesive, se poate considera drept pozitie acceptabila cea pentru care vitezele in cele doua sensuri de rotatie si curentii absorbiti au valori egale. Sensibilitatea se poate creste daca se fac incercarile la curenti de excitatie redusi. De asemenea, este important ca periile sa fie rodate si sa calce in acelasi mod in ambele sensuri de rotatie ale masinii.

3.5. Metoda masinii neexcitate

Aceasta metoda, elaborata in laboratorul de Masini electrice al U.T.'Gh.Asachi' Iasi, se poate aplica cu succes numai la masinile care poseda poli auxiliari (in mod deosebit la motoarele serie de curent continuu utilizate in tractiune). Metoda consta in alimentarea indusului inseriat cu infasurarea polilor auxiliari (si cea de compensatie, daca exista) de la o sursa de curent continuu, reglabila (un generator de sudura in curent continuu, de exemplu), motorul fiind in gol (fig. 7).

Se creste curentul pana la o valoare apropiata de cea nominala si se urmareste calarea colierului port-perii in pozitia pentru care rotorul ramane imobil. In cazul cand colierul de perii nu este asezat in axa neutra, campul creat de polii auxiliari are si o componenta transversala in raport cu axa periilor, care interactioneaza cu curentul prin indus si da nastere la un cuplu care roteste rotorul.

Justificarea teoretica este: la un motor de curent continuu cu periile decalate din axa neutra, conform ecuatiilor din teoria generala a masinilor electrice, rezulta valoarea cuplului [1]:

(17)

unde: p este numarul de perechi de poli, L_De este inductanta mutuala pe axa longitudinala intre infasurarea rotorica si cea de excitatie, L_d, L_q sunt inductantele infasurarii rotorice pe cele doua axe (longitudinala si transversala), I_A este curentul rotoric, I_e este curentul de excitatie. Din analiza fig. 7, se deduce expresia cuplului in conditiile α , adica:

    (18)

unde s-a retinut numai termenul cuplului de excitatie exercitat de fluxul creat de polii auxiliari, L_Ae fiind inductanta mutuala intre infasurarea polilor auxiliari si a indusului. Asadar, la o decalare cu un unghi α₀ a axei periilor, asupra rotorului se manifesta un cuplu proportional cu sinusul acestui unghi si orientat in sensul de rotire a colierului fata de axa neutra. Practic se procedeaza astfel: cu motorul in gol, alimentand polii auxiliari inseriati cu indusul, daca se constata o rotire a rotorului intr-un sens se decaleaza colierul in sens contrar sensului de rotire pana cand rotorul are tendinta de inversare a sensului de rotatie. Se stabileste drept pozitie a colierului in axa neutra cea pentru care rotorul ramane imobil. Din incercarile efectuate pe motoare de tractiune s-a constatat eficienta acestei metode in raport cu celelalte expuse, inclusiv cu cea a alimentarii in curent variabil. Metoda are avantajul ca poate fi aplicata direct la locul de utilizare a motorului acesta fiind decuplat de la masina de lucru, singura problema fiind cea legata de aplicarea unei tensiuni reduse, scop in care poate fi folosit un rezistor reglabil sau o sursa de curent continuu comandata. Incercarea se efectueaza la curenti intensi, masina fiind in conditii apropiate regimului nominal de lucru, contactul perii-lamele realizandu-se normal.

In fig. 8 se explica aparitia cuplului care actioneaza asupra rotorului in sensul decalarii periilor. Se stie ca in regim de motor, din motive de comutatie, infasurarea polilor auxiliari se conecteaza in serie cu indusul in asa mod incat campul creat de PA sa aiba aceeasi polaritate cu campul polului principal in fata caruia se afla. Sensul curentului prin conductoarele indusului este cel figurat in interiorul cerculetelor corespunzatoare de pe rotor (conform regulii mainii stangi). La decalarea periilor cu un unghi α₀ in sensul de rotatie n, in fata polului auxiliar se afla o zona de conductoare rotorice parcurse de curenti, care interactioneaza cu fluxul polilor auxiliari, cuplul avand sensul vitezei n.

Se poate stabili, asadar, regula dedusa si din relatia (18), valabila pentru regimul de motor, anume: daca la o decalare a periilor cu un unghi oarecare motorul se roteste intr-un sens atunci pozitia axei neutre se obtine decaland colierul de perii in sens contrar rotirii rotorului.

O justificare mai concludenta a metodei propuse de determinare a axei neutre a masinilor cu poli auxiliari presupune o analiza a functionarii masinii in conditiile decalarii periilor.

Este necesara deducerea expresiei cuplului electromagnetic al masinii de c.c. in conditiile decalarii periilor in regimul de motor

Pentru a stabili expresia cuplului, se pleaca de la energia magnetica inmagazinata in doua circuite cuplate: o sectie a indusului (a) si inductorul (e). Se deduce marimea cuplului electromagnetic exercitat asupra sectiei (x):

(19)

unde M_ae este inductanta mutuala dintre sectia indusului considerata avand w_s spire, infasurarea inductoare avand W_e spire. Rezulta:

    (20)

este permeanta fluxului care traverseaza spira, variabila cu pozitia spirei in campul de excitatie.

Se obtine:

(21)

Daca periile sunt plasate in axa neutra se poate obtine cuplul total al masinii astfel:

(22)

Fig.3.5.3

O

p

p

a

A

a

t

Bδ0

Bδa

b)

a)

x

X

O

We

Bδ(x)

x0,

unde s-au introdus: 2a - nr. de cai de curent, curentul total al indusului (prin perii), N - numarul de conductoare pe intregul indus. S-au folosit relatiile (6), (7), (8), (9).

Marimea este numita flux polar si poate fi asimilata cu din relatia (9), dar in conditiile neglijarii reactiei indusului, adica la .

In conditiile functionarii in sarcina, fluxul polar este obtinut ca suma a fluxurilor elementare:

(23)

Valorile inductiei, , se obtin prin compunerea curbelor , a inductiei la gol si - corespunzatoare reactiei indusului.

Daca masina este nesaturata se constata ca inductia rezultanta pe un pol (valoarea medie) este egala cu de la mersul in gol. In realitate, se constata, in sarcina, o diminuare a inductiei medii polare fata de cea de la mersul in gol.

In conditiile decalarii periilor cu un unghi in sensul rotirii rotorului, de exemplu, se obtine fluxul polar, prin integrarea inductiei intre limitele si . Exista o zona

cu inductii pozitive urmata de o zona cu inductii negative, incat valoarea fluxului rezultant scade, fata de cazul . Se poate gasi o functie de aproximare a marimii care se descompune in serie Fourier si se poate retine numai o parte din aceasta serie (2-3 termeni) pentru o tratare analitica.

Daca unghiul de decalare a periilor este redus ca valoare se poate constata ca la modificari ale pozitiei colierului se obtine variatia:

    (24)

In ceea ce priveste variatia cuplului in aceste conditii, rezulta:

    (25)

Acest fapt arata ca precizia metodei de aflare a pozitiei axei neutre prin rotirea colierului, masina functionand ca motor, este redusa. Poate creste aceasta precizie daca creste , dar acesta este destul de redus ca valoare, masina fiind in gol.

La masinile cu poli auxiliari, variatia fluxului, (deci si a cuplului) cu este mai mica, intrucat fluxul polilor auxiliari are ca efect aducerea la 0 a fluxului rezultant in axa neutra, la .

Aceasta observatie precum si cea conform careia, la masina neexcitata in axa neutra se suprapun campul de reactie a indusului si cel al infasurarii polilor auxiliari, justifica eficienta metodei de determinare a pozitiei axei neutre prezentata mai sus.

Mai precis, in cazul alimentarii circuitului indusului, inseriat cu polii auxiliari, (masina fiind neexcitata) fluxul polar al masinii este egal cu suma dintre fluxul de reactie a indusului si cel al polilor auxiliari, F_rp F_a F_pa valoarea acestui flux rezultant este nula daca .

Daca se modifica unghiul de decalare, in sensul cresterii sale (de fapt in sensul rotirii ca motor a indusului), fluxul rezultant F_rp devine diferit de 0, componenta sa F_pa se manifesta ca una de excitatie, care prin interactiunea cu I_A duce la aparitia unui cuplu in sensul de decalare a periilor. In expresia (25), apare in locul lui F_p valoarea noului flux polar, a carei variatie cu unghiul de decalare nu mai este nula, adica:

(26)

Variante de constructie a masinii de c.c. homopolare

La baza functionarii masinii homopolare este principiul discului lui Faraday, fig.1.2 a). Anume, daca intre polii unui magnet MP se roteste un disc D din material conductor (Cupru sau Aluminiu), atunci intre centrul discului si generatoarea sa se induce o tensiune continua, a carei valoare depinde de turatia discului, n.

Conform legii inductiei a lui Faraday, portiunea de disc interpretata ca un conductor C, luata pe directie radiala, cuprinsa intre axul discului si punctul de contact cu peria P2 este in miscare fata de campul magnetic, caracterizat prin inductia B, iar tensiunea indusa are valoarea:

(1.1)

unde v_m este viteza medie, luata la o raza egala cu jumatate din R.

Luand un caz practic, pentru R=0,2 m, n=3000 rot/min, B=1 T, se obtine: E= 6,28 V, valoare destul de mica pentru utilizarile practice. Asadar, masina construita pe acest principiu functioneaza ca generator de c.c. la tensiuni reduse, dar poate debita curenti intensi. Sensul de circulatie a curentului este dat de regula mainii drepte, fiind indicat pe fig.1.2 a), iar valoarea acestuia depinde de R_s. O problema de mare insemnatate in aplicatiile practice este legata de realizarea contactelor, in mod deosebit la peria P2. Exista constructii la care discul este imersat in mercur, dar prezenta acestuia este insotita de alte probleme.

Principiul masinii homopolare se aplica si la constructia prezentata in fig. 1.2 b). Campul magnetic creat de bobinele de excitatie statorice, alimentate in c.c. este fortat sa treaca in zona centrala a masinii de la statorul exterior la rotorul interior. Traseul luat pe generatoare, cuprins intre periile P1 si P2 se considera un conductor de lungime l ce se deplaseaza in campul inductor al masinii, tensiunea indusa fiind proportionala cu viteza (deci cu turatia si cu raza rotorului). De exemplu, daca l=0,5 m; R=0,2 m, n=3000 rot/min, B=1T, se obtine: E=Bl(2πn/60)R=31,4 V. Se poate creste tensiunea daca se folosesc mai multe conductoare plasate pe periferia rotorului, izolate intre ele si fata de rotor, fiecare legate la cate 2 inele pe care calca cate o perie, iar inserierea convenabila a circuitelor se face in exterior. Cu 5 conductoare si 10 perii care calca pe 10 inele, prin inseriere se poate obtine o tensiune de 157 V

Evident, masina este reversibila, putand functiona si ca motor. Cuplul electromagnetic al masinii se poate obtine astfel:

(1.2)

Daca se considera: l=0,5m; R=0,2m, B=1T, iar curentul rotoric raspandit pe periferie ca o patura avand incarcarea de A=40.000 [A/m], se obtine I=2 RA=16.000 [A], iar cuplul rezulta: M=2 RABlR=1.600 [Nm]. Se poate observa egalitatea P=EI=M , adica 31,4 16000 3,14 = 1600 3,14 314, unde P=1.600.000 W este puterea electromagnetica a masinii. Asadar, este indeplinita conditia de reversibilitate. Cuplul exercitat asupra rotorului raportat la volumul activ al acestuia este: M_sp= 2πRABlR/(πR²l)= 2AB=240.0001=810⁴ Nm/m³. Adaugand la volumul activ si partile frontale neactive (deci o dublare a volumului) se ajunge acoperitor la densitatea de cuplu: M_sp= 2πRABlR/(2πR²l)= AB=410⁴ Nm/m^3..

Daca aplicatia este un motor de automobil electric, care trebuie sa produca o putere electromagnetica de 100 kW -serviciu continuu (aproximativ 85 kW la iesire-utila) la o viteza unghiulara de 314 rad/s (ceea ce inseamna o turatie de 3000 rot/min), se poate evalua volumul necesar al rotorului: v= 100 1000 / (314 40.000)=8 10^-3=8 dm³ sau 8 litri. Se poate adopta de exemplu: R=8 cm, l_t=40 cm (l=l_t/2). Tensiunea indusa este E=Bl(2πn/60)R=0,2 314 0,08=5,024 V, iar curentul absorbit este: I=2πRA=2π 0,08 40.000=20.000[A], Daca se inseriaza 5 cai se vor obtine: E=25V; I=4.000A.

In conditiile adoptarii unei viteze periferice maxime de 62,8 m/s pentru un serviciu de scurta durata, rezulta n=30v/(πR)=7.500 rot/min, tensiunea indusa la capetele unui conductor: E=12,56 V, iar daca se mentine acelasi curent ca in cazul precedent se obtine: P_max=12,56 20.000 =250 kW

Mai ramane de analizat o problema, cea a densitatii de curent admise, care poate fi luata la o valoare limita superioara de j=10 A/mm², sau j=10⁷ A/m². Daca se presupune ca materialul conductor se dispune pe jumatate din periferia rotorului, spre intrefier, (restul fiind ocupat de materialul feromagnetic, de dinti, atunci inaltimea barelor rotorice (pe directie radiala inspre intrefier) este: h=(I/j)/(πR)=8 10^-3m=8 mm. Pe rotor se pot folosi 25 bare de sectiune dreptunghiulara de Cu avand laturile de 8 mm x 10 mm =80 mm², sau 30 bare cu laturile 8 mm x 8 mm =64 mm².

In fig. 1.3a) este prezentata o masina homopolara de c.c. de constructie hibrida cu 2 sisteme distincte de excitatie. Pe statorul masinii se plaseaza o infasurare de excitatie ale carei capete sunt scoase la doua borne E1 si E2, fiind alimentate de la o sursa separata, precum si doua coroane cilindrice de magneti permanenti, MP - magnetizati pe directie axiala. Liniile de camp magnetic create de cele doua sisteme de excitatie se inchid spre rotor, radial prin intrefier in zona mediana - zona activa a rotorului, inducand tensiuni in conductoarele plasate in crestaturi. Accesul din exterior la conductoarele rotorice, care impreuna cu inelele de la capete au aspectul unei colivii, se realizeaza cu un sistem de perii, care calca pe inelele frontale ale coliviei. Datorita curentilor mari care se vehiculeaza, este necesar un numar insemnat de perii, care se raspandesc uniform pe periferie (conveier), fiind sustinute de un colier solidar cu statorul . In fig. 1.3b) este prezentat un detaliu din rotor, din zona mediana a acestuia, unde se observa ca numarul de bare este de 30. Daca se cere dublarea tensiunii maxime induse, se pot grupa jumatate din numarul de bare din rotor b - in paralel, cu capetele sudate la doua inele frontale, pe care calca periile P1, respectiv P2, obtinandu-se o cale de curent, care se poate inseria in circuitul exterior cu o alta cale de curent, realizata cu celelalte b bare legate in paralel, cu capetele sudate la alte doua inele frontale, pe care calca periile P3, respectiv P4. Folosind acelasi principiu se pot grupa b bare in paralel, in c cai de curent inseriate in exterior, pentru a creste tensiunea de c ori, unde bc este numarul de bare din rotor. Evident, numarul de perechi de perii este 2c, la fel si numarul de inele frontale, dispuse in etaje diferite pe lungimea masinii, ("strapunse" de unele dintre bare - izolate pe anumite lungimi - problema izolarii fiind rezolvabila, intrucat se lucreaza cu valori mici de tensiunii). Daca luam cazul masinii din fig. 1.3c), la care tensiunea indusa la capetele unei bare este e₁ iar o cale de curent cuprinde 5 bare in paralel, este posibila obtinerea urmatoarelor valori pentru tensiunile de iesire: e₁ , 2e₁, 3e₁, 6e₁.

Pentru proiectarea aproximativa a unei masini homopolare de mica putere, cu sectiunea prezentata in fig. 1.3: se porneste de la datele nominale, se adopta inductia in intrefier B, sarcina liniara A, densitatea de curent in infasurarea rotorica j, un anumit factor de forma (de suplete) a cilindrului rotoric definit ca raport λ=l/D (dintre lungimea activa si diametrul rotorului), se determina dimensiunile rotorului. In partea a doua a calculului se determina dimensiunile circuitului magnetic, parametrii electrici si se verifica incadrarea in datele impuse a masinii, pe baza unui program de calcul de camp specific.

Se va analiza un caz concret:

Se dau: Puterea nominala (in regim de motor), P_N= 2700 W, turatia nominala, n_N=3000 rot/min.

Puterea electromagnetica a masinii (la nivelul intrefierului) este P= P_N/η =2700/0,9=3.000VA. Din relatia P=MΩ, rezulta: M=P/(2πn/60)=9,6Nm. Cuplul specific este dat de M_sp=M/V =M/(πR²l_t)=BA. Daca se adopta B=0,8 T si A=25.000 A/m, rezulta: V=M/(BA)=9,6/20.000 ≈ 500 10^-6 m³= 500 cm³ . Considerand ca lungimea totala a rotorului este dublul partii active, adica l_t=2l si introducand factorul de suplete λ=l/D, (de unde l= λD) se ajunge la:

.    (1.3)

Adoptand λ=l/D=1, se obtin: D=7cm, R=3,5cm, l=7cm, l_t=14cm. Masa rotorului m=dV=4kg.

Tensiunea indusa intr-o bara rotorica este: E=Bl(2 n/60)R=0,8 0,07314 0,035=0,62 V, iar curentul absorbit este: I=P/E=3000/0,62=4.840[A], Daca se inseriaza 5 cai se vor obtine: E=3,1V; I=968A. Sarcina liniara (patura de curent) rezulta A=I/(πD)=4.840/(0,07π)=22.000 A/m (mai mica decat cea adoptata).

Daca se adopta j=10 A/mm², se obtine sectiunea totala a conductoarelor rotorice, s_t=I/j=484mm² . Adoptand un numar de 20 bare rotorice, de cate 25 mm² fiecare, avand dimensiunile de 55 mm², se obtine latimea fiecaruia din cei 20 dinti ai rotorului, anume: b_d=[πD-(200,5)]/20=0,6cm. Deoarece aceasta latime este mai mare ca a crestaturii (barei), dintii nu se vor satura.

Rezistenta echivalenta a rotorului la 350 K este: R_i=0,0220,07/500=310^-6 Ω. Caderea de tensiune pe rezistenta interna este: ΔU=R_i I=3484010^-6=14,510^-3V, sau ΔU/E=2,3%. Aceasta variatie de tensiune este mult mai mica fata de o masina clasica de c.c. Pierderile prin efect Joule in rotor sunt: p_j=ΔUI=70,2 W. Se apreciaza ca la contactele inele perii se inregistreaza o valoare pentru pierderi, p_jcp=0,5 p_j=35 W. Pentru pierderile mecanice se adopta valoarea p_mec=0,01P=30W. Pentru pierderile in fier p_fe se poate porni de la o cifra de pierderi specifice de 4W/kg, care conduce la p_fe =16 W. Puterea de excitatie se poate lua aproximativ p_ex =0,05 P=150 W. Suma pierderilor in masina este Σp=300W, iar randamentul este 90% .

In afara de faptul ca masina homopolara are performante remarcabile la curenti mari si tensiuni reduse, fara a mai fi necesara o conversie energetica de adaptare a marimilor electrice la aceste conditii, se mai pot semnala si alte avantaje:

- mentinerea tensiunii la borne in limite acceptabile la variatii importante ale sarcinii, in regim de generator, intrucat caderile de tensiune interne sunt date doar de ΔU=R_i I_A, unde R_i este rezistenta echivalenta (interna) a rotorului (caracteristica externa este mai rigida).

- posibilitati de reglare in limite largi a tensiunii, in regim de generator si a turatiei sau cuplului in regim de motor, intrucat prin modificarea curentului de excitatie si inversarea sensului se poate modifica inductia in intrefier de la 0 la o valoare maxima B_max, situata in jurul a 1-1,2 T.

- cresterea valorii medii a inductiei in intrefier, aceasta situandu-se la valoarea maxima de 1-1,2 T, aproximativ cu 30 procente mai mare ca la masinile heteropolare (unde valoarea inductiei se obtine prin medierea valorilor unei curbe de distributie cvasitrapezoidale), fapt care conduce la un coeficient de utilizare a masinii mai bun.

- diminuarea riplului de cuplu si a factorului de ondulatie a tensiunii induse.

- cresterea randamentului prin adoptarea din proiectare a unor valori nominale astfel incat functionarea cea mai probabila-optima sa se obtina cand curentul de excitatie este nul.

- realizarea unei compundari convenabile in functionare, similara cu cea de la motoarele de c.c cu excitatie mixta, prin folosirea unei infasurari de excitatie divizate, cuprinzand si o solenatie proportionala cu curentul de sarcina.

- constructie robusta, bazata pe o tehnologie similara cu cea a masinilor asincrone cu rotor in colivie, exceptand dificultatile realizarii contactelor alunecatoare, oricum mai convenabile decat contactele perii-colector de la masina clasica de c.c. heteropolara.

Daca se porneste de la forma constructiva prezentata in fig. 1.2a), la care apar probleme legate de contactul disc-peria P2, se ajunge la solutia din fig.1.4.

Masina este un ansamblu care cuprinde doua discuri: D1 si D2, plasate intre polii magnetilor permanenti MP1 si MP2 (nefigurat), sau intre polii unor electromagneti, astfel incat sensurile liniilor de inductie B sa fie contrare.

Cele doua discuri sunt antrenate prin intermediul rotilor conduse: R1 si R2 de la un pinion de atac PA, actionate de un motor MA. Este cazul regimului de generator, dar masina este reversibila. Cele doua discuri sunt inconjurate cu o "curea de transmisie" din material conductor (Cu sau aliaje), incat prin portiunile liniare ale acestora, CT1 si CT2 circula curentii indusi in discuri. Sensurile de circulatie ale curentilor prin discuri sunt contrare, adica in D1 - circula de la periferia exterioara spre centru, iar in D2 - circula de la centru spre periferia exterioara. Prin axele discurilor (realizate din material conductor) sensurile curentilor sunt contrare, iar preluarea acestora spre exterior se realizeaza prin doua inele: I1 si I2, aflate in contact permanent cu axele. Unul din inele I1 este borna pozitiva (+) a ansamblului, iar celalalt, I2 - borna negativa (-). Preluarea curentului prin ax este in anumite situatii mai convenabila intrucat viteza periferica la contactul ax-inel este mult mai mica.

Daca se adopta o alta cinematica se poate ajunge la o solutie cu cele doua discuri in contact (pe unde are loc si "scurgerea" curentului intre discuri) si cu un circuit magnetic comun.

De asemenea, se poate concepe un ansamblu de doua discuri coaxiale (sau mai multe), cu iesiri de ambele parti, constructie echivalenta cu roata motoare a unui vehicul.

DISTRIBUIE DOCUMENTUL

Vizualizari: 2554
Importanta:

Comenteaza documentul:

Termeni si conditii de utilizare | Contact
© SCRIGROUP 2024 . All rights reserved

Distribuie URL
https://www.scrigroup.com/tehnologie/electronica-electricitate/TIPURI-DE-MASINI-ELECTRICE-CUR45926.php

Adauga cod HTML in site
<a href="https://www.scrigroup.com/tehnologie/electronica-electricitate/TIPURI-DE-MASINI-ELECTRICE-CUR45926.php" target="_blank" title=" - https://www.scrigroup.com/tehnologie/electronica-electricitate/TIPURI-DE-MASINI-ELECTRICE-CUR45926.php">TIPURI DE MASINI ELECTRICE CURENT CONTINU</a>