Mașina de curent continuu: cum funcționeazăAnimații interactive pentru laborator – Mașini electrice

← Student Portal

Cele patru circuite ale mașinii de c.c.

Stânga: secțiune longitudinală. Statorul (inductorul) poartă polii principali cu înfășurarea de excitație; rotorul (indusul) are înfășurarea în crestături și colectorul cu perii. Dreapta: secțiune transversală, cu polii principali (pe axa orizontală), polii auxiliari (pe axa verticală, în zona periilor) și indusul care se rotește.

Pierderile și bilanțul puterilor (motor derivație)

Spre deosebire de mașina de inducție, pierderile în fier apar în rotor: miezul indusului vede un flux care își schimbă sensul cu frecvența f = p·n/60, în timp ce statorul vede flux constant. Pierderile de excitație sunt constante la flux constant. Valorile sunt orientative.

Elementele constructive și rolul lor

Comutatorul și ortogonalitatea câmpurilor

câmp principalcâmp al indusuluicâmp rezultant⊙ curent spre cititor   ⊗ curent dinspre cititor
Indusul se rotește, dar distribuția curenților rămâne fixă în spațiu: tot ce este în stânga axei periilor are un sens al curentului, tot ce este în dreapta, celălalt. Colectorul inversează curentul într-un conductor în clipa în care acesta trece prin dreptul periilor (conductorii încercuiți în galben sunt în comutație). De aceea câmpul indusului este fix și perpendicular pe câmpul principal.
Inducția în întrefier în funcție de poziția pe circumferință: câmpul principal (albastru), câmpul indusului (verde, triunghiular) și suma lor (roșu). Reacția indusului deformează câmpul (crește sub un vârf de pol, scade sub celălalt) și, din cauza saturației, îl micșorează; în plus, deplasează axa neutră.

Ortogonalitatea: de ce este simplă mașina de c.c.

  • Câmpul principal (axa d) este creat de curentul de excitație If, câmpul indusului (axa q) de curentul Ia. Cele două axe sunt perpendiculare, fixe în spațiu: periile și colectorul asigură asta.
  • Cuplul este produs de câmpul principal și de curentul indusului: M = k·Φ·Ia. Fluxul și cuplul se comandă separat: Φ din If, M din Ia.
  • Aceasta este ideea pe care comanda vectorială o reproduce la mașinile de c.a.: componenta id face rolul curentului de excitație, componenta iq pe cel al curentului din indus.
E = k·Φ·n  ;  M = k·Φ·Ia  ;  U = E + Ra·Ia

Reacția indusului și remediile

  • Efecte: deformarea câmpului, scăderea fluxului prin saturare, deplasarea axei neutre față de axa periilor (spre sensul de rotație la generator, în sens contrar la motor) și scântei la perii.
  • Deplasarea periilor pe axa neutră reală: soluție veche, dependentă de sarcină.
  • Poli auxiliari (de comutație) în zona periilor, cu înfășurarea în serie cu indusul: creează un câmp opus câmpului indusului în zona de comutație și ajută la inversarea curentului fără scântei.
  • Înfășurare de compensare în fețele polilor principali, în serie cu indusul: anulează câmpul indusului sub poli, la mașinile mari sau cu șocuri de sarcină.

Tipul de excitație și caracteristica mecanică

Caracteristica mecanică n = f(M) a celor patru conexiuni, la tensiunea aleasă. Curba aleasă este îngroșată; punctul portocaliu este punctul de funcționare, la intersecția cu cuplul rezistent. Când modifici tensiunea, curbele se deplasează în timp real. Seria este tăiată în desen la 2,6·nN: în gol viteza ar tinde spre infinit.

Cum se citește caracteristica

n = (U − R·Ia)/(k·Φ)  ;  M = k·Φ·Ia  ⇒  n = U/(k·Φ) − R·M/(k·Φ)²
  • Independentă și derivație: fluxul este aproape constant, caracteristica este o dreaptă rigidă (viteza scade puțin cu sarcina, doar prin căderea R·Ia). Pornirea cere reostat, iar viteza se reglează fin. Aplicații: mașini-unelte, pompe, ventilatoare.
  • Serie: fluxul crește cu curentul, caracteristica este o hiperbolă moale: cuplu mare la viteză mică și viteză mare la sarcină mică. În gol se ambalează: nu se pornește niciodată fără sarcină. Aplicații: tracțiune electrică, macarale, demaror.
  • Compusă: intermediară, cu cuplu de pornire bun și fără ambalare.

Ce se întâmplă când scade tensiunea

  • Excitație independentă (flux constant): caracteristica se deplasează paralel cu ea însăși, spre viteze mici. Cuplul disponibil rămâne același: așa se reglează viteza prin tensiune.
  • Derivație alimentată din aceeași sursă: scade și curentul de excitație, deci scade fluxul; viteza în gol nu scade proporțional cu tensiunea și cuplul se micșorează.
  • Serie: deplasarea este mare la viteze mici, iar tensiunea se folosește pentru a regla turația locomotivei (în trepte sau prin chopper).

Valorile sunt în unități relative; scara în rot/min și în A corespunde unui motor de 11 kW, 220 V, 1500 rot/min.

Controlul vitezei: tensiune sau slăbire de câmp

Excitație independentă: tensiunea indusului U (de la un redresor comandat sau un chopper) și curentul de excitație If se reglează separat. Sub nN se mărește U cu fluxul nominal; peste nN, U rămâne la valoarea nominală și se slăbește câmpul.
Stânga: cuplul și puterea disponibile în funcție de viteză. Zona verde (sub nN): cuplu constant, puterea crește cu viteza. Zona portocalie (peste nN): putere constantă, cuplul scade ca 1/n. Dreapta: caracteristica mecanică n = f(M) la comanda curentă, față de caracteristica nominală (punctată).

Când se folosește tensiunea

  • Sub viteza nominală (n ≤ nN): se reglează tensiunea indusului, cu flux nominal. Cuplul disponibil rămâne constant (M = k·ΦN·IN), puterea crește liniar cu n.
  • Caracteristicile sunt paralele și rigide; reglajul este fin, în domeniu larg (de la zero), cu randament bun, dacă sursa este un convertor static (redresor comandat, chopper).
  • Nu se poate depăși UN: limita este izolația înfășurării și tensiunea între lamelele colectorului.

Când se folosește slăbirea câmpului

  • Peste viteza nominală (n > nN): U rămâne la valoarea nominală și se micșorează curentul de excitație, deci fluxul Φ: n ≈ U/(k·Φ) crește.
  • Cuplul disponibil scade ca 1/n (M = k·Φ·IN), iar puterea rămâne constantă. Se folosește la sarcini care cer viteză mare la cuplu mic (strunguri, laminoare, tracțiune).
  • Limite: comutația se înrăutățește (reacția indusului față de un flux mic), apare riscul de instabilitate și de ambalare dacă fluxul dispare (întrerupere în circuitul de excitație). De obicei nmax = 2…4·nN.
  • Reostatul în serie cu indusul se mai folosește rar: este simplu, dar consumă putere și face caracteristicile moi.

Generatorul de c.c.: tensiune și autoexcitare

Generatorul derivație se autoexcitează: remanența miezului dă o t.e.m. mică, care trimite un curent mic prin înfășurarea de excitație, care mărește fluxul, și tot așa. Procesul se oprește la intersecția caracteristicii de mers în gol cu dreapta rezistenței circuitului de excitație.
Sus stânga: caracteristica de mers în gol E(If) și dreapta U = Rf·If; tangenta în origine este rezistența critică Rcr. Sus dreapta: creșterea tensiunii în timp. Jos: caracteristica externă U(I). La excitație independentă tensiunea scade liniar; la derivație scade mai mult (se micșorează și excitația), iar la scurtcircuit curentul scade din nou spre o valoare mică.

Condițiile de autoexcitare

  1. Există flux remanent în circuitul magnetic.
  2. Câmpul creat de curentul de excitație întărește remanența (conexiunea înfășurării de excitație față de sensul de rotație este corectă). Altfel tensiunea se prăbușește la zero.
  3. Rezistența circuitului de excitație este sub valoarea critică Rcr (dreapta U = Rf·If taie caracteristica de mers în gol în afara originii).
  4. Turația este suficient de mare: cu n mică caracteristica coboară și Rcr scade.

Generator față de motor

  • La generator E > U: U = E − Ra·Ia, curentul iese din indus în sensul t.e.m.
  • La motor E < U: U = E + Ra·Ia, curentul intră în indus în sens opus t.e.m., iar cuplul electromagnetic este în sensul rotației.
  • Aceeași mașină poate funcționa în ambele regimuri: la frânare cu recuperare, motorul trece în regim de generator și dă energie în rețea.