MASINA DE CURENT CONTINUU, (MCC)

1 Elemente constructive

MCC se construieste pentru o gama larga de puteri (zeci de wati... mii de wati) turatii si tensiuni nominale (pana la 2000V)

Regimuri de functionare :

- GENERATOR (in instalatiile de producere a energiei electrice)

MOTOR (tractiune electrica, masini de ridicat si transportat, in actionari care necesita reglaj larg si continuu al vitezei)

FRANA

Parti constructive de baza : STATORUL, ROTORUL

STATORUL (INDUCTORUL) - armatura exterioara, fixa, cu poli aparenti - partea masinii in care se produce c.mg. inductor:

Carcasa - din otel turnat sau sudat, constituie jugul inductor prin care se inchide fluxul magnetic principal

Polii principali (poli de excitatie) - din tole de otel de 1 - 2 mm grosime

Infasurarea de excitatie - din conductor de cupru izolat, sub forma unor bobine concentrate montate pe miezul polilor principali. Bobinele de excitatie se leaga in serie sau in paralel, astfel incat sa se obtina un inductor heteropolar Infasurarea de excitatie se alimenteaza in curent continuu

Infasurarea de compensare - este dispusa in crestaturi inchise practicate in talpa polilor principali, in zona situata spre intrefier. Aceasta infasurare se conecteaza in serie cu infasurarea indusului, si are rolul de a anihila sau diminua efectele fenomenului de reactie a indusului

Polii auxiliari (poli de comutatie) - constituiti dintr-un miez de fier masiv sau din tole si au de regula o forma paralelipipedica. Sunt

situati in axa neutra a masinii - mijlocul distantei dintre polii principali

Infasurarea de comutatie (infasurarea polilor auxiliari) - din conductor de cupru sub forma de bobine concentrate, montate pe miezul polilor auxiliari. Bobinele se conecteaza in serie cu infasurarea indusului

Sistemul de perii si portperii (periile calca pe colector si asigura legatura circuitului indus al rotorului, care este mobil, cu circuitul exterior, fix)

ROTORUL (INDUSUL) armatura interioara, rotativa, de forma cilindrica :

Miezul feromagnetic - din tole de otel electrotehnic, laminate la rece, de 0,5mm grosime, izolate intre ele (pentru a micsora pierderile prin curenti turbionari). La periferia exterioara (spre intrefier) a tolelor rotorice sunt practicate crestaturi deschise in care se aseaza infasurarea indusa. Indusul poate fi prevazut cu canale axiale sau/ si canale radiale (la lungimi mai mari de 30cm) de racire. Tolele rotorice sunt impachetate pe ax sau butuc

Infasurarea indusa se executa din conductor de cupru izolat; este o infasurare repartizata; capetele sectiilor sunt legate la lamelele colectoare

Colectorul este un redresor mecanic (transforma marimile electrice alternative in curent continuu). Se executa din lamele trapezoidale de cupru, izolate intre ele si fata de butucul colectorului cu micanita

Sectiune transversala a masinii de curent continuu

2 Date nominale si notatea bornelor

Notarea bornelor MCC se face conform STAS 3539/71 :

Dupa modul de conectare al infasurarii de excitatie (inductoare) si al infasurarii indusului, MCC sunt de mai multe tipuri

OBSERVATII :

MCC este echipata obligatoriu cu infasurarea de excitatie si infasurarea indusa

Echiparea MCC cu infasurare de comutatie, (imbunatateste comutatia in masina) si/ sau infasurare de compensare (reduce fenomenul de reactie a indusului) conduce la imbunatatirea functionarii masinii

Infasurarea de comutatie si infasurarea de compensare se conecteaza in serie cu infasurarea indusului

Datele nominale si caracteristicile tehnice sunt:

Puterea nominala - P_n [W], [kW]

este puterea utila a masinii

reprezinta puterea maxima pe care o poate dezvolta masina fara ca diferitele parti componente sa depaseasca temperatura maxima admisibila, (pentru motor este putere mecanica , la ax ; pentru generator este putere electrica)

Tensiunea nominala - U_n [V], [kV]

este tensiunea la bornele indusului

corespunde regimului nominal pentru care a fost proiectata masina

valorile normalizate ale tensiunii pentru masinile de c.c. de uz general sunt:

o      110V, 220V, 440V ­ pentru motoare

o      115V, 230V, 460V ­ pentru generatoare

o      250V, 660V, 825V, 1330V, 1650V, 2640V 3300V pentru motoarele utilizate in tractiune

Curentul nominal - I_n [A], [kA]

este curentul care parcurge infasurarea indusa

corespunde puterii nominale

este transmis retelei de alimentare in regim de generator

este absorbit de la retea in regim de motor

Turatia nominala - n_n [rot/min]

- corespunde regimului nominal

Tensiunea de excitatie - U_ex [V]

este tensiunea nominala a infasurarii de excitatie pentru MCC cu excitatie separata

Curentul de excitatie -I_ex [A]

este curentul nominal al infasurarii de excitatie pentru MCC cu excitatie separata

OBSERVATII :

La MCC cu excitatie separata U_ex si I_ex pot fi trecute sau nu pe placuta cu date nominale ; daca aceste nu sunt date explicit T

T U_ex = U_n iar I_ex 10%I_n

La MCC cu excitatie serie U_ex = U_n iar I_ex = I_n (infasurararile de excitatie si cea indusa sunt conectate in serie)

Regimul de lucru (de durata, intermitent, de scurta durata)

Tipul de protectie

3 Principiul de functionare al colectorului

Colectorul joaca rolul unui redresor mecanic, el fiind intercalat intre indusul propriu - zis si circuitul exterior

Se considera 

- o spira care se invarteste cu viteza unghiulara W intr-un camp magnetic omogen, in jurul unui ax perpendicular pe directia campului

- capetele spirei sunt legate la doua segmente de inele, izolate intre ele si fixate pe axul rotoric T aceste segmente reprezinta cel mai simplu colector (cu doua lamele colectoare)

- legatura cu circuitul exterior se face prin doua perii fixe care calca succesiv pe cele doua segmente

Spira are doua laturi active - MP si OQ

In conductorul MP se induce o t.e.m. de un anumit sens cand conductorul MP trece prin dreptul polului N si o t.e.m. de sens invers cand conductorul MP trece prin dreptul polului S

Daca circuitul exterior este inchis pe un consumator T in circuitul exterior se obtine un curent redresat, pulsatoriu, in timp ce spira indusa este strabatuta de un curent alternativ

MCC se construiesc cu un numar mare de crestaturi in indus, Z T un numar mare de sectii si respectiv de lamele de colector

Campul magnetic din intrefierul MCC

Intrefierul MCC nu este constant - in zona de sub poli este mic si aprox. Const. iar in zona dintre poli, intrefierul creste foarte mult

Infasurarea de excitatie (w_e spire pe pol) este parcursa de c.c. I_e

MCC cu 2 poli

m_Fe , (m_Fe >> m₀)

Inductia c.mg. inductor in intrefier este (legea circ. Mg. pe curba G₁ coincidenta cu o linie de camp)

B_dNord = - B_dSud; B_d = 0 in axa neutra

I_A - curentul care strabate receptorul

I_a = I_A / 2a - curentul care strabate conductoarele indusului

2a - numarul cailor de current ale infasurarii indusului

C.mg. de reactie, B_a, este produs de I_a - el se inchide prin talpa polara, intrefier si rotor T fenomenul de reactie transversala a indusului

C.mg. rezultant din intrefierul MCC se obtine prin insumarea c.mg. inductor cu c.mg. de reactie a indusului:

OBSERVATII:

Fenomenul de reactie a indusului se manifesta numai la functionarea in sarcina a MCC

In zona interpolara c.mg. de reactie nu este nul, (intrefierul este foarte mare dar liniile campului inlantuie o solenatie maxima), si el induce t.e.m. in sectiile scurtcircuitate de perii in aceasta zona producind dificultati la functionarea masinii

La sarcini mici, cand circuitul magnetic este nesaturat, campul rezultant este deformat dar fluxul total pe pol ramane constant de la gol la sarcina, pentru acelasi curent de excitatie

La sarcini mari, cand circuitul magnetic se satureaza, cresterea campului sub o parte a piesei polare nu mai compenseaza scaderea de sub cealalta parte a piesei polare, a.i. fluxul rezultant pe pol scade de la gol la sarcina T pentru aceeasi viteza a rotorului si acelasi curent de excitatie, tensiunea la bornele indusului scade de la gol la sarcina

Liniile c.mg. inductor	Liniile c.mg de reactie
Ie=0 IA   Ie IA=0
Liniile c.mg. rezultant
Ie IA

5 Principiul de functionare al

generatorului de curent continuu

Curentul de excitatie produce c.mg. inductor, de excitatie

acesta este un c.mg. constant in timp si variabil in spatiu (este maxim sub polii principali si trece prin zero in zona inetrpolara - axa neutra)

Daca rotorul este antrenat din exterior cu o viteza unghiulara W T in conductoarele infasurarii rotorice, induse, se induc t.e.m de miscare

Daca indusul este inchis pe un receptor T prin circuitul indusului se stabileste un curent care va produce un camp magnetic de reactie ale carui linii se inchid prin talpa polara, intrefier si rotor

Campul mg. rezultant din masina se obtine prin insumarea c.mg. inductor si a c.mg. de reactie a indusului

C.mg. rezultant induce t.e.m. in infasurarea indusa

Daca infasurarea indusa este inchisa T prin aceasta si receptor se va inchide un curent T puterea mecanica se transforma in putere electrica transmisa de masina receptorului pe la bornele indusului -

masina functioneaza in regim de generator

Infasurari de curent continuu

Indusul MCC se echipeaza cu o infasurare in toba, repartizata, in doua straturi

Elementele unei infasurari sunt:

Conductorul activ, situat in crestatura

Spira - spira este formata dintr-un conductor activ de ducere, un conductor activ de intoarcere si doua zone frontale care fac legatura intre conductoarele active

w - numarul total de spire al infasurarii

N = 2w - numarul total de conductoare ale infasurarii

Sectia - este ansamblul spirelor cuprinse intre doua lamele de colector succesive in sensul infasurarii

Bobina - este ansamblul mai multor sectii care au conductoarele de ducere si/sau de intoarcere situate in aceeasi crestatura

Numarul de crestaturi elementare pe crestatura, u

Numarul total de crestaturi reale - Z

Crestaturile reale ale indusului
a. Crestatura reala cu o crestatura elementara	b. Crestatura reala cu doua crestaturi elementare	c. Crestatura reala cu trei crestaturi elementare

Numarul de lamele de colector -K

Calea de curent - reprezinta portiunea de infasurare cuprinsa intre doua perii succesive de polaritate opusa

a numarul perechilor cailor de curent

Numarul total de conductoare din masina -N

Numarul de conductoare pe calea de curent - este N/2a

Ordinul de multiplicitate al infasurarii -m

pentru infasurarile simple m = 1

b_pe latimea unei perii

b_k - latimea unei lamele de colector

OBSERVATII :

T.e.m. indusa in sectiile unei cai de curent au acelasi sens si din insumarea lor rezulta t.e.m. totala intre periile masinii

Periile se aseaza pe colector a.i. laturile sectiilor scurtcircuitate de perii sa fie situate in axa neutra (la jumatatea distantei intre axele polilor principali)

Distanta dintre inceputurile a doua perii succesive de polaritate opusa este egala cu pasul polar, t=K/2p, masurat in lamele de colector, (p - numarul perechilor de poli)

Dupa modul de conectare a sectiilor, infasurarile sunt:

Buclate - lamelele colectorului la care sunt legate extremitatile sectiei sunt alaturate spatial

Ondulate - lamelele colectorului la care sunt legate extremitatile sectiei sunt distantate intre ele pe colector

Infasurare buclata	Infasurare ondulata

Pasii infasurarii sunt:

y₁ - pasul de ducere, (distanta intre conductorul de ducere si cel de intoarcere al unei sectii; se masoara in lamele de colector, K)

y₂ - pasul de intoarcere, (distanta dintre conductorul de intoarcere al unei sectii si conductorul de ducere al sectiei urmatoare consecutive in sensul infasurarii; se masoara in lamele de colector, K)

y - pasul infasurarii, (distanta intre conductoarele de ducere a doua sectii succesive in sensul infasurarii; se masoara in lamele de colector, K)

OBSERVATII :

Infasurari cu bobine egale - sectiile unei bobine au aceeasi deschidere T y₁ este divizibil cu u

Infasurari cu bobine in trepte - sectiile unei bobine au deschideri diferite T y₁ nu este divizibil cu u

Relatiile da calcul pentru pasii infasurarii

Exemplu de infasurare buclata, simpla, in dublu strat, cu datele: Z =16, p = 2, u = 1.

Se calculeaza marimile :

Schema electrica desfasurata a infasurarii :

T.e.m. indusa pe calea de curent a unei infasurari de c.c.

K_a - numarul sectiilor pe calea de curent

1 spira are doua conductoare  T

1 sectie are w_b spire

TN_a = 2w_bK_a - nr. cond. pe calea de curent

2a - numarul cailor de curent T

T N = 4aw_bK_a - nr. total al conductoarelor

T.e.m. indusa pe calea de curent:

unde :

OBSERVATIE :

- T.e.m. indusa de c.mg. inductor, E₀, este proportionala cu turatia, n, si cu fluxul magnetic inductor pe pol, deci implicit cu curentul de excitatie I_e

8 Cuplul electromagnetic al MCC

Forta care actioneaza asupra unui conductor parcurs de curentul I_a, situat in c.mg. de inductie medie B_{d med} este:

Cuplul electromagnetic care se exercita asupra celor N conductoare din masina este :

OBSERVATII:

Cuplul care se exercita asupra unei cai de curent este constant in timp

Cuplul elmg. Este proportional cu fluxul pe pol F si cu curentul I_A

Fluxul F este determinat de curentul de excitatie I_e

Cuplul elmg. poate fi reglat prin reglarea independenta a curentilor I_A si respectiv I_e

9 Comutatia curentului in masina de curent continuu

COMUTATIA - ansamblul fenomenelor electromagnetice care au loc la trecerea unei sectii dintr-o cale de curent in alta, in conditiile in care masina functioneaza in sarcina

In procesul de comutatie sectia care trece dintr-o cale de curent in alta este scurtcircuitata de perie pentru o durata scurta de timp, iar curentul prin aceasta sectie schimba de sens

OBSERVATIE:

- La functionarea masinii, comutatia este apreciata dupa gradul de scanteiere la contactul dintre perie si colector; comutatia este buna daca nu apar scantei sau daca acestea sunt rare si slabe, astfel incat sa nu produca deteriorarea colectorului

Curentul "i" care parcurge sectia aflata in procesul de comutatie este:

unde:

r_s - rezistenta sectiei in comutatie

r₁ / r₂ -rezistenata perie - lamela 1, respectiv perie - lamela 2, la un moment oarecare

T_k - durata comutatiei, (durata necesara ca peria sa treaca de pe lamela 2 si sa calce pe lamela 1)

t;  s₂ (T_k - t); s₁ si s₂ sunt suprafetele de contact intre perie si lamela 1, resectiv perie si lamela 2

T.e.m. induse in sectia care comuta:

t.e.m. de autoinductie, e_r, - indusa de variatia fluxului mg. prin sectia aflata in comutatie (la variatia curentului de la I_a la -I_a)

t.e.m. datorita rotirii sectiei in c.mg. de reactie transversal, e_a, (este proportionala cu B_da):

OBSERVATIE:

e_r si e_a au acelasi sens cu curentul prin spirele sectiei la t = 0 T ele se opun inversarii sensului curentului si deci intarzie procesul de comutatie

t.e.m. indusa de ctmpul polilor auxiliari, e_k

OBSERVATII:

Daca:

T comutatie liniara - curentul i variaza liniar in perioada de comutatie intre I_a si -I_a; densitatile de curent sub perie sunt egale in toate punctele de contact cu lamelele; comutatia este buna, practic fara scantei

Daca:

T comutatie neliniara - curentul i nu mai variaza liniar intre valorile I_a si -I_a, (i_l = ct., i_k =f(t), i_k = 0 la t = 0 si la t = T_K); densitatea de curent, J, nu mai este constanta, J₂ creste foarte mult la sfarsitul comutatiei, cand peria paraseste lamela 2; apar scantei la colector, scantei care pot deteriora colectorul si scoate masina din functiune

Mijloace de imbunatatire a comutatiei:

1. Compensarea t.e.m. e_r + e_a prin inducerea unei t.e.m. suplimentare in sectia care comuta, tensiune egala si de sens contrar sumei e_r + e_a. Aceasta se realizeaza prin urmatoarele metode:

decalarea periilor din axa neutra in sensul rotatiei indusului la GCC si in sens invers rotatiei la MCC (la masinile de puteri mici)

utilizarea polilor auxiliari, (de comutatie), plasati in axa neutra a masinii de c.c. si a caror infasurare este inseriata cu indusul

utilizarea infasurarii de compensare al carui scop este anularea campului de reactie transversala a indusului; aceasta infasurare este asezata in crestaturile polilor principali si este inseriata cu infasurarea indsului, (la masini de puteri mari si medii care lucreaza la variatii mari de sarcina)

2. Majorarea rezistentei circuitului de comutatie prin alegerea unor perii cu rezistenta mare de contact, (perii tari de cupru - grafit sau electrografit), sau utilizarea unor perii de constructie speciala

Ecuatiile de functionare ale masinii de curent continuu

10.1 Regimul de generator

Ecuatiile de functionare ale GCC cu excitatie separata sunt: unde:

Schema echivalenta a GCC cu excitatie separata

R_A - rezistenta totala a circuitului indusului, (indus + infasurare de excitatie + infasurarea polilor auxiliari)

U_A - tensiunea la bornele indusului

DU_p - caderea de tensiune la perii, (DU_p 1-2V)

F - fluxul rezultant pe pol

E - tensiunea electromotoare indusa

n - turatia rotorului

I_e - curentul de excitatie

R_e - rezistenta infasurarii de excitatie

U_e - tensiunea de alimentare a infasurarii de excitatie

k_e = pN/60a = ct.

OBSERVATIE

Daca reactia transversala a indusului este compensata, atunci F F T E E₀, pentru acelasi curent de excitatie si turatie constanta

10.2 Regimul de motor

Ecuatiile de functionare ale MCC cu excitatie separata sunt: unde:

Schema echivalenta a MCC cu excitatie separata

M cuplul electromagnetic

k_m =pN/2pa=ct.

pentru MCC cu excitatie derivatie U_A = U_e

semnificatia celorlalte marimi este aceeasi cu cea a marimilor din ecuatiile corespunzatoare regimului de generator