Regimul stabil de lucru al motoarelor de curent continuu - Caracteristicile de functionare

Regimul stabil de lucru al motoarelor de curent continuu - Caracteristicile de functionare

Caracteristicile de lucru stabilesc proprietatile motoarelor in regim stabil de lucru. Aceste caracteristici reprezinta dependentele: turatiei n, momentului M, ran-damentului motorului , de puterea mecanica utila P₂ la arborele sau (sau de mari-mea curentului rotoric I_a) la tensiune de alimentare constanta, egala cu tensiunea nominala si la rezistente constante ale circuitelor indusului si de excitatie, adica sau f(I_a) pentru U=U_n=const.

Dependenta n=f(P₂) sau f(I_a) reprezinta caracteristica de viteza a motoarelor de c.c. Obisnuit, in caracteristicile de lucru se include si caracteristica mecanica a motoarelor, care reprezinta dependenta n=f(M).

1 Caracteristicile de lucru ale motoarelor de c.c.

cu excitatie independenta si paralela (motoare sunt)

Diferenta principala intre caracteristicile de lucru ale motoarelor cu excitatie independenta si ale celor cu excitatie paralela nu exista. Alura acestor caracteristici pentru cele doua tipuri de motoare este prezentata in fig.4.35.

Fig.4.35 Alura caracteristicilor de lucru ale motoarelor de c.c.

cu excitatie independenta si paralela

Caracteristica de viteza n=f(I_a) se poate determina din ecuatia (4.3), ce expri-ma egalitatea t.e.m. si a caderii de tensiune din circuitul indusului:

De aici se observa ca:

(4.10)

Din expresia (4.10) rezulta, ca la cresterea curentului I_a creste caderea de tensiune R_aI_a din infasurarea indusului, datorita careia turatia n se reduce. Cu cresterea insa a curentului I_a se reduce marimea fluxului magnetic datorita reac-tiei indusului si turatia creste. Prin urmare variatia fluxului magnetic si a caderii de tensiune din infasurarea indusului sunt doua consecinte ale motivului variatiei curentului rotoric ce actioneaza invers asupra modificarii turatiei.

Obisnuit, predomina actiunea caderii de tensiune din infasurarea indusului, datorita careia caracteristica de viteza reprezinta aproape o linie dreapta slab incli-nata fata de axa absciselor.

Motoarele cu excitatie independenta si paralela au caracteristica de viteza dura, adica la variatia sarcinii, turatia ramane aproape constanta. Din acest motiv, la cresterea sarcinii, puterea si momentul la aceste motoare cresc aproape propor-tional. Potrivit ecuatiilor (4.4) si (4.6):

Se observa ca la cresterea curentului rotoric, momentul M variaza dupa o lege liniara. Trebuie a se sublinia, ca la cresterea lui I_a, intr-o anumita masura se reduce si fluxul magnetic urmare actiunii reactiei indusului, datorita careia de-pendenta M=f(I_a) nu este pe deplin liniara. Ea porneste din punctul b, deoarece la functionarea in gol (fig.4.35).

Avand in vedere ca la ridicarea caracteristicilor de lucru, turatia si fluxul magnetic raman aproape constante, se admite ca Caracteristica mo-mentului util se obtine daca se reduc ordonatele punctelor de pe curba M=f(I_a) cu valoarea momentului M₀ la functionarea in gol.

Randamentul se determina ca raport intre puterea mecanica utila de iesire P₂ si puterea electrica P₁ de intrare consumata de motor:

(4.11)

unde: P₁=U·I_a, iar reprezinta suma diferitelor forme ale pierderilor de putere ce include:

pierderile din infasurarea de excitatie;

pierderile din infasurarea indusului;

pierderile mecanice p_mec (de frecare in lagare, ventilatie, s.a.);

pierderile in fierul magnetic (pierderi magnetice) p_Fe;

pierderile suplimentare p_supl datorate deformatiei fluxului magnetic la suprasarcina, aparitiei curentilor turbionari in elementele de fixare sau in conductoarele indusului daca ele sunt de sectiune mare s.a.

In conditiile de examinare n≈const., Φ≈const. si I_a≈const. se poate admite ca pierderile in fier, in infasurarea de excitatie si pierderile mecanice sunt constante, adica p_Fe+p_ex+p_mec=const. Pierderile din infasurarea indusului p_J si pierderile supli-mentare p_s sunt variabile, deoarece depind de sarcina motorului (depind de ).

In fig.4.35 este prezentata dependenta . Randamentul atinge valoa-rea maxima la acea sarcina, cand pierderile variabile sunt egale cu cele con-stante. Obisnuit, la motoarele cu putere mica, , iar cele de putere . Dupa cum s-a aratat, in grupa caracteristicilor de lucru se exami-neaza si caracteristica mecanica a motorului n=f(M). Ea se poate obtine din expre-sia pentru caracteristica vitezei (4.10), daca se modifica in acord cu ecuatia (4.4):

(4.12)

Din expresia (4.12) se observa ca aceasta caracteristica mecanica are carac-ter asemanator cu caracteristica vitezei, adica dupa cum s-a aratat la I_e=const. se poate admite ca , la care caracteristicile mecanice ale motoarelor cu excitatie paralela si independenta sunt linii drepte, inclinate fata de axa absciselor. Iata de ce in practica, se considera sau caracteristica de viteza sau caracteristica mecanica a motoarelor.

Segmentul determinat de caracteristica mecanica pe axa ordonatelor reprezinta turatia motorului la functionarea in gol ideal, iar coeficientul negativ stabileste unghiul de inclinare al caracteristicii fata de axa absciselor.

Atunci cand motorul functioneaza in conditii: U=U_n, si in lipsa rezistentelor suplimentare din circuitul indusului se poate considera asa numita caracteristica mecanica naturala (c.m.n.) a motorului. In toate celelalte cazuri se obtin caracteristici mecanice artificiale. Asemenea se considera si pentru caracte-risticile de viteza. In fig.4.36 sunt indicate caracteristicile mecanice (de viteza) ale motoarelor de excitatie paralela si independenta.

	Caracteristica mecanica naturala (c..m.n.)

Fig.4.36 Caracteristicile mecanice (de viteza) ale motoarelor de c.c.

1 - caracteristica mecanica naturala; 2, 3, 4, caracteristici mecanice artificiale

obtinute pentru diferite rezistente suplimentare in circuitul rotoric (R_S3>R_S2>R_S1>R_a)

Dreapta 1 reprezinta caracteristica mecanica naturala (c.m.n.), iar dreptele 2, 3 si 4 sunt caracteristicile mecanice artificiale, obtinute la conectarea de rezistente suplimentare R_s (fig.4.33 a,b) in circuitul indusului. La conectarea de rezistente suplimentare R_s in circuitul indusului, caracteristica mecanica se deter-mina cu expresia:

(4.13)

Din expresia (4.13) se vede, ca cu cat valoarea pentru R_s este mai mare, cu atat caracteristica artificiala este mai inclinata (mai cazatoare) fata de axa absci-selor. Avand in vedere ca si toate caracteristicile determina seg-mente egale pe axa ordonatelor, adica ele se intersecteaza in acelasi punct determi-nat de turatia n₀ corespunzatoare functionarii in gol ideal.

In fig.4.37 sunt prezentate caracteristicile mecanice naturala si artificiale, obtinute la diferite tensiuni de alimentare U pentru , R_s=0.

Din expresiile (4.12) si (4.13) se observa ca, cu cat tensiunea este mai mica in raport cu cea nominala, cu cat segmentele determinate de caracteristicile meca-nice artificiale pe axa ordonatelor sunt mai mici. Caracteristicile separate sunt paralele una fata de alta, deoarece variatia tensiunii de alimentare nu influenteaza asupra inclinarii caracteristicilor fata de axa absciselor (ecuatiile 4.12 si 4.13).

In fig.4.38 se prezinta caracteristicile mecanice pentru motoarele de c.c. cu excitatie independenta si paralela, ridicate pentru marimi diferite ale fluxului si la U=U_n si R_s=0.

Variatia fluxului magnetic influenteaza atat marimea segmentelor deter-minate pe axa de ordonate ale caracteristicilor, cat si asupra inclinarii lor fata de axa absciselor. Cu reducerea fluxului , segmentele si inclinarile cresc si invers.

In conditii naturale de functionare, motoarele de c.c. cu excitatie paralela si independenta au caracteristici mecanice (de viteza) dure.

Caracteristica mecanica naturala (c.m.n).

Caracteristica mecanica naturala (c.m.n).

 

Fig.4.37 Caracteristicile mecanice naturala Fig.4.38 Caracteristicile, mecanice pentru

si artificiale, obtinute la diferite tensiuni de motoarele de c.c. cu excitatie independenta

alimentare U pentru , R_s=0  si paralela, ridicate pentru marimi diferite

ale fluxului la U=U_n si R_s=0

Datorita caracterului cazator al caracteristicilor mecanice (de viteza), motoa-rele cu excitatie paralela si independenta functioneaza stabil. In fig.4.39 sunt indicate caracteristica mecanica n=f(M) si caracteristica momentului rezistent M_r=const.

In regimul stabil de functionare, cand M=M_r (punctul A de intersectie al caracteristicilor), motorul functioneaza la turatia n stabilita. Daca dintr-un anumit motiv, turatia n se reduce la , momentul motorului M creste pana la si devine mai mare decat momentul rezistent M_r. Atunci, potrivit ecuatiei de echilibru a momentelor la arborele motorului se exercita momentul dinamic pozitiv. Acesta determina cresterea turatiei si corespunzator se reduce momentul motorului la M=M_r, cand masina din nou incepe sa functioneze stabil in punctul A cu turatia n.

Daca din orice motiv turatia creste de la n la , momentul M al motorului se reduce la si devine mai mic decat momentul rezistent M_r. Asupra arborelui masinii se exercita momentul dinamic negativ, datorita caruia turatia se reduce de la la n si motorul din nou incepe sa functioneze stabil in punctul A, unde momentele motor si rezistent (de sarcina) se echilibreaza reciproc.

Fig.4.39 Caracteristicile mecanica n=f(M)si a momentului rezistent M_r=const.

pentru motoarele de c.c. cu excitatie paralela si independenta

Atunci cand motoarele de c.c. cu excitatie independenta sau paralela  func-tioneaza in regim stabil si se obtine intreruperea circuitului infasurarii de excitatie, fluxul magnetic devine foarte mic (tinde spre fluxul de magnetizare remanenta). In acest caz, potrivit ecuatiei (4.10), turatia creste rapid si obtine valori, periculoase cu consecintele sale - ruperea bandajelor, defectarea infasurarii indusului s.a. Iata de ce la intreruperea circuitului de excitatie, motorul trebuie decuplat fara intar-ziere de la reteaua de alimentare.

In practica au aplicare larga motoarele cu excitatie derivatie, si motoarele cu excitatie independenta (ultimele in sistemele de generator-motor).

2. Caracteristicile de lucru ale motoarelor

cu excitatie serie (motoare serie)

La motoarele cu excitatie serie, deoarece I_e=I_a si pentru sistemul magnetic nesaturat al masinii , si daca se substituie in ecuatia (4.10) , se obtine expresia caracteristicii de viteza pentru aceste motoare:

(4.14)

unde:

R_a - suma rezistentelor infasurarii indusului si infasurarii de excitatie serie.

Din expresia (4.14) rezulta, ca aceasta caracteristica de viteza a motoarelor de c.c. cu excitatie serie reprezinta o hiperbola patrata ale carei asimptote coincid cu axele de coordonate (fig.4.40).

Fig.4.40. Caracteristica de viteza a motorului de c.c. cu excitatie serie

La cresterea curentului, masina se satureaza si turatia se modifica mai putin. Caracteristica de viteza a motoarelor cu excitatie serie are un puternic caracter cazator. Asemenea caracteristica este numita moale. La regimul de functionare in gol I_e=I_a=0 si de aici si , datorita caruia, turatia creste rapid si atinge valori periculoase sub aspect mecanic pentru motor(determina ruperea bandajelor, defec-tarea infasurarii indusului s.a.).

De aceea, motoarele serie trebuie sa functioneze in conditii ce exclud posi-bilitatea obtinerii regimului de functionare in gol. In acest scop, legatura dintre motor si masina de lucru se realizeaza prin transmisie dintata si in unele cazuri prin transmisie cu curea, deoarece in procesul de functionare, cureaua se poate rupe si masina trece in regimul de functionare in gol, periculos pentru ea. Obisnuit, mo-toarele serie se dimensioneaza astfel, incat sa suporte fara consecinte periculoase pana la 50% peste turatia lor nominala de rotatie. Pornirea si functionarea acestor motoare la sarcina sub 25% din cea nominala este inadmisibila. Dupa cum anterior s-a subliniat, pentru sistemul magnetic nesaturat al masinii, fluxul magnetic este proportional cu marimea curentului rotoric (). In acest caz pentru momentul motorului se obtine:

(4.15)

Din expresia (4.15) se observa, ca la cresterea sarcinii, momentul motorului cu excitatie serie variaza dupa o lege parabolica (fig.4.40). Cresterea mai rapida a momentului motor la motoarele serie in comparatie cu motoarele cu excitatie paralela, la care le face potrivite in regimurile grele de functio-nare - conditii grele de pornire, combinate cu suprasarcini importante la arbore cu viteze mici, cum se intalneste de exemplu in tractiunea electrica, la instalatiile miniere de ridicat s.a.

La motoarele serie insa exista proprietatea, ca la variatia sarcinii se modifica toate formele de pierderi din masina. Datorita faptului, ca I_e=I_a, pierderile din infa-surarea de excitatie sunt variabile si se considera impreuna cu cele din infasurarea indusului, adica (R_a - suma rezistentelor infasurarilor indusului si de excitatie).

Pe langa aceasta, la cresterea sarcinii, turatia n se reduce si deci se reduc si pierderile mecanice p_mec si in acelasi timp se amplifica inductia magnetica, datorita careia pierderile in circuitul magnetic cresc. Se dovedeste ca, reducerea p_mec are loc atat cat este cresterea p_Fe, datorita careia suma lor este o marime aproximativ cons-tanta. Iata de ce si la motoarele cu excitatie serie se poate vorbi de pierderi cons-tante si variabile, unde prin pierderi constante se intelege suma pierderilor meca-nice si celor din fierul magnetic, adica Si aici, valoarea maxima a randamentului η se obtine la acea sarcina a masinii pentru care pierderile variabile sunt egale cu cele constante. Dependenta este prezentata in fig.4.40.

Caracteristica mecanica n=f(M) pentru motoarele cu excitatie serie se obtine, daca in expresia caracteristicii de viteza (4.14) se substituie :

(4.16)

Din expresia (4.16) se observa, ca pentru circuit magnetic nesaturat, caracteristica mecanica a motoarelor serie are forma de hiperbola, adica ea este asemanatoare caracteristicii de viteza.

 

Fig.4.41. Caracteristicile mecanica Fig.4.42 Caracteristile mecanice

naturala (1) si artificiale rezistive naturala si artificiale de tensiune

(2,3) ale motorului de c.c. serie ale motorului de c.c. serie

In fig.4.41 sunt prezentate:

caracteristica mecanica naturala 1 ridicata pentru R_s=0;

caracteristicile mecanice artificiale 2 si 3 ridicate corespunzator la introducerea de rezistente suplimentare si () in cir-cuitul indusului (fig.4.33 c).

In fig.4.42 sunt prezentate caracteristica mecanica naturala si doua caracteris-tici mecanice artificiale ridicate la diferite tensiuni si R_s=0. Intrucat caracteristi-cile mecanice (de viteza) ale motoarelor serie au caracter cazator, aceste motoare functioneaza totdeauna stabil.

3 Caracteristicile de lucru ale motoarelor

cu excitatie mixta (motoare compundate)

La motoarele cu excitatie mixta, infasurarile de excitatie serie si paralel pot fi conectate in acelasi sens sau in sens invers. Conectarea in sens invers se utilizeaza foarte rar, deoarece in acest caz, cele doua infasurari de excitatie creaza fluxuri opuse, iar proprietatile la pornire ale motoarelor se inrautatesc. Pe langa aceasta, aceste motoare functioneaza instabil, deoarece datorita actiunii demagnetizante a infasurarii de excitatie serie cu cresterea sarcinii, turatia creste nelimitat.

Alura caracteristicii motoarelor cu conectare in acelasi sens a infasurarilor de excitatie depinde de raportul t.m.m. create de cele doua infasurari. Daca predomi-na actiunea infasurarii in paralel, caracteristicile motoarelor sunt apropiate de cele ale motoarelor sunt, iar daca predomina infasurarea serie, caracteristicile se apropie de cele ale motorului serie.

Expresia pentru caracteristica de viteza a motoarelor cu excitatie mixta este:

(4.17)

unde:

R_a - suma rezistentelor infasurarilor indusului si de excitatie in parale

si in serie;

- fluxurile magnetice create de infasurarile de excitatie paralela si

serie;

Semnele "+" si "-" se atribuie corespunzator cand fluxurile magnetice ale celor doua infasurari au acelasi sens sau sens invers. Momentul motor se deter-mina cu expresia:

(4.18)

Din ecuatiile (4.17) si (4.18) usor se obtine expresia caracteristicii meca-nice:

(4.19)

Randamentul se determina analog celor pana acum studiate la motoarele de c.c. In fig.4.43 a se prezinta caracteristica de viteza 1 a motorului cu excitatie mixta. In aceeasi figura, cu 2 si 3 sunt notate caracteristicile motoarelor sunt si serie. In fig.4.43 b se prezinta dependenta M=f(I_a) a motorului compundat - curba 1, iar curbele 2 si 3 reprezinta aceleasi dependente, corespunzatoare motorului cu excitatie in paralel si serie. In fig.4.43 c sunt indicate caracteristicile mecanice ale motoarelor compundat, sunt si serie, corespunzator prin curbele 1, 2 si 3.

Fig.4.43 a) caracteristicile de viteza ale motorului de c.c. cu excitatie mixta - curba 1;

motoarelor de c.c. cu excitatie paralela - curba 2 si mixta - curba 3; b) dependenta M=f(I_a) pentru: motorul compundat curba 1, pentru motorul de c.c. excitat in paralel - curba 2

si pentru motorul de c.c. cu excitatie in serie - curba 3; c) caracteristicile de viteza pentru motoarele de c.c.: compundat - curba 1; sunt - curba 2, cu excitatie in serie - curba 3

Avantajul caracteristic motoarelor cu excitatie mixta fata de motoarele cu excitatie serie este ca pot functiona in regim de gol. De aceea ele se utilizeaza in transportul electric (tramvai, troleibuz, locomotive electrice) deoarece partea de baza a fluxului magnetic este creata de infasurarea de excitatie serie, iar infasurarea paralel serveste numai la evitarea cresterii inadmisibile a turatiei la sarcini mici. Se utilizeaza de asemenea la actionarea masinilor de valtuit, pompelor, compresoa-relor s.a.