C3(3.1 3.4) Masina De Cc [629236]

56 Capitolul Capitolul 33 Mașina de curent continuu 3.1 Construcția, regimurile și principiul de funcționare Prima construcție de mașină de curent continuu a fost realizată de Ritchie în anul 1833, dar abia in jurul anului 1870 inventatorul belgian Zenobie Gramme construiește mașina de c.c. ca generator (cunoscută ca mașina Gramme) și în scurt timp descoperă și reversibilitatea funcționării acestei mașini. Răspandirea utilizării masinilor de c.c. a fost apoi foarte rapidă. In deceniile următoare, până la sfârșitul secolului trecut, construcția s-a perfecționat și pe măsură ce au fost observate și explicate fenomenele electromagnetice ce însoțesc funcționarea mașinii, au fost aduse o serie de îmbunătățiri constructive. După aceea, îmbunătățirile țin de evoluția calității materialelor, mai ales cele electroizolante, cât și de evoluția tehnologiilor. 3.1.1 Elemente constructive Ca orice mașină electrică rotativă, mașina de curent continuu este alcătuită din cele două armături, statorul și rotorul. Statorul este partea fixă, alcătuită din jugul statoric (figura 3.1.a), care are funcția și de carcasă, polii principali (de excitație), care poartă înfășurarea de excitație (vezi detaliul din figura 3.1.b), polii auxiliari (de comutație), care poartă înfășurarea de comutație, scuturile laterale, care susțin lagărele cu rulmenți sau de alunecare (la puteri mici), cât și sistemul de perii și portperii.
a b Fig. 3.1 Secțiune transversală prin mașina de c.c. cu detaliu de pol principal

Capitolul 3 Mașina de curent continuu 57
Rotorul este partea mobilă a mașinii, alcătuit dintr-un pachet de tole, cu crestături pe exterior, care susțin o înfășurare tip indus de curent continuu. Crestăturile sunt egale și repartizate uniform pe circumferință. Pachetul de tole se găsește fixat pe arborele mașinii, ca și colectorul și se rotește odată cu acesta. Tot pe arbore poate fi prevăzut un ventilator, pentru îmbunătățirea evacuării de căldură din mașină, în timpul funcționării. Carcasa (jugul statoric) este realizată din fontă sau oțel turnat, mai rar din tablă groasă de oțel sudată. Ea constituie atât cale de închidere a fluxului inductor, cât și suport pentru susținerea polilor. Fie din turnare, fie prin sudare, carcasa este prevăzută cu tălpi de susținere și fixare a mașinii și cu o cutie de borne. Tot pe carcasă este fixată plăcuța indicatoare, cu datele nominale ale mașinii. O altă variantă constructivă se întâlnește la mașinile de curent continuu de putere mică și mai ales la motoarele destinate a fi alimentate de la instalații de redresare cu semiconductoare. Jugul, împreună cu polii, sunt realizați din tole de oțel electrotehnic, de (0,5….1) mm grosime, ștanțate sub formă adecvată (figura 3.2.). Acest tip constructiv se întâlnește, de exemplu, la mașinile de c.c. pentru locomotivele electrice și diesel-electrice. In acest caz, întregul jug statoric este introdus într-o carcasă care joacă numai rolul de protecție și fixare. Fig. 3.2 Tolă statorică cu jug și poli incluși
Polii de excitație (principali) se realizeazăă din tole de oțel electrotehnic de (0,5….1) mm grosime, strânse și consolidate prin nituire (figura 3.1.b), sau cu bulon. Fixarea de jugul statoric se face tot cu bulon de strângere. Polii sunt formați din corpul polului, zona pe care se află bobina înfășurării de excitație și talpa polară, cu rol atât în susținerea bobinei, cât și în repartizarea mai uniformă a fluxului inductor spre rotor. Cele mai multe mașini de c.c. se realizează în construcție tetrapolară (numărul de poli este 2p = 4). Bobinele înfășurării de excitație se conectează între ele astfel încât să asigure sensul fluxului de excitație de așa manieră ca polii N și S să alterneze. Distanța dintre axele a doi poli alăturați (aceeași cu distanța dintre axele neutre, reprezentate în figura 3.1) se numește pas polar (τ). Fluxul magnetic de excitație este fluxul inductor, calificativul “inductor” fiind asociat în general statorului mașinii de c.c. Capetele înfășurării de excitație se scot la cutia de borne. La mașinile de puteri mari (peste 10 kW), există și o înfășurare de compensare, care este plasată în crestături practicate în tălpile polare, este conectată în serie cu înfășurarea rotorică și are rolul de a compensa local fluxul magnetic de reacție produs de solenația acesteia la funcționarea în sarcină (fluxul de reacție slăbește fluxul de excitație). Polii de comutație (auxiliari) sunt așezați simetric, între polii de excitație. Axele polilor de comutație se plasează în axele neutre ale polilor principali (ca în figura 3.1). Construcția lor este asemănătoare cu a polilor principali. Infășurările situate pe polii de comutație se conectează între ele tot în sensul alternanței polarităților și se înseriază cu înfășurarea rotorică (a indusului). Fluxul magnetic produs de solenația polilor auxiliari în

58 M. Morega, MAȘINI ELECTRICE
zona de comutație are rol de a favoriza procesul de comutație (schimbarea sensului curentului prin secțiile înfășurării rotorice ). Atât polii principali, cât și cei auxiliari se realizează din tole de oțel feromagnetic. La cele mai multe mașini nu este nevoie să se izoleze tolele între ele, deoarece fluxul magnetic ce străbate circuitul magnetic al statorului nu variază în timp și nu apar curenți turbionari; lamelarea se face din motive tehnologice (operația de ștanțare a tolelor este automată). La motoarele de c.c. care lucrează în regim de sarcină variabilă, la cele alimentate prin convertoare statice de frecvență sau în cazul celor incluse în sisteme de acționare cu reglaj de turație prin slăbire de flux, particularitățile de funcționare implică apariția fluxurilor variabile în timp, așa încât se impune izolarea tolelor din circuitul magnetic statoric pentru reducerea pierdierilor prin curenți turbionari. Miezul rotoric este realizat dintr-unul sau mai multe pachete de tole; tolele au grosimea de (0,5….1) mm și sunt izolate între ele. Rotorul are un număr Z de crestături uniform distribuite pe circumferința exterioară (fig. 3.1). Rotorul reprezintă indusul mașinii de curent continuu, el găsindu-se sub influența câmpului magnetic inductor (de excitație), produs de solenația polilor principali. Pasul polar (τ) se poate exprima la nivelul rotorului în trei moduri (în asociație cu secțiunea transversală din fig. 3.1a): – ca unghi la centru: τ = (2π) / (2p) [rad]; – ca arc de cerc la periferia rotorului cu diametrul exterior D: τ = (πD) / (2p) [m]; – ca număr de crestături aflate sub incidența unui pol: τ = Z / (2p) [crest.]. Infășurarea rotorică (a indusului) este așezată în cele Z crestături ale rotorului; este o înfășurare închisă și formată din secții, elemente de înfășurare care se repetă identic și se succed la parcurgerea înfășurării. Există două tipuri de bază de înfășurări de c.c.: buclată și ondulată, clasificare făcută după forma secțiilor. In figura 3.3 a și b sunt reprezentate schemele desfășurate și schemele electrice echivalente pentru aceste două tipuri de înfășurări. In cele două scheme desfășurate s-au pus în evidență, prin reprezentare cu linie mai groasă, câte două secții succesive, pentru a se vedea atât forma lor specifică, cât și modul de așezare a laturilor lor: la înfășurarea buclată, secțiile care se succed în parcursul înfășurării au laturile plasate sub incidența aceleiași perechi de poli, în timp ce la înfășurarea ondulată, secțiile succesive sunt plasate în zone ce țin de perechi de poli diferite. La ambele tipuri, latura de ducere, respectiv cea de întoarcere a unei secții se află sub incidența a doi poli alăturați (deci de polarități diferite). Infășurarea indusului este compusă din mai multe spire (o secție poate fi compusă din una sau mai multe spire), plasate în crestături, colectorul are atâtea lamele câte secții are înfășurarea rotorică, corespunzând (pentru construcțiile uzuale) și la numărul de crestături rotorice. Numărul de perii este egal cu numărul de poli și periile sunt plasate, din punct de vedere electromagnetic, în axa neutră a polilor (decalarea lor se practică numai în cazuri speciale). Capetele fiecărei secții sunt racordate la lamele diferite ale colectorului. Periile sunt poziționate pe lamele de colector, conectate cu laturi de secție aflate în axa neutră a polilor inductori. Laturile secțiilor sunt plasate în crestături (în două straturi, izolate între ele), izolate față de miez și consolidate cu pană la deschiderea crestăturii. Capetele înfășurării sunt consolidate cu bandaje. Infășurarea rotorică este supusă forțelor centrifuge, de aceea se impune o consolidare mecanică bună. Colectorul este realizat din lamele de cupru, dispuse radial, izolate între ele și fixate pe un butuc plasat pe arbore. El se rotește odată cu arborele mașinii. La fiecare lamelă este racordat punctul comun dintre o latură de întoarcere și una de ducere, aparținând la două secții succesive în parcursul înfășurării.

Capitolul 3 Mașina de curent continuu 59
Datele înfășurării: Z=16; 2p=4 deschiderea bobinei cu pasul polar y1 = τ = Z/2p = 4
schema electrică echivalentă cu 2a = 4 căi de curent în paralel
a. Infășurare buclată simplă Datele înfășurării: Z=19; 2p=4 pasul polar τ = Z/2p = 4 și ¾ pasul de ducere y1 = 5 pasul rezultant y = 9
schema electrică echivalentă cu 2a = 2 căi de curent în paralel
b. Infășurare ondulată simplă Fig. 3.3 Schema desfășurată și schema electrică echivalentă a unor înfășurări de c.c.

60 M. Morega, MAȘINI ELECTRICE
Periile colectoare sunt fixate în portperii și sunt imobile față de rotor și colector. Ele calcă pe colector, realizând un contact alunecător și permit culegerea t.e.m. induse în conductoarele înfășurării, astfel încât colectorul împreună cu periile colectoare joacă rolul unui convertor mecanic de frecvență, între tensiunea redresată la bornele mașinii (la perii) și tensiunea alternativă din înfășurare. Periile vin în contact cu lamelele de colector conectate la conductoare care se află în axa neutră a polilor (axa de simetrie dintre doi poli vecini), zonă în care câmpul magnetic schimbă polaritatea trecând prin valoarea zero, deci zonă în care și curentul prin conductor schimbă în mod natural polaritatea (comută). Alimentarea înfășurării de excitație a mașinii de c.c., indiferent de regimul de funcționare (motor sau generator) se face de la o sursă de tensiune continuă, care poate fi exterioară (excitație independentă sau separată), sau se asigură prin autoexcitație (adică poate fi chiar mașina de c.c. când ea lucrează ca generator, sau aceeași sursă care o alimentează ca motor, schemele electrice de conectare a excitației fiind identice în cele două regimuri). Conectarea înfășurării (înfășurărilor) de excitație la bornele mașinii se poate face în serie, paralel, compound (asociere între serie și paralel) sau se pot realiza combinații de excitație independentă și autoexcitație. După modul în care este alimentată, înfășurarea de excitație diferă din punct de vedere constructiv (număr de spire, secțiune de conductor). In figura 3.4 este prezentată convenția de simbolizare a bornelor pentru mașina de curent continuu. Fig. 3.4 Simbolizarea bornelor la mașina de curent continuu C1 C’1 B1 B’1 A1 A2 B’2 B2 C’2 C2 F1 F2 E1 E2 D1 D2 A1 A2 înfășurarea indusului B1 B’1 + B’2 B2 înfășurarea de comutație C1 C’1 + C’2 C2 înfășurarea de compensare D1 D2 înfășurarea de excitație serie E1 E2 înfășurarea de excitație derivație F1 F2 înfășurarea de excitație independentă

Capitolul 3 Mașina de curent continuu 61
3.1.2 Tensiunea electromotoare indusă Se consideră o construcție simplificată, care constituie principiul constructiv al mașinii de curent continuu și ajută la înțelegerea producerii tensiunii electromotoare induse și a redresării tensiunii (fig. 3.5).
a. Schiță explicativă pentru principiul de funcționare al generatorului de c.c. b. Asocierea sensurilor mărimilor vectoriale implicate Fig. 3.5 Spiră aflată în mișcare în câmp magnetic Spira reprezentată are capetele conectate la câte o lamelă de colector din cupru, pe care calcă periile P1 și P2. Spira se poate roti în jurul axei, împreună cu lamelele de colector, în câmpul constant și uniform, de inducție Bδ stabilit între cei doi poli N și S, fie de niște magneți permanenți, fie de o înfășurare parcursă de curent continuu și plasată pe cei doi poli. Periile P1 și P2 sunt fixe, iar odată cu rotația spirei, lamelele trec succesiv în contact cu periile. In figura 3.6.a este reprezentată forma de variație în spațiu a inducției Bδ după coordonata unghiulară α, ce marchează traseul conductoarelor în miscarea lor circulară în zona de sub poli, cu turatia n, respectiv cu viteza v. Datorită fenomenului de inducție prin mișcare (v. Anexa III), în cele două laturi ale spirei se induc tensiuni electromotoare, care se compun pentru a da valoarea instantanee a tensiunii la capetele spirei, € ue12t()=v×Bδ()0l∫⋅dl+−v×Bδα+τ()()0l∫⋅dl=vlBδα()−vlBδα+τ(), (3.1) unde s-a notat cu € τ=2π2p pasul polar, adică distanța dintre axele a doi poli succesivi, măsurată aici în radiani, ca si coordonata unghiulară α. Datorită condiției de simetrie € Bδα()=−Bδα+τ(), rezultă că € ue12=2vlBδα() (3.2) v dl Bδ idl Bδ dF v Bδ idl Bδ dF idl

62 M. Morega, MAȘINI ELECTRICE
este tensiunea înregistrată la capetele 1 – 2 ale spirei și a cărei formă de undă este reprezentată în figura 3.6.b. Datorită poziției fixe a periilor, peria P1 va fi mereu în contact cu o lamelă de colector conectată la o latură de spiră care parcurge jumătatea de rotație de sub incidența polului N. Pe parcursul celeilalte jumătăți de rotație a aceleiași laturi de spiră, sub incidența polului S, lamela de colector la care ea este conectată se află în contact cu peria P2. Astfel, peria P1 se va afla tot timpul la un potențial pozitiv, corespunzător alternanțelor pozitive ale tensiunii ue12, în timp ce peria P2 se va afla la un potențial negativ, corespunzător alternanțelor negative ale tensiunii ue12. Deci, tensiunea la perii uP1P2 are forma redresată din figura 3.6c. a. repartiția în spațiu a inducției si spira care se roteste cu turatia n, respectiv cu viteza v = πDn = 2 p τ n b. variația în timp a tensiunii la capetele spirei c. variația în timp a tensiunii la perii
Fig. 3.6 Formele de undă explicative pentru principiul de funcționare al mașinii de c.c. Construcția reprezentată în figura 3.5 a devenit astfel un generator de tensiune redresată. In cazul real al unei înfășurări de mașină de curent continuu (fig. 3.3), formată din a perechi de căi de curent în paralel (respectiv 2a circuite identice conectate în paralel la aceeași pereche de perii), N conductoare active repartizate uniform (fiecare spiră având două conductoare active), se notează cu N/(2a) numărul de conductoare pe calea de curent. Se consideră o zonă de lărgime bi, aflată sub incidența unui pol, unde se presupune câmpul de excitație constant, de valoare € B δ, iar în rest egal cu zero (linia punctată din fig. 3.6a); bi este aproximativ egal cu lărgimea tălpii polare. Față de pasul polar, această zonă reprezintă o fracțiune ϕi, numită factor de acoperire polară: t=α/2πn 0 ue12 T t 0 uP1P2 T α Bδ 0 1 2 N S Bδ τ α+τ α 2π

Capitolul 3 Mașina de curent continuu 63
€ ϕi=biτ. (3.3) Tensiunea electromotoare indusă pentru întreaga înfășurare se obține prin compunerea tensiunilor electromotoare induse (uei), pe fiecare conductor (i) dintre cele N/2a conductoare înseriate pe o cale de curent (vezi schemele de înfășurare din Fig. 3.3). Expresia t.e.m. induse (E) în înfășurarea reală a mașinii, se poate stabili ca valoare medie pe un pas polar € E=1τN2a0τ∫ueidα=N2a1τvlBδ0τ∫α()dα≅N2avlϕiB δ=N2a2pτnlϕiB δ, (3.4) unde s-a exprimat viteza conductoarelor, respectiv viteza periferică a rotorului, în funcție de turația n, numărul de perechi de poli p și pasul polar τ adică: € v=2pτn. În ec. (3.4) se identifică fluxul magnetic inductor (de excitație) pe pol, cu expresia € Φ=Bδα()0τ∫dα0l∫dz≅ϕi τ l B δ. (3.5) Rezultă astfel expresia t.e.m. induse pentru întreaga înfășurare rotorică, expresie care se folosește larg în teoria mașinii de curent continuu: € E=pNanΦ=kenΦ, (3.6) unde s-a notat cu ke o constantă care ține de construcția mașinii (p, N, a). Se observă dependența direct proporțională a t.e.m. de turație și de fluxul magnetic inductor. 3.1.3 Cuplul electromagnetic Dacă în structura reprezentată în fig. 3.5. se adaugă un receptor la bornele circuitului exterior periilor, atunci prin spiră se va închide un curent de intensitate i, cu sensul stabilit prin convenția de sensuri de la generatoare (v. Anexa II). Acest curent va avea o formă de variație în timp similară cu a t.e.m. în circuitul interior spirei (fig. 3.6b), respectiv în exterior (fig. 3.6c), datorită redresorului mecanic format din colector și perii. Un conductor de lungime l, parcurs de curentul i și care se află în câmp magnetic de inducție Bδ, va fi supus unei forțe electrodinamice (v. Anexa III), orientată în cazul din fig. 3.5. în sens invers vitezei de rotație (pentru regulile de asociere a sensurilor se poate consulta Anexa II), € Fα()=dF∫=idl×Bδα()()0l∫. (3.7) Forțele electrodinamice care acționează asupra laturilor spirei crează cupluri. Cuplul electromagnetic total rezultă prin compunerea tuturor cuplurilor medii elementare (mj) ce acționează asupra celor j = 1, …, N conductoare ce compun înfășurarea. Se consideră

64 M. Morega, MAȘINI ELECTRICE
diametrul D al indusului (rotorului) și curentul rotoric total în circuitul exterior rezultat ca sumă a curenților elementari i, distribuiți pe cele 2a căi de curent în paralel: I = 2a·i. Expresia cuplului electromagnetic mediu în mașină este € M=1τ miα()j=1N∑0τ∫dα=1τ D2NI2alBδα()dα≅0τ∫1τD2IN2alϕiτB δ, (3.8) unde se aplică expresia (3.5) pentru fluxul magnetic inductor și se introduce pasul polar definit în funcție de diametrul D al rotorului € τ=πD/(2p). Rezultă Φ=Φπ=Φπ=IkIkIapNMme2121, (3.9) unde, după cum se observă, cuplul electromagnetic depinde de elementele constructive (N, a, p) și variază direct proporțional cu fluxul magnetic de excitație Φ și curentul de sarcină I. Observații 1. Din ecuațiile (3.6) și (3.9) se identifică nEIMπ=2, unde EIPe= este puterea transmisă pe cale electromagnetică în mașină. Expresia: nPMeπ=2 a cuplului electromagnetic este valabilă pentru toate mașinile electrice rotative. 2. Expresia t.e.m. induse poate fi dată și în funcție de viteza unghiulară de rotație, dacă în ec. (3.6) se înlocuiește € n=Ω/2π. Se observă că se poate ajunge la o exprimare unitară a ecuațiilor pentru E și M, făcând apel la o singură constantă a mașinii (care depinde de elementele constructive), notată K: € E=pNanΦ=pNaΩ2πΦ=KΩΦ și € M=pNa12πIΦ=KIΦ. 3.1.4 Caracterizarea regimurilor de motor și generator. Domenii de utilizare Fenomenele prezentate anterior permit explicarea principiului de funcționare al generatorului electric de c.c. Pe scurt: rotind o spiră, respectiv o înfășurare tip indus de c.c., cu turația n, în câmp magnetic uniform și constant în timp Bδ, în fiecare conductor apare o t.e.m. indusă, iar prin compunerea tuturor rezultă în înfășurare tensiunea indusă E cu expresia (3.6). Dacă circuitul exterior înfășurării se închide printr-un consumator (un rezistor), acesta va fi străbătut de un curent I , iar cuplul electromagnetic produs în mașină are expresia (3.9) și orientarea opusă turației, fiind deci un cuplu rezistent pentru motorul de antrenare al arborelui. Generatorul de c.c. convertește puterea mecanică primită la arbore, în putere electrică furnizată unui circuit de sarcină, pe la borne (fig. 3.5). In cazul motorului de c.c., condițiile date sunt următoarele: la periile P1P2 se aplică o tensiune continuă, care duce la apariția unui curent I (în figura 3.7a sensul curentului este asociat cu al tensiunii după regula de la receptoare – vezi Anexa II). La nivelul spirei aflate în câmp magnetic uniform și constant, de inducție Bδ, ca în figura 3.7a, curentul se închide cu

Capitolul 3 Mașina de curent continuu 65
sensul de la peria P1, prin lamela de colector aflată în contact cu ea, prin spiră, prin cealaltă lamelă și peria P2. Periile sunt fixe, dar spira și lamelele de colector se pot roti. Astfel, la fiecare rotație completă, curentul i variază în timp, având o alternanță pozitivă și una negativă (fig. 3.7b). Frecvența lui este deci proporțională cu turația spirei n și cu numărul de perechi de poli p ai mașinii (fenomenele electromagnetice se repetă sub fiecare pereche de poli). Conductorul străbătut de curent este sub acțiunea forțelor electrodinamice (ec. (3.7)); ca și în cazul anterior al generatorului, acest efect explică apariția cuplului electromagnetic. Expresia cuplului pentru mașina reală este similară ecuației (3.9), iar orientarea sa este stabilită de regula produsului vectorial (Anexa II), cum se arată în figura 3.7. Forțele electrodinamice pun conductoarele în mișcare, iar în cazul de față singura mișcare permisă este cea de rotație a spirei în jurul axei. Cuplul electromagnetic rotește deci rotorul în sensul său, fiind un cuplu activ (motor). La deplasarea spirei în câmp magnetic, apare t.e.m. indusă prin mișcare, la fel ca și la generator, având, pentru mașina reală, aceeași expresie (3.6).

a. Schiță explicativă pentru principiul de funcționare al motorului de c.c. b. Forma de undă a intensității curentului prin spiră Fig. 3.7 Spiră parcursă de curent și aflată în câmp magnetic Astfel, motorul de c.c. convertește puterea electrică absorbită la borne, în putere mecanică furnizată unui mecanism acționat prin cuplajul de la arbore. In figura 3.8. este schițată o secțiune transversală printr-o mașină cu o singură pereche de poli, utilizată curent în explicarea fenomenelor din mașina de c.c.. In figura 3.9. se reprezintă echivalarea mașinii de c.c. cu două bobine cu miez feromagnetic, parcurse de curent continuu, echivalare făcută din punct de vedere al fenomenelor electromagnetice din mașină, ce vor fi explicate în § 3.3. In cazul a periile sunt plasate în axa neutră a polilor inductori, iar în cazul b ele sunt decalate din axa neutră. După cum se observă, înfășurarea indusului poate fi echivalată (d.p.d.v. al câmpului magnetic creat), cu o bobină parcursă de curent continuu, având capetele legate la perii. Mașina de curent continuu este utilizată: ca motor în acționări unde este necesar un reglaj larg de turație și la unele acționări unde motorul trebuie să aibă o caracteristică mecanică de tip moale (vezi § 1.3.), de exemplu în metalurgie, dar mai ales în transporturi (metrou, tramvai, troleibuz, electrocar, etc.), iar ca generator este utilizată la grupurile electrogene, ca excitatoare la generatoarele sincrone, sursă independentă de tensiune pe vehicule (funcționând în tampon cu bateria de acumulatori), etc.

66 M. Morega, MAȘINI ELECTRICE

a. Periile plasate in axa neutră b. Periile decalate din axa neutră Fig. 3.8 Secțiune transversală printr-o mașină de c.c. bipolară Fig. 3.9 Element electric echivalent al indusului mașinii de c.c. 3.2 Caracteristica magnetică a mașinii de c.c. Caracteristica magnetică la funcționarea în gol (I = 0) a mașinii de curent continuu reprezintă dependența dintre fluxul magnetic util și curentul de excitație: Φ = Φ(Iex). Se consideră o mașină la care fluxul inductor (de excitație) este produs de o solenație de c.c., așezată pe polii principali, cu wep spire pe fiecare pol, parcuse de curentul Iex. Construcția caracteristicii magnetice se face considerând circuitul magnetic corespunzător unei perechi de poli (fig. 3.10.a). Este necesară determinarea acelei solenații utile pe perechea de poli, pentru stabilirea unei anumite valori a inducției în întrefier Bδ.

a. Porțiune de circuit magnetic în lungul unei linii de câmp b. Reprezentarea calitativă a caracteristicii magnetice Fig. 3.10 Caracteristica magnetică la mașina de c.c. Procedura urmărește determinarea tensiunilor magnetice pe fiecare porțiune distinctă a circuitului magnetic, în lungul unei linii de câmp ce urmează traseul "fibrei medii" a tubului de flux care se închide da la un pol de excitație la cel vecin, trecând prin: jugul statoric, corpul polului, talpa polară, întrefier, dintele rotoric, jugul rotoric și apoi simetric, prin aceleași zone

Capitolul 3 Mașina de curent continuu 67
aferente polului vecin, pentru a forma un circuit închis (fig. 3.10.a). Pentru fiecare porțiune de circuit magnetic se cunosc dimensiunile geometrice (respectiv lungimile și secțiunile) și proprietățile magnetice (respectiv permeabilitatea magnetică). Impunându-se o anumită valoare medie a inducției în întrefier (uzual Bδ = 0,7….0,9 T) se poate estima fluxul magnetic la nivelul întrefierului. Se consideră că fluxul ce trece printr-un pol se împarte egal spre cei doi poli vecini; rezultă că tubul de flux care se ia în considerare în acest calcul este jumătate din fluxul unui pol: € 12Φ=Bδ0τ2∫0l∫α,z()dαdz≅12ϕiτlBδ, unde τ este pasul polar, l este lungimea mașinii, iar ϕi e s t e f a c torul de acoperire polară (mărimi definite în § 3.1.1 și 3.1.2). Neglijând dispersiile, această valoare a fluxului se conservă în tot circuitul magnetic reprezentat în figura 3.10a. In acest caz, cunoscând suprafețele prin care se închide fluxul, se poate determina inducția magnetică medie, la nivelul fiecărei porțiuni de circuit: poli, jug statoric, jug rotoric, dinți rotorici. Din caracteristica de magnetizare B(H) pentru materialul respectiv rezultă intensitatea câmpului magnetic în porțiunea respectivă de circuit magnetic (Hp, Hjs, Hjr, Hd). Prin aplicarea teoremei lui Ampère (v. Anexa III) pe fiecare porțiune de circuit, se calculează tensiunea magnetică care corespunde acelei porțiuni. Prin însumarea tensiunilor magnetice în întrefier (∫δδδ=0dlHum ), în dinții rotorici (∫=dhdmdlHu0d), în jugul rotoric (∫=jrljrmjrlHu0d), în poli (∫=plpmplHu0d) și în jugul statoric (∫=jsljsmjslHu0d) se obține solenația de excitație corespunzătoare unei perechi de poli: mjsmjrmpmdmexepepuuuuuIw++++==θδ2222, (3.10) Construcția caracteristicii se face punct cu punct, pentru diverse valori ale inducției Bδ, rezultând curba Φ = Φ(Iex) sau Φ = Φ(θep) (fig. 3.10b), valabilă pentru funcționarea în gol a mașinii, deoarece la funcționarea în sarcină, peste fluxul de excitație se suprapune și fluxul de reacție a indusului. Pentru o construcție riguroasă a caracteristicii magnetice trebuie să se țină seama și de fluxurile de dispersie. Un exemplu practic de determinare a caracteristicii magnetice la funcționarea în gol a mașinii de c.c. este prezentat în lucrarea [M, 1]. Observație. La funcționarea în sarcină (I = const. ≠ 0), intervine fenomenul de reacție a indusului (care se tratează în continuare în § 3.3.1) și care afectează forma caracteristicii magnetice prezentate. Astfel, caracteristica magnetică la funcționarea în sarcină este definită ca dependența Φ = Φ(Iex, I); în figura 3.10.b s-a reprezentat cu linie punctată forma calitativă a acestei caracteristici, punându-se în evidență scăderea valorii fluxului la același curent de ezcitație. Câmpul de reacție are ca efect slăbirea câmpului inductor și la multe construcții se practică compensarea lui (mașina se echipează cu înfășurarea de compensație) pentru a menține forma caracteristicii magnetice de la funcționarea în gol la funcționarea în sarcină.

68 M. Morega, MAȘINI ELECTRICE
3.3 Fenomene electromagnetice specifice funcționării în sarcină a mașinii de curent continuu 3.3.1 Reacția magnetică a indusului Fenomenul de reacție a indusului intervine la funcționarea în sarcină a mașinii, când curentul ce străbate înfășurarea rotorică este nenul, iar solenația respectivă crează așa numitul câmp magnetic de reacție, care se compune cu câmpul magnetic inductor (de excitație, sau principal), dând naștere câmpului magnetic rezultant. In figura 3.11 sunt prezentate (în cazul unei mașini bipolare) spectre calitative pentru: câmpul inductor (a), câmpul de reacție, în cazul plasării periilor în axa neutră a polilor inductori, numit câmp de reacție transversal (b) și câmpul rezultant (c).
a. câmpul inductor b. câmpul de reacție c. câmpul rezultant Fig. 3.11 Spectre de câmp magnetic pentru ilustrarea reacției transversale Denumirile sunt asociate axelor de simetrie ale mașinii: axa polilor este denumită și axă longitudinală, iar axa neutră a polilor este axa transversală. După cum se observă, câmpul magnetic inductor este orientat după axa longitudinală, câmpul de reacție este orientat transversal, iar câmpul rezultant este orientat după o axă oarecare. In figura 3.12 s-au reprezentat grafic distribuțiile câmpurilor din mașină, considerate la nivelul întrefierului, în raport cu coordonata unghiulară α, care se măsoară aici începând din axa neutră a polilor, unde câmpul inductor este nul. Câmpul de reacție transversal are efect magnetizant pe o parte a zonei de incidență a unui pol și efect demagnetizant pe cealaltă parte. In figurile 3.11 și 3.12 reprezentarea calitativă a câmpului rezultant s-a făcut ca pentru medii liniare, prin superpoziție și idealizând geometria armăturilor. In realitate, câmpul magnetic rezultant este afectat de saturație și de eventuale nesimetrii ale construcției mașinii, iar în figura 3.12 s-a sugerat efectul saturației prin linia punctată pe caracteristica câmpului rezultant, care limitează creșterea inducției magnetice în zona vârfurilor curbei.

Capitolul 3 Mașina de curent continuu 69
Fig. 3.12 Repartiția spațială a câmpurilor magnetice inductor, de reacție și rezultant
In cazul poziției decalate a periilor față de axa neutră, câmpul de reacție se poate descompune după direcția longitudinală și cea transversală. Apare astfel câmpul de reacție longitudinal, care are aceeași orientare (câmp magnetizant) sau orientare opusă (câmp demagnetizant) față de câmpul inductor, după cum periile sunt deplasate în sensul de rotație sau în sens opus și după cum mașina funcționează ca motor sau ca generator [B, 1]. Câmpul magnetic de reacție transversal se poate compensa local, cu câmpuri care prezintă o distributie similară, dar orientate în sens opus. Soluțiile constructive curente adoptă înfășurarea de comutație, așezată pe poli plasați în axele neutre ale polilor principali, respectiv înfășurarea de compensare, plasată în crestături practicate în tălpile polare. Ambele înfășurări sunt înseriate cu înfășurarea indusului, deci parcurse de același curent și au sensul de bobinare astfel încât să producă fluxuri opuse fluxului de reacție transversal. O reprezentare a câmpurilor de compensare produse simultan de înfășurarea de comutație și de cea de compensare se dă în figura 3.13, comparativ cu reprezentarea câmpului transversal de reacție.
a. câmp de reacție transversal b. câmpuri de compensare (al înfășurării de comutație și al înfășurării de compensare) Fig. 3.13 Soluția de compensare locală a reacției transversale. Fenomenul de reacție a indusului are influență asupra funcționării în sarcină a mașinii; de exemplu, în cazul motorului derivație, câmpul de reacție slăbește câmpul inductor, astfel că la curenți mari de sarcină, când reacțiunea devine importantă, slăbirea fluxului modifică

70 M. Morega, MAȘINI ELECTRICE
forma caracteristicii mecanice și afectează stabilitatea motorului. Această problemă este reluată în § 3.5.3, la studiul caracteristicilor mecanice ale motoarelor de c.c. Un alt efect negativ se manifestă asupra fenomenelor electromagnetice din zona axei neutre a polilor inductori, zona de comutație. Răspunsul polilor de comutație la câmpul de reacție transversal trebuie să fie proporțional cu însuși câmpul de reacție și să se producă cu o constantă de timp cât mai redusă. In acest scop se iau măsuri constructive, anume: conectarea înfășurării de comutație în serie cu înfășurarea indusului pe de o parte și realizarea polilor de comutație din tole izolate și lăsînd o lărgime mai mare a intrefierului în dreptul lor decât pentru polii principali, pe de altă parte. 3.3.2 Comutația Ca urmare a rotirii indusului, periile colectoare sunt în situația de a scurtcircuita, pentru un interval de timp Tk, secțiile ce trec dintr-o cale de curent în alta (fig. 3.14a). In acest interval de timp curentul secției variază de la (+ia) la (-ia), ca în reprezentarea din figura 3.14b, fenomen numit comutația curentului. Circuitul secției scurtcircuitat de perii este sediul unor tensiuni electromotoare induse, a căror sumă raportată la rezistența electrică echivalentă a circuitului (format de secție, lamele, peria care le scurtcircuitează și contactul perie – lamele) dă valoarea curentului de scurtcircuit în secție.
a. Secție aflată în proces de comutație b. Forma de undă a curentului prin secție Fig. 3.14 Explicativă pentru procesul de comutație Secția care comută este parcursă în principal de câmpul magnetic transversal (de reacție) și de fluxul magnetic propriu. Aceste câmpuri induc tensiuni electromotoare în circuitul secției care comută, conform următoarelor fenomene: – t.e.m. indusă prin mișcare de câmpul de reacție transversal rsrtBwvle 2=, (3.11) unde l este lungimea laturii secției, v este viteza de deplasare a conductoarelor, ws e s t e numărul de spire pe secție, iar Br este inducția câmpului de reacție transversal;

Capitolul 3 Mașina de curent continuu 71
– t.e.m. indusă prin pulsație de fluxul magnetic propriu Ψs, care variază prin suprafața mărginită de secție în intervalul Tk: tiLtessLdddd−=Ψ−=, (3.12) unde Ls este inductivitatea proprie a secției. In cazul decalării periilor din axa neutră, comutația se produce într-o zonă unde intervine și influența câmpului inductor, printr-o t.e.m. indusă prin mișcare: isEBwvle 2=. (3.13) Secția care comută se găsește de asemenea sub influența câmpului produs de înfășurarea de compensare. In cazul prezenței polilor de comutație, câmpul magnetic de inducție Bk produs de solenația înfășurării de comutație duce la apariția unei t.e.m. induse prin deplasare, kskBwvle 2=. (3.14) Prezența tensiunilor electromotoare induse în secția aflată în proces de comutație afectează acest fenomen. Dacă tensiunile electromotoare ert și eL sunt datorate fenomenelor electromagnetice din mașină și sunt dăunătoare procesului de comutație, t.e.m. ek este produsă în mod special pentru a compensa efectul lor și a îmbunătăți comutația, iar dimensionarea polilor și înfășurării de comutație se face special pentru acest scop, impunându-se condiția: € e=∑ ert+eL+ek=0. (3.15) In cazul decalării periilor, prezența polilor de comutație este inutilă. Decalarea poate să fie utilă (practicată în sensul de rotație la generator și în sens opus turației la motor), la mașinile de puteri mici, realizându-se un efect de reacție longitudinală demagnetizantă, dar în același timp se mută procesul de comutație din axa neutră a polilor unde câmpul de excitație este nul, într-o zonă unde câmpul de excitație poate juca rolul pe care, la mașinile mari, îl are câmpul produs de solenația de comutație. Procesul de comutație condiționează buna funcționare a mașinii. O comutație defectuoasă are ca urmare uzarea periilor și a colectorului, prin efectul scânteilor puternice care o însoțesc. In afară de utilizarea polilor auxiliari există și alte măsuri constructive care au efecte favorabile asupra comutației, referitoare la alegerea unor anumite tipuri de perii, sau la modul de realizare a înfășurărilor rotorice. 3.4 Regimul staționar de generator Generatorul de curent continuu primește energie mecanică de la mașina de antrenare și are înfășurarea de excitație parcursă de curent, deci are asigurat fluxul de excitație în circuitul său magnetic. Este produsă energie electrică la bornele înfășurării indusului și ea poate fi furnizată unui circuit de sarcină.

72 M. Morega, MAȘINI ELECTRICE
Asocierea polarităților tensiunii și curentului la borne se face după regula de la generatoare (v. Anexa II și fig. 3.15). 3.3.1 Ecuațiile de funcționare și schema electrică Se consideră cazul generatorului cu excitație independentă (separată) (fig. 3.15), iar ecuațiile sale de funcționare reprezintă, după cum urmează: – ecuația de tensiuni (3.16) – rezultată prin aplicarea teoremei a II-a a lui Kirchhoff pe circuitul indusului, unde R este rezistența echivalentă la bornele generatorului (incluzând rezistența înfășurării indusului și rezistențele înfășurărilor de compensare și comutație, conectate în serie cu circuitul indusului, dacă mașina are astfel de înfășurări), iar ∆Up e s t e căderea de tensiune la perii, reprezentând tensiunea pe perechea de perii aflată în circuitul indusului; valoarea sa depinde de proprietățile materialului din care sunt realizate periile și este aproximativ constantă la funcționarea în sarcină, începând de la cca. 20% din curentul nominal, respectiv este neglijabilă sub această valoare;
€ U=E−RI−ΔUp (3.16) € E=kenΦ=kΩΦ (3.17) € Φ=ΦIex,I() (3.18) € M=ke2πΦI=kmΦI=kΦI (3.19) Fig. 3.15 S c h e m a e l e c t r i c ă a generatorului cu excitație separată unde viteza unghiulară de rotație € Ω=2πn și constantele € k=km=ke/2π – expresia tensiunii electromotoare induse în înfășurarea rotorică (a indusului) (3.17), preluată din § 3.1.2, ec.(3.6); – caracteristica magnetică ( 3.18) stabilită după modelul din § 3.2, în general neliniară, dar aproximată cu o dependență liniară în multe aplicații; la mașinile echipate cu înfășurare de compensare, influența curentului de sarcină I este compensată și caracteristica magnetică păstrează forma de la funcționarea în gol, ()exIΦ=Φ. – expresia cuplului electromagnetic (3.19) preluată din § 3.1.3, ec. (3.9). Ecuațiile (3.16) – (3.19) sunt asociate figurii 3.15 și caracterizează funcționarea generatorului cu excitație independentă în regim staționar; pentru generatoarele cu autoexcitație se pot formula ecuații de funcționare de același tip. 3.3.2 Bilanțul de puteri și randamentul generatorului de curent continuu Categoriile de pierderi care apar la funcționarea în sarcină a generatorului de curent continuu (vezi detalii în Anexa IV) sunt următoarele:

Capitolul 3 Mașina de curent continuu 73
– pierderi de tip Joule în circuitul electric al rotorului (PJ) și în circuitul înfășurării de excitație (Pex), cu expresiile: PJ = R·I2, respectiv Pex = Rex·Iex2; dacă mașina este echipată cu înfășurări de comutație și de compensare, se calculează și pentru acestea pierderi de tip Joule; – pierderi în miezul feromagnetic rotoric, datorate efectelor fluxului magnetic variabil în timp prin materiale feromagnetice: pierderi prin curenți turbionari și prin histerezis (PFe); – pierderi mecanice de frecare și ventilație (Pfv); – pierderi de tip Joule datorate rezistenței electrice de contact a periilor pe colector (Pp), cu expresia IUPppΔ=; – pierderi suplimentare în fier, localizate în dinții rotorului și în tălpile polare, sau în conductoarele înfășurării rotorice, datorate repartiției neuniforme a curentului alternativ în secțiunea conductorului (Ps); în comparație cu celelalte categorii de pierderi, pierderile suplimentare au o pondere foarte redusă și pot fi neglijate. Puterea absorbită de generator este de tip mecanic și provine de la motorul de antrenare. In figura 3.16. se dă o imagine sugestivă a circulației puterii active prin generatorul de curent continuu, sub forma unei scheme arbore. Fig. 3.16. Bilanțul de puteri la generatorul de c.c
Randamentul generatorului se exprimă conform relației (3.20), unde s-a ținut seama de faptul că se preferă utilizarea mărimilor măsurate electric, exprimare considerată mai precisă: € ηG=P2P2+P∑=UIUI+Pex+PJ+PFe+Pp+Pfv(). (3.20) Observație. Trebuie reținut că puterea nominală a unui generator de c.c. este egală cu produsul dintre tensiunea și intensitatea curentului, valori nominale, în circuitul de sarcină și reprezintă puterea utilă a generatorului (cedată sarcinii), în regimul nominal de funcționare. 3.3.3 Caracteristici de funcționare. Aplicații tipice. Se va face în continuare o prezentare a principalelor tipuri de caracteristici de funcționare pentru generatorul cu excitație independentă, urmând ca pentru generatoarele cu autoexcitație să fie puse în evidență doar elementele specifice acestora.

74 M. Morega, MAȘINI ELECTRICE
Pentru determinarea experimentală a caracteristicilor de funcționare ale generatorului cu excitație independentă este necesară realizarea schemei de montaj din figura 3.17, asigurându-se permanent antrenarea rotorului generatorului la turație constantă. Fig. 3.17 Schema electrică de determinare a caracteristicilor generatorului de c.c.
Caracteristica de funcționare în gol este definită ca dependența dintre tensiunea la bornele înfășurării rotorice și intensitatea curentului de excitație, când circuitul de sarcină este deschis, adică U0 = U0(Iex), în condițiile n = const., I = 0. Această dependență reprezintă, la altă scară, caracteristica magnetică la funcționarea în gol (I = 0), deoarece în acest regim ec. (3.16) devine U0 = E = kenΦ, iar în condiția n = const. și ținând cont de ec. (3.18), rezultă: U0 = (ke·n)·Φ(Iex) = const · Φ(Iex) . Caracteristica de mers în gol, reprezentată în figura 3.18. este caracterizată prin prezența celor două ramuri: ascendentă și descendentă, datorate histerezisului materialelor magnetice din compunerea circuitului magnetic și obținute la variație monotonă a curentului de excitație, având ca puncte caracteristice cele două valori ale tensiunii remanente. Dacă încercarea se efectuează asupra unui generator care nu a mai funcționat, sau are miezul demagnetizat, curba ascendentă va începe din origine, cu alte cuvinte Ur1 = 0. Fig. 3.18 Caracteristica de funcționare în gol a generatorului de c.c.
Determinarea experimentală propriu-zisă se realizează lăsând circuitul indusului în gol (K deschis pe schema din fig. 3.17), și antrenând arborele generatorului la n = const.; Ur1 se măsoară la început, cu Kex deschis, după care se închide Kex și se crește monoton curentul de excitație, prin varierea reostatului Rex, determinând ramura ascendentă, până la o tensiune la

Capitolul 3 Mașina de curent continuu 75
borne cu cca. 20% mai mare decât cea nominală (U0 ≈ 1,2Un). In sens invers se procedează pentru ramura descendentă, măsurând în final Ur2 cu Kex deschis. Caracteristica externă este definită ca dependența: U = U(I), în condițiile: n = const., Iex = const. și este reprezentată grafic în figura 3.19. Determinarea experimentală se face stabilind un curent de excitație care este apoi menținut constant; se măsoară tensiunea la borne la mersul în gol U0 și după închiderea întrerupătorului K pe circuitul de sarcină, se variază reostatul de sarcină Rs pentru încărcarea în sarcină a generatorului (creșterea curentului I). Pentru o mașină prevăzută cu înfășurare de compensare a reacției indusului (Φ = const. la variația curentului de sarcină), caracteristica este definită de ec.(3.16) unde E = const., deci reprezintă o dreaptă. Dacă mașina nu are înfășurare de compensare, fluxul rezultant scade față de valoarea de la gol, pe măsură ce crește curentul de sarcină, astfel că scade și E față de valoarea sa de la mersul în gol. Caracteristica este în acest caz mai căzătoare și neliniară, după cum este reprezentată calitativ în figura 3.19. Fig. 3.19 Caracteristica externă a generatorului cu excitație independentă
Diferența dintre valoarea tensiunii la borne la mersul în gol și valoarea la un curent oarecare de sarcină se numește cădere de tensiune și se exprimă în volți, sau procente din tensiunea de mers în gol și are ca domeniu de valori uzuale Δu = (5….10)%; de exemplu, pentru generatorul compensat RIUUU=−=Δ0, iar []% 10000UUUu−=Δ. (3.21) Caracteristica externă permite și calculul curentului de scurtcircuit. Valoarea acestui curent de avarie rezultă pe caracteristica din fig. 3.19 la intersecția dintre caracteristică și axa absciselor, adică la U = 0, sau din ec. (3.16), punând aceeași condiție. Astfel, RURUEIpsc0≈Δ−=. (3.22) Caracteristica de reglaj reprezintă dependența: Iex = Iex(I), în condițiile: U = Un = const., n = const.

76 M. Morega, MAȘINI ELECTRICE
și este reprezentată în figura 3.20. Determinarea ei experimentală se realizează pe schema din figura 3.17, cu K și Kex închise, variind atât Rs, cât și Rex, astfel încât, la diverși curenți în circuitul de sarcină, tensiunea la borne să fie menținută constantă. Fig. 3.20 Caracteristica de reglaj a generatorului cu excitație independentă
In cazul generatoarelor cu autoexcitație derivație este importantă, în primul rând, cunoașterea fenomenului de autoexcitație și a condițiilor necesare pentru producerea sa. In figura 3.21 este reprezentată schema electrică de funcționare a generatorului în gol (întrerupătorul K deschis), cu înfășurarea de excitație conectată în derivație cu bornele înfășurării indusului, iar în figura 3.22, caracteristica de funcționare în gol a generatorului cu excitația alimentată separat. Se remarcă neglijarea histerezisului și faptul că s-a ridicat caracteristica pentru ambele polarități ale curentului de excitație. Funcționarea normală corespunde caracteristicii din cadranul I, unde s-a reprezentat și dreapta de sarcină a circuitului de excitație. Punctul de funcționare stabil se află la intersecția dintre cele două caracteristici. Se observă că pentru obținerea unui astfel de punct stabil de funcționare, adică pentru realizarea autoexcitației, este nevoie să fie îndeplinite condițiile: 1. să existe o magnetizare remanentă a miezului, ceea ce echivalează cu Ur ≠ 0, necesar inițierii procesului de autoexcitație; 2. fluxul de excitație să magnetizeze miezul în sensul magnetizației remanente, ceea ce face ca, la creșterea curentului de excitație, punctul de funcționare să înainteze pe caracteristica din cadranul I și nu pe cea din cadranul II, adică U să crească față de valoarea tensiunii remanente Ur; 3. rezistența echivalentă a circuitului de excitație (este vorba de rezistența înfășurării de excitație înseriată cu rezistența reostatului de reglaj) să fie mai mică decât o anumită valoare critică, astfel încât punctul de funcționare să fie stabil (intersecția dintre dreapta circuitului de excitație și caracteristica de mers în gol să se facă doar într-un punct). Valoarea rezistenței critice este aproximativ egală cu panta caracteristicii de mers în gol. Fig. 3.21 Schema electrică a generatorului cu autoexcitație derivație

Capitolul 3 Mașina de curent continuu 77
Fig. 3.22 Producerea fenomenului de autoexcitație
Caracteristica externă a generatorului cu autoexcitație derivație se definește ca dependența: U = U(I), în condițiile Rex = const și n = const., ridicarea ei experimentală fiind posibilă (pe schema din figura 3.21) prin varierea rezistenței Rs, cu întrerupătorul K închis pe sarcină. In figura 3.23 se dă o reprezentare calitativă a unei astfel de caracteristici. După cum se observă pe schema electrică (fig. 3.21), curentul din indusul generatorului se divide între circuitul de sarcină și circuitul de excitație. Cei doi curenți I și Iex nu mai sunt independenți și nu se pot regla separat; de aceea, caracteristica externă nu mai poate fi definită la Iex = const., ca la generatorul cu excitație independentă, ci la Rex = const. Pe de altă parte, panta caracteristicii externe este mult mai căzătoare decât în cazul generatorului cu excitație separată, deoarece scăderea tensiunii la borne conduce la diminuarea curentului și deci a fluxului de excitație, ceea ce are ca urmare o scădere a t.e.m. induse și cu atât mai mult a tensiunii la borne. Regimul de scurtcircuit la generatorul derivație nu este un regim de avarie, deoarece, prin scurtcircuitarea bornelor, tensiunea aplicată circuitului de excitație se reduce la zero și fluxul de excitație din mașină este datorat exclusiv magnetizației remanente; astfel, t.e.m. indusă este mult inferioară celei din regim normal. Fig. 3.23 Caracteristica externă a generatorului derivație

78 M. Morega, MAȘINI ELECTRICE
Desigur că și în acest caz, ca și la generatorul cu excitație independentă, fenomenul de reacție a indusului la mașinile fără înfășurare de compensare conduce la scăderi și mai mari ale tensiunii la borne U, pe măsură ce crește curentul de sarcină I. Studiul generatorului cu autoexcitație serie se face pe o schemă electrică ca cea din figura 3.23. Necesitatea existenței unui curent prin înfășurarea de excitație face ca generatorul cu excitație serie să nu poată funcționa în gol. Caracteristica sa de mers în gol se ridică cu excitația alimentată separat. Autoexcitația generatorului serie se poate realiza numai la funcționarea în sarcină, cu o rezistență de sarcină mai mică decât rezistența critică. Caracteristica externă a generatorului cu autoexcitație serie se definește ca fiind dependența: U = U(I) , unde I = Iex, în condiția n = const. Forma sa este prezentată calitativ în figura 3.25. După cum se observă, la curenți de sarcină mici (respectiv flux de excitație scăzut), caracteristica este crescătoare, creștere limitată de saturația circuitului magnetic și abia la curenți de sarcină mari, când fluxul de excitație rămâne practic constant datorită saturației, generatorul are o caracteristică obișnuită, descrescătoare.

Fig. 3.24 Schema electrică a generatorului de c.c. cu excitație serie Fig. 3.25 Caracteristica externă a generatorului de c.c. cu excitație serie Forma atipică a caracteristicii externe a generatorului cu excitație serie face ca acest generator să fie utilizat în anumite aplicații speciale, ca de exemplu la alimentarea unor rezistențe de valoare constantă, sau apare ca regim de funcționare în cazul frânării dinamice a motoarelor de c.c. serie (§ 3.5.7). Generatorul de c.c. cu excitație compound are înfășurarea de excitație principală conectată în derivație și o înfășurare de excitație secundară, conectată în serie cu bornele înfășurării indusului, într-una dintre variantele prezentate în figura 3.26.

Fig. 3.26 Variante de conectare a înfășurărilor generatorului compound.

Capitolul 3 Mașina de curent continuu 79
Infășurarea derivație fiind înfășurarea de excitație principală, ea este cea care imprimă forma caracteristicii externe, în timp ce înfășurarea serie produce un flux suplimentar, care aduce o ușoară ajustare acestei caracteristici (fig. 3.27). Fig. 3.27 Caracteristici externe ale generatorului compound
Uzual, înfășurarea serie contribuie la creșterea fluxului de excitație pe măsură ce mașina se încarcă în sarcină, în scopul compensării căderilor de tensiune și a influenței fluxului de reacție; astfel, înfășurarea serie este practic o înfășurare de "compensare"; solenațiile celor două înfășurări de excitație produc fluxuri care se însumează, iar acest tip de compoundaj se numește adițional. Dacă solenația înfășurării serie produce un flux magnetic orientat în sens opus celui de excitație, atunci compoundajul se numește diferențial. In figura 3.27 s-au prezentat comparativ caracteristici externe ale generatorului cu excitație compound, în mai multe cazuri tipice: – mașina fără excitație adițională – generatorul derivație (fără compoundaj); – mașina cu excitația adițională care menține, în sarcină nominală, tensiunea la aceeași valoare cu cea de la mers în gol – generatorul echicompoundat; – mașina cu excitația adițională care are caracteristica externă crescătoare – generatorul supracompoundat; – mașina cu excitația diferențială care accentuează caracterul căzător al caracteristicii externe – generatorul subcompoundat. Observație. La generatorul compound trebuie să se țină seama de îndeplinirea condițiilor de autoexcitație; problema este identică cu cea a generatorului derivație, deoarece la funcționarea în gol efectul înfășurării de excitație serie nu intervine. Forma caracteristicii externe explică, de cele mai multe ori, de ce un anumit tip de generator este preferat în anumite aplicații. Iată în continuare câteva exemple. Generatoarele compound sunt utilizate în aplicații specifice, precum: generatoare subcompoundate pentru sudură (regimul nominal este practic cel de scurtcircuit), generatoare supracompoundate pentru alimentarea unor sarcini la tensiune cu plajă largă de variație (ex: motoarele de c.c. care acționează laminoare); sunt de asemenea utilizate generatoarele echicompoundate în aplicații la calea ferată. Generatoarele de sudură alimentează arcul electric dintre electrozii de sudare, principala condiție de utilizare fiind asigurarea continuității arcului. Grupurile electrogene sunt construite dintr-un motor de antrenare (de curent continuu, asincron, sau un motor cu ardere internă) și generatorul de curent continuu care trebuie să aibă o caracteristică externă foarte căzătoare, conform condițiilor procesului de sudare (curent de sarcină mare, tensiune

80 M. Morega, MAȘINI ELECTRICE
foarte redusă, practic regim de scurtcircuit). Variantele constructive care se utilizează sunt: generator cu excitație independentă, sau cu excitație derivație subcompoundat, adică cu o înfășurare suplimentară serie, conectată diferențial (fig. 3.27, curba d). Reglajul tensiunii de ieșire se face reglând solenația înfășurării serie, care este prevăzută cu prize. Astfel de grupuri convertizoare se fabrică la IME București, cu motoare asincrone de antrenare și având tensiunea nominală a generatorului de 34 V sau 44 V, iar curentul de sarcină maxim de 370 A, respectiv 625 A. Tahogeneratoarele de curent continuu sunt utilizate ca traductoare de turație, atât în măsurarea directă a turației, cât și în sistemele de reglare automată. Principiul de măsurare al tahogeneratorului se bazează pe ecuația de tensiuni a generatorului de curent continuu (3.16), la funcționarea în gol, I = 0: Φ=≈nkEUe0. La flux de excitație constant, asigurat de obicei de magneți permanenți realizați din materiale cu stabilitate mare în timp a proprietăților magnetice și cu ciclu de histerezis cât mai îngust (alnico, magnico, etc.), tensiunea produsă de generator este proporțională cu turația. Tahogeneratoarele se cuplează rigid cu arborele mecanismului a cărui turație se măsoară. Există multe variante de servomotoare utilizate în acționările automate, care se fabrică și se livrează cu tahogeneratorul încorporat în aceeași carcasă cu motorul. Amplificatoarele electrice rotative sunt realizate dintr-un lanț de generatoare de curent continuu cu excitație independentă, conectate ca în figura 3.28. Fiecare generator cu excitație independentă realizează o amplificare a semnalului electric aplicat excitației, în semnalul rezultat la bornele indusului, iar o cascadă de generatoare cu excitație independentă realizează amplificarea în trepte a unui semnal aplicat inițial primului circuit de excitație: 1121 UKKKKUiii…−=. (3.23)
Fig. 3.28 Cascadă de amplificatoare electrice rotative. Pe baza acestui model există mai multe variante constructive. Avantajele utilizării amplificatoarelor electrice rotative comparativ cu cele electronice constau în robustețe mecanică, fiabilitate sporită, putere mare, întreținere simplă, etc. Surse independente de energie electrică sub forma generatoarelor de curent continuu cu arborele antrenat de un motor cu ardere internă (sau uneori chiar electric) se întâlnesc de exemplu instalate pe vehicule și alimentează consumatorii locali (încălzire,

Capitolul 3 Mașina de curent continuu 81
iluminat, diverse servicii), funcționând în tampon cu o baterie de acumulatori pe care o încarcă în timpul mersului normal al motorului de antrenare. Iată câteva exemple: – pe locomotive se folosesc generatoare derivație și compound (echicompoundate) cu tensiunea de ieșire joasă, de cel mult 110 V; – pe aeronave se utilizează generatoare special construite, cu greutate și gabarit cât mai reduse, pentru a funcționa la turație ridicată (10000…20000) rot/min, având excitație derivație sau mixtă, capabile să asigure o funcționare cât mai sigură, în orice poziție, la mare altitudine, în condițiile unor regimuri tranzitorii rapide; – pe autovehicule era inițial utilizat așa numitul dinam, un generator de c.c. derivație; dinamul este în prezent aproape complet înlocuit pe autovehicule de un generator sincron, numit și alternator (studiat în § 3.3.1), dar este folosit pentru alimentarea farului de la bicicletă și la alimentarea unor lămpi portabile. Tot ca sursă independentă de tensiune continuă este utilizat generatorul de curent continuu derivație, ca excitatoare pentru generatoarele sincrone din centralele electrice. El este plasat pe același ax cu generatorul sincron și rotit împreună cu acesta, de către turbina de antrenare. z