Regimuri de Functionare ale Masinilor de Curent Continuu

1.1. GENERALITĂȚI

Mașina de curent continuu este mașina electrică la care schimbul principal de energie cu o rețea se face în curent continuu.

Mașinile de curent continuu se caracterizează prin faptul că în circuitul exterior trece curent continuu,iar tensiunile electromotoare se induc numai prin mișcare. Ele pot fi cu colector ( redresor mecanic ) sau cu inele ( mașini unipolare ).

Mașina de curent continuu este utilizată atât în regim de motor cât și în regim de generator; regimul de frână este întâlnit numai incidental în funcționarea mașinii de curent continuu.

Mașinile de curent continuu cu colector au fost primele generatoare industriale de energie electromagnetică realizate pe baza inducției electromagnetice. Apariția curentului alternativ sinusoidal, în special al sistemului trifazat de producere, transmitere și distribuție a energiei electrice, a restrâns mult domeniul de utilizare al mașinilor de curent continuu. Se mai folosesc generatoare de curent continuu pentru sudură, pentru autovehicule sau cu aplicații în electrochimie. Principala utilizare actuală a mașinii de curent continuu este cea de motor electric, datorită caracteristicilor electromecanice avantajoase pe care le prezintă. Motoarele de curent continuu se folosesc în tracțiunea electrică (tramvaie, troleibuze, locomotive electrice) , în industria metalurgică și siderurgică pentru acționarea unor mecanisme (laminoare, bluminguri, mașini de trefilat ) și în general în acționările care necesită reglajul turației în limite largi.

La mașina de curent continuu câmpul magnetic inductor este fix față de armătura inductoare, realizată ca stator. Câmpul inductor poate fi produs cu ajutorul curentului continuu sau cu ajutorul magneților permanenți ( la puteri mici ). Înfășurarea prin care trece curentul continuu pentru producerea câmpului inductor se numește înfășurare de excitație, iar curentul respectiv curent de excitație.

Indusul mașinii de curent continuu, realizat pe rotor este prevăzut cu o înfășurare de curent continuu (de tip închis ), conectată la colector, organ caracteristic și indispensabil al mașinii de curent continuu, care are rolul de a redresa curentul alternativ al indusului pentru a da în circuitul exterior un curent continuu.

Figura 1. Conexiunile mașinii de curent continuu :

a-cu excitație separată, b-cu excitație derivație, c-cu excitație serie, d-cu excitație mixtă

Înfășurarea de excitație a mașinii de curent continuu poate fi alimentată în diferite moduri : de la surse exterioare mașinii, când se spune că mașina are excitație separată, sau chiar de la bornele mașinii, când se spune că mașina este autoexcitată. După modul de conectare al înfășurării de excitație mașinile cu autoexcitație pot fi : cu excitație în paralel sau în derivație, cu excitație în serie, sau cu excitație compund ( mixtă ).

1.2. ELEMENTE CONSTRUCTIVE

Mașina de curent continuu se compune, ca orice mașină electrică din două părți principale :

– statorul – partea fixă care este inductorul

– rotorul – partea mobilă și care reprezintă indusul mașinii.

Statorul cuprinde carcasa cu scuturile portlagăr și sistemul inductor cu poli aparenți. Rotorul este realizat ca indus al mașinii și este prevăzut cu colector.

Figura 2a. Secțiune longitudinală printr-o mașină de curent continuu

Pn=85kW, Un=110V, n=600rot/min :

1-carcasa, 6-scut parte tracțiune, 7-scut parte opusă tracțiune, 8-ansamblu port – perie,

9-conductă flexibilă spre cutia de borne, 10-cutia de borne, 11-pachet de tole rotor,

12-ansamblu bobinaj rotor, 13-ansamblu colector, 14-arbore, 15-ansamblu lagăr rulment

parte tracțiune, 16-ansamblu rulment parte opusă tracțiune, 17-ungător cu bilă, 18-sector

pentru vaselină, 19-ansamblu ventilator, 20-jaluzea, 21-ramă cu plasă, 22-șurub de punere

la pământ, 23-inele de ridicare.

Figura 2b. Secțiune transversală printr-o mașină de curent continuu

Pn=85kW, Un=110V, n=600rot/min :

2-poli principali, 3-bobina de excitație ( înfășurarea derivație plus înfășurarea serie ),

4-poli auxiliari, 5-bobina polului auxiliar.

Indusul mașinii de curent continuu este magnetizat alternativ datorită rotirii lui în câmpul inductor. Miezul indusului este un cilindru realizat din tole de oțel electrotehnic,de 0,5 mm grosime, izolate între ele cu lac sau oxizi. La periferia miezului indusului sunt practicate crestături sub forma unor canale longitudinale deschise sau semiînchise, prima formă prezentând avantaje tehnologice deoarece ușurează așezarea înfășurării în crestături. În crestături este dispusă înfășurarea indusului, ale cărui conductoare sunt legate după anumite reguli la lamelele colectorului. Înfășurarea rotorică este o înfășurare simetrică închisă, ale cărui bobine sunt înseriate la lamelele colectorului.

Colectorul este un corp cilindric format din lamele de cupru ecruisat de secțiune trapezoidală, izolate unele față de celelalte cu micanită și față de inelele de strângere speciale, cilindrice sau conice, care le consolidează în formă de coroană circulară. Fixarea lamelelor este ușurată prin forma în coadă de rândunică a bazelor lor. Fiecare lamelă de colector este prevăzută la unul din capete cu un canal radial în care se lipesc legăturile de la înfășurarea indusului, sau cu stegulețe la care se leagă înfășurarea indusului. Indusul și colectorul se fixează pe arborele mașinii prin intermediul unor pene sau bucșe.

Figura 3. Colector cu forma bazei lamelei în coadă de rândunică:

1-lamelă de colector, 2-con de strângere, 3-con izolant,

4-cilindru izolant, 5-stegulețe, 6-butuc, 7-nervură

Figura 4. Colector cu lamelă în formă de H

Între polii inductori și miezul magnetic al rotorului, există un spațiu de aer numit întrefier, prin care se închid liniile câmpului magnetic principal.

Inductorul este format din polii principali sau polii inductori și din polii auxiliari sau polii de comutație. Polii principali servesc la crearea câmpului inductor. Ei au un miez pe care sunt așezate bobinele de excitație concentrate , iar în partea către întrefier sunt prevăzuți cu piese polare, care asigură o repartiție mai favorabilă a inducției magnetice în întrefier. Polii inductori pot fi din oțel masiv sau ștanțați din tole de oțel de 1-2 mm grosime. Ei sunt fixați cu buloane de carcasă care are și rol de jug magnetic pentru închiderea fluxului magnetic de la un pol la altul. De regulă carcasa este din oțel sau din fontă. Polii de comutație se realizează din oțel și sunt prinși de jug prin buloane. Pe polii de comutație se dispune o înfășurare conectată în serie cu înfășurarea indusului. La mașinile de putere mare, în piesele polare ale polilor inductori se dispune în crestături o înfășurare de compensare în serie cu înfășurarea indusului.

Figura 5. Pol principal ( de excitație ): 1-miezul polar, 2-piesă polară,

3-bobină de excitație, 4-izolație, 5-carcasa, 6-șurub cu cap hexagonal

Figura 6. Pol auxiliar : 1-miezul polar,

2-bobina polară executată din bară de cupru îndoită pe cant

Carcasa are și rolul de a fixa mașina la locul de acționare prin intermediul tălpilor. Ea se închide de o parte și de alta prin scuturi. Scuturile servesc și ca suporți de lagăre (rulmenți ), în care se rotește arborele mașinii.

Pe suprafața exterioară a colectorului calcă periile realizate prin sinterizare din grafit artificial sau pulberi metalografitice. Periile sunt ghidate de portperii, prevăzute cu arcuri care apasă periile pe suprafața colectorului cu o anumită forță. Portperiile sunt așezate pe tije de susținere fixate izolat pe un colier. Colierul se fixează de regulă pe un scut sau pe o piesă de ghidare, solidară cu carcasa și poate fi rotit în anumite limite pentru a aduce periile în poziția necesară unei funcționări corecte a mașinii.

Capetele înfășurărilor de excitație și tijele periilor sunt legate la borne fixate pe o placă de borne solidară cu carcasa, fiind protejate într-o cutie de borne.

Figura 7. Perie și portperie : 1-carcasa periei, 2-perie, 3-resort, 4-conductor flexibil

Figura 8. a – crucea portperiilor, b – fixarea crucii portperiilor pe palier

PRINCIPIUL DE FUNCȚIONARE ALE MOTORULUI DE C.C.

Motorul de curent continuu transformă energia electrică de curent continuu în energie mecanică. Motorul de curent continuu prezintă o serie de avantaje, cum ar fi: posibilitatea reglării vitezei în limite largi și posibilitatea schimbării sensului de rotație, relativ simplu.

Funcționarea motorul de curent continuu se bazează pe fenomenul de apariție a forței electromagnetice care acționează asupra unui conductor parcurs de

curent și situat în câmp magnetic.

Pentru ca mașina electrică de curent continuu să funcționeze ca motor este necesar să fie alimentată cu tensiune continuă atât înfășurarea de excitație cât și

înfășurarea rotorică.

Funcționarea motorului de curent continuu va fi explicată cu ajutorul schemei din figura 6.16.

Înfășurarea de excitație este conectată la o sursă de tensiune continuă, care nu a fost reprezentată în figură. Ca urmare, prin înfășurările polilor de excitație va

trece

curentul continuu Ie având sensul reprezentat în figură. Curentul Ie creează

câmpul magnetic de excitație; sensul acestui câmp s-a reprezentat prin vectorul

inducție magnetică B .

Astfel, prin conductoarele situate în dreptul polului nord s-a considerat că sensul

lui Ia

este de a ieși, iar prin conductoarele

situate în dreptul polului sud, curentul Ia are

sensul de a intra.

Conductoarele înfășurării rotorice sunt parcurse de curentul continuu Ia și se găsesc

în câmpul magnetic constant de inducție B creat de curentul Ie. Ca urmare a acestui fapt, asupra conductoarelor care formează înfășu- rarea rotorică vor acționa forțe electromagne-

tice

F , al căror sens se poate determina cu

regula mâinii stângi. Aplicând această regulă

rezultă

că asupra conductoarelor situate în

dreptul polului nord acționează forțe orientate de la stânga spre dreapta, iar asupra conductoarelor situate în dreptul polului sud forțe orientate de la dreapta spre stânga.

Fig. 6.16 Figură explicativă pentru funcționarea motorului de c.c.

Forțele electromagnetice F , produc un cuplu Mc, denumit cuplu electro- magnetic, care acționează asupra rotorului. Dacă acest cuplu este mai mare decât

momentul rezistent al rotorului,

rotorul va căpăta o mișcare de rotație în sensul

indicat în figură, cu o anumită turație n.

În timp ce rotorul se rotește sub acțiunea cuplului electromagnetic Mc, în mașină se manifestă și fenomenul de inducție electromagnetică, ca și la generatorul de curent continuu, deoarece conductoarele care formează înfășurarea rotorică sunt deplasate în câmpul magnetic creat de curentul de excitație. Ca urmare a acestui lucru, în conductoarele înfășurării rotorice se va induce o tensiune Ue, denumită tensiune contraelectromotoare, deoarece are polaritatea inversă tensiunii de alimentare a înfășurării rotorice U. Polaritatea tensiunii contraelectromotoare Ue se poate determina cu regula mâinii drepte. Aplicând această regulă se obține sensul curentului pe care l-ar genera această tensiune prin conductoarele înfășurării rotorice, sens care a fost reprezentat în figura 6.16 lângă conductoarele înfășurării rotorice. Se consideră că acest curent are un sens invers față de curentul Ia generat în înfășurarea rotorică de către sursa de alimentare U. Rezultă că tensiunea contraelectromotoare Ue indusă în înfășurarea rotorică are polaritatea inversă tensiunii de alimentare U.

În figura 6.17 este reprezentată schema echivalentă a circuitului rotoric al motorului de curent continuu, în care s-a notat cu Ra rezistența înfășurării rotorice

și cu

rp rezistența contactelor perie – colector. Din schema echivalentă, prin

aplicarea legii lui Ohm și neglijând rezistența internă a sursei de alimentare U, se

obține relația:

U = Ue + Ia (R a + rp )

care reprezintă ecuația tensiunilor pentru înfășurarea rotorică.

Această relație mai poate fi scrisă și sub forma:

I = U − Ue

R a + rp

(6.22)

Fig. 6.17 Schema echivalentă

a circuitului rotoric

Din relația (6.22) rezultă că în momentul pornirii motorului, deoarece tensiunea contra- electromotoare este nulă atât timp cât rotorul stă pe loc, curentul Ia prin înfășurarea rotorică devine:

U

Ia = R a + rp

CLASIFICAREA MOTOARELOR DE CURENT CONTINUU

Motoarele de curent continuu, din punct de vedere al modului de alimentare a înfășurării de excitație pot fi:

– motoare de curent continuu cu excitație separată;

– motoare de curent continuu cu excitație derivație;

– motoare de curent continuu cu excitație serie;

– motoare de curent continuu cu excitație mixtă.

La motorul de curent continuu cu excitație separată sunt utilizate două surse de tensiune continuă pentru alimentarea înfășurării de excitație și a înfășurării rotorice. Schema electrică a acestui motor este prezentată în figura 6.18. La acest motor curentul prin înfășurarea rotorică este egal cu curentul de alimentare, Ia = I. Pornirea motorului se face prin reglarea tensiunii de alimentare U, valoarea acestei tensiuni reglându-se treptat de la o valoare foarte mică până la valoarea nominală. Turația motorului se reglează cu reostatul Rc.

Schema electrică a motorului de c.c. cu excitație derivație este prezentată în

figura 6.19.

Fig. 6.18 Schema electrică a motorului Fig. 6.19 Schema electrică a motorului de c.c. cu excitație separată cu excitație derivație

La motorul de c.c. cu excitație derivație înfășurarea de excitație este conectată în derivație cu înfășurarea rotorică.

Reostatul Rp conectat în serie cu înfășurarea rotorică este utilizat pentru limitarea curentului Ia la pornire, iar reostatul Rc conectat în serie cu înfășurarea de excitație este utilizat pentru reglarea turației. Între curenții din circuit există următoarea relație:

I = Ia + Iex

La motorul cu excitație serie înfășurarea de excitație este conectată în serie cu înfășurarea rotorică (fig. 6.20). Reostatul Rp este utilizat pentru limitarea curentului Ia la pornire, iar reostatul Rc, conectat în derivație cu înfășurarea de excitație, este utilizat pentru reglarea turației motorului. Între curenții din circuit există următoare relație:

I = Ia

= Iex

Schema electrică a motorului de c.c. cu excitație mixtă este reprezentată în figura 6.21

Fig. 6.20 Schema electrică a motorului Fig. 6.21 Schema electrică a motorului de c.c. cu excitație serie cu excitație mixtă

Motorul cu excitație mixtă are două înfășurări de excitație, o înfășurare de excitație fiind conectată în serie, iar cealaltă în derivație, cu înfășurarea rotorică. Reostatul Rp este utilizat pentru limitarea curentului Ia la pornire, iar reostatul Rc, conectat în serie cu înfășurare de excitație derivație, este utilizat pentru reglarea turației motorului. Din schemă rezultă că intensitatea curentului de alimentare este dată de relația:

I = Ia + Iexd

Motorul cu excitație mixtă poate fi cu excitație adițională (cele două fluxuri de excitație au același sens și se însumează) sau cu excitație diferențială (cele două fluxuri de excitație au sensuri contrare și se scad).

Tensiunea electromotoare indusă într-o cale de curent a rotorului unui motor de curent continuu se calculează cu relația:

U = p ⋅ N ⋅

e a

n ⋅ φ = K

60 E

⋅ n ⋅ φ

unde: p reprezintă numărul de perechi de poli; a – numărul de perechi de căi de current; N – numărul de conductoare active ale rotorului; n – turația rotorului,

exprimată în rot/min; φ – fluxul magnetic inductor al unui pol, exprimat în Wb; KE

– coeficient de proporționalitate.

CARACTERISICILE MOTOARELOR DE C.C.

Caracteristica mecanică a motorului de curent continuu reprezintă

dependența turației motorului n, de cuplul electromagnetic M (aproximati egal cuplul mecanic M2), n = f(M), atunci când tensiunea de alimentare și curentul de excitație sunt constante, U = const., Ie = const.

Caracteristica mecanică a motoarelor cu excitație separată și derivație

Din ecuația de echilibru a tensiunilor (6.21) și din expresia tensiunii electromotoare (rel. 6.27) rezultă:

n = U − R a ⋅ Ia

K E ⋅ φ

= U

K E ⋅ φ

− R a ⋅ Ia

K E ⋅ φ

Din expresia cuplului electromagnetic (rel. 6.34) rezultă: M

Ia =

K M ⋅ φ

Înlocuind relația (6.42) în relația (6.42) se obține:

n = U −

R a ⋅ M

= n − K ⋅ M

K M ⋅ φ

K M ⋅ K E

⋅ φ2 o 1

În relația (6.43) no reprezintă turația de mers în gol, la cuplu de sarcină zero

(M = 0). Ea este proporțională cu tensiunea de alimentare U și invers proporțională

cu fluxul φ.

În figura 6.25 (curba 1) este redată caracteristica mecanică a motoarelor de

curent continuu cu excitație separată sau derivație. Aceasta este o dreaptă cu panta negativă, fiind o caracteristică rigidă, de tip derivație.

Caracteristica prezintă o variație mică a turației la o variație mare a cuplului rezistent, motiv pentru care aceste motoare sunt utilizate în acționările electrice

unde este nevoie de o turație aproximativ constantă la o variație mai mare a

cuplului rezistent.

Caracteristica mecanică a motorului cu excitație serie

Făcându-se abstracție de saturația magnetică, se poate considera că fluxul magnetic este proporțional cu curentul Ia:

φ = K ϕ ⋅ Ia

În acest caz expresia cuplului electromagnetic devine:

2

M = K M ⋅ φ ⋅ Ia

= K M ⋅ K ϕ ⋅ Ia

Din ecuația de echilibru a tensiunilor:

U = Ue + (R a + R es )⋅ Ia

și din expresia tensiunii electromotoare (6.27) și a fluxului magnetic (6.44), rezultă

turația motorului:

n = U − (R a + R es )⋅ Ia

K E ⋅ φ

= U

K E ⋅ K ϕ ⋅ Ia

− R a + R es

K ϕ ⋅ K E

Valoarea curentului indus Ia rezultă din relația (6.46):

I = M

K M ⋅ K ϕ

Înlocuind relația (6.48) în relația (6.47) rezultă:

n ==

U − R a + R es =

K1 − K

M ⋅ K ϕ

K E K

K ϕ ⋅ K E M

M

care exprimă ecuația unei hiperbole.

În figura 6.25 (curba 2) este repre- zentată caracteristica mecanică a motoru- lui de curent continuu cu excitație serie, care este caracteristică mecanică suplă

sau de tip serie. Se observă că

la o

variație mică a cuplului de sarcină, apare o variație mare a vitezei.

Din analiza caracteristicii mecani- ce, rezultă că motorul de c.c. cu excitație serie nu poate porni în gol, deoarece

turația ar fi foarte mare, motiv pentru care la pornire se impune un cuplu

rezistent de minimum 0,25Mn.

Caracteristica mecanică de tip serie

Fig. 6.25 Caracteristicile mecanice ale motorului de c.c.

este avantajoasă în tracțiunea electrică

deoarece permite obținerea unor cupluri de pornire importante și suportă șocurile de sarcină la o putere utilă constantă. Motoarele cu excitație serie sunt utilizate și la mașinile de ridicat și de extracție.

Caracteristica mecanică la motoarele cu excitație mixtă

La aceste motoare cu excitație serie adițională, la care înfășurarea de excitație serie produce un flux magnetic de același sens cu fuxul magnetic produs

de înfășurarea de excitație derivație, se produce o scădere mai mare a turației pe măsură ce sarcina sa crește (curba 3), obținându-se o situație intermediară între

cazul

excitației derivație (curba 1) și cea serie (curba 2) din figura 6.25 . Aceste

motoare sunt utilizate în tracțiunea electrică.

În cazul motoarelor cu excitație mixtă diferențială (la care fluxul magnetic produs de înfășurarea serie este de sens contra cu fluxul magnetic produs de

înfășurarea derivație), excitația serie dezexcită motorul pe măsură ce sarcina crește, din care cauză turația nu mai scade ca la excitația derivație, ci rămâne practic constantă (curba 4). Aceste motoare sunt utilizate mai rar, deoarece pot apărea

fenomene de instabilitate în funcționarea lor. La pornirea lor, înfășurarea serie trebuie scurtcircuitată deoarece micșorează cuplul de pornire prin micșorarea fluxului magnetic rezultant, ceea ce conduce la înrăutățirea condițiilor de pornire.

Din expresia turației motorului de curent continuu, rezultă că viteza de

rotație poate fi modificată prin variația tensiunii de alimentare U, prin intercalarea în circuitul electric al indusului a unui reostat variabil Rv și prin modificarea

fluxului magnetic inductor φ. Se pot obține astfel caracteristicile de reglaj ale

motoarelor de curent continuu, care sunt familii de caracteristici mecanice

artificiale.

FLUXUL TEHNOLOGIC AL MOTOARELOR DE C.C.

Sfaturi practice pentru intretinerea si functionarea motoarelor de c.c.
Periile si colectorul sunt partile cele mai pretentioase din constructia si intretinerea motoarelor de curent continu. Pentru o comutatie buna a motoarelor electrice trebuie respectate anumite criterii constructive si de calitate:
• izolatia dintre lamele trebuie sa fie mai mica decat inaltimea lamelelor pentru ca periile din carbune sa alunece numai pe lamelele din cupru chiar si dupa o perioada mai indelungata de functionare;
• suprafata exterioara trebuie sa fie slefuita si perfect centrata pe axul de rotire, pentru ca periile sa faca contact electric bun si sa alunece usor, fara joc care sa produca scantei la colector sau sa inrautateasca comutatia.
• nu este permis sa se inlocuiasca periile uzate sau defecte decat cu altele originale sau de acelasi tip indicat de intreprinderea constructoare, pentru ca tipurile de perii respective au fost studiate, experimentate si adaptate de constructor conditiilor respective de functionare.
• periile trebuie sa reziste la temperaturi de lucru de 100 – 150°C.
• port-periile au rolul de a tine si a pastra periile pe colector intr-o anumita pozitie, astfel incat sa se obtina tensiunea maxima la borne. Port-periile difera dupa modul in care ghideaza si apasa periile. Pozitia si forta de apasare a periilor trebuie stabilita pentru ca periile sa faca contact electric bun si sa alunece usor.
Exista mai multi factori care influenteaza comutatia, iar acestia sunt clasificati in mai multe categorii:
• electromagnetic: tensiunea electromotoare; parametrii sectiei; rezistenta de contact;
• mecanici: viteza de rotatie; presiunea periei pe colector; prelungirea suprafetelor de contact; modul de asezare a periilor pe colector;
• de alta natura: materialul periilor si al colectorului; uzura si starea suprafetei de contact; mediul in care lucreaza masina.
Imbunatatirea comutatiei se poate realiza numai prin respectarea urmatoarelor conditii:
• asigurarea presiunii intre perie si colector;
• folosirea unor perii adecvate cu rezistenta transversala marita;
• asigurarea calitatii corespunzatoare a materialului periilor.
In timpul functionarii, imbunatatirea comutatiei se poate realiza prin:
• decalarea periilor din axa neutra;
• intretinerea corespunzatoare a suprafetelor de contact;
• asigurarea intretinerii periodice a masinilor datorita fenomenului mecanic de uzura dintre perii si suprafetele colectorului.
Procesul de comutatie la masinile electrice se pot clasifica pe anumite grade: 
• Gradul 1 – lipsesc scanteile vizibile;
• Gradul 1 ¼ – apar scantei albe punctiforme pe mai putin de 1/4 din suprafata periilor;
• Grad 1 ½ – apar scantei albe punctiforme pe mai putin de 1/2 din suprafata periilor;
• Grad 2 – apar scantei albe pe toata suprafata periilor;
• Grad 3 – apar scantei puternice alungite pe toata suprafata periilor;
Criteriile de acceptabilitate in timpul functionarii sunt urmatoarele:
• Se permite functionarea cu scantei de gradul 1 1/2;
• Gradul 2 este permis doar la pornire si la suprasarcini.
Pentru evitarea aparitiei scurtcircuitului si a avarierii iremediabile a masinii electrice, se recomanda o verificare a componentelor masinii electrice care pot determina aparitia scanteilor si inlocuirea subansamblelor necorespunzatoare.

2. REGIMURI DE FUNCȚIONARE ALE MAȘINILOR DE CURENT CONTINUU

2.1 .REGIMUL DE GENERATOR AL MAȘINII DE CURENT CONTINUU

Mașina de curent continuu poate funcționa în regim de generator, motor sau frână. În regimul de generator, mașina transformă puterea primită pe la arbore de la un motor (care antrenează generatorul ) în putere electrică. Pentru antrenarea generatorului de curent continuu motorul primar dezvoltă un cuplu activ cu același sens ca și viteza de rotație. Dacă înfășurarea de excitație este alimentată cu un curent Ie de la o sursă de curent continuu atunci la borne va apărea o tensiune U0 = E0 . Dacă între borne conectăm o rezistență oarecare, atunci în circuitul astfel format se va stabili un curent IA , care va parcurge înfășurarea rotorului în același sens ca și tensiunea electromotoare E0 .Câmpul magnetic de reacție dat de curentul IA se va suprapune peste cel de excitație, dând un câmp magnetic rezultant în întrefier,al cărui flux magnetic pe pol Φ diferă cu câteva procente de valoarea Φ0 corespunzătoare lui IA = 0 ; Φ < Φ0 și E < E0 .

După modul de alimentare a înfășurării de excitație, generatoarele de curent continuu pot fi :

– generatoare cu excitație separtă ( figura a ),

– generatoare cu autoexcitație .

În categoria generatoarelor cu autoexcitație avem :

– generatoare cu excitație derivație ( figura b ),

– generatoare cu excitație serie ( figura c ),

– generatoare cu excitație mixtă ( figura d ).

Figura 23. Generatoare de curent continuu

În schemele din figură s-au notat cu :

Re – rezistența reostatului de excitație,

Ra – rezistența indusului și a polilor auxiliari,

Rs – rezistența reostatului de sarcină,

a – întreruptor monopolar,

Ia – intensitatea curentului din indus,

I – intensitatea curentului din circuitul de sarcină,

Ie – intensitatea curentului din circuitul de excitație,

U – tensiunea la bornele generatorului,

M – motor primar de antrenare a rotorului generatorului.

Înfășurarea de excitație a generatorului cu excitație separată ( independentă ) este alimentată de lao sursă separată de curent continuu. La generatoarele cu excitație derivație ( paralel sau șunt ) , infășurarea de excitație este alimentată în paralel de la bornele generatorului. La generatoarele cu excitație serie, înfășurarea de excitație este alimentată în serie cu alimentarea indusului. La generatoarele cu excitație mixtă, există două înfășurări de excitație, una fiind alimentată în paralel de la bornele generatorului, iar cealaltă în serie cu circuitul indusului.

Puterea electrică necesară pentru a excita un generator este : Pe = (0,01…0,03)Pn .

La generatoare cuplul electromagnetic acționează asupra rotorului în sens opus sensului de rotație .

2.2. REGIMUL DE MOTOR AL MAȘINII DE CURENT CONTINUU

Mașinile de curent continuu sunt reversibile, putând funcționa atât în regim de generator cât și în regim de motor.

Motorul electric transformă puterea electrică primită de la o rețea electrică în putere mecanică prin intermediul câmpului electromagnetic.

Dacă se aplică la bornele unei mașini de curent continuu o tensiune continuă U, prin înfășurarea indusului va circula un curent Ia . Din interacțiunea dintre câmpul magnetic inductor al polilor inductori statorici și curentul din indus, iau naștere forțe electromagnetice F tangente la indus, care raportate la axul mașinii produc asupra rotorului un cuplu electromagnetic M. Acest cuplu pune în mișcare rotorul. Prin rotirea indusului în câmpul magnetic inductor statoric, în înfășurarea rotorică se va induce o tensiune electromotoare de mișcare Uc al cărui sens este invers sensului curentului ce circulă prin înfășurare. Această tensiune (contraelectromotoare ) va genera în indus un curent de sens contrar curentului inițial. Ca urmare, curentul care va circula prin indus va fi :

Ia = ( U – Uc )/Ra

Dacă nu ar fi această tensiune contraelectromotoare curentul în indus ar fi foarte mare și ar arde înfășurarea. La pornirea unui motor Uc = 0 căci mașina stă pe loc și deci

Ia = U /Ra . Reducerea curentului primit de indus la pornire se face cu ajutorul unei rezistențe variabile legată în serie cu indusul numită reostat de pornire. Treptat această rezistență este micșorată și la urmă este scoasă din circuit. Aceste rezistențe nu sunt construite să suporte mult timp un curent puternic și de aceea nu trebuie să se uite maneta pe un contact intermediar căci se ard.

Ecuațiile motorului în regim staționar sunt :

U = E + RA ∙ IA +ΔUp

E = k∙N∙n∙p∙Φ => n = U / (k∙N∙p∙Φ)

M =km∙ IA ∙ Φ

Φ = f (Ie)

După modul de conectare a înfășurării de excitație motoarele electrice de curent continuu se pot clasifica în :

– motoare cu excitație separată (figura a )

– motoare cu excitație derivație (figura b )

– motoare cu excitație serie (figura c )

– motoare cu excitație mixtă (figura d )

În schemele din figura 24 semnifcația notațiilor este :

Re – rezistența reostatului de excitație,

Ra – rezistența indusului și a polilor auxiliari,

Rp – rezistența reostatului de pornire,

a – întreruptor monopolar,

Ia – curentul din înfășurarea indusului,

I – curentul absorbit de motor,

Ie – curentul din înfășurarea de excitație,

U – tensiunea de alimentare a motorului,

Figura 24. Motoare de curent continuu

DEFECTELE MOTORULUI DE CURENT CONTINUU.

Cele mai frecvente defecte și cauze apărute la motorul de curent continuu :

1.Motorul nu pornește cauze posibile:

            – întreruperea circuitului de alimentare(în instalația de forță sau în cablu)

            – întreruperea unei înfășurări

            – sarcina excesivă la pornire

            – așezare greșită a periilor

            – contact slab la perii sau la o înfășurare a motorului

            – arderea unei bobine a rotorului sau defectarea izolației unei bobine

2. Încălzirea inductorului (statorului) cauze posibile:

            – conectarea greșită a bobinelor de excitație sau înfășurarea polilor auxiliari este umezita

            – tensiunea de alimentare a excitației este prea mare

            – scurtcircuit între spirele înfășurării de excitație

            – supraîncărcarea mașinii

            – ventilația insuficientă

3.Încălzirea indusului (rotorului) cauze posibile:

            – supraîncărcarea mașinii

            – tensiune mărita

            – înfășurarea rotorului este umezita sau are spire în scurtcircuit

            – periile sunt prea late

4. Încălzirea colectorului cauze posibile:

            – așezarea greșită a periilor

            – perii necorespunzătoare

            – ventilație insuficientă

5. Formarea de scântei la colector cauze posibile:

            – periile pot fi uzate , apasă neuniform , rău șlefuite , nu sunt în axă neutră , prea mari

            – colectorul poate fi murdar , are joc , lamele în scurtcircuit , poate fi ovalizat

            – polaritate greșită a înfășurării polilor auxiliari sau scurtcircuit între spirele acesteia

            – poziția excentrică a colectorului între poli ca urmare a uzurii lagărelor

            – vibrația mașinii la o fundație solidă

            – bătaia curelei

6. Viteza anormală de rotație a rotorului cauze posibile:

            – schema de conectare greșită

            – polaritate greșită a polilor

            – încărcare anormală a motorului

            – tensiune de alimentare anormală

– ambalarea motorului cu excitație derivație (lipsește curentul de excitație) ; ambalarea motorului cu excitație serie ( sarcină prea mică) ; ambalarea motorului cu excitație mixtă(mărirea sarcinii)