Circuits elèctrics de corrent continu i les seves característiques

Propietats Motors de corrent continu estan determinats principalment per la manera com s'encén la bobina d'excitació. En funció d'això, es distingeixen els motors elèctrics:

1. excitat independentment: la bobina d'excitació està alimentada per una font externa de corrent continu (excitador o rectificador),

2. excitació paral·lela: el bobinatge de camp està connectat en paral·lel amb el bobinatge de l'induït,

3. excitació en sèrie: el bobinatge d'excitació està connectat en sèrie amb el bobinatge de l'induït,

4. amb excitació mixta: hi ha dos bobinatges de camp, un connectat en paral·lel amb el bobinat de l'induït i l'altre en sèrie amb ell.

Tots aquests motors elèctrics tenen el mateix dispositiu i només es diferencien en la construcció de la bobina d'excitació. Els bobinatges d'excitació d'aquests motors elèctrics es realitzen de la mateixa manera que a generadors respectius.

Motor elèctric de corrent continu excitat independentment

En aquest motor elèctric (Fig.1, a) el bobinatge de l'induït està connectat a la font principal de corrent continu (xarxa de corrent continu, generador o rectificador) amb una tensió U, i el bobinat d'excitació està connectat a una font auxiliar amb una tensió UB. Al circuit de la bobina d'excitació s'inclou un reòstat regulador Rp i un reòstat d'arrencada Rn al circuit de la bobina de l'induït.

El reòstat de regulació s'utilitza per regular la velocitat de l'induït del motor i el reòstat d'arrencada s'utilitza per limitar el corrent al bobinatge de l'induït en arrencar. Un tret característic del motor elèctric és que el seu corrent d'excitació Iv no depèn del corrent Ii del bobinat de l'induït (corrent de càrrega). Per tant, deixant de banda l'efecte desmagnetitzant de la reacció de l'induït, podem suposar aproximadament que el flux del motor F és independent de la càrrega. Les dependències del moment electromagnètic M i de la velocitat n del corrent I seran lineals (Fig. 2, a). Per tant, les característiques mecàniques del motor també seran lineals: la dependència n (M) (Fig. 2, b).

En absència d'un reòstat amb resistència Rn al circuit de l'induït, la velocitat i les característiques mecàniques seran rígides, és a dir, amb un petit angle d'inclinació a l'eix horitzontal, ja que la caiguda de tensió IяΣRя en els bobinats de la màquina inclosa en el circuit de l'induït a la càrrega nominal és només un 3-5% d'Unom. Aquestes característiques (rectes 1 de la figura 2, a i b) s'anomenen naturals. Quan s'inclou al circuit de l'induït un reòstat amb resistència Rn, l'angle d'inclinació d'aquestes característiques augmenta, de manera que es pot obtenir una família de característiques de reòstat 2, 3 i 4, corresponents a diferents valors de Rn1 , Rn2 i Rn3 .

Arròs. 1.Esquemes de motors de corrent continu amb excitació independent (a) i paral·lel (b).

Arròs. 2. Característiques dels motors elèctrics de corrent continu amb excitació independent i paral·lela: a — velocitat i parell, b — mecànics, c — treballant Com més gran sigui la resistència Rn, més gran és l'angle d'inclinació de la característica del reòstat, és a dir, és més suau.

El reòstat regulador Rpv permet modificar el corrent d'excitació del motor Iv i el seu flux magnètic F. En aquest cas, també canviarà la freqüència de gir n.

No hi ha interruptors ni fusibles instal·lats al circuit de la bobina d'excitació, perquè quan aquest circuit s'interromp, el flux magnètic del motor elèctric disminueix bruscament (només hi queda el flux de magnetisme residual) i es produeix un mode d'emergència. el motor funciona al ralentí o amb una càrrega lleugera a l'eix, aleshores la velocitat augmenta bruscament (el motor es mou). En aquest cas, el corrent al bobinatge de l'induït Iya augmenta significativament i es pot produir un incendi complet. Per evitar-ho, la protecció ha de desconnectar el motor elèctric de la font d'alimentació.

El fort augment de la velocitat de rotació quan s'interromp el circuit de la bobina d'excitació s'explica pel fet que en aquest cas el flux magnètic Ф (fins al valor del flux de Fost del magnetisme residual) i e. etc. v. E i l'actual Iya augmenta. I com que la tensió aplicada U es manté inalterada, la freqüència de rotació n augmentarà fins a e. etc. c. E no arribarà a un valor aproximadament igual a U (que és necessari per a l'estat d'equilibri del circuit de l'induït, on E = U — IяΣRя.

Quan la càrrega de l'eix és propera a la nominal, el motor elèctric s'aturarà en cas de trencament del circuit d'excitació, perquè el moment electromagnètic que pot desenvolupar el motor amb una reducció significativa del flux magnètic disminueix i es torna inferior al parell. de la càrrega de l'eix. En aquest cas, l'Iya actual també augmenta bruscament i la màquina s'ha de desconnectar de la font d'alimentació.

Cal tenir en compte que la velocitat de rotació n0 correspon a una velocitat de ralentí ideal quan el motor no consumeix energia elèctrica de la xarxa i el seu moment electromagnètic és zero. En condicions reals, en mode inactiu, el motor consumeix de la xarxa el corrent de ralentí I0, que és necessari per compensar les pèrdues de potència internes, i desenvolupa un cert parell M0, necessari per superar les forces de fricció a la màquina. Per tant, en realitat la velocitat de ralentí és inferior a n0.

La dependència de la velocitat de rotació n i del moment electromagnètic M de la potència P2 (Fig. 2, c) de l'eix del motor, tal com es desprèn de les relacions considerades, és lineal. Les dependències del corrent de bobinat de l'induït Iya i la potència P1 sobre P2 també són pràcticament lineals. El corrent I i la potència P1 a P2 = 0 representen el corrent en ralent I0 i la potència P0 consumida en ralent. La corba d'eficiència és característica de totes les màquines elèctriques.

Motor elèctric d'excitació paral·lel de corrent continu

En aquest motor elèctric (vegeu la figura 1, b) els bobinatges d'excitació i les armadures s'alimenten de la mateixa font d'energia elèctrica amb una tensió U. En el circuit del bobinat d'excitació s'inclou un reòstat regulador Rpv i un reòstat d'arrencada Rp. s'inclou al circuit de bobinatge de l'àncora.

En el motor elèctric considerat, hi ha essencialment un subministrament separat dels circuits de bobinat d'induït i d'excitació, com a resultat de la qual el corrent d'excitació Iv no depèn del corrent de bobinat de l'induït Iv. Per tant, el motor d'excitació paral·lel tindrà les mateixes característiques que el motor d'excitació independent. No obstant això, un motor d'excitació paral·lel només funcionarà normalment quan estigui alimentat per una font de corrent continu de tensió constant.

Quan el motor elèctric és alimentat per una font amb una tensió diferent (generador o rectificador controlat), una disminució de la tensió d'alimentació U provoca una disminució corresponent del corrent d'excitació Ic i del flux magnètic Ф, la qual cosa comporta un augment de l'induït. corrent sinuós Iya. Això limita la possibilitat d'ajustar la velocitat de l'induït canviant la tensió d'alimentació U. Per tant, els motors elèctrics dissenyats per ser alimentats per un generador o rectificador controlat han de tenir excitació independent.

Motor elèctric d'excitació en sèrie de corrent continu

Per limitar el corrent d'arrencada, el reòstat d'arrencada Rp (Fig. 3, a) s'inclou al circuit de l'enrotllament de l'induït (Fig. 3, a) i per regular la velocitat de gir en paral·lel amb l'enrotllament d'excitació ajustant el reòstat. Es pot incloure Rpv.

Arròs. 3. Esquema del motor de corrent continu amb excitació en sèrie (a) i la dependència del seu flux magnètic Ф del corrent I al bobinat de l'induït (b)

Arròs. 4. Característiques del motor de corrent continu amb excitació seqüencial: a — alta velocitat i parell, b — mecànic, c — treballadors.

Una característica d'aquest motor elèctric és que el seu corrent d'excitació Iv és igual o proporcional (quan el reòstat Rpv està encès) al corrent del bobinatge de l'induït Iya, per tant, el flux magnètic F depèn de la càrrega del motor (Fig. 3, b) .

Quan el corrent de bobinat de l'induït Iya és inferior a (0,8-0,9) del corrent nominal Inom, el sistema magnètic de la màquina no està saturat i es pot suposar que el flux magnètic Ф canvia en proporció directa al corrent Iia. Per tant, la característica de velocitat del motor elèctric serà suau: a mesura que augmenta el corrent I, la velocitat de rotació n disminuirà bruscament (Fig. 4, a). Una disminució de la velocitat de rotació n es deu a un augment de la caiguda de tensió IjaΣRja. en la resistència interna Rα. circuits de bobinatge de l'induït, així com a causa d'un augment del flux magnètic F.

El moment electromagnètic M amb un augment del corrent Ija augmentarà bruscament, perquè en aquest cas també augmenta el flux magnètic Ф, és a dir, el moment M serà proporcional al corrent Ija. Per tant, quan l'Iya actual és inferior a (0,8 N-0,9) Inom, la característica de velocitat té la forma d'una hipèrbola, i la característica de moment té la forma d'una paràbola.

En corrents Ia> Ia, les dependències de M i n sobre Ia són lineals, ja que en aquest mode el circuit magnètic estarà saturat i el flux magnètic Ф no canviarà quan canviï el corrent Ia.

La característica mecànica, és a dir, la dependència de n sobre M (Fig. 4, b), es pot construir a partir de les dependències de n i M sobre Iya. A més de la característica natural 1, és possible obtenir una família de característiques de reòstat 2, 3 i 4. mitjançant la inclusió d'un reòstat amb resistència Rp al circuit de bobinat de l'induït.Aquestes característiques corresponen a diferents valors de Rn1, Rn2 i Rn3, mentre que com més gran és Rn, menor és la característica.

La característica mecànica del motor considerat és suau i hiperbòlica. A baixes càrregues, el flux magnètic Ф disminueix significativament, la velocitat de rotació n augmenta bruscament i pot superar el valor màxim permès (el motor funciona descontrolat). Per tant, aquests motors no es poden utilitzar per accionar mecanismes que funcionen en mode inactiu i sota càrrega baixa (diverses màquines, transportadors, etc.).

Normalment, la càrrega mínima permesa per a motors d'alta i mitjana potència és (0,2… 0,25) Inom. Per evitar que el motor funcioni sense càrrega, està fermament connectat al mecanisme d'accionament (acoblament dentat o cec); l'ús d'una transmissió per corretja o embragatge de fricció és inacceptable.

Malgrat aquest inconvenient, els motors amb excitació seqüencial s'utilitzen àmpliament, sobretot quan hi ha grans diferències de parell de càrrega i condicions d'arrencada severes: en tots els accionaments de tracció (locomotores elèctriques, locomotores dièsel, trens elèctrics, cotxes elèctrics, carretons elevadors elèctrics, etc. ), així com en accionaments de mecanismes d'elevació (grues, ascensors, etc.).

Això s'explica pel fet que amb una característica suau, un augment del parell de càrrega condueix a un menor augment del consum de corrent i d'energia que en els motors excitats de manera independent i en paral·lel, a causa dels quals els motors excitats en sèrie poden suportar més bé la sobrecàrrega.A més, aquests motors tenen un parell d'arrencada més elevat que els motors paral·lels i excitats de manera independent, ja que a mesura que augmenta el corrent del bobinat de l'induït durant l'arrencada, el flux magnètic també augmenta en conseqüència.

Si suposem, per exemple, que el corrent d'entrada a curt termini pot ser 2 vegades el corrent nominal de funcionament de la màquina i descuidem els efectes de la saturació, la reacció de l'induït i la caiguda de tensió en el seu bobinat, aleshores en un motor excitat en sèrie, el El parell d'arrencada serà 4 vegades superior al nominal (tant en el corrent com en el flux magnètic augmenta 2 vegades), i en els motors amb excitació independent i paral·lela, només 2 vegades més.

De fet, a causa de la saturació del circuit magnètic, el flux magnètic no augmenta en proporció al corrent, però, tanmateix, el parell d'arrencada d'un motor excitat en sèrie, en igualtat de coses, serà molt més gran que el parell d'arrencada. del mateix motor amb excitació independent o paral·lela.

Les dependències de n i M de la potència P2 de l'eix del motor (Fig. 4, c), tal com es desprèn de les posicions comentades anteriorment, són no lineals, les dependències de P1, Ith i η sobre P2 tenen la mateixa forma que per a motors amb excitació paral·lela.

Motor elèctric de corrent continu d'excitació mixta

En aquest motor elèctric (Fig. 5, a) el flux magnètic Ф es crea com a resultat de l'acció conjunta de dues bobines d'excitació: paral·leles (o independents) i en sèrie, a través de les quals els corrents d'excitació Iв1 i Iв2 = Iя

aixo es perqué

on Fposl — el flux magnètic de la bobina en sèrie, depenent del corrent Ia, Fpar — el flux magnètic de la bobina paral·lela, que no depèn de la càrrega (és determinat pel corrent d'excitació Ic1).

La característica mecànica d'un motor elèctric amb excitació mixta (Fig. 5, b) es troba entre les característiques dels motors amb excitació paral·lela (recta 1) i sèrie (corba 2). Depenent de la relació de forces magnetomotrius dels bobinats paral·lels i en sèrie en el mode nominal, les característiques del motor d'excitació mixta es poden aproximar a la característica 1 (corba 3 a ppm baixes de l'enrotllament en sèrie) o a la característica 2 (corba 4 a ppm baixes v. bobinatge paral·lel).

Arròs. 5. Esquema d'un motor elèctric amb excitació mixta (a) i les seves característiques mecàniques (b)

L'avantatge del motor de corrent continu amb excitació mixta és que, tenint una característica mecànica suau, pot funcionar en ralentí quan Fposl = 0. En aquest mode, la freqüència de gir de la seva armadura ve determinada pel flux magnètic Fpar i té un límit limitat. valor (el motor no funciona).