Circuiti elettrici in corrente continua e loro caratteristiche

Proprietà Motori a corrente continua sono principalmente determinati dal modo in cui la bobina di eccitazione è accesa. A seconda di ciò, i motori elettrici si distinguono:

1. eccitato in modo indipendente: la bobina di eccitazione è alimentata da una sorgente CC esterna (eccitatore o raddrizzatore),

2. eccitazione parallela: l'avvolgimento di campo è collegato in parallelo con l'avvolgimento dell'indotto,

3. eccitazione in serie: l'avvolgimento di eccitazione è collegato in serie con l'avvolgimento dell'indotto,

4. con eccitazione mista: sono presenti due avvolgimenti di campo, uno collegato in parallelo all'avvolgimento di indotto e l'altro in serie ad esso.

Tutti questi motori elettrici hanno lo stesso dispositivo e si differenziano solo per la costruzione della bobina di eccitazione. Gli avvolgimenti di eccitazione di questi motori elettrici vengono eseguiti allo stesso modo di rispettivi generatori.

Motore elettrico DC ad eccitazione indipendente

In questo motore elettrico (fig.1, a) l'avvolgimento dell'indotto è collegato alla sorgente di corrente continua principale (rete di corrente continua, generatore o raddrizzatore) con una tensione U e l'avvolgimento di eccitazione è collegato a una sorgente ausiliaria con una tensione UB. Un reostato di regolazione Rp è incluso nel circuito della bobina di eccitazione e un reostato di avviamento Rn è incluso nel circuito della bobina di armatura.

Il reostato di regolazione viene utilizzato per regolare la velocità dell'indotto del motore e il reostato di avviamento viene utilizzato per limitare la corrente nell'avvolgimento dell'indotto all'avvio. Una caratteristica del motore elettrico è che la sua corrente di eccitazione Iv non dipende dalla corrente Ii nell'avvolgimento dell'indotto (corrente di carico). Pertanto, trascurando l'effetto smagnetizzante della reazione di armatura, si può assumere approssimativamente che il flusso del motore F sia indipendente dal carico. Le dipendenze del momento elettromagnetico M e della velocità n sulla corrente I saranno lineari (Fig. 2, a). Pertanto, anche le caratteristiche meccaniche del motore saranno lineari: la dipendenza n (M) (Fig. 2, b).

In assenza di un reostato con resistenza Rn nel circuito dell'indotto, la velocità e le caratteristiche meccaniche saranno rigide, cioè con un piccolo angolo di inclinazione rispetto all'asse orizzontale, poiché la caduta di tensione IяΣRя negli avvolgimenti della macchina inclusa in il circuito dell'armatura al carico nominale è solo il 3-5% di Unom. Queste caratteristiche (linee rette 1 in Fig. 2, aeb) sono chiamate naturali. Quando un reostato con resistenza Rn è incluso nel circuito dell'armatura, l'angolo di inclinazione di queste caratteristiche aumenta, per cui si può ottenere una famiglia di caratteristiche del reostato 2, 3 e 4, corrispondente a diversi valori di Rn1, Rn2 e Rn3.

Riso. 1.Schemi schematici di motori CC con eccitazione indipendente (a) e parallela (b).

Riso. 2. Caratteristiche dei motori elettrici corrente continua con eccitazione indipendente e parallela: a - velocità e coppia, b - meccanica, c - funzionamento Maggiore è la resistenza Rn, maggiore è l'angolo di inclinazione della caratteristica del reostato, cioè esso è più morbido.

Il reostato di regolazione Rpv consente di modificare la corrente di eccitazione del motore Iv e il suo flusso magnetico F. In questo caso cambierà anche la frequenza di rotazione n.

Nel circuito della bobina di eccitazione non sono installati interruttori e fusibili, poiché quando questo circuito viene interrotto, il flusso magnetico del motore elettrico diminuisce bruscamente (in esso rimane solo il flusso del magnetismo residuo) e si verifica una modalità di emergenza. il motore gira al minimo o con un carico leggero sull'albero, quindi la velocità aumenta bruscamente (il motore si muove). In questo caso, la corrente nell'avvolgimento dell'armatura Iya aumenta in modo significativo e può verificarsi un incendio completo. Per evitare ciò, la protezione deve scollegare il motore elettrico dalla fonte di alimentazione.

Il forte aumento della velocità di rotazione quando il circuito della bobina di eccitazione viene interrotto è spiegato dal fatto che in questo caso il flusso magnetico Ф (fino al valore del flusso Fost dal magnetismo residuo) ed e. eccetera. v. E e l'attuale Iya aumenta. E poiché la tensione applicata U rimane invariata, la frequenza di rotazione n aumenterà a e. eccetera. c. E non raggiungerà un valore approssimativamente uguale a U (che è necessario per lo stato di equilibrio del circuito di armatura, dove E = U — IяΣRя.

Quando il carico sull'albero è vicino a quello nominale, il motore elettrico si fermerà in caso di interruzione del circuito di eccitazione, perché il momento elettromagnetico che il motore può sviluppare con una significativa riduzione del flusso magnetico diminuisce e diventa inferiore alla coppia del carico dell'albero. In questo caso anche la corrente Iya aumenta bruscamente e la macchina deve essere scollegata dalla fonte di alimentazione.

Si noti che la velocità di rotazione n0 corrisponde ad un regime minimo ideale quando il motore non consuma energia elettrica dalla rete e il suo momento elettromagnetico è nullo. In condizioni reali, al minimo, il motore consuma dalla rete la corrente al minimo I0, necessaria per compensare le perdite di potenza interne, e sviluppa una certa coppia M0, necessaria per vincere le forze di attrito nella macchina. Pertanto, in realtà il regime minimo è inferiore a n0.

La dipendenza della velocità di rotazione n e del momento elettromagnetico M dalla potenza P2 (Fig. 2, c) dall'albero motore, come risulta dalle relazioni considerate, è lineare. Anche le dipendenze della corrente di avvolgimento di armatura Iya e della potenza P1 su P2 sono praticamente lineari. La corrente I e la potenza P1 a P2 = 0 rappresentano la corrente a vuoto I0 e la potenza P0 consumata a vuoto. La curva di efficienza è caratteristica di tutte le macchine elettriche.

Eccitazione parallela in corrente continua del motore elettrico

In questo motore elettrico (vedi Fig. 1, b) gli avvolgimenti di eccitazione e gli indotti sono alimentati dalla stessa sorgente di energia elettrica con una tensione U. Un reostato di regolazione Rpv è incluso nel circuito dell'avvolgimento di eccitazione e un reostato di avviamento Rp è incluso nel circuito di avvolgimento sull'ancora.

Nel motore elettrico considerato, vi è essenzialmente un'alimentazione separata dei circuiti di avvolgimento di armatura e di eccitazione, per cui la corrente di eccitazione Iv non dipende dalla corrente di avvolgimento di armatura Iv. Pertanto, il motore ad eccitazione parallela avrà le stesse caratteristiche del motore ad eccitazione indipendente. Tuttavia, un motore ad eccitazione parallela funzionerà normalmente solo se alimentato da una sorgente CC a tensione costante.

Quando il motore elettrico è alimentato da una sorgente con una tensione diversa (generatore o raddrizzatore controllato), una diminuzione della tensione di alimentazione U provoca una corrispondente diminuzione della corrente di eccitazione Ic e del flusso magnetico Ф, che porta ad un aumento dell'armatura corrente di avvolgimento Iya. Ciò limita la possibilità di regolare la velocità dell'indotto modificando la tensione di alimentazione U. Pertanto, i motori elettrici progettati per essere alimentati da un generatore o da un raddrizzatore controllato devono avere un'eccitazione indipendente.

Eccitazione in serie in corrente continua del motore elettrico

Per limitare la corrente di avviamento, il reostato di avviamento Rp (Fig. 3, a) è incluso nel circuito dell'avvolgimento dell'indotto (Fig. 3, a) e per regolare la velocità di rotazione in parallelo con l'avvolgimento di eccitazione regolando il reostato Rpv può essere incluso.

Riso. 3. Schema schematico del motore CC con eccitazione in serie (a) e dipendenza del suo flusso magnetico Ф dalla corrente I nell'avvolgimento dell'indotto (b)

Riso. 4. Caratteristiche del motore a corrente continua con eccitazione sequenziale: a — alta velocità e coppia, b — meccanica, c — lavoratori.

Una caratteristica di questo motore elettrico è che la sua corrente di eccitazione Iv è uguale o proporzionale (quando il reostato Rpv è acceso) alla corrente dell'avvolgimento dell'indotto Iya, quindi il flusso magnetico F dipende dal carico del motore (Fig. 3, B) .

Quando la corrente di avvolgimento dell'indotto Iya è inferiore a (0,8-0,9) della corrente nominale Inom, il sistema magnetico della macchina non è saturo e si può presumere che il flusso magnetico Ф vari in modo direttamente proporzionale alla corrente Iia. Pertanto, la velocità caratteristica del motore elettrico sarà morbida: all'aumentare della corrente I, la velocità di rotazione n diminuirà drasticamente (Fig. 4, a). Una diminuzione della velocità di rotazione n è dovuta ad un aumento della caduta di tensione IjaΣRja. nella resistenza interna Rα. circuiti di avvolgimento dell'armatura, nonché a causa di un aumento del flusso magnetico F.

Il momento elettromagnetico M con un aumento della corrente Ija aumenterà notevolmente, perché in questo caso aumenta anche il flusso magnetico Ф, cioè il momento M sarà proporzionale alla corrente Ija. Pertanto, quando la corrente Iya è inferiore a (0,8 N-0,9) Inom, la caratteristica della velocità ha la forma di un'iperbole e la caratteristica del momento ha la forma di una parabola.

Alle correnti Ia> Ia, le dipendenze di M en su Ia sono lineari, poiché in questa modalità il circuito magnetico sarà saturo e il flusso magnetico Ф non cambierà al variare della corrente Ia.

La caratteristica meccanica, cioè la dipendenza di n da M (Fig. 4, b), può essere costruita sulla base delle dipendenze di n e M da Iya. Oltre alla caratteristica naturale 1, è possibile ottenere una famiglia di caratteristiche di reostato 2, 3 e 4. inserendo un reostato con resistenza Rp nel circuito di avvolgimento dell'indotto.Queste caratteristiche corrispondono a diversi valori di Rn1, Rn2 e Rn3, mentre maggiore è Rn, minore è la caratteristica.

La caratteristica meccanica del motore considerato è morbida e iperbolica. A bassi carichi, il flusso magnetico Ф diminuisce in modo significativo, la velocità di rotazione n aumenta bruscamente e può superare il valore massimo consentito (il motore funziona in modo selvaggio). Pertanto, tali motori non possono essere utilizzati per azionare meccanismi funzionanti in modalità inattiva e sotto carico ridotto (macchine varie, nastri trasportatori, ecc.).

Solitamente il carico minimo ammesso per motori di alta e media potenza è (0,2…0,25) Inom. Per evitare che il motore funzioni senza carico, è saldamente collegato al meccanismo di azionamento (accoppiamento dentato o cieco); l'uso di una trasmissione a cinghia o di una frizione a frizione è inaccettabile.

Nonostante questo inconveniente, i motori con eccitazione sequenziale sono ampiamente utilizzati, soprattutto in presenza di grandi differenze di coppia di carico e condizioni di avviamento gravose: in tutte le trasmissioni di trazione (locomotive elettriche, locomotive diesel, treni elettrici, auto elettriche, carrelli elevatori elettrici, ecc.), così come negli azionamenti dei meccanismi di sollevamento (gru, ascensori, ecc.).

Ciò è spiegato dal fatto che con una caratteristica morbida, un aumento della coppia di carico porta ad un minore aumento della corrente e del consumo di energia rispetto ai motori ad eccitazione indipendente e parallela, grazie ai quali i motori ad eccitazione in serie possono sopportare meglio il sovraccarico.Inoltre, questi motori hanno una coppia di spunto maggiore rispetto ai motori paralleli e ad eccitazione indipendente, poiché all'aumentare della corrente di avvolgimento dell'indotto durante l'avviamento, aumenta anche il flusso magnetico.

Se assumiamo, ad esempio, che la corrente di spunto a breve termine possa essere 2 volte la corrente operativa nominale della macchina e trascuriamo gli effetti della saturazione, della reazione dell'indotto e della caduta di tensione nel suo avvolgimento, quindi in un motore eccitato in serie, il la coppia di avviamento sarà 4 volte superiore a quella nominale (sia nella corrente che nel flusso magnetico aumenta di 2 volte) e nei motori con eccitazione indipendente e parallela - solo 2 volte di più.

Infatti, a causa della saturazione del circuito magnetico, il flusso magnetico non aumenta in proporzione alla corrente, tuttavia, la coppia di spunto di un motore ad eccitazione serie, a parità di altre condizioni, sarà molto maggiore della coppia di spunto dello stesso motore con eccitazione indipendente o parallela.

Le dipendenze di n e M dalla potenza P2 dell'albero motore (Fig. 4, c), come segue dalle posizioni discusse sopra, non sono lineari, le dipendenze di P1, Ith e η su P2 hanno la stessa forma di per motori con eccitazione parallela.

Motore elettrico a corrente continua ad eccitazione mista

In questo motore elettrico (Fig. 5, a) il flusso magnetico Ф viene creato come risultato dell'azione congiunta di due bobine di eccitazione - parallele (o indipendenti) e serie, attraverso le quali le correnti di eccitazione Iв1 e Iв2 = Iя

Ecco perché

dove Fposl — il flusso magnetico della bobina in serie, a seconda della corrente Ia, Fpar — il flusso magnetico della bobina parallela, che non dipende dal carico (è determinato dalla corrente di eccitazione Ic1).

La caratteristica meccanica di un motore elettrico ad eccitazione mista (Fig. 5, b) si colloca tra le caratteristiche dei motori ad eccitazione parallela (retta 1) e serie (curva 2). A seconda del rapporto delle forze magnetomotrici degli avvolgimenti in parallelo e in serie alla modalità nominale, le caratteristiche del motore ad eccitazione mista possono essere approssimate alla caratteristica 1 (curva 3 a bassi ppm dell'avvolgimento in serie) o alla caratteristica 2 (curva 4 a ppm basso v. avvolgimento parallelo).

Riso. 5. Schema schematico di un motore elettrico con eccitazione mista (a) e sue caratteristiche meccaniche (b)

Il vantaggio del motore DC con eccitazione mista è che, avendo una caratteristica meccanica morbida, può funzionare al minimo quando Fposl = 0. In questa modalità, la frequenza di rotazione della sua armatura è determinata dal flusso magnetico Fpar e ha un limitato valore (motore non in funzione).