Mașină cu curent continuu

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Un simplu motor DC. Când curentul curge prin înfășurări, în jurul rotorului se generează un câmp magnetic. Partea stângă a rotorului este respinsă de magnetul stâng și atrasă de cel drept. La fel face și partea din dreapta jos. Cuplul generează rotație.
Rotorul continuă să se rotească.
Când armăturile se aliniază orizontal, comutatorul inversează direcția curentului prin înfășurări, schimbând și câmpul magnetic. Procesul revine apoi la starea inițială și ciclul se repetă.
Motor electric.gif

Mașina de curent continuu (pe scurt mașină de curent continuu sau mașină de curent continuu , din engleza de curent continuu ) a fost prima mașină electrică fabricată și este încă utilizată pe scară largă pentru puteri mici și mari, ca generator sau motor . Numeroase motoare de mică putere pentru uz casnic, precum și motoarele pentru tracțiunea feroviară și marină cu o putere de multe sute de kW, sunt curent continuu (sau în orice caz pot fi alimentate cu curent continuu).

Caracteristici

Toate mașinile de curent continuu (cu sau fără magneți permanenți) au un comportament reversibil: se pot comporta atât ca motoare, cât și ca generatoare ( dinamo ) în raport cu relația dintre direcția de rotație, direcția câmpului magnetic inductor și direcția câmp magnetic indus.

Eficiența maximă a acestor mașini se obține cu o sarcină între ¾ și sarcina maximă [1] .

fundal

Prima mașină electromagnetică rotativă cunoscută a fost inventată de Michael Faraday în 1821 : consta dintr-un fir conductor ținut vertical la capătul superior, astfel încât capătul inferior a fost scufundat într-o placă care conține mercur . Un magnet permanent circular a fost plasat în centrul plăcii. Când un curent electric a fost trecut prin fir, acesta s-a rotit în jurul magnetului arătând că curentul a generat un câmp magnetic în jurul firului. Acesta este un experiment educațional folosit într-o lecție de fizică, dar în loc de mercur ( toxic ) ar trebui să se utilizeze un alt lichid conductiv, cum ar fi apa foarte sărată ; în acest din urmă caz ​​va fi necesar să plasați magnetul pe un plutitor.

Model dinamic

Circuit magnetic

Pentru circuitul magnetic stator-rotor pentru un flux magnetic suficient de mic pentru care nu are loc saturația feromagnetică , se aplică legea lui Hopkinson :

unde N s este numărul de înfășurări ale statorului și R H este reticența unui spațiu de aer între stator și rotor :

l și r indică grosimea și raza rotorului, α unghiul expansiunii polare, δ și μ sunt grosimea și permeabilitatea magnetică a spațiului de aer: cu cât dimensiunea mașinii crește, cu atât este mai mare raportul dintre raza și grosimea cade, împreună cu reticența.

Plasa electrică principală de prima comandă

O diferență între tensiunea liniei electrice și cea a mașinii noastre (atât de la generator, cât și de la motor) determină curgerea unui curent electric în rețeaua electrică principală (rotor-perii) în conformitate cu legea tensiunilor lui Kirchoff : aceasta trece în paralel prin cele două semicoroane cilindrice egale care alcătuiesc rotorul, prin urmare rezistența și autoinductivitatea rotorului sunt de fapt un sfert din cele din serie care ar apărea dacă curentul din rotor ar trebui să se întoarcă un cerc: în realitate ar trebui luate în considerare și rezistențele, inductanța periilor și capacitatea electrică a contactelor glisante, dar le vom neglija.

Forța electromotivă a rotorului

Se poate arăta că forța electromotivă a rotorului este proporțională cu fluxul statoric, de fapt, începând să numere înfășurările de la una dintre cele două perii, dacă acestea sunt plasate la distanța maximă de canalele de flux, conform legii lui Faraday. :

,

unde p este numărul de perechi polare ale statorului și a este numărul de înfășurări pe slot, N r este numărul de înfășurări ale rotorului, ω R este viteza unghiulară a rotorului.

Cuplul rotorului

Se poate demonstra că momentul mecanic al rotorului este, de asemenea, proporțional cu fluxul statoric prin impunerea unui rotor de echilibru energetic care neglijează fricțiunea glisantă a periilor și saturația magnetică :

Ecuații dinamice

Prin urmare, ecuațiile dinamice de ordinul întâi cu coeficienți constanți care guvernează mașina sunt, neglijând fluxul rotorului și stabilindu-le pentru un motor:

V este tensiunea de linie (la perii), M este cuplul sarcinii, ΔM este cuplul net, I momentul de inerție al rotorului (și al celui atașat acestuia).

Modelul cutiei negre

Model de cutie neagră a funcționării mașinii în curent continuu: deasupra funcționării motorului , sub cea a generatorului.

Prin efectuarea transformării Laplace în variabila x, lăsând în afara cele două ecuații de diferență mai simple

care poate fi apoi simplificat ca:

Sistemul poate fi vizualizat într-un model de cutie neagră și poate fi inversat pentru funcționarea generatorului.

Conexiune și control

Conexiunea stator

Circuitul electric al statorului poate fi independent, alimentat cu baterie sau cu magnet permanent sau poate fi conectat în paralel sau în serie la circuit.

Bunătate

Eric Laithwaite a formulat în 1965 un factor între 0 și 1 capabil să exprime bunătatea unei mașini electromagnetice electrice. [2] [3] El l-a folosit în dezvoltarea levitației magnetice . [4]

unde este:

S H , S E sunt secțiunile transversale ale circuitelor magnetice și electrice
l H , l E sunt lungimile circuitelor magnetice și electrice

Din aceasta este clar că motoarele devin mai bune prin creșterea dimensiunii:

Mașină cu magnet permanent

Sunt cele mai clasice și mai simple motoare electrice de construit, dar pot fi alimentate doar de curenți direcți sau acționate de sisteme electronice.

Mașină de periat

Fluxuri magnetice generate în mașina de pensule: statorul în roșu, rotorul în albastru, cel total în violet

Mașina clasică de curent continuu are o parte care se rotește numită rotor sau armătură și o parte care generează un câmp magnetic fix (în exemplu cei doi magneți colorați) numit stator. Un comutator rotativ numit comutator sau colector de perii inversează direcția curentului electric care curge prin cele două înfășurări de două ori la fiecare tură, generând un câmp magnetic care intră și iese din părțile rotunjite ale armăturii. Forțele de atracție și respingere apar cu magneți permanenți fixi (indicați cu N și S în figuri).

Viteza de rotație depinde de:

  • Tensiunea aplicată.
  • Curent absorbit de rotor.
  • Încărcare aplicată.

Cuplul generat este proporțional cu curentul și cel mai simplu control acționează asupra tensiunii de alimentare, în timp ce în sistemele mai complexe se folosește un control de feedback pentru tensiune. Cuplul este invers proporțional cu frecvența mecanică; acest lucru este foarte util pentru tracțiune, deoarece punctul maxim de plecare este obținut cu vehiculul staționat, în plus, sistemul tinde de la sine să regleze viteza. Mai mult, din aceasta putem înțelege capacitatea sa de a acționa și ca frână, uneori folosită și pentru recuperarea energiei în vehiculele hibride; în cel mai simplu caz, prin conectarea unui rezistor la perii, energia mecanică transmisă arborelui este disipată în căldură pe acest rezistor. Pe scurt, se poate afirma că motorul de curent continuu are toate funcțiile necesare unui vehicul mobil: pe lângă funcția motorului, poate recupera energia acționând ca o dinamă atunci când este necesară acțiunea de frânare sau pur și simplu acționează ca o frână.

Principala sa limitare constă în necesitatea comutatorului de perii:

  • Periile sunt realizate din grafit , în timp ce la servomotorii mici și tipurile utilizate în playere CD / DVD sau casetofoane sunt fabricate din aliaj de metal alb.
    Diferența constă în frecvența înlocuirii lor, de fapt în mașini-unelte precum polizoare sau burghiu, se folosesc perii de grafit, deoarece este foarte simplu și rapid să le înlocuiți, periile metalice sunt utilizate pe dispozitive unde este incomod sau nu este convenabil pentru a le schimba, cum ar fi în motoarele de pornire ale mijloacelor de transport.
  • Periile pun o limită la viteza maximă de rotație: cu cât viteza este mai mare, cu atât este mai mare presiunea care trebuie exercitată asupra acestora pentru a menține un contact bun, cu toate acestea motoarele universale utilizate în aspiratoare și scule electrice portabile (burghie, polizoare etc.) .) poate atinge 3600-4500 rpm.
  • Între perii și comutator, în timpul momentelor de comutare, există trecători de deschidere a înfășurărilor inductive și, prin urmare, scântei, care pot fi atenuate anticipând comutarea diferitelor înfășurări ale rotorului (periile trebuie rotite axial înainte de rotație a armăturii), soluție aplicabilă motoarelor care trebuie să se rotească întotdeauna într-o singură direcție.
  • Aceste scântei provoacă perturbări electrice radiate atât în ​​mediul înconjurător, cât și transmise generatorului de tensiune al mașinii; aceste perturbări, în anumite sectoare de utilizare, pot cauza probleme de compatibilitate electromagnetică ; este posibil să le atenuați prin intermediul filtrelor.

Prezența înfășurărilor electrice pe rotor are, de asemenea, două aspecte negative:

  • Dacă motorul are o putere mare, există probleme cu disiparea căldurii (înfășurările se încălzesc datorită efectului Joule și câmpul magnetic alternativ din miezul rotorului generează alte pierderi, cauzate de istereză magnetică și curenți turbionari din miezul propriu-zis și deci mai mult.căldură.
  • Înfășurările cântăresc rotorul ( momentul de inerție crește ): dacă motorul trebuie să răspundă rapid și precis (așa cum se întâmplă în automatizarea industrială și robotică ), controlul devine mai complex; pentru puteri mici (de la 1 la 200W) și servocontrole, anumite tipuri de motoare sunt uneori utilizate cu motoare cu rotor cu înfășurări în formă de cupă și fără miez de fier, numite „fără fier”: au o inerție scăzută și o eficiență electrică mai mare decât corespondenții lor cu rotor înfășurat pe un miez de fier.

Mașină fără perii

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Motor fără perii .

Problemele ilustrate ar putea fi evitate prin schimbarea rotorului cu statorul (adică dacă înfășurările au fost plasate pe partea fixă ​​și magneții ar fi montați pe rotor). Colectorul de perii ar dispărea, iar înfășurările electrice ar putea elimina mai ușor căldura generată.

Aceasta se face în motoarele fără perii (în engleză literalmente: brushless). De asemenea, fac posibilă reducerea în continuare a dimensiunii rotorului (și, prin urmare, a inerțiilor sale) prin utilizarea unor materiale magnetice mai eficiente, cum ar fi aliajele de samariu - cobalt sau mai bine, Neodim / Fier / Bor . În aceste motoare, circuitul de alimentare trebuie să fie mai sofisticat, deoarece funcțiile colectorului mecanic sunt realizate prin intermediul unui control electronic de putere .

Mașină independentă de excitație DC

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: motor universal .

La motoarele de curent continuu statorul poate fi realizat nu cu magneți permanenți, ci, similar cu rotorul, cu înfășurări pe material cu permeabilitate ridicată în care este trecut un curent: acest circuit se numește circuit de excitație. În acest fel, acest motor funcționează și cu curenți alternativi, de fapt un motor tradițional de curent continuu nu poate funcționa cu curenți alternativi, deoarece câmpul rotorului este inversat continuu, aceasta înseamnă că forțele dintre rotor și stator nu funcționează împreună, în timp ce în motor universal inversiunea are loc pe ambele, permițând o funcționare similară cu ambele surse de alimentare.

Motor pas cu pas

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: motor pas cu pas .

Motoarele pas cu pas, spre deosebire de toate celelalte, au scopul de a menține arborele staționar într-o poziție de echilibru: dacă sunt alimentate, acestea se limitează la blocarea lor într-o poziție unghiulară foarte precisă. Doar indirect este posibilă obținerea rotației sale: o serie de impulsuri de curent trebuie trimise la motor, conform unei secvențe adecvate, pentru a muta poziția de echilibru prin clicuri succesive.

Pozițiile de echilibru ale arborelui sunt determinate mecanic cu o precizie extremă. În consecință, pentru a face arborele să se rotească în poziția și viteza dorite, este necesar să se numere numărul de impulsuri trimise și să se stabilească frecvența acestora.

Motorul, care apare ca o pereche de roți dințate unul lângă altul și solid cu arborele, este magnetizat permanent, unul ca NORD și celălalt ca SUD. Între cele două roți există o defazare exact egală cu 1/2 din pasul dintelui: dintele uneia dintre cele două secțiuni corespunde, așadar, cu valea celeilalte. Nu există fire electrice în rotor și, prin urmare, nu există o conexiune electrică între partea mobilă și partea fixă.

Statorul are dinți mici care se confruntă exact cu cei ai rotorului. Sau mai bine zis, doar un singur grup de dinți din patru se confruntă exact cu rotorul; celelalte sunt compensate cu 1/4, 1/2 și 3/4 din pasul dintelui. Înfășurate în jurul polilor magnetici ai statorului, unele fire generează câmpul magnetic atunci când sunt traversate de curent. În orice moment, pentru a face motorul să facă un pas, curentul este aplicat părții statorului exact în fața dinților rotorului: forța de respingere dintre polii magnetici opuși va face ca rotorul să se miște.


Notă

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe