Notiuni generale despre masini
de curent continuu. Constructia si principiul de functionare
Toate masinile
electrice, inclusiv masinile de c.c. sunt reversibile, adica una si aceeasi
masina poate functiona atat ca generator, cat si ca motor. De aici decurge
similitudinea (asemanarea) corespunzatoare a circuitelor magnetice si electrice
la generatoare si motoare si de asemenea si identitatea proceselor fizice din
masinile de c.c. Aceasta permite examinarea comuna a seriei de probleme
referitoare la generatoarele, dar si la motoarele de c.c. Principiul de
functionare al masinilor de c.c. se bazeaza pe fenomenul inductiei
electromagnetice si interactiunii conductoa-relor parcurse de curenti cu cimpul
magnetic fix in spatiu si constant in timp.
Inductorul este
statorul, in interiorul caruia se plaseaza partea mobila a ma-sinii (rotorul),
in canalele caruia sunt dispuse spirele infasurarii indusului, adica in-dusul
este rotorul. Prin urmare, in masinile electrice de c.c. se induc t.e.m. in
spire-le mobile ale rotorului iar conductoarele rotorice prin care trece
curentul, interac-tioneaza cu campul magnetic imobil. Schema de principiu a
masinii de c.c., este prezentata in fig.4.1.
Fig.4.1
Schema de principiu a masinii de c.c.
Din figura se observa ca statorul contine carcasa
masinii de care sunt fixati polii principali cu infasurarile lor de excitatie a
caror destinatie este de a crea campul magnetic de baza. Statorul poate sa contina si poli auxiliari (in figura
nu sunt prezentati), destinatia lor fiind examinata la pct.4.2.
Carcasa masinilor de c.c. se realizeaza masiv, din
otel turnat, incat datorita marimii constante si imobilitatii campului
magnetic, in aceasta parte a masinii lip-sesc pierderile datorita curentilor
turbionari si fenomenului de histerezis.
In interiorul inductorului se plaseaza armatura
cilindrica a indusului, fixata pe arbore. In crestaturile de pe suprafata
acesteia se plaseaza infasurarea indusului. Referitor la miezul magnetic al
indusului, la rotirea sa in campul magnetic imobil, in el se induc curenti
turbionari. Iata de ce acesta se realizeaza ca un pachet din tole subtiri
stantate din table de otel electrotehnic si izolate una fata de alta. Vederea
unei astfel de tole subtiri este prezentata in fig.4.2.
Fig.4.2.
Vedere a unei tole a miezului magnetic rotoric
stantata
din tabla de otel electrotehnic
Pentru reducerea pierderilor datorita curentilor
turbionari, miezul magnetic al polilor principali ai masinii de asemenea se
realizeaza din tole de otel electro-tehnic. Vederile exterioare ale celor doua
parti de baza ale masinii de c.c. (induc-torul si indusul) sunt prezentate in
fig.4.3. Pe langa acestea, o parte specifica a masinilor de c.c. este asa
numitul colector. El este un corp cilindric inelar, ce cuprinde
lamelele 1 de cupru izolate intre ele (fig.4.4).
Colectorul se fixeaza izolat pe arborele indusului,
iar lamelele lui, separat se conecteaza cu infasurarea indusului potrivit unor
anumitor reguli. Pe colectorul in rotatie aluneca periile din grafit sau cupru
grafitat, imobile in procesul de functio-nare, cu ajutorul carora se obtine
legatura electrica dintre infasurarea indusului in rotatie si circuitul extern
al masinii.
Fig.4.3
Vederi exterioare pentru armaturile rotorica (indusul)
si
statorica (inductorul) ale unei masini de c.c.
Fig.4.4
Vedere combinata cu sectiune longitudinala a colectorului masinii de c.c.
Destinatia colectorului
este de a inchide prin procedeu corespunzator infasu-rarea indusului, incat in
circuitul exterior (la consumator) sa se obtina t.e.m. de sens constant in
regimul de generator sau la arborele masinii sa se creeze moment electromagnetic
de sens constant in regimul de motor.
Pentru clarificarea
rolului colectorului, mai intai se examineaza principiul de functionare al
generatorului electric. In fig.4.5 se prezinta schema de principiu a masinii
electrice simple cu o pereche de poli principali imobili (nord N si sud S),
care creaza fluxul magnetic de marime constanta cu sensul de la N la S. In
spatiul dintre poli se plaseaza indusul (partea rotativa a masinii), pe
suprafata caruia in plan diametral este fixata spira ab-cd.
Capetele spirei sunt conectate la doua inele fixate pe
arborele masinii, izolate fata de el si intre ele. Pe cele doua inele calca
cele doua perii A si B la care se leaga circuitul exterior. In acesta este
conectat conventional ca consumator o lampa electrica.
Se considera indusul rotit de un motor primar (nu este
aratat in figura) cu viteza unghiulara Ω (sau turatia
) in
sensul invers de miscare al acelor ceasornicului. Potrivit legii inductiei
electromagnetice, t.e.m. indusa in conductorul ce roteste in campul magnetic
continuu (constant), se determina cu expresia:
Deoarece conductoarele ab si cd ale spirei se
afla in conditii identice – unul fata de polul N, iar celalalt fata de polul S,
este suficient a se examina procesul, prin care intr-un dintre ele (ex.
conductorul ab) se excita t.e.m.
Pe intreaga lungime activa l a conductorului, adica
acea parte a lui, care intersecteaza
liniile magnetice ale campului, inductia B are una si aceeasi valoare. Daca
conductorul se deplaseaza cu viteza v (v - este viteza periferica a
conducto-rului) fata de campul magnetic, valoarea t.e.m. induse in el este
e=Blv. In mod cu totul similar se determina si valoarea t.e.m. induse in
conductorul cd.
Sensurile celor doua t.e.m. in cele doua conductoare
se determina potrivit regulii mainii drepte si sunt indicate in fig.4.5 cu
sageti. Din figura se observa ca t.e.m. rezultanta din spira ab-cd reprezinta suma t.e.m. induse in
cele doua conduc-toare, adica 
. Sub
actiunea acestei t.e.m., in circuit trece curent electric in sensul de la peria
A la peria B. Atunci cand spira se roteste cu acel unghi incat ea se afla in axa
neutra geometrica - a.n.g. perpendiculara pe axa polilor inductori,
t.e.m. indusa in conductoare este nula.
La deplasarea conductorului ab in zona polului S si conductorului cd in zona polului N, t.e.m.
induse sunt opuse celor aratate in fig.4.5, si curentul din circuitul exterior
trece de la peria B la peria A.
Fig.4.5
Explicativa privind principiul de functionare
al
generatorului de curent alternativ
In consecinta in infasurarea indusului se induce
t.e.m. alternativa si genera-torul in raport cu circuitul exterior reprezinta
un generator
de curent alternativ. Curba t.e.m. din infasurarea indusului si din
circuitul exterior este prezentata in fig.4.6 a si prezinta o forma trapezoidala (nesinusoidala), deoarece campul
magne-tic nu este uniform distribuit in intrefierul dintre inductor si indus.
Se considera schimbata forma masinii examinate pana acum, incat capetele spirei ab-cd in locul celor doua inele se
conecteaza la doua segmente de cupru (doua semiinele-lamele de colector), fig.4.7.
Fig.4.6
a, b Formele t.e.m. indusa in spira in rotatie
inainte
de redresare (a) si dupa redresare (b)
Fig.4.7
Masina de c.c. cu colectorul compus din doua semiinele de cupru
(explicativa
pentru functionarea generatorului de c.c.)
Atunci, prin rotatia spirei, periile A si B se
conecteaza tot timpul cu conduc-torul care se afla in zona unuia si aceluiasi
pol (in cazul periei A – cu conductorul
de sub polul N si peria B – cu conductorul de sub polul S). Prin acest
procedeu, t.e.m. alternativa indusa in infasurarea indusului se redreseaza prin
ansamblul colector-perii, iar curentul prin circuitul exterior totdeauna trece
in sensul de la peria A la peria B. Prin urmare, masina examinata reprezinta
generatorul de c.c. cu bornele „+” – peria A si „-” peria B, in raport cu
circuitul exterior. Curba t.e.m. din circuitul exterior este prezentata in fig.4.6
b.
Atunci cand masina functioneaza ca motor, infasurarea
indusului se conec-teaza prin perii si colector la sursa de energie electrica
(fig.4.8).
Fig.4.8
Masina de c.c. in regimul de functionare ca motor
Prin conductoarele infasurarii indusului trece
curentul Ia ce
interactioneaza cu campul magnetic de baza de inductie B, creat de polii de
excitatie ai masinii. Asupra conductoarelor ab si cd cu lungimea
activa l se exercita fortele mecanice 
, unde 
este unghiul dintre sensurile cu-rentului Ia si inductiei magnetice B.
Sensurile fortelor electromagnetice se deter-mina potrivit regulii mainii
stangi. Fortele ce actioneaza asupra spirei ab-cd, deter-mina cuplul de forte prin care se creaza momentul
electromagnetic M=Fd, unde d este departarea intre punctele de aplicatie ale
fortelor. Sub actiunea acestui moment rotorul masinii se roteste in sensul
invers miscarii acelor de ceasornic. Pentru a se intretine rotorul in miscare
este necesar ca momentul electromagnetic sa aiba unul si acelasi sens.
In acest sens,
la trecerea conductoarelor ab si cd din zona unui pol in zona celuilalt pol, este necesar
a se schimba si sensul curentului prin ele. Aceasta se realizeaza prin
ansamblul colector-perii. In acelasi timp, trecandu-se de la regula mainii
stangi la regula mainii drepte, se observa ca, la sensuri identice ale liniilor
magnetice si curentului din infasurarea indusului, sensurile de rotatie ale
rotorului in regimurile de motor si generator sunt opuse.
Pentru a se obtine constante nu numai ca sens, dar si
ca marime, t.e.m. la generatoare si cuplul electromagnetic la motoare, in
crestaturile rotorului se plasea-za un numar mai mare de spire conductoare
numite sectii. Prin sectie se intelege o parte a infasurarii indusului, care
consta din una sau mai multe spire conectate in serie. Capetele sectiilor se
conecteaza la doua lamele de colector. In consecinta, in acest caz, colectorul
este compus nu din doua segmente ci dintr-o multime de lamele de colector.
Departarea dintre inceputul si sfarsitul fiecarei
sectii, masurata pe colector, in numar de lamele de colector se numeste pasul
la colector. In fig.4.9 este prezen-tata dispozitia de principiu a
conductoarelor sectiei 1 si lamelelor de colector 2.
Fig.4.9
Dispunerea de principiu a conductoarelor sectiei 1 si lamelelor de colector 2
Fig.4.10
a, b Schema desfasurata a infasurarii
buclate
simple (a); forma unei sectii buclate
(b)
Procedeul de conexiune al sectiilor separate intr-o
infasurare comuna deter-mina schema infasurarii. Cele mai simple scheme sunt
cele buclate (forma de bucla) si ondulate (forma de unda). In fig.4.10 a, b sunt prezentate corespunzator forma
generala a infasurarii buclate simplu desfasurata si forma unei sectii buclate.
In fig.4.11 a
si b este prezentata forma generala a
infasurarii schemei ondu-late simplu desfasurata si forma unei sectii ondulate.
Fig.4.11
a, b Schema desfasurata a infasurarii
ondulate simplu (a),
schema
unei sectii ondulate (b)
Infasurarea indusului se separa prin periile masinii
in ramuri paralele (cai de curent). Prin cale de curent se intelege sectii
conectate in serie ale infasurarii in care se induc t.e.m. cu unul si acelasi
sens.
Se admite a se nota prin a numarul perechilor cailor de curent in paralel, iar numarul
cailor de curent in paralel este 2a.
Acest numar depinde de tipul infasura-rii. Astfel, la infasurarea ondulata (simpla
2a=2p; multipla 2a=2m), iar la
infa-surarea buclata (simpla 2a=2p; multipla 2a=2mp). Se considera ca
prin p se no-teaza numarul perechilor de poli ai masinii, iar numarul de poli
este 2p.
La masinile electrice de c.c. se utilizeaza si
notiunea de pas polar, notat cu 
, prin
care se intelege portiunea din circumferinta exterioara a indusului,
cores-punzatoare unui pol. Daca D – diametrul indusului, pasul polar este 
.
