Circuitos elétricos de corrente contínua e suas características

Propriedades motores DC são determinados principalmente pela forma como a bobina de excitação é ligada. Dependendo disso, os motores elétricos são diferenciados:

1. excitado independentemente: a bobina de excitação é alimentada por uma fonte CC externa (excitatriz ou retificador),

2. excitação paralela: o enrolamento de campo é conectado em paralelo com o enrolamento da armadura,

3. excitação em série: o enrolamento de excitação é conectado em série com o enrolamento da armadura,

4. com excitação mista: existem dois enrolamentos de campo, um conectado em paralelo com o enrolamento da armadura e outro em série com ele.

Todos esses motores elétricos possuem o mesmo dispositivo e diferem apenas na construção da bobina de excitação. Os enrolamentos de excitação desses motores elétricos são executados da mesma maneira que em respectivos geradores.

Motor elétrico CC com excitação independente

Neste motor elétrico (Fig.1, a) o enrolamento da armadura é conectado à fonte principal de corrente contínua (rede de corrente contínua, gerador ou retificador) com uma tensão U, e o enrolamento de excitação é conectado a uma fonte auxiliar com uma tensão UB. Um reostato regulador Rp está incluído no circuito da bobina de excitação e um reostato de partida Rn está incluído no circuito da bobina de armadura.

O reostato regulador é usado para regular a velocidade da armadura do motor e o reostato de partida é usado para limitar a corrente no enrolamento da armadura durante a partida. Uma característica do motor elétrico é que sua corrente de excitação Iv não depende da corrente Ii no enrolamento da armadura (corrente de carga). Portanto, desprezando o efeito desmagnetizador da reação da armadura, podemos assumir aproximadamente que o fluxo do motor F é independente da carga. As dependências do momento eletromagnético M e da velocidade n da corrente I serão lineares (Fig. 2, a). Portanto, as características mecânicas do motor também serão lineares — a dependência n (M) (Fig. 2, b).

Na ausência de um reostato com resistência Rn no circuito da armadura, a velocidade e as características mecânicas serão rígidas, ou seja, com pequeno ângulo de inclinação em relação ao eixo horizontal, pois a queda de tensão IяΣRя nos enrolamentos da máquina incluída no o circuito de armadura na carga nominal é apenas 3-5% de Unom. Essas características (linhas retas 1 na Fig. 2, aeb) são chamadas de naturais. Quando um reostato com resistência Rn é incluído no circuito da armadura, o ângulo de inclinação dessas características aumenta, pelo que pode ser obtida uma família de características de reostato 2, 3 e 4, correspondendo a diferentes valores de Rn1, Rn2 e Rn3.

Arroz. 1.Diagramas esquemáticos de motores DC com excitação independente (a) e paralela (b)

Arroz. 2. Características dos motores elétricos de corrente contínua com excitação independente e paralela: a — velocidade e torque, b — mecânica, c — trabalho Quanto maior a resistência Rn, maior o ângulo de inclinação da característica do reostato, ou seja, ele é mais macio.

O reostato regulador Rpv permite alterar a corrente de excitação do motor Iv e seu fluxo magnético F. Nesse caso, a frequência de rotação n também mudará.

Nenhum interruptor e fusível é instalado no circuito da bobina de excitação, porque quando este circuito é interrompido, o fluxo magnético do motor elétrico diminui drasticamente (apenas o fluxo de magnetismo residual permanece nele) e ocorre um modo de emergência. o motor está funcionando em marcha lenta ou carga leve no eixo, então a velocidade aumenta acentuadamente (o motor se move). Nesse caso, a corrente no enrolamento da armadura Iya aumenta significativamente e pode ocorrer um incêndio abrangente. Para evitar isso, a proteção deve desconectar o motor elétrico da fonte de alimentação.

O aumento acentuado da velocidade de rotação quando o circuito da bobina de excitação é interrompido é explicado pelo fato de que, neste caso, o fluxo magnético Ф (até o valor do fluxo de Fost do magnetismo residual) e e. etc. v. E e o Iya atual aumenta. E como a tensão aplicada U permanece inalterada, a frequência rotacional n aumentará para e. etc. c. E não atingirá um valor aproximadamente igual a U (o que é necessário para o estado de equilíbrio do circuito de armadura, onde E = U — IяΣRя.

Quando a carga no eixo estiver próxima da nominal, o motor elétrico irá parar em caso de interrupção do circuito de excitação, pois o momento eletromagnético que o motor pode desenvolver com uma redução significativa do fluxo magnético diminui e se torna menor que o torque da carga do eixo. Neste caso, a corrente Iya também aumenta acentuadamente e a máquina deve ser desconectada da fonte de alimentação.

Deve-se observar que a velocidade de rotação n0 corresponde a uma velocidade de marcha lenta ideal quando o motor não consome energia elétrica da rede e seu momento eletromagnético é zero. Em condições reais, no modo de marcha lenta, o motor consome da rede a corrente de marcha lenta I0, necessária para compensar as perdas internas de potência, e desenvolve um certo torque M0, necessário para superar as forças de atrito na máquina. Portanto, na realidade, a velocidade de marcha lenta é menor que n0.

A dependência da velocidade de rotação n e do momento eletromagnético M da potência P2 (Fig. 2, c) do eixo do motor, conforme decorre das relações consideradas, é linear. As dependências da corrente Iya do enrolamento da armadura e da potência P1 sobre P2 também são praticamente lineares. A corrente I e a potência P1 em P2 = 0 representam a corrente inativa I0 e a potência P0 consumida em inatividade. A curva de eficiência é característica de todas as máquinas elétricas.

Excitação paralela de corrente contínua do motor elétrico

Neste motor elétrico (ver Fig. 1, b) os enrolamentos de excitação e as armaduras são alimentados da mesma fonte de energia elétrica com uma tensão U. Um reostato regulador Rpv está incluído no circuito do enrolamento de excitação e um reostato de partida Rp está incluído no circuito de enrolamento da âncora.

No motor elétrico em consideração, existe essencialmente uma alimentação separada dos circuitos de enrolamento de armadura e de excitação, como resultado da qual a corrente de excitação Iv não depende da corrente de enrolamento de armadura Iv. Portanto, o motor de excitação paralela terá as mesmas características do motor de excitação independente. No entanto, um motor de excitação paralela só funcionará normalmente quando alimentado por uma fonte CC de tensão constante.

Quando o motor elétrico é alimentado por uma fonte com tensão diferente (gerador ou retificador controlado), uma diminuição na tensão de alimentação U causa uma diminuição correspondente na corrente de excitação Ic e no fluxo magnético Ф, o que leva a um aumento na armadura corrente sinuosa Iya. Isso limita a possibilidade de ajustar a velocidade da armadura alterando a tensão de alimentação U. Portanto, motores elétricos projetados para serem alimentados por gerador ou retificador controlado devem ter excitação independente.

Excitação em série de corrente contínua do motor elétrico

Para limitar a corrente de partida, o reostato de partida Rp (Fig. 3, a) é incluído no circuito do enrolamento da armadura (Fig. 3, a) e para regular a velocidade de rotação em paralelo com o enrolamento de excitação ajustando o reostato Rpv pode ser incluído.

Arroz. 3. Diagrama esquemático do motor DC com excitação em série (a) e a dependência de seu fluxo magnético Ф da corrente I no enrolamento da armadura (b)

Arroz. 4. Características do motor DC com excitação sequencial: a — alta velocidade e torque, b — mecânica, c — trabalhadores.

Uma característica deste motor elétrico é que sua corrente de excitação Iv é igual ou proporcional (quando o reostato Rpv é ligado) à corrente do enrolamento da armadura Iya, portanto o fluxo magnético F depende da carga do motor (Fig. 3, b) .

Quando a corrente do enrolamento da armadura Iya é menor que (0,8-0,9) da corrente nominal Inom, o sistema magnético da máquina não está saturado e pode-se supor que o fluxo magnético Ф muda em proporção direta à corrente Iia. Portanto, a característica de velocidade do motor elétrico será suave - à medida que a corrente I aumenta, a velocidade de rotação n diminui drasticamente (Fig. 4, a). Uma diminuição na velocidade de rotação n é devida a um aumento na queda de tensão IjaΣRja. na resistência interna Rα. circuitos de enrolamento da armadura, bem como devido a um aumento no fluxo magnético F.

O momento eletromagnético M com o aumento da corrente Ija aumentará drasticamente, pois neste caso o fluxo magnético Ф também aumenta, ou seja, o momento M será proporcional à corrente Ija. Portanto, quando a corrente Iya é menor que (0,8 N-0,9) Inom, a característica de velocidade tem a forma de uma hipérbole e a característica do momento tem a forma de uma parábola.

Nas correntes Ia> Ia, as dependências de M e n em Ia são lineares, pois neste modo o circuito magnético estará saturado e o fluxo magnético Ф não mudará quando a corrente Ia mudar.

A característica mecânica, ou seja, a dependência de n em M (Fig. 4, b), pode ser construída com base nas dependências de n e M em Iya. Além da característica natural 1, é possível obter uma família de reostatos de características 2, 3 e 4, incluindo um reostato com resistência Rp no circuito do enrolamento da armadura.Essas características correspondem a diferentes valores de Rn1, Rn2 e Rn3, enquanto quanto maior o Rn, menor a característica.

A característica mecânica do motor considerado é macia e hiperbólica. Em cargas baixas, o fluxo magnético Ф diminui significativamente, a velocidade de rotação n aumenta acentuadamente e pode exceder o valor máximo permitido (o motor funciona descontroladamente). Portanto, esses motores não podem ser usados ​​​​para acionar mecanismos que operam em modo inativo e sob carga baixa (várias máquinas, transportadores, etc.).

Normalmente, a carga mínima permitida para motores de alta e média potência é (0,2… 0,25) Inom. Para evitar que o motor funcione sem carga, ele está firmemente conectado ao mecanismo de acionamento (acoplamento dentado ou cego); o uso de uma transmissão por correia ou embreagem de fricção é inaceitável.

Apesar dessa desvantagem, os motores com excitação sequencial são amplamente utilizados, principalmente quando há grandes diferenças no torque de carga e severas condições de partida: em todos os acionamentos de tração (locomotivas elétricas, locomotivas a diesel, trens elétricos, carros elétricos, empilhadeiras elétricas, etc.), bem como em acionamentos de mecanismos de elevação (guindastes, elevadores, etc.).

Isso é explicado pelo fato de que, com uma característica suave, um aumento no torque de carga leva a um aumento menor na corrente e no consumo de energia do que em motores independentes e com excitação paralela, devido aos quais os motores com excitação em série podem suportar melhor a sobrecarga.Além disso, esses motores têm um torque de partida mais alto do que os motores paralelos e de excitação independente, porque à medida que a corrente do enrolamento da armadura aumenta durante a partida, o fluxo magnético também aumenta proporcionalmente.

Se assumirmos, por exemplo, que a corrente de partida de curto prazo pode ser 2 vezes a corrente nominal de operação da máquina e negligenciarmos os efeitos de saturação, reação da armadura e queda de tensão em seu enrolamento, então em um motor com excitação série, a o torque de partida será 4 vezes maior que o nominal (tanto na corrente quanto no fluxo magnético aumenta 2 vezes), e em motores com excitação independente e paralela - apenas 2 vezes mais.

De fato, devido à saturação do circuito magnético, o fluxo magnético não aumenta proporcionalmente à corrente, mas mesmo assim o torque de partida de um motor com excitação série, tudo o mais constante, será muito maior que o torque de partida do mesmo motor com excitação independente ou paralela.

As dependências de n e M na potência P2 do eixo do motor (Fig. 4, c), como segue das posições discutidas acima, são não lineares, as dependências de P1, Ith e η em P2 têm a mesma forma que para motores com excitação paralela.

Motor elétrico de corrente contínua de excitação mista

Neste motor elétrico (Fig. 5, a) o fluxo magnético Ф é criado como resultado da ação conjunta de duas bobinas de excitação - paralela (ou independente) e série, através das quais as correntes de excitação Iв1 e Iв2 = Iя

é por isso

onde Fposl - o fluxo magnético da bobina em série, dependendo da corrente Ia, Fpar - o fluxo magnético da bobina paralela, que não depende da carga (é determinado pela corrente de excitação Ic1).

A característica mecânica de um motor elétrico com excitação mista (Fig. 5, b) situa-se entre as características dos motores com excitação paralela (reta 1) e série (curva 2). Dependendo da relação das forças magnetomotrizes dos enrolamentos paralelo e série no modo nominal, as características do motor de excitação mista podem ser aproximadas à característica 1 (curva 3 a baixo ppm do enrolamento série) ou à característica 2 (curva 4 a baixo ppm. v. enrolamento paralelo).

Arroz. 5. Diagrama esquemático de um motor elétrico com excitação mista (a) e suas características mecânicas (b)

A vantagem do motor DC com excitação mista é que ele, tendo uma característica mecânica suave, pode operar em marcha lenta quando Fposl = 0. Nesse modo, a frequência de rotação de sua armadura é determinada pelo fluxo magnético Fpar e tem um limite valor (motor não funcionando).