2009 cuprins tehnica securitatii muncii. Norme de protectia muncii si prim ajutor in tractiunea electrica L2

B.Motoare cu autoexcitaţie

B1. Motorul de c.c. cu excitaţie derivaţie .

Fig. 4.4
Se scrie ecuaţia tensiunilor pe conturul închis :



(3)

B2. Motorul de c.c. cu excitaţie serie

Fig.4.5
Acest motor funcţionează şi alimentat la tensiune alternativă, cazul motoarelor folosite la aparatele de uz casnic, unde se impune putere mecanică la ax constantă, cuplu de pornire mare şi nu necesită viteză de rotaţie constantă. Se scrie ecuaţia tensiunilor pe conturul închis :

(4)

Faptul ca în acest caz curentul de excitaţie este egal cu cel de sarcină ( I_e = I_A= I ) are repercursiuni importante asupra caracteristicilor de funcţionare ale motorului serie, acestea fiind total diferite de cele ale motorului derivaţie.

4.3.PORNIREA MOTOARELOR DE CURENT CONTINUU
Condiţiile ce trebuie îndeplinite la pornirea motoarelor de curent continuu sunt:

• 
  reducerea curentului de pornire în limitele suportabile reţelei;
  
• 
  cuplul de pornire să fie mai mare decât cuplul rezistent al sarcinii;
  

- reducerea timpului de pornire pentru a elimina regimul tranzitoriu electromagnetic determinat de variaţia curenţilor şi fluxurilor magnetice prin înfăşurarea indusului şi cea de excitaţie.

Înlocuind în relaţia (2) expresia t.e.m. indusa în rotorul maşinii electrice cu se determină valoarea curentului la pornire (n = 0) cu expresia:

(5)

În afara faptului că motorul va absorbi un curent mare la pornire, în primele momente motorul tinde să se ambaleze deoarece este foarte mic iar turaţia este dată de relaţia:

(6)

Deoarece curentul de pornire este foarte ridicat, determină un cuplu de pornire foarte mare ce determină şocuri periculoase pentru construcţia mecanică a maşinii.

În funcţie de puterea nominală a motoarelor electrice se folosesc mai multe procedee de pornire. Acestea se clasifică în:
4.3.1 Pornirea prin cuplarea directă la reţea

Este procedeul cel mai întâlnit la motoarele de puteri mici (sub 5kW) şi de tensiuni ridicate, în general cu excitaţie serie, atingând un curent de pornire de (6-8).

4.3.2 Pornirea cu reostat de pornire

M
etoda se aplică pentru toate tipurile de excitaţie şi constă în înserierea unui reostat în circuitul indusului, reostat care se scoate treptat din circuit pe măsura ce maşina intră în turaţie.

Fig.4.6

Curentul la pornire ( t = 0, n = 0 ) va fi: cu valoarea totală a treptelor de pornire şi se alege . Pe măsură ce motorul intră în turaţie, curentul rotoric este dat de relaţia: iar treptele reostatului se scot din circuit când .

La funcţionarea normală reostatul este scurcircuitat, deoarece trebuie aplicată tensiunea nominală la bornele indusului şi pierderile joule prin reostat sunt foarte mari.

C
aracteristica pentru un motor de c.c. cu excitaţie independenta folosind un reostat cu 3 trepte de pornire este prezentată în continuare:

Fig.4.7

Segmentul AB de pe caracteristica (1) corespunde înserierii celor 3 trepte ale cu rezistenta a indusului, iar când se atinge valoarea n₁ a turaţiei se comuta pe caracteristica (2) corespunzatoare scurtcircuitării treptei ajungând astfel pe segmentul CD ş.a.m.d. până se scot toate treptele ale reostatului iar motorul va funcţiona pe caracteristica (4) numită caracteristica mecanică naturală.

4.4.MODIFICAREA TURAŢIEI PRIN ALIMENTAREA DE LA CONVERTOARE c.a.–c.c.

Metoda prezintă avantajul că are randament energetic ridicat, deoarece pierderile în conducţie ale ventilelor comandate sunt foarte mici, permite reglarea continua a tensiunii la bornele indusului, precum şi alimentarea prin conectarea directa la reţeaua de curent alternativ.

S
chemele de forţă pentru convertoarele monofazate şi trifazate pot fi: cu punţi complet comandate sau semicomandate.
Fig.4.8 Fig.4.9

În fig. 4.8 este utilizată o punte monofazată semicomandată şi sunt prezentate formele de undă ale tensiunilor de alimentare şi redresată precum şi curenţii prin tiristoare, diode şi motorul de c.c.

Tiristorul n₁ comandă cu o întârziere reglabilă  alternanţa pozitivă a tensiunii iar tiristorul n₂ reglează cu aceeaşi întârziere alternanţa negativă. Când conduce n₁ curentul debitat de sursă I_d se închide pe traseul R n₁ M n₄ S prin dioda n₄; tensiunea la periile motorului egalează tensiunea a reţelei. După ce n₁ se blochează la anularea lui , datorită tensiunii electromotoare indusa în inductivitatea L _A, avem curentul rotoric care se închide în continuare prin diodele n₃ si n₄. Pe alternanţa negativă conduce n₂ şi n₃ iar după blocarea lui n2, continuă să circule prin n₃ şi n_4. Curentul rotoric este aproape constant datorită inductivităţii L_a înseriată cu indusul maşinii de c.c.

S
e consideră puntea trifazată dublă, complet comandată, formată din 6 tiristoare care primesc semnale de aprindere la intervale derad. Dintre tiristoarele T_1,T₃,T₅ se comandă cel care are anodul cel mai pozitiv, iar dintre T₂ ,T₄,T₆ se comandă cel cu catodul cel mai negativ.

Tensiunea redresată are p=6 pulsuri şi este egală cu diferenţa dintre alternanţele pozitive pe care sunt comandate tiristoarele T_1,T₃,T₅ şi alternanţele negative pe care sunt comandate tiristoarele T₂ ,T₄,T₆ ca în fig.4.8. Fiecare tiristor se comandă cu 2 impulsuri decalate la 60 ^o el. pentru amorsare şi funcţionare în regim de curent întrerupt fig.4.9 c) .
Unghiul de comandă al tiristoarelor,  , se supune următoarelor condiţii:

1. 
   Pentru evitarea basculării redresorului din regim de invertor în regim de redresor, unghiul maxim în regim de invertor se limiteaza la 150 ⁰ el.
   
2. 
   În regim de redresor unghiul minim se limitează la cel puţin 10 ⁰ el., pentru acţionări nereversibile, pentru a evita pendularea turaţiei la mersul în gol.
   

În fig.4.9 a) s-a reprezentat tensiunea redresată penru  = 0, tensiunea de alimentare trifazată în fig.4.9 b) şi curenţii prin tiristoare respectiv prin motor în fig.4.9 d).

Când unghiul de comandă instalaţia funcţionează ca redresor iar maşina este în regim de motor electric. Cea mai mare tensiune redresată se atinge pentru iar valoarea sa medie scade pe măsura creşterii lui , până ce la 90⁰ se anulează. Solicitarea cea mai mare a tiristoarelor apare la datorită tensiunii inverse mari.

Pentru tensiunea medie rotorică U_d devine negativă ca şi tensiunea contraelectromotoare –U_e ceea ce înseamnă ca maşina electrică trebuie să-şi schimbe sensul de rotaţie faţă de situaţia cu .

Maşina va funcţiona în regim de generator recuperativ, iar instalaţia de tiristoare în regim de invertor transformând puterea electrică de curent continuu primită de la maşina electrică în putere electrică de curent alternativ cedând-o reţelei. Unghiul de comandă  al tiristoarelor este reglabil între 0 şi 150 ^o el. variaţia lui obţinându-se dintr-un potenţiometru accesibil prin panoul frontal al convertorului.

F
orma tensiunii de ieşire a convertorului pentru diverse valori ale unghiului de comanda  precum şi valoarea medie a tensiunii de ieşire U_d, care scade odata cu

Fig.4.10

creşterea unghiului , arată astfel:
4.5..DATELE NOMINALE ALE MOTOARELOR DE c.c. DE ÎNCERCAT

8. 
   Motor de c.c
   
9. 
   Puterea nominală P_n= [kW] [kW]
   
10. 
    Tensiunea nominală U_n= [V]
    
11. 
    Curentul nominal I_n= [A]
    
12. 
    Turatia nominală n_n= [rpm]
    
13. 
    Tensiunea nominală a înfăşurării de excitaţie U_{n ex}= [V]
    
14. 
    Curentul nominal al înfăşurării de excitaţie I_{n ex}= [A]
    

4.6..SCHEMA DE MONTAJ UTILIZATĂ

Fig. 4.11

Pentru încărcarea în sarcină a motorului, se cuplează cu un generator cu aceeaşi parametri care debitează putere electrică pe o rezistenţa de sarcină R_s .
Aparate electrice utilizate:

Convertor monofazat c.a. - c.c.

Grup motor-generator;

A_ex ampermetru excitaţie, max. 3A;

A_m,A_g ampermetru în circuitul indusului,max. 15A;

V_ex voltmetru în circuitul excitaţiei 120V;

V_m-V_g voltmetru în circuitul indusului U_n=220V;

R_s rezistenţa de sarcină;

Tahometru pentru măsurarea turaţiei n;
4.7..MOD DE LUCRU
Pentru încărcarea în sarcină a motorului se utilizează un generator de c.c. cu excitaţie separată care debitează pe o rezistenţă de sarcină R_s. Se porneşte M prin butonul b₁ care închide contactul 1C1 si 2C2 antrenând astfel generatorul G care debitează tensiunea U_g pe rezistenţa de sarcină R_s, la comanda butonului b₃. Forţa electromagnetică dezvoltată de M se determină prin echilibrarea balanţei statorice, iar expresia de calcul a cuplului electromagnetic este dată de relaţia:

;

m - masa greutaţilor [Kg]

g - acceleraţia gravitaţională [m/s²]

l - braţul forţei [m]

Turaţia de antrenare a generatorului se măsoară cu tahometrul. Cele două maşini sunt identice, iar încărcarea în sarcină nominală se face la o valoare a lui R_s pentru care ampermetrul A_M indică curentul nominal al motorului M.

În cazul motoarelor electrice mărimile de ieşire sunt de natură mecanică (n- turaţie, M – cuplu) şi se studiază dependenţa acestora definindu-se următoarele caracteristici:

1. Caracteristica mecanică naturală

Defineşte dependenţa n=f(M) | I_eN=ct, U_AN=U_A trasată pentru situaţia în care în circuitul rotorului nu este înseriată nici o rezistenţă exterioară, motorul fiind alimentat la tensiunea nominală.

Înlocuind expresia curentului rotoric în funcţie de cuplu electromagnetic din rel. (1) în rel. (6) avem următoarea expresie a turaţiei: ( 7 )

Graficul exprimat de relaţia de mai sus intersectează axa ordonatelor în punctul: -turaţia de mers în gol- şi este înclinată faţă de axa absciselor, pentru un cuplu M dat, cu _.

Aşa cum rezultă din ecuaţia analitică a caracteristicii mecanice ( 7 ), alura acesteia este o dreaptă a cărei pantă depinde de valoarea rezistenţei circuitului rotoric R _A şi de valoarea fluxului de excitaţie _e .

2. Caracteristicile mecanice artificiale se ridica în condiţiile în care se efectuează reglajul de viteză în acţionările industriale şi anume:

3. 
   n = f( M ) | I_e = I_eN = ct, U_A= variabil. Reglajul turaţiei sub turaţia nominală se execută prin variaţia tensiunii de alimentare, curentul prin indus şi curentul de excitaţie rămânând constante(valori nominale ). În aceste condiţii motorul dezvoltă cuplul nominal constant.
   
4. 
   n = f(M) | U_A = U_AN = ct, I_e = variabil. Pentru a se obţine turaţii mai mari decit turaţia nominală se păstrează tensiunea indusului neschimbată (la valoarea nominală) şi se diminuează curentul de excitaţie. Dacă curentul de sarcină rămâne constant, reglajul turaţiei are loc la putere constantă.
   

Se vor prezenta grafic caracteristicile atât pentru motorul cu excitaţie derivaţie cât şi pentru cel cu excitaţie serie cu indusul.

UA = UAN = ct

UA = UAN = ct

Ie = IeN = ct

Ie = IeN = ct

Ie1 = 0.5 IeN

Ie1 = 0.8 IeN

UA = 0.5UAN

UA = 0.8 UAN

n [rpm]

m [g]

M=mgl [Nm]

n [rpm]

m [g]

M=mgl [Nm]

n [rpm]

m [g]

M=mgl [Nm]

n [rpm]

m [g]

M=mgl [Nm]

n [rpm]

m [g]

M=mgl [Nm]

3.Caracteristica turaţiei motorului în funcţie de sarcină: n = f( I ) | U_A=ct., I_e=ct. exprimă dependenţa turaţiei funcţie de sarcină. Se ridică începînd cu valoarea maximă a curentului de sarcină, care se scade treptat pâna la mersul în gol al motorului. Modificând rezistenţa de sarcină R_s se măsoară pentru fiecare valoare, curentul indusului I_A cu ampermetrul, A_M , aflat în circuitul rotoric al motorului. Din relaţia (1) dependenţa va fi:

( 8 )

În relaţia anterioară am neglijat căderea de tensiune la perii:  U_p = 0. Turaţia rotorului se măsoară cu tahometrul sau cu ajutorul unui tahogenerator iar valorile obţinute se trec în tabelul de mai jos:

Nr. Det.	N [rpm]	IA [A]	Ub [V]	Ie [A]

4.Caracteristica randamentului: .

- puterea mecanică furnizată de ax.

- puterea electrică absorbită.

M = m g l ( 9 )

( 10 )

( 11 )

( 12 )

În regimul nominal, cuplul mecanic şi randamentul se determină cu relaţiile următoare, unde puterea nominală P_n este dată în elementele caracteristice de pe eticheta motorului.

,

Valori măsurate				Valori calculate
Un [V]	In [A]	n [rpm]	m [g]	P1 [W]	M [Nm]	P2 [W]	

5. Caracteristica de reglaj a turaţiei la mers în gol: n₀ = f(I_e) | U_A=U_N , M=0 se ridică pentru motorul decuplat de frâna sau cu generatorul frână neexcitat şi fără sarcină la borne. Se porneşte de la excitaţia maximă şi se reduce treptat curentul de excitaţie până la o valoare de măsurându-se turaţile corespunzătoare, iar valorile se trec în tabelul următor;

UA	[V]
Ie	[A]
n0	[rot/min]

4.8. SPECIFICUL MASINILOR DE TRACTIUNE
Motorul de c.c. cu excitaţie serie este de mult aplicat la propulsia VEMC, datorită particularităţilor sale funcţionale deosebit de avantajoase pentru tracţiune:

prezintă o caracteristică mecanică elastică (suplă) cu autoreglare de turaţie (adică, la sarcini mecanice reduse la ax corespund turaţii ridicate, iar la sarcini mari corespund turaţii mici);

dezvoltă cupluri puternice la porniri şi frânare, putând imprima acceleraţii, respectiv deceleraţii, mari;

suportă bine suprasarcini şi şocuri dinamice la ax;

turaţia sa poate fi modificată simplu, în limite largi;

atenuează, pe partea reţelei de c.c. de alimentare, variaţiile încărcării mecanice la ax (ceea ce la STE cu VEMC are repercusiuni favorabile privind limitarea suprasarcinilor din SSTE şi a căderilor de tensiune în LC);

poate fi uşor trecut în regim de generator de c.c. serie, pentru frânare electrică dinamică.

Limitările funcţionale ale motorului de tracţiune de c.c. serie provin, în primul rând, din existenţa colectorului şi periilor, care sporesc substanţial gabaritul, greutatea şi întreţinerea; de asemenea, viteza periferică a colectorului şi t.e.m de reactanţă indusă în secţia rotorică aflată în comutaţie constituie factori limitativi ai turaţiei maxime ai motorului (respectiv, ai gradului său de subexcitare) şi ai puterii utile disponibile la această turaţie.

În al doilea rând, motorul de tracţiune de c.c. serie pretinde elemente de conectare electromecanice pentru schimbarea sensului curentului rotoric la trecerea din regimul de tracţiune în cel de frânare electrică.

În al treilea rând, frânarea electrică recuperativă nu este posibilă decât montând un VTC de cadranul II în paralel cu maşina de tracţiune de c.c. serie, aflată în regim de generator.

În al patrulea rând, caracteristica mecanică elastică a motorului de tracţiune de c.c. serie, este defavorabilă în ceea ce priveşte comportarea la patinare a VEMC, permiţând ambalarea roţilor motoare care s-au desprins.

Observaţia 4.1. Trebuie remarcat că în cazul VEMC, motorul de tracţiune de c.c. serie fiind permanent cuplat mecanic prin angrenaj reductor cu aparatul de rulare, nu poate funcţiona în gol şi, prin urmare, nu există riscul supraturării şi deteriorării sale mecanice.

Condiţiile de exploatare şi particularităţile funcţionale ale motoarelor de tracţiune de c.c. serie au determinat o serie de caracteristici constructive specifice acestor motoare.

a. Motoarele prezintă o construcţie modulară, fiind executate în cadrul unor serii unitare, datorită avantajului tipizării constructive şi tehnologice. Ele pot fi alimentate atât în c.c. neted, cât şi în c.c. ondulat (provenit de la VTC).

b. Fiecare motor este suspendat pe cadrul boghiului (şasiului), fiind dispus longitudinal.

c. Piesele cu rol mecanic, ca scuturile port-lagăre, flanşele statorice, butucul şi inelul colectorului sunt uzinate din oţel turnat pentru a rezista solicitărilor din exploatare. Sudarea conexiunilor la colector ale bobinajului rotoric şi legăturilor echipotenţiale se execută fără aport de metal prin procedeul TIG (cu electrod de tungsten şi arc electric în atmosferă neutră de heliu), sporindu-se, astfel, fiabilitatea motoarelor de tracţiune în condiţii de suprasarcini mari şi repetate.

d. Motoarele sunt protejate contra stingerilor accidentale ale părţilor rotitoare şi ale elementelor aflate sub tensiune, precum şi contra pătrunderii corpurilor străine şi a apei.

e. Motoarele sunt în construcţie autoventilată, aerul de răcire fiind filtrat la intrare în motor şi circulat sub acţiunea unui ventilator centrifugal interior.

f. Motoarele se execută în clasele de izolaţie F şi H, rezultând cu dimensiuni axiale şi radiale inferioare celor ale motoarelor normale de aceleaşi puteri şi turaţii.

g. Pentru obţinerea unor turaţii maxime ridicate, se practică slăbirea câmpului magnetic inductor al motoarelor, uzual, prin şuntarea înfăşurării de excitaţie.

h. Circuitul magnetic statoric se execută din tole ştanţate din tablă de oţel. În scopul reducerii dimensiunilor, s-a adoptat forma octogonală a tolei stator, reunind într-o construcţie monobloc polii principali şi jugul statoric (fig.4.12). Polii principali 1 (uzual, în număr de patru) sunt fără talpă polară, dar cu crestături închise 2, în care se plasează înfăşurarea de compensaţie. Aceasta asigură anihilarea reacţiei magnetice transversale a indusului în proporţie de 80÷95%.

Construcţia octogonală a tolei stator permite dimensionarea largă a jugului statornic în zona 3 de aşezare a polilor auxiliari şi totodată, asigură un spaţiu extins pentru înfăşurările de excitaţie şi de comutaţie. De asemenea, ea determină un diametru mărit al indusului favorizând prin aceasta adoptarea unui număr sporit de crestături rotorice (Z/2p>10), respectiv de lamele de colector.

Fig. 4.12. Motoarele de tracţiune de c.c. serie, specifice VEMC.

Tola stator
Împachetarea tolelor atatorice cu flanşe frontale strânse cu buloane (care servesc şi la fixarea ulterioară a scuturilor port-lagăre) elimină, practic, carcasa motorului.

1. Polii auxiliari sunt confecţionaţi separat, tot din tole şi sunt, apoi, fixati după tehnologia clasică. Circuitul lor magnetic este nesaturat, în scopul asigurării unei bune comutaţii.