Capitolul 7 MASINA D CURNT ALTRNATIV CU COLCTOR Principiul care ta la baza realizarii acetor aini ete tranferul colectorului de la aina de curent continuu la aina de curent alternativ, în vederea obtinerii unor caracteritici de reglaj aeanatoare cu cele de la aina de curent continuu. Dupa cu a vazut în ubcapitolul [3.3], reglajul vitezei otorului e face fie prin pierderi de energie care crec odata cu creterea alunecarii (pierderi prin efect Joule), fie cu ajutorul unor intalatii exterioare relativ cupe în coparatie cu pretul ainii reglate. De aeenea otoarele aincrone de viteza ica au cele care functioneaza încarcate cu arcina ica au un factor de putere cazut. Acete inconveniente pot fi înlaturate foloind colectorul la aina aincrona. Maina de c.a. cu colector ete foloita, în practica, nuai în regi de otor, atât ca otor onofazat cât i ca otor trifazat. Dintre otoarele de c.a. cu colector ai de întâlnite în practica, entiona, otorul onofazat erie, otorul onofazat derivatie (cu repulie), otorul trifazat derivatie etc. Inductorul ainilor de c.a. cu colector poate fi onofazat au trifazat, iar induul ete prevazut cu o înfaurare de c.a. i colector. Acete aini, de obicei, e contruiec cu poli înecati, deci, au întrefier contant. În ainile de c.a. cu colector, inductorul (onofazat au trifazat) ete alientat de la o retea de c.a., obtinându-e un câp agnetic pulatoriu au itor, care va induce în înfaurarea de c.c. de pe indu doua feluri de t.e..: tatice (e ) ca la tranforator i de atie (e r ) ca la aina de c.c.
Maina de curent alternativ cu colector 7. T.e.. indua în ainile de c.a. cu colector Aa cu a entionat ai u, în acete aini, câpul inductor, care poate fi de tip pulatoriu (ca la aina onofazata) au de tip itor (ca la aina trifazata), induc în înfaurarea de pe induul de c.c. doua feluri de t.e..: teniuni electrootoare tatice (e ) care unt aeanatoare cu cele de la tranforator daca conidera inductorul analog priarului, iar induul ecundarul tranforatorului; teniuni electrootoare de atie (e r ) care unt analoage cu cele indue în aina de c.c. i care e datorec irii acetuia în câpul inductor. Vo prezenta, în continuare, odul de obtinere a acetei t.e.., tinând eaa ca, de obicei, inductorul e afla pe tator, iar induul pe or. 7.. T.e.. indue de catre câpul pulatoriu Vo conidera cazul în care induul ete fix (n = 0). În figura 7. e reprezinta trei ituatii în ceea ce privete pozitia periilor pe colector. valorile: a) b) c) Figura 7. În toate cazurile din figura 7., t.e.. de atie ete nula (n = 0), în chib t.e.. tatica are - figura 7., a, e =, deoarece cele doua înfaurari au axele paralele (ca la tranforator); - în figura 7., b, e = 0, deoarece axele celor înfaurari unt norale (de altfel i enurile t.e.. indue în conductoarele unei cai de curent în paralel ne arata acet lucru); - în figura 7., c, evident: e = in α.
Maina de curent alternativ cu colector 3 Din cele de ai u, rezulta ca valoarea t.e.. tatice depinde de pozitia periilor pe colector. xpreia t.e.. tatice pentru un unghi oarecare α de înclinare a periilor, fata de axa neutra, ete data de relatia: e = in α, (7.) π în care: = f Na kn Φ, (7.) unde -a notat: N nuarul de conductoare ale înfaurarii indue; inductor (ω ). a nuarul de cai de curent în paralel ale induului; Na nuarul de pire pe o cale de curent: k N factorul de înfaurare egal cu ; π N = ; a Na Φ valoarea axia a fluxului facicular fata de înfaurarea indua. Relatia 7. e ai poate crie: N Φ = f ; (7.3) a Trebuie precizat ca frecventa t.e.. tatice ete aceeai cu frecventa câpului agnetic Se conidera acu cazul când orul (induul) e ete cu o viteza oarecare n 0. a) b) c) Figura 7. În figura 7. unt reprezentate trei ituatii privind pozitia axei periilor pe colector: - în figura 7., a, când axa periilor ete paralela cu axa câpului inductor e induce nuai t.e.. tatica;
4 Maina de curent alternativ cu colector - în figura 7., b, t.e.. tatica ete nula, în chib t.e.. de atie are valoarea axia (ca la aina de c.c.) e ; = - în figura 7., c, e induc atât t.e.. tatica cât i de atie: e = in α, e = co α. (7.4) Cele doua t.e.. pot fi reprezentate fazorial fata de fluxul inductor ca în figura 7.3: atfel, t.e.. tatica ete în cuadratura cu fluxul inductor (în ura), iar t.e.. de atie ete în faza au în opozitie cu aceta dupa enul de atie al orului (n ). Figura 7.3 Valoarea efectiva a t.e.. de atie ete data de relatia: Cu: p n = i 60 f π = f N k a N N = ; a Na k N = π, atunci: Φ. p n N Φ =. (7.5) 60 a T.e.. rezultanta la periile ainii pentru un unghi oarecare e calculeaza cu relatia: ( in α) + ( co α). α = (7.6) 7.. Teniunea indua de catre câpul itor Sa preupune ca tatorul joaca rol de inductor, în care e obtine un câp itor, care e ete cu viteza de incroni câpuri pulatorii de fora: 60 f =. Acet câp poate fi coniderat ca fiind obtinut din doua p n B x = Bx cop α coω t,
Maina de curent alternativ cu colector 5 π π y = By co p α co ω t. B adica doua câpuri pulatorii aflate în cuadratura în tip i patiu, deci produe în doua înfaurari cu axele perpendiculare (figura 7.4) i trabatute de curentii: i x = Ix coω t, π y = Iy co ω t. i Câpul pulatoriu B x fata de perii va induce o t.e.. de atie (care va avea valoarea axia daca periile unt norale pe axa acetui câp), iar B y va induce nuai o t.e.. tatica care de aeenea va fi axia. Acete t.e.. unt reprezentate fazorial în figura 7.5, din care rezulta: =. (7.7) ± Figura 7.4 Figura 7.5 T.e.. de atie va avea o frecventa: în care n ete turatia orului (induului). T.e.. tatica are o frecventa: p n = 60 f p n = 60 f în care n ete turatia de incroni. Deci aplitudinea t.e.. poate fi pua ub fora:,, π = ( f ± f ) Na kn Φ. (7.8)
6 Maina de curent alternativ cu colector 7. xpreia cuplului electroagnetic la aina de c.a. cu colector xpreia cuplului electroagnetic e poate deduce în od analog ca la aina de c.c. i are expreia: p N = (7.9) π a ( t) i ϕ, în care i i ϕ unt repectiv valorile intantanee ale curentului din indu i fluxului inductor. Deci: i = I in ωt; ϕ = Φ in ( ωt ϕ); atunci: Se poate calcula un cuplu ediu: p N (7.0) π a ( t) = I Φ in ωt in ( ωt ϕ) T p N Np M = i ϕdt = I Φ coϕ (7.) π a T π a 0 7.3 Motoare onofazate de c.a. cu colector În practica e întâlnec ai ale otoare erie i derivatie onofazate de c.a. cu colector. La acete otoare înfaurarea inductoare ete onofazata, aflata pe tator i alientata în c.a. Datorita coutatiei ai dificile i a reactiei induului pe tator, ave i poli auxiliari (pentru cobaterea fenoenelor care înotec coutatia), iar pe or înfaurare de copenatie. 7.3. Motorul erie onofazat Acet otor ete aeantor cu cel de c.c. erie, chea a electrica ete reprezentata în figura 7.6 din care rezulta ca toate înfaurarile unt conectate în erie. Se noteaza: Σ R ua rezitentelor ohice ale tuturor înfaurarilor conectate în erie; Σ X ua reactantelor tuturor înfaurarilor conectate în erie. Figura 7.6 Figura 7.7
Maina de curent alternativ cu colector 7 Se tine eaa ca în or fluxul inductor induce nuai t.e.. de atie (axa periilor ete π la fata de axa fluxului inductor). Cu acete notatii i precizari, e poate crie: U = + I ( R + j X). (7.) cuatia (7.) ete reprezentata prin fazori în figura 7.7. Din aceata diagraa rezulta ca la o teniune de alientare contanta i la o arcina la ax contanta (I = contant), unghiul ϕ, deci i factorul de putere al otorului, va depinde de t.e.. de atie ( ). Cu depinde de viteza de atie n ete evident ca factorul de putere va depinde de aceata (la turatii ari, factorul de putere ete ai bun). Caracteritica ecanica a acetui otor ete aeanatoare cu cea a otorului de c.c. cu excitatie în erie. În figura 7.8 ete reprezentata failia de caracteritici ecanice obtinute prin icorarea teniunii de alientare, lucru poibil de obtinut practic cu ajutorul unui tranforator. Figura 7.8 Din alura acetei caracteritici, rezulta ca otorul onofazat erie de c.a. cu colector, ete un otor de putere aproxiativ contanta, deoarece produul M n=contant, de aceea acet otor poate fi utilizat în actionarile electrice din tractiune au la ainile de ridicat. 7.3. Motorul cu excitatie independenta onofazat de c.a. cu colector Motorul cu repulie. La acet otor (figura 7.9) înfaurarea inductoare ete conectata în erie cu înfaurarea de copenatie i alientata de la o ura de c.a., iar periile de pe or unt conectate în curtcircuit. Principiul de functionare e aeaana cu coportarea unei pire în curtcircuit, aflata întrun câp agnetic alternativ (figura 7.0). Daca aceata pira e ete în jurul unui ax în enul agetii pline i e laa libera, ea e va i în en contrar (ageata punctata) pâna când planul au va deveni paralel cu al liniilor de câp, pozitie în care curentul indu ete nul (cuplul de atie e va
8 Maina de curent alternativ cu colector anula). Spira care e ete în acet od, prezinta un fenoen de repulie. În od aeanator e coporta i pirele orului, de aici i denuirea de otor cu repulie. Figura 7.9 Figura 7.0 Caracteritica ecanica a acetui otor ete rigida, aeanatoare cu a otorului de c.c. cu excitatie independenta. Viteza de atie a otorului depinde de pozitia axei periilor pe colector, deoarece în functie de aceata ave o anuita valoare a t.e.. de atie. Se poate, deci, regla turatia acetui otor prin chibarea pozitiei axei periilor pe colector. Motorul cu repulie ete utilizat în actionari electrice la care viteza otorului trebuie a e entina contanta într-un anuit doeniu de variatie al arcinii la ax (caracteritica ecanica rigida). 7.3.3 Motorul trifazat de c.a. cu colector Dintre otoarele trifazate de c.a. cu colector, o rapândire relativ ai are, în practica o are cel de tip derivatie. Rotorul joaca rol de inductor, iar tatorul de indu. Pe or (figura 7.) e afla doua înfaurari ditincte: o înfaurare trifazata de c.a. care joaca rolul inductorului (în aceata e obtine un câp itor pe cale electrica) i o înfaurare de c.c.. Înfaurarea trifazata ete conectata la trei inele de bronz pe care calca trei perii prin interediul carora e face alientarea de la reteaua de c.a. trifazat. Înfaurarea de c.c. ete conectata la un colector obinuit, ca la aina de c.c., care e afla plaat la celalalt capat al orului. Pe colector calca doua itee de perii trifazate cu ajutorul carora e poate conecta în derivatie înfaurarea trifazata care joaca rolul de indu aflata pe tator. Conexiunea în derivatie, evident, e face fata de înfaurarea de c.c., odalitate prin care pete t.e.. indue în tator de înfaurarea trifazata e uprapun t.e.. de aceeai frecventa din or. Cele doua itee de perii de pe colector e pot i unul fata de altul (arind au icorând ditanta dintre ele, deci, teniunea de la colector aplicata tatorului ca odul i faza).
Maina de curent alternativ cu colector 9 Figura 7. înfaurarea trifazata inductoare; înfaurarea de c.c.; 3 inele de bronz; 4 perii de carbune grafitat; 5 colector; 6 înfaurare indua trifazata de c.a.; A, B, C ; A, B, C itee trifazate de perii. Principiul de functionare Alientând orul prin inele de la o retea de c.a. cu frecventa f e obtine un câp inductor care e va i cu viteza de incroni 60 f = daca orul ete în repau. Pornind ca un otor p n aincron, orul va capata o viteza de atie n < n, deci, fata de tator câpul itor inductor e va i cu turatia n n i, deci, în tator e vor induce t.e.. de frecventa f = f, unde ete alunecarea: n n =. Curentii din tator pe o faza vor fi: n I = =, (7.3) R + X R + X d d au daca e neglijeaza reactanta de diperie a tatorului fata de rezitenta a, ave: I =. (7.4) R Pete t.e.. e uprapune t.e.. uplientara colectata de la înfaurarea de c.c. prin perii. Sa preupune ai întâi ca aceata t.e.. uplientara D, ete în faza cu t.e.. din tator (figura 7.) i ca orul ete alientat la o t.e.. contanta, având o arcina contanta la ax (U = cont., M r = cont.). Prin injectarea t.e.. D în tator, curentul va deveni: Creterea curentului Accelerarea otorului are loc pâna când I I. I D + D =. (7.5) R I > I duce la o cretere a turatiei i, deci, o cadere a alunecarii. =
30 Maina de curent alternativ cu colector =. (7.6) D + D De aici: D D =. (7.7) Introducerea în tator a unei t.e.. uplientare de aceeai frecventa, duce la odificarea turatiei. T.e.. D poate fi introdua i în opozitie (figura 7.), în acet caz: D =, (7.8) D + în felul aceta putându-e obtine turatii upraincrone. Figura 7. Figura 7.3 Daca t.e.. D e injecteaza ub o anuita faza de, atunci va avea doua coponente (una în faza cu i alta în cuadratura). Coponenta în faza va duce la odificarea turatiei, iar cea în cuadratura, la odificarea factorului de putere (figura 7.3). crie: unde: În figura 7.3, D ete aplicata în cuadratura. Notând ariile raportate la indu, e va I curentul rezultant pe o faza din tator; I curentul pe faza din tator produ de ; D I = I I, (7.9) + I curentul de faza din tator produ de D. Cu: I + I = I0 (relatia dintre olenatii de la otorul aincron), atunci: I + ID I0 D I + = au I + I = I I. (7.0) 0 Relatia (7.0) ne arata ca I D icoreaza curentul de er în gol, deci arete factorul de putere. Motorul trifazat de c.a. cu colector are proprietatea de a functiona la un factor de putere D
Maina de curent alternativ cu colector 3 ridicat i, totodata, i e poate regla turatia în liite largi. Practic reglajul turatiei i a factorului de putere e poate face prin deplaarea celor doua itee de perii. Daca e efectueaza deplarea iultana a celor doua itee de perii e obtine nuai o variatie a odulului lui D, deci, e odifica nuai turatia; daca e deplaeaza nuai un ite de perii, iar unul e entine fix, atunci e odifica atât odulul cât i faza, deci, e regleaza atât turatia cât i factorul de putere.