Moteurs à courant continu
Des moteurs électriques à courant continu sont utilisés dans ces entraînements électriques où une large gamme de contrôle de vitesse, une grande précision de maintien de la vitesse de rotation de l'entraînement et un contrôle de vitesse au-dessus de la vitesse nominale sont nécessaires.
Comment fonctionnent les moteurs à courant continu ?
Le fonctionnement d'un moteur électrique à courant continu repose sur le phénomène d'induction électromagnétique… Il est connu des bases de l'électrotechnique qu'un conducteur porteur de courant est placé champ magnétique, la force déterminée par la règle de gauche agit :
F = BIL,
où I est le courant traversant le fil, V est l'induction du champ magnétique; L est la longueur du fil.
Lorsque le fil traverse les lignes de champ magnétique de la machine vers l'intérieur, il est induit force électromotrice, qui, par rapport au courant dans le conducteur, est dirigé contre lui, il est donc appelé opposé ou opposé (contra-d. d. s). La puissance électrique du moteur est convertie en puissance mécanique et est partiellement utilisée pour chauffer le fil.
Structurellement, tous les moteurs électriques à courant continu sont constitués d'un inducteur et d'un induit séparés par un entrefer.
Le courant continu du moteur électrique inducteur sert à créer un champ magnétique stationnaire de la machine et se compose d'un châssis, de pôles principaux et supplémentaires. Le cadre sert à fixer les pôles principaux et auxiliaires et est un élément du circuit magnétique de la machine. Des bobines d'excitation sont situées sur les pôles principaux conçus pour créer un champ magnétique de la machine, sur des pôles supplémentaires - une bobine spéciale pour améliorer les conditions de commutation.
Le courant continu du moteur électrique d'ancre se compose du système magnétique assemblé à partir de feuilles individuelles, de la bobine de travail placée dans les rainures et collectionneur sert à l'approche du courant constant de la bobine de travail.
Un collecteur est un cylindre empalé sur l'arbre moteur et choisi ami par ami isolé sur des plaques de cuivre. Le collecteur a des protubérances d'armement, auxquelles les extrémités des sections sont des armatures de bobine soudées. La collecte du courant du collecteur se fait à l'aide de balais qui assurent un contact glissant avec le collecteur. Brosses fixées dans des porte-balais qui les maintiennent dans une certaine position et fournissent la pression de brosse nécessaire sur la surface du collecteur. Les balais et porte-balais sont fixés sur la traverse, reliés au moteur électrique de la caisse.
Commutation dans les moteurs électriques à courant continu
Lorsqu'un moteur électrique tourne, les balais à courant continu glissant sur la surface du collecteur tournant passent successivement d'une plaque collectrice à l'autre. Dans ce cas, les sections parallèles de l'enroulement d'induit sont commutées et le courant dans celles-ci change. Le changement de courant se produit pendant que la spire de la bobine est court-circuitée par le balai. Ce processus de commutation et les phénomènes associés sont appelés commutation.
Au moment de la commutation, e est induit dans la section court-circuitée de la bobine sous l'influence de son propre champ magnétique. etc. v. auto-induction. Le e résultant. etc. C. provoque un courant supplémentaire dans le court-circuit, ce qui crée une répartition inégale de la densité de courant sur la surface de contact des balais. Cette circonstance est considérée comme la principale raison de la formation d'arc du collecteur sous la brosse. La qualité de la commutation est jugée par le degré d'étincelle sous le bord de fuite du balai et est déterminée par l'échelle du degré d'étincelle.
Méthodes d'excitation des moteurs électriques à courant continu
Excité par les machines électriques, je comprends la création d'un champ magnétique en elles, nécessaire au fonctionnement d'un moteur électrique... Circuits d'excitation des moteurs électriques courant continu illustrés sur la figure.
Circuits d'excitation des moteurs à courant continu : a — indépendant, b — parallèle, c — série, d — mixte
Selon la méthode d'excitation, les moteurs électriques à courant continu sont divisés en quatre groupes :
1. Excité indépendamment lorsque la bobine d'excitation NOV est alimentée par une source CC externe.
2. Avec excitation parallèle (shunt), dans laquelle l'enroulement d'excitation SHOV est connecté en parallèle avec la source d'alimentation de l'enroulement d'induit.
3. Avec excitation en série (série), où l'enroulement d'excitation IDS est connecté en série avec l'enroulement d'induit.
4. Moteurs à excitation mixte (combinés) avec IDS en série et SHOV en parallèle de l'enroulement d'excitation.
Types de moteurs à courant continu
Les moteurs à courant continu diffèrent principalement par la nature de l'excitation. Les moteurs peuvent être à excitation indépendante, série et mixte.En parallèle, l'excitation peut être négligée. Même si l'enroulement de champ est connecté au même réseau à partir duquel le circuit d'induit est alimenté, dans ce cas également, le courant d'excitation ne dépend pas du courant d'induit, car le réseau d'alimentation peut être considéré comme un réseau de puissance infinie, et la tension c'est permanent.
L'enroulement de champ est toujours connecté directement au réseau et, par conséquent, l'introduction d'une résistance supplémentaire dans le circuit d'induit n'a aucun effet sur le mode d'excitation. Les spécificités qu'il existe avec excitation parallèle dans les générateurs, ça ne peut pas être ici.
Les moteurs à courant continu de faible puissance utilisent souvent une excitation à aimant permanent. Dans le même temps, le circuit de mise en marche du moteur est considérablement simplifié, la consommation de cuivre est réduite. Il convient toutefois de noter que bien que l'inducteur soit éteint, les dimensions et le poids du système magnétique ne sont pas inférieurs à ceux d'une excitation électromagnétique de la machine.
Les propriétés des moteurs sont largement déterminées par leur système. excitation.
Plus la taille du moteur est grande, plus le couple naturel est important et, par conséquent, la puissance. Par conséquent, avec une vitesse de rotation plus élevée et les mêmes dimensions, vous pouvez obtenir plus de puissance moteur. À cet égard, en règle générale, les moteurs à courant continu sont conçus, en particulier avec une faible puissance à grande vitesse - 1000-6000 tr/min.
Cependant, vous devez garder à l'esprit que la vitesse de rotation des organes de travail des machines de production est nettement inférieure. Par conséquent, une boîte de vitesses doit être installée entre le moteur et la machine de travail.Plus le régime moteur est élevé, plus la boîte de vitesses devient complexe et coûteuse. Dans les installations à forte puissance, où la boîte de vitesses est une unité coûteuse, les moteurs sont conçus à des régimes nettement inférieurs.
Il convient également de garder à l'esprit qu'une boîte de vitesses mécanique introduit toujours une erreur importante. Par conséquent, dans les installations de précision, il est souhaitable d'utiliser des moteurs à basse vitesse, qui pourraient être connectés aux organes de travail directement ou via la transmission la plus simple. A cet égard, les soi-disant moteurs à couple élevé à faible vitesse de rotation sont apparus. Ces moteurs sont largement utilisés dans les machines de découpe de métaux, où ils sont articulés avec des corps de déplacement sans liaisons intermédiaires à l'aide de vis à billes.
Les moteurs électriques diffèrent également par leur conception lorsque des signes liés aux conditions de leur fonctionnement. Pour des conditions normales, on utilise des moteurs dits ouverts et protégés, des chambres refroidies par air dans lesquelles ils sont installés.
L'air est soufflé à travers les conduits de la machine au moyen d'un ventilateur placé sur l'arbre du moteur. Les moteurs fermés refroidis par une surface externe à ailettes ou un flux d'air externe sont utilisés dans des environnements agressifs. Enfin, des moteurs spéciaux atmosphère explosive sont disponibles.
Des exigences spécifiques pour la conception du moteur sont présentées lorsqu'il est nécessaire d'assurer des performances élevées - un flux rapide de processus d'accélération et de décélération. Dans ce cas, le moteur doit avoir une géométrie spéciale - un petit diamètre de l'armature avec sa grande longueur.
Pour réduire l'inductance de l'enroulement, il n'est pas posé dans les canaux et à la surface d'une armature lisse.La bobine est fixée avec des adhésifs tels que la résine époxy. Avec une faible inductance de bobine, il est essentiel que les conditions de commutation du collecteur soient améliorées, il n'y a pas besoin de pôles supplémentaires, un collecteur de plus petites dimensions peut être utilisé. Ce dernier réduit encore le moment d'inertie de l'induit du moteur.
Des possibilités encore plus grandes de réduction de l'inertie mécanique prévoient l'utilisation d'une armature creuse, qui est un cylindre en matériau isolant. Sur la surface de ce cylindre se trouve un bobinage réalisé par impression, estampage ou par dessin sur gabarit sur une machine spéciale. La bobine est fixée avec des matériaux adhésifs.
A l'intérieur d'un cylindre en rotation pour créer des chemins, un noyau en acier est nécessaire au passage du flux magnétique. Dans les moteurs à armatures lisses et creuses, en raison d'une augmentation des écarts dans le circuit magnétique due à l'introduction d'enroulements et de matériaux isolants dans ceux-ci, la force de magnétisation requise pour conduire le flux magnétique requis augmente considérablement. En conséquence, le système magnétique s'avère plus développé.
Les moteurs à faible inertie comprennent également les moteurs à induit à disque. Disques sur lesquels sont appliqués ou collés les enroulements, constitués d'un matériau mince isolant qui ne se déforme pas, par exemple du verre. Un système magnétique dans la version bipolaire se compose de deux pinces, dont l'une abrite les bobines d'excitation. En raison de la faible inductance de l'enroulement d'induit, la machine n'a généralement pas de collecteur et le courant est évacué par des balais directement de l'enroulement.
Il convient également de mentionner le moteur linéaire, qui ne fournit pas de mouvement de rotation et de translation.Il représente le moteur, le système magnétique sur lequel il est situé et les pôles sont montés sur la ligne de mouvement de l'armature et le corps ouvrier correspondant de la machine. L'ancre est généralement conçue comme une ancre à faible inertie. La taille et le coût du moteur sont importants, car un nombre important de poteaux sont nécessaires pour assurer le mouvement le long d'une section de route donnée.
Démarrage des moteurs à courant continu
Au moment initial du démarrage du moteur, l'induit est fixe et opposé. etc. c.itension dans l'induit est égale à zéro, donc Ip = U / Rya.
La résistance du circuit d'induit est faible, de sorte que le courant d'appel dépasse 10 à 20 fois ou plus la valeur nominale. Cela peut entraîner des efforts électrodynamiques dans l'enroulement d'induit et sa surchauffe excessive, à cause de laquelle le moteur commence à être utilisé rhéostats de démarrage — les résistances actives incluses dans le circuit d'induit.
Les moteurs jusqu'à 1 kW peuvent être démarrés directement.
La valeur de résistance du rhéostat de démarrage est sélectionnée en fonction du courant de démarrage admissible du moteur. Le rhéostat est fabriqué par étapes pour améliorer la douceur de démarrage du moteur électrique.
Au début du démarrage, toute la résistance du rhéostat est entrée. Lorsque la vitesse de l'ancre augmente, il y a un contre-e. d. s, ce qui limite les courants d'appel En supprimant progressivement la résistance du rhéostat du circuit d'induit, la tension fournie à l'induit augmente.
Contrôle de la vitesse du moteur électrique à courant continu
Vitesse du moteur à courant continu :
où U est la tension d'alimentation ; Iya — courant d'induit ; Ri est la résistance d'induit du circuit ; kc — coefficient caractérisant le système magnétique ; F est le flux magnétique du moteur électrique.
D'après la formule, on peut voir que la vitesse de rotation du courant continu du moteur électrique peut être ajustée de trois manières: en modifiant le flux d'excitation du moteur électrique, en modifiant la tension fournie au moteur électrique et en modifiant la résistance dans les circuits d'induit .
Les deux premières méthodes de contrôle ont reçu l'utilisation la plus répandue, la troisième méthode est rarement utilisée : elle n'est pas économique et la vitesse du moteur dépend de manière significative des fluctuations de charge. Les propriétés mécaniques résultantes sont représentées sur la Fig.
Caractéristiques mécaniques d'un moteur à courant continu avec différentes méthodes de contrôle de vitesse
La ligne en gras est la dépendance naturelle de la vitesse sur le couple de l'arbre ou, ce qui revient au même, sur le courant d'induit. La ligne droite aux caractéristiques mécaniques naturelles s'écarte quelque peu de la ligne horizontale en pointillés. Cette déviation est appelée instabilité, non-rigidité, parfois étatisme. Un groupe de droites non parallèles I correspond à une régulation de vitesse par excitation, des droites parallèles II sont obtenues suite à la modification de la tension d'induit, enfin le ventilateur III résulte de l'introduction d'une résistance active dans le circuit d'induit.
L'amplitude du courant d'excitation d'un moteur à courant continu peut être contrôlée à l'aide d'un rhéostat ou de tout dispositif dont la résistance peut varier en amplitude, comme un transistor. Lorsque la résistance dans le circuit augmente, le courant de champ diminue, la vitesse du moteur augmente.A Lorsque le flux magnétique faiblit, les caractéristiques mécaniques sont supérieures aux caractéristiques naturelles (c'est-à-dire supérieures aux caractéristiques en l'absence de rhéostat). Une augmentation du régime moteur entraîne une augmentation des étincelles sous les balais. De plus, lorsque le moteur électrique fonctionne avec un flux affaibli, la stabilité de son fonctionnement diminue, notamment avec des charges variables sur l'arbre. Par conséquent, les limites de contrôle de vitesse de cette manière ne dépassent pas 1,25 à 1,3 fois la valeur nominale.
La régulation de tension nécessite une source de courant constant telle qu'un générateur ou un convertisseur. Une régulation similaire est utilisée dans tous les systèmes d'entraînement électriques industriels : générateur - entraînement à courant continu (G - DPT), amplificateur de machine électrique - moteur à courant continu (EMU - DPT), amplificateur magnétique - moteur à courant continu (MU - DPT), convertisseur à thyristors — Moteur à courant continu (T — DPT).
Arrêt des moteurs électriques à courant continu
Trois méthodes de freinage sont utilisées dans les entraînements électriques avec des moteurs électriques à courant continu : freinage dynamique, régénératif et oppositionnel.
Le freinage dynamique du moteur à courant continu s'effectue en court-circuitant l'enroulement d'induit du moteur ou en résistance… Dans lequel un moteur à courant continu commence à fonctionner comme un générateur, convertissant l'énergie mécanique stockée en énergie électrique. Cette énergie est libérée sous forme de chaleur dans la résistance à laquelle l'enroulement d'induit est fermé. Le freinage dynamique assure un freinage moteur précis.
Le moteur à courant continu à freinage régénératif s'exécute lorsqu'il est connecté au réseau électrique. Le moteur est entraîné en rotation par le mécanisme d'entraînement à une vitesse supérieure à la vitesse de ralenti idéale. Puis d.etc.s induit dans l'enroulement du moteur dépassera la valeur de tension de ligne, le courant dans l'enroulement du moteur inversera la direction. Un moteur électrique se met en marche en mode générateur, donnant de l'énergie au réseau. En même temps, un moment de freinage se produit sur son arbre. Un tel mode peut être obtenu dans les entraînements des mécanismes de levage lors de l'abaissement de la charge, ainsi que lors de la régulation de la vitesse du moteur et lors des processus de freinage dans les entraînements électriques à courant continu.
Le freinage régénératif d'un moteur à courant continu est la méthode la plus économique, car dans ce cas, l'électricité est renvoyée au réseau. Dans l'entraînement électrique des machines à couper les métaux, cette méthode est utilisée pour le contrôle de la vitesse dans les systèmes G — DPT et EMU — DPT.
L'arrêt du moteur à courant continu d'opposition se fait en changeant la polarité de la tension et du courant dans l'enroulement d'induit. Lorsque le courant d'induit interagit avec le champ magnétique de la bobine d'excitation, un couple de freinage est créé, qui diminue lorsque la vitesse de rotation du moteur électrique diminue. Lorsque la vitesse d'un moteur électrique diminue jusqu'à zéro, le moteur électrique doit être déconnecté du réseau, sinon il se mettra à tourner dans le sens opposé.