Les circuits électriques à courant continu et leurs caractéristiques

Propriétés Moteurs à courant continu sont principalement déterminés par la manière dont la bobine d'excitation est activée. En fonction de cela, les moteurs électriques sont distingués:

1. excité indépendamment : la bobine d'excitation est alimentée par une source continue externe (excitatrice ou redresseur),

2. excitation parallèle : l'enroulement de champ est connecté en parallèle avec l'enroulement d'induit,

3. excitation en série : l'enroulement d'excitation est connecté en série avec l'enroulement d'induit,

4. avec excitation mixte : il y a deux enroulements de champ, l'un connecté en parallèle avec l'enroulement d'induit et l'autre en série avec lui.

Tous ces moteurs électriques ont le même dispositif et ne diffèrent que par la construction de la bobine d'excitation. Les enroulements d'excitation de ces moteurs électriques sont réalisés de la même manière que dans générateurs respectifs.

Moteur électrique CC à excitation indépendante

Dans ce moteur électrique (Fig.1, a) l'enroulement d'induit est connecté à la source principale de courant continu (réseau de courant continu, générateur ou redresseur) avec une tension U, et l'enroulement d'excitation est connecté à une source auxiliaire avec une tension UB. Un rhéostat de régulation Rp est inclus dans le circuit de la bobine d'excitation, et un rhéostat de démarrage Rn est inclus dans le circuit de la bobine d'induit.

Le rhéostat de régulation est utilisé pour réguler la vitesse d'induit du moteur et le rhéostat de démarrage est utilisé pour limiter le courant dans l'enroulement d'induit lors du démarrage. Une caractéristique du moteur électrique est que son courant d'excitation Iv ne dépend pas du courant Ii dans l'enroulement d'induit (courant de charge). Par conséquent, en négligeant l'effet démagnétisant de la réaction d'induit, on peut approximativement supposer que le flux moteur F est indépendant de la charge. Les dépendances du moment électromagnétique M et de la vitesse n sur le courant I seront linéaires (Fig. 2, a). Par conséquent, les caractéristiques mécaniques du moteur seront également linéaires - la dépendance n (M) (Fig. 2, b).

En l'absence de rhéostat avec résistance Rn dans le circuit d'induit, la vitesse et les caractéristiques mécaniques seront rigides, c'est-à-dire avec un petit angle d'inclinaison par rapport à l'axe horizontal, car la chute de tension IяΣRя dans les enroulements de la machine inclus dans le circuit d'induit à charge nominale n'est que de 3 à 5 % de Unom. Ces caractéristiques (lignes droites 1 sur la Fig. 2, a et b) sont dites naturelles. Lorsqu'un rhéostat de résistance Rn est inclus dans le circuit d'induit, l'angle d'inclinaison de ces caractéristiques augmente, ce qui permet d'obtenir une famille de caractéristiques de rhéostat 2, 3 et 4, correspondant à différentes valeurs de Rn1 , Rn2 et Rn3 .

Riz. 1.Schémas de principe des moteurs à courant continu à excitation indépendante (a) et parallèle (b)

Riz. 2. Caractéristiques des moteurs électriques à courant continu à excitation indépendante et parallèle: a - vitesse et couple, b - mécanique, c - fonctionnement Plus la résistance Rn est grande, plus l'angle d'inclinaison de la caractéristique du rhéostat est grand, c'est-à-dire qu'il est plus doux.

Le rhéostat de régulation Rpv permet de modifier le courant d'excitation du moteur Iv et son flux magnétique F. Dans ce cas, la fréquence de rotation n changera également.

Aucun interrupteur ni fusible n'est installé dans le circuit de la bobine d'excitation, car lorsque ce circuit est interrompu, le flux magnétique du moteur électrique diminue fortement (seul le flux de magnétisme résiduel y reste) et un mode d'urgence se produit. moteur tourne au ralenti ou faible charge sur l'arbre, alors la vitesse augmente brusquement (le moteur tourne). Dans ce cas, le courant dans l'enroulement d'induit Iya augmente considérablement et un incendie complet peut se produire. Pour éviter cela, la protection doit déconnecter le moteur électrique de la source d'alimentation.

La forte augmentation de la vitesse de rotation lorsque le circuit de la bobine d'excitation est interrompu s'explique par le fait que dans ce cas le flux magnétique Ф (jusqu'à la valeur du flux Fost du magnétisme résiduel) et e. etc. v. E et le courant Iya augmente. Et puisque la tension appliquée U reste inchangée, la fréquence de rotation n augmentera jusqu'à e. etc. c. E n'atteindra pas une valeur approximativement égale à U (ce qui est nécessaire pour l'état d'équilibre du circuit d'induit, où E = U - IяΣRя.

Lorsque la charge de l'arbre est proche de celle nominale, le moteur électrique s'arrête en cas de rupture du circuit d'excitation, car le moment électromagnétique que le moteur peut développer avec une réduction significative du flux magnétique diminue et devient inférieur au couple de la charge de l'arbre. Dans ce cas, le courant Iya augmente également fortement et la machine doit être déconnectée de la source d'alimentation.

Il est à noter que la vitesse de rotation n0 correspond à une vitesse de ralenti idéale lorsque le moteur ne consomme pas d'énergie électrique du réseau et que son moment électromagnétique est nul. En conditions réelles, au ralenti, le moteur consomme sur le réseau le courant de ralenti I0, nécessaire pour compenser les pertes de puissance internes, et développe un certain couple M0, nécessaire pour vaincre les forces de frottement dans la machine. Donc, en réalité, le régime de ralenti est inférieur à n0.

La dépendance de la vitesse de rotation n et du moment électromagnétique M à la puissance P2 (Fig. 2, c) de l'arbre du moteur, comme il ressort des relations considérées, est linéaire. Les dépendances du courant d'enroulement d'induit Iya et de la puissance P1 sur P2 sont également pratiquement linéaires. Le courant I et la puissance P1 à P2 = 0 représentent le courant de repos I0 et la puissance P0 consommée au repos. La courbe de rendement est caractéristique de toutes les machines électriques.

Excitation parallèle à courant continu de moteur électrique

Dans ce moteur électrique (voir Fig.1, b), les enroulements d'excitation et les armatures sont alimentés par la même source d'énergie électrique avec une tension U. Un rhéostat de régulation Rpv est inclus dans le circuit de l'enroulement d'excitation et un rhéostat de démarrage Rp est inclus dans le circuit d'enroulement sur l'ancre.

Dans le moteur électrique considéré, il existe essentiellement une alimentation séparée des circuits d'enroulement d'induit et d'excitation, de sorte que le courant d'excitation Iv ne dépend pas du courant d'enroulement d'induit Iv. Par conséquent, le moteur à excitation parallèle aura les mêmes caractéristiques que le moteur à excitation indépendante. Cependant, un moteur à excitation parallèle ne fonctionnera normalement que s'il est alimenté par une source CC à tension constante.

Lorsque le moteur électrique est alimenté par une source de tension différente (alternateur ou redresseur commandé), une diminution de la tension d'alimentation U provoque une diminution correspondante du courant d'excitation Ic et du flux magnétique Ф, ce qui entraîne une augmentation de l'induit courant sinueux Iya. Cela limite la possibilité de régler la vitesse d'induit en modifiant la tension d'alimentation U. Ainsi, les moteurs électriques destinés à être alimentés par un générateur ou un redresseur commandé doivent avoir une excitation indépendante.

Excitation série courant continu moteur électrique

Pour limiter le courant de démarrage, le rhéostat de démarrage Rp (Fig.3, a) est inclus dans le circuit de l'enroulement d'induit (Fig.3, a) et pour réguler la vitesse de rotation en parallèle avec l'enroulement d'excitation en ajustant le rhéostat Rpv peut être inclus.

Riz. 3. Schéma de principe du moteur à courant continu avec excitation en série (a) et dépendance de son flux magnétique Ф sur le courant I dans l'enroulement d'induit (b)

Riz. 4. Caractéristiques du moteur à courant continu à excitation séquentielle: a - vitesse et couple élevés, b - mécanique, c - travailleurs.

Une caractéristique de ce moteur électrique est que son courant d'excitation Iv est égal ou proportionnel (lorsque le rhéostat Rpv est allumé) au courant de l'enroulement d'induit Iya, donc le flux magnétique F dépend de la charge du moteur (Fig. 3, b) .

Lorsque le courant d'enroulement d'induit Iya est inférieur à (0,8-0,9) du courant nominal Inom, le système magnétique de la machine n'est pas saturé et on peut supposer que le flux magnétique Ф change en proportion directe avec le courant Iia. Par conséquent, la caractéristique de vitesse du moteur électrique sera douce - à mesure que le courant I augmente, la vitesse de rotation n diminuera fortement (Fig. 4, a). Une diminution de la vitesse de rotation n est due à une augmentation de la chute de tension IjaΣRja. dans la résistance interne Rα. circuits d'enroulement d'induit, ainsi qu'en raison d'une augmentation du flux magnétique F.

Le moment électromagnétique M avec une augmentation du courant Ija augmentera fortement, car dans ce cas, le flux magnétique Ф augmente également, c'est-à-dire que le moment M sera proportionnel au courant Ija. Par conséquent, lorsque le courant Iya est inférieur à (0,8 N-0,9) Inom, la caractéristique de vitesse a la forme d'une hyperbole et la caractéristique de moment a la forme d'une parabole.

Aux courants Ia> Ia, les dépendances de M et n sur Ia sont linéaires, car dans ce mode, le circuit magnétique sera saturé et le flux magnétique Ф ne changera pas lorsque le courant Ia changera.

La caractéristique mécanique, c'est-à-dire la dépendance de n sur M (Fig. 4, b), peut être construite sur la base des dépendances de n et M sur Iya. En plus de la caractéristique naturelle 1, il est possible d'obtenir une famille de caractéristiques de rhéostat 2, 3 et 4. en incluant un rhéostat de résistance Rp dans le circuit d'enroulement d'induit.Ces caractéristiques correspondent à différentes valeurs de Rn1, Rn2 et Rn3, tandis que plus le Rn est élevé, plus la caractéristique est faible.

La caractéristique mécanique du moteur considéré est douce et hyperbolique. À faible charge, le flux magnétique Ф diminue considérablement, la vitesse de rotation n augmente fortement et peut dépasser la valeur maximale autorisée (le moteur tourne à vide). De tels moteurs ne peuvent donc pas être utilisés pour entraîner des mécanismes fonctionnant au ralenti et à faible charge (machines diverses, convoyeurs, etc.).

En règle générale, la charge minimale admissible pour les moteurs de grande et moyenne puissance est de (0,2… 0,25) Inom. Pour éviter que le moteur ne tourne sans charge, il est solidement relié au mécanisme d'entraînement (accouplement denté ou aveugle); l'utilisation d'un entraînement par courroie ou d'un embrayage à friction est inacceptable.

Malgré cet inconvénient, les moteurs à excitation séquentielle sont largement utilisés, notamment lorsqu'il existe de grandes différences de couple de charge et des conditions de démarrage sévères : dans tous les systèmes de traction (locomotives électriques, locomotives diesel, trains électriques, voitures électriques, chariots élévateurs électriques, etc. ), ainsi que dans les entraînements des mécanismes de levage (grues, ascenseurs, etc.).

Cela s'explique par le fait qu'avec une caractéristique douce, une augmentation du couple de charge entraîne une augmentation plus faible du courant et de la consommation d'énergie que dans les moteurs à excitation indépendante et parallèle, grâce auxquels les moteurs à excitation en série peuvent mieux résister à la surcharge.De plus, ces moteurs ont un couple de démarrage plus élevé que les moteurs parallèles et à excitation indépendante, car à mesure que le courant d'enroulement d'induit augmente pendant le démarrage, le flux magnétique augmente également en conséquence.

Si nous supposons, par exemple, que le courant d'appel à court terme peut être 2 fois le courant de fonctionnement nominal de la machine et négligeons les effets de la saturation, de la réaction d'induit et de la chute de tension dans son enroulement, alors dans un moteur excité en série, le le couple de démarrage sera 4 fois plus élevé que le nominal (à la fois dans le courant et dans le flux magnétique, il augmente 2 fois), et dans les moteurs à excitation indépendante et parallèle - seulement 2 fois plus.

En effet, du fait de la saturation du circuit magnétique, le flux magnétique n'augmente pas proportionnellement au courant, mais néanmoins, le couple de démarrage d'un moteur à excitation série, toutes choses égales par ailleurs, sera bien supérieur au couple de démarrage du même moteur à excitation indépendante ou parallèle.

Les dépendances de n et M sur la puissance P2 de l'arbre moteur (Fig. 4, c), comme il ressort des positions discutées ci-dessus, sont non linéaires, les dépendances de P1, Ith et η sur P2 ont la même forme que pour les moteurs à excitation parallèle.

Moteur électrique à courant continu à excitation mixte

Dans ce moteur électrique (Fig. 5, a), le flux magnétique Ф est créé à la suite de l'action conjointe de deux bobines d'excitation - parallèles (ou indépendantes) et en série, à travers lesquelles les courants d'excitation Iв1 et Iв2 = Iя

Voilà pourquoi

où Fposl — le flux magnétique de la bobine série, en fonction du courant Ia, Fpar — le flux magnétique de la bobine parallèle, qui ne dépend pas de la charge (il est déterminé par le courant d'excitation Ic1).

La caractéristique mécanique d'un moteur électrique à excitation mixte (Fig. 5, b) se situe entre les caractéristiques des moteurs à excitation parallèle (droite 1) et série (courbe 2). Selon le rapport des forces magnétomotrices des enroulements parallèle et série au régime nominal, les caractéristiques du moteur à excitation mixte peuvent être rapprochées de la caractéristique 1 (courbe 3 à bas ppm de l'enroulement série) ou de la caractéristique 2 (courbe 4 à faible ppm v. enroulement parallèle).

Riz. 5. Schéma de principe d'un moteur électrique à excitation mixte (a) et ses caractéristiques mécaniques (b)

L'avantage du moteur à courant continu à excitation mixte est qu'il, ayant une caractéristique mécanique douce, peut fonctionner au ralenti lorsque Fposl = 0. Dans ce mode, la fréquence de rotation de son induit est déterminée par le flux magnétique Fpar et a une valeur (moteur à l'arrêt).