Circuitos eléctricos de corriente continua y sus características.

Propiedades motores de corriente continua están determinados principalmente por la forma en que se enciende la bobina de excitación. Dependiendo de esto, los motores eléctricos se distinguen:

1. excitación independiente: la bobina de excitación está alimentada por una fuente de CC externa (excitador o rectificador),

2. excitación paralela: el devanado de campo está conectado en paralelo con el devanado de armadura,

3. excitación en serie: el devanado de excitación está conectado en serie con el devanado del inducido,

4. con excitación mixta: hay dos devanados de campo, uno conectado en paralelo con el devanado del inducido y el otro en serie con él.

Todos estos motores eléctricos tienen el mismo dispositivo y difieren solo en la construcción de la bobina de excitación. Los devanados de excitación de estos motores eléctricos se realizan de la misma manera que en respectivos generadores.

Motor eléctrico DC de excitación independiente

En este motor eléctrico (Fig.1, a) el devanado del inducido está conectado a la fuente principal de corriente continua (red de corriente continua, generador o rectificador) con un voltaje U, y el devanado de excitación está conectado a una fuente auxiliar con un voltaje UB. Se incluye un reóstato de regulación Rp en el circuito de la bobina de excitación, y se incluye un reóstato de arranque Rn en el circuito de la bobina de armadura.

El reóstato de regulación se utiliza para regular la velocidad del inducido del motor y el reóstato de arranque se utiliza para limitar la corriente en el devanado del inducido al arrancar. Un rasgo característico del motor eléctrico es que su corriente de excitación Iv no depende de la corriente Ii en el devanado del inducido (corriente de carga). Por lo tanto, despreciando el efecto desmagnetizador de la reacción del inducido, podemos suponer aproximadamente que el flujo del motor F es independiente de la carga. Las dependencias del momento electromagnético M y la velocidad n de la corriente I serán lineales (Fig. 2, a). Por lo tanto, las características mecánicas del motor también serán lineales: la dependencia n (M) (Fig. 2, b).

En ausencia de un reóstato con resistencia Rn en el circuito del inducido, la velocidad y las características mecánicas serán rígidas, es decir, con un pequeño ángulo de inclinación respecto al eje horizontal, ya que la caída de tensión IяΣRя en los devanados de la máquina incluida en el circuito de la armadura a la carga nominal es solo del 3 al 5% de Unom. Estas características (líneas rectas 1 en la Fig. 2, ayb) se denominan naturales. Cuando se incluye un reóstato con resistencia Rn en el circuito de armadura, el ángulo de inclinación de estas características aumenta, como resultado de lo cual se puede obtener una familia de características de reóstato 2, 3 y 4, correspondientes a diferentes valores de Rn1, Rn2 y Rn3.

Arroz. 1.Diagramas esquemáticos de motores de CC con excitación independiente (a) y paralela (b)

Arroz. 2. Características de los motores eléctricos de corriente continua con excitación independiente y paralela: a — velocidad y par, b — mecánica, c — trabajo Cuanto mayor es la resistencia Rn, mayor es el ángulo de inclinación de la característica del reóstato, es decir, es más suave

El reóstato regulador Rpv le permite cambiar la corriente de excitación del motor Iv y su flujo magnético F. En este caso, la frecuencia de rotación n también cambiará.

No se instalan interruptores ni fusibles en el circuito de la bobina de excitación, porque cuando se interrumpe este circuito, el flujo magnético del motor eléctrico disminuye bruscamente (solo queda el flujo de magnetismo residual) y se produce un modo de emergencia. motor está funcionando a velocidad de ralentí o carga ligera en el eje, entonces la velocidad aumenta bruscamente (el motor se mueve). En este caso, la corriente en el devanado del inducido Iya aumenta significativamente y puede ocurrir un incendio general. Para evitar esto, la protección debe desconectar el motor eléctrico de la fuente de alimentación.

El fuerte aumento de la velocidad de rotación cuando se interrumpe el circuito de la bobina de excitación se explica por el hecho de que en este caso el flujo magnético Ф (hasta el valor del flujo Fost del magnetismo residual) y e. etc. v. E y la corriente Iya aumenta. Y dado que el voltaje aplicado U permanece sin cambios, la frecuencia de rotación n aumentará a e. etc. c) E no alcanzará un valor aproximadamente igual a U (que es necesario para el estado de equilibrio del circuito de armadura, donde E = U — IяΣRя.

Cuando la carga en el eje se acerca a la nominal, el motor eléctrico se detendrá en caso de ruptura del circuito de excitación, porque el momento electromagnético que el motor puede desarrollar con una reducción significativa del flujo magnético disminuye y se vuelve menor que el par de la carga del eje. En este caso, la corriente Iya también aumenta considerablemente y la máquina debe desconectarse de la fuente de alimentación.

Cabe señalar que la velocidad de giro n0 corresponde a un régimen de ralentí ideal cuando el motor no consume energía eléctrica de la red y su momento electromagnético es nulo. En condiciones reales, en modo inactivo, el motor consume de la red la corriente inactiva I0, que es necesaria para compensar las pérdidas de potencia internas, y desarrolla un cierto par M0, necesario para vencer las fuerzas de fricción en la máquina. Por lo tanto, en realidad la velocidad de ralentí es menor que n0.

La dependencia de la velocidad de rotación n y el momento electromagnético M de la potencia P2 (Fig. 2, c) del eje del motor, como se deduce de las relaciones consideradas, es lineal. Las dependencias de la corriente del devanado del inducido Iya y la potencia P1 en P2 también son prácticamente lineales. La corriente I y la potencia P1 en P2 = 0 representan la corriente en reposo I0 y la potencia P0 consumida en reposo. La curva de eficiencia es característica de todas las máquinas eléctricas.

Excitación en paralelo de corriente continua de motor eléctrico

En este motor eléctrico (ver Fig. 1, b), los devanados de excitación y las armaduras se alimentan de la misma fuente de energía eléctrica con un voltaje U. Se incluye un reóstato regulador Rpv en el circuito del devanado de excitación y un reóstato de arranque Rp está incluido en el circuito de bobinado en el ancla.

En el motor eléctrico considerado, existe esencialmente una alimentación separada de los circuitos de devanado de excitación y de inducido, como resultado de lo cual la corriente de excitación Iv no depende de la corriente de devanado de inducido Iv. Por tanto, el motor de excitación en paralelo tendrá las mismas características que el motor de excitación independiente. Sin embargo, un motor de excitación en paralelo solo funcionará normalmente cuando reciba alimentación de una fuente de CC de voltaje constante.

Cuando el motor eléctrico es alimentado por una fuente con un voltaje diferente (generador o rectificador controlado), una disminución en el voltaje de suministro U provoca una disminución correspondiente en la corriente de excitación Ic y el flujo magnético Ф, lo que conduce a un aumento en la armadura corriente de bobinado Iya. Esto limita la posibilidad de ajustar la velocidad del inducido cambiando la tensión de alimentación U. Por lo tanto, los motores eléctricos diseñados para ser alimentados por un generador o rectificador controlado deben tener una excitación independiente.

Excitación en serie de corriente continua de motor eléctrico

Para limitar la corriente de arranque, el reóstato de arranque Rp (Fig. 3, a) se incluye en el circuito del devanado del inducido (Fig. 3, a) y para regular la velocidad de rotación en paralelo con el devanado de excitación ajustando el reóstato Se puede incluir Rpv.

Arroz. 3. Diagrama esquemático del motor de CC con excitación en serie (a) y la dependencia de su flujo magnético Ф de la corriente I en el devanado del inducido (b)

Arroz. 4. Características del motor de CC con excitación secuencial: a — alta velocidad y par, b — mecánico, c — trabajadores.

Un rasgo característico de este motor eléctrico es que su corriente de excitación Iv es igual o proporcional (cuando el reóstato Rpv está encendido) a la corriente del devanado del inducido Iya, por lo que el flujo magnético F depende de la carga del motor (Fig. 3, b) .

Cuando la corriente del devanado del inducido Iya es inferior a (0,8-0,9) de la corriente nominal Inom, el sistema magnético de la máquina no está saturado y se puede suponer que el flujo magnético Ф cambia en proporción directa a la corriente Iia. Por lo tanto, la característica de velocidad del motor eléctrico será suave: a medida que aumenta la corriente I, la velocidad de rotación n disminuirá bruscamente (Fig. 4, a). Una disminución de la velocidad de rotación n se debe a un aumento de la caída de tensión IjaΣRja. en la resistencia interna Rα. circuitos de bobinado de armadura, así como debido a un aumento en el flujo magnético F.

El momento electromagnético M con un aumento de la corriente Ija aumentará considerablemente, porque en este caso el flujo magnético Ф también aumenta, es decir, el momento M será proporcional a la corriente Ija. Por lo tanto, cuando la corriente Iya es menor que (0,8 N-0,9) Inom, la característica de velocidad tiene forma de hipérbola y la característica de momento tiene forma de parábola.

En las corrientes Ia> Ia, las dependencias de M y n en Ia son lineales, ya que en este modo el circuito magnético se saturará y el flujo magnético Ф no cambiará cuando cambie la corriente Ia.

La característica mecánica, es decir, la dependencia de n de M (Fig. 4, b), puede construirse sobre la base de las dependencias de n y M de Iya. Además de la característica natural 1, es posible obtener una familia de características de reóstato 2, 3 y 4 al incluir un reóstato con resistencia Rp en el circuito del devanado del inducido.Estas características corresponden a diferentes valores de Rn1, Rn2 y Rn3, mientras que a mayor Rn, menor característica.

La característica mecánica del motor considerado es blanda e hiperbólica. Con cargas bajas, el flujo magnético Ф disminuye significativamente, la velocidad de rotación n aumenta bruscamente y puede exceder el valor máximo permitido (el motor funciona sin control). Por lo tanto, dichos motores no se pueden utilizar para accionar mecanismos que funcionan en modo inactivo y con poca carga (varias máquinas, transportadores, etc.).

Habitualmente, la carga mínima admisible para motores de media y alta potencia es (0,2… 0,25) Inom. Para evitar que el motor funcione sin carga, está firmemente conectado al mecanismo de accionamiento (acoplamiento dentado o ciego); el uso de transmisión por correa o embrague de fricción es inaceptable.

A pesar de este inconveniente, los motores con excitación secuencial son muy utilizados, especialmente cuando existen grandes diferencias de par de carga y condiciones de arranque severas: en todos los accionamientos de tracción (locomotoras eléctricas, locomotoras diésel, trenes eléctricos, coches eléctricos, carretillas elevadoras eléctricas, etc.), así como en accionamientos de mecanismos de elevación (grúas, ascensores, etc.).

Esto se explica por el hecho de que con una característica suave, un aumento en el par de carga conduce a un menor aumento en el consumo de corriente y potencia que en los motores independientes y excitados en paralelo, por lo que los motores excitados en serie pueden soportar mejor la sobrecarga.Además, estos motores tienen un par de arranque más alto que los motores paralelos e independientes, porque a medida que aumenta la corriente del devanado del inducido durante el arranque, el flujo magnético también aumenta en consecuencia.

Si asumimos, por ejemplo, que la corriente de irrupción a corto plazo puede ser 2 veces la corriente nominal de operación de la máquina y despreciamos los efectos de saturación, reacción del inducido y caída de voltaje en su devanado, entonces en un motor excitado en serie, la el par de arranque será 4 veces mayor que el nominal (tanto en la corriente como en el flujo magnético aumenta 2 veces), y en motores con excitación independiente y paralela, solo 2 veces más.

De hecho, debido a la saturación del circuito magnético, el flujo magnético no aumenta en proporción a la corriente, pero sin embargo, el par de arranque de un motor excitado en serie, en igualdad de condiciones, será mucho mayor que el par de arranque. del mismo motor con excitación independiente o en paralelo.

Las dependencias de n y M de la potencia P2 del eje del motor (Fig. 4, c), como se desprende de las posiciones discutidas anteriormente, no son lineales, las dependencias de P1, Ith y η de P2 tienen la misma forma que para motores con excitación paralela.

Motor eléctrico de corriente continua de excitación mixta

En este motor eléctrico (Fig. 5, a) el flujo magnético Ф se crea como resultado de la acción conjunta de dos bobinas de excitación: paralelas (o independientes) y en serie, a través de las cuales las corrientes de excitación Iв1 e Iв2 = Iя

es por eso

donde Fposl — el flujo magnético de la bobina en serie, que depende de la corriente Ia, Fpar — el flujo magnético de la bobina en paralelo, que no depende de la carga (está determinado por la corriente de excitación Ic1).

La característica mecánica de un motor eléctrico con excitación mixta (Fig. 5, b) se encuentra entre las características de los motores con excitación en paralelo (línea recta 1) y en serie (curva 2). Dependiendo de la relación de las fuerzas magnetomotrices de los devanados en serie y en paralelo en el modo nominal, las características del motor de excitación mixta pueden aproximarse a la característica 1 (curva 3 a ppm bajas del devanado en serie) o a la característica 2 (curva 4 a bajas ppm v. devanado paralelo).

Arroz. 5. Diagrama esquemático de un motor eléctrico con excitación mixta (a) y sus características mecánicas (b)

La ventaja del motor de corriente continua con excitación mixta es que, al tener una característica mecánica suave, puede operar en vacío cuando Fposl = 0. En este modo, la frecuencia de rotación de su armadura está determinada por el flujo magnético Fpar y tiene un limitado valor (el motor no funciona).