Motores de corriente continua

Fuente: Ali Bazzi, Departamento de ingeniería eléctrica, Universidad de Connecticut, Storrs, CT.

La máquina de C.C. funciona con tensiones frente a una máquina de la CA, que requiere voltajes y corrientes AC y DC corrientes. Máquinas DC fueron los primeros en inventar y utilizar dos campos magnéticos que están controlados por corrientes DC. La misma máquina puede configurarse fácilmente para ser un motor o un generador de excitación de campo apropiado está disponible, ya que la máquina de C.C. tiene dos campos llamados de campo y armadura. El campo es generalmente en el lado del estator y la armadura está en el lado del rotor (contrario o al revés en comparación con máquinas de AC). Excitación de campo se puede proporcionar por imanes permanentes o una bobina (bobina). Cuando se aplica corriente a la bobina de inducido o rotor, pasa de la fuente de DC a la bobina a través de pinceles que son inmóviles y anillos colectores montados sobre el rotor giratorio tocar los pinceles. Cuando la bobina de la armadura del rotor es un bucle de corriente y se expone a un campo externo del estator o campo de imán, se ejerce una fuerza en el lazo. Puesto que el bucle está "colgando" a ambos lados del motor con rodamientos, la fuerza produce un torque que gire el eje del rotor en lugar de moverse en otra dirección.

Esta rotación hace que los campos magnéticos alinear, pero al mismo tiempo, deslice anillos lados del interruptor de los cepillos o "conmutar", y esto es lo que se conoce como el proceso de conmutación. Cuando se produce esta conmutación, un flujo de corriente en la bobina del rotor se invierte y campos magnéticos se oponen mutuamente otra vez, causando más esfuerzo de torsión en la misma dirección de rotación. Este proceso continúa y el eje del rotor gira ofreciendo acción motor. En la operación del generador, la rotación mecánica se proporciona para el eje del rotor y los flujos actuales de rotor después es inducida por una bobina móvil en un campo magnético.

Las máquinas en este experimento tienen un devanado de campo en lugar de imanes permanentes. Un proceso de conmutación que es fundamental en el funcionamiento de la máquina de C.C. utiliza anillos colectores y escobillas para transferir energía del rotor (inducido) al mundo exterior, ya que el rotor está girando y tener cables de giro twist y romperlos. Sin embargo, estas escobillas y anillos colectores tienen inconvenientes de mayor confiabilidad ya que requieren un mantenimiento regular, cepillo de recambio, limpieza y pueden causar chispas. Esto ha llevado a la sustitución de la mayoría de las máquinas DC por las máquinas de AC que no tienen estos problemas, y restantes máquinas de C.C. tienen sobre todo excitación de campo de imán permanente, como en juguetes y herramientas simples de baja potencia. Llamadas máquinas de CC sin escobillas de máquinas de AC (o BLDCs) son máquinas de AC que utilizan una fuente y poder electrónico inversor de la C.C. para obtener voltajes de AC del inversor.

El objetivo de este experimento es probar dos configuraciones principales de la máquina de CC: shunt y serie. Las pruebas están diseñadas para estimar el flujo residual en la máquina y estudiar las características de vacío y carga de configuraciones diferentes.

Existen cuatro configuraciones principales de máquinas de C.C.: por separado emocionado, derivación, serie y compuesto. Estas configuraciones se clasifican según la ubicación de la excitación de campo, donde el campo es uno de los campos magnéticos necesarios para operar la máquina como motor o generador. Puesto que el devanado de campo es alimentado por una fuente de CC, esa fuente puede ser la misma que la alimentación de armadura del motor de la C.C., o puede ser separada. Cuando separados, la máquina se denomina "emocionado por separado", y cuando no, la ubicación de la bobina de campo en el circuito del motor determina qué tipo de configuración es. Si el devanado de campo se coloca en paralelo con el devanado de armadura para ver la misma fuente de voltaje alimenta a la armadura, la máquina está en la configuración en paralelo o derivación.

Si el devanado de campo está en serie con el devanado de armadura para que tengan la misma corriente, la máquina está en la configuración de serie. Si se dispone de dos bobinados, es decir, se utilizan los bobinados serie y derivación, entonces la máquina está en la configuración del compuesto. La configuración por separado emocionada es independiente de la armadura y puede ser regulada para apoyar la carga varia a través del control automático. Sin embargo, derivación, serie y configuraciones compuestas drenaje actuales de la misma fuente de armadura y por lo tanto se ven afectadas por las variaciones de voltaje de carga y de la armadura.

Con ninguna excitación de campo, magnetismo residual debido al campo magnético residual (λ_R) en la máquina actúa como una fuente de excitación de campo menor. Esto puede ser expresado como un término adicional en la ecuación posterior f.e.m. (E_A) "λ_Rω" que se agrega a "KI_Fω" donde ω es la velocidad mecánica de la máquina. Para una máquina de CC compuesta, E_A es por lo tanto,

E_A= K_shque_Fshω+ K_seme_Fseω+ λ_Rω, (1)

donde "se « está parado para la serie,"sh " está parado para la desviación y los términos de K es las constantes de campo relacionados con el campo actual y mecánica velocidad la f.e.m. espalda Recuerde que los valores de K son constantes hasta que se alcanza un límite de saturación, después de que E_A satura a un valor determinado.

Idealmente, λ_R se asume para ser cero, pero esto no es realista. Para determinar λ_R, una máquina de C.C. se ejecuta como un generador sin excitación derivación o serie y sin carga. Así pues, el terminal voltaje medido V_A=E_A. Si se mide ω , λ_R puede ser determinado. E_A es un voltaje característico de las máquinas de CC, una tensión que contrarresta la tensión de armadura para limitar la corriente en la máquina. En funcionamiento del motor, el E_A es menor que la tensión de armadura, y los conductores E_A mayor menos armadura actual. Depende de la velocidad del eje como se muestra en la ecuación 1, y por lo tanto tener una mayor E_A causa mayores velocidades de funcionamiento. En aplicaciones de generador, E_A es el voltaje inducido de rotación de un campo magnético en la armadura contra el campo.

Para una máquina de derivación, conserva de la ecuación 1, pero que_Fse se establece en cero; para una máquina de serie, conserva de la ecuación 1, pero que_Fsh se establece en cero. Máquinas compuestas tienen derivación y serie conectada y pueden ser en formato largo o corto. Cuando ambos campos existen, su efecto puede Agregar para arriba o se oponen entre sí por la armadura, y estas configuraciones se llaman acumulativo o diferencial. Estas configuraciones se logra variando la ubicación del campo shunt antes o después del campo de serie, y disponiendo de las corrientes de campo entren o salgan de sus respectivos puntos. Figura 1-4 muestra todas las configuraciones de cuatro.

Figura 1: Un esquema de la configuración de tiempo compuesto acumulativo.

Figura 2: Un esquema de una configuración compuesto corto acumulativo.

Figura 3: Un esquema de una configuración diferencial compuesto largo.

Figura 4: Un esquema de una configuración diferencial de compuesto corto.

El objetivo de este experimento es comparar la corriente, voltaje y carga las relaciones en serie y derivación configuran motores de corriente continua. Puesto que solamente una alta potencia DC fuente de alimentación está disponible en esta demostración, no está cubierta por separado emocionado de la operación. Para las configuraciones serie y shunt, el motor del generador de CC es un motor síncrono que regula su velocidad a 1800 RPM. Cualquier momento una medición de corriente DC es necesario, por ejemplo I_A o I_Fsh, utilice el multímetro digital en el modo actual (Asegúrese que los terminales del multímetro están en la configuración actual).

1. DC pruebas

1. Con la baja potencia DC fuente de alimentación limitada a 0,8 A, conecte los terminales de alimentación a la armadura de máquina de CC.
2. Registrar la fuente de la tensión y las lecturas de corriente.
3. Estimar la resistencia de cada devanado.
4. Repita para las otras bobinas, la desviación de campo y el campo de la serie, uno a la vez.
5. Apague y desconecte la fuente de alimentación de DC de baja potencia.
6. Ajuste el reóstato de campo incorporado a máxima resistencia y medir su resistencia.
7. Ajuste el reóstato de campo de serie (externa) a la resistencia máxima y medir su resistencia.

2. fuerza motriz-configuración y magnetismo Residual

El prime-mover en este experimento es la máquina síncrona, que funciona como un motor que gira el rotor del generador DC (armadura).

1. Asegúrese que el interruptor de desconexión trifásica interruptor de motor síncrono e interruptor motor de la C.C. todos estén apagados.
2. Compruebe que el VARIAC es 0%.
3. El VARIAC de alambre a la salida de tres fases y conectar el programa de instalación que se muestra en la figura 5.
4. Compruebe que el interruptor de "Inicio/ejecutar" está en la posición "Start".
5. Encienda el interruptor de desconexión de tres fases.
6. Encienda la fuente de alimentación de alta tensión.
7. Asegúrese que todas las conexiones estén libres de los terminales de alimentación.
8. Presione el "V / DIS" botón en la fuente para mostrar la tensión y puntos de operación actuales. Ajuste la perilla de tensión de 125 V.
   1. No presione el botón de inicio.
9. Presione el botón "Inicio" en el panel de suministro de energía DC.
10. Lentamente aumente la salida del VARIAC, hasta que V_AC1 Lee 120 V.
11. Cuando el motor síncrono alcanza una velocidad de estado estacionario, mueva el interruptor Start/Run en la posición Run.
12. Medir y registrar la velocidad de giro con la luz estroboscópica y grabar V_A.
13. Apague la fuente de alimentación y retomar el VARIAC de 0%.
14. Restablezca el interruptor de "Inicio/ejecutar" a "Inicio".
15. Apague el interruptor de desconexión de tres fases.

Figura 5 : Un esquema de cómo configurar el motor-. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

3. Caracterización de generador Shunt DC

1. En el lado del generador DC, conecte el campo shunt en paralelo con el campo de armadura tal como se muestra en la figura 6.
2. Utilice el reóstato incorporado para R_Fsh(ext)y utilice el multímetro como un amperímetro para medir la _Fshme.
3. «S₁» mantener abierto para una prueba sin carga.
4. Mantener «R_Fsh(ext)« en máxima resistencia.
5. Encienda el interruptor de desconexión de tres fases.
6. Presione el botón "Inicio" en el panel de suministro de energía DC.
7. Lentamente aumente la salida del VARIAC, hasta que V_AC1 Lee 120 V.
8. Cuando el motor síncrono alcanza una velocidad de estado estacionario, llevar el interruptor de "Inicio/ejecutar" en la posición "Run".
9. Medir la velocidad del eje, utilizando la técnica de luz estroboscópica que se describe en otra parte.
10. Registro V_A en esta condición sin carga en el lado del generador de CC.
11. Reducir R_Fsh(ext) hasta que el voltaje generado en el V_A alrededor de 150 V.
12. Después de ese punto, reducir «R_Fsh(ext)"en cinco pasos casi igual hasta que se alcanza la mínima resistencia.
    1. Para cada paso, medir V_A y yo_Fsh.
13. R_Fsh(ext) de dejar en su valor mínimo.
14. Apague la fuente de alimentación.
15. Reducir el VARIAC de salida a 0%.
16. Mueva el amperímetro de medición que_Fsh para medir I_A.
17. Reiniciar la configuración como se describe anteriormente.
18. Establece R_L en Ω 300 y activar "S₁". Medir V_A y I_A.
19. Gire a la "S₁" set R_L a Ω 200, entonces encienda "S₁." Medida V_Ay I_A.
20. Gire a la "S₁" set R_L a Ω 100, entonces encienda "S₁." Medida V_Ay I_A.
21. Apague la fuente de alimentación y establecer el VARIAC de salida a 0%.
22. Mantener el lado del generador síncrono de la configuración intacta.
23. Desconecte las conexiones del generador de CC.
24. Restablezca el interruptor de "Inicio/ejecutar" a "Inicio".
25. Apague el interruptor de desconexión de tres fases.

Figura 6 : Un esquema de la configuración del generador shunt DC. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

4. DC serie generador caracterización

1. En el lado del generador DC, conecte el campo de serie en serie con el campo de armadura, como se muestra en la Fig 7.
   1. Utilice el reóstato externo para R_Fse(ext).
   2. Utilizar el reóstato incorporado como R_L y tienen a máxima resistencia.
   3. «S₁» mantener abierto para una prueba sin carga.
   4. Mantenga R_Fse(ext) a máxima resistencia.
2. Encienda el interruptor de desconexión de tres fases.
3. Presione el botón "Inicio" en el panel de suministro de energía DC.
4. Lentamente aumente la salida del VARIAC, hasta que V_AC1 Lee 120 V.
5. Cuando el motor síncrono alcanza una velocidad de estado estacionario, llevar el interruptor de "Inicio/ejecutar" en la posición "Run".
   1. Medida V_A en esta condición sin carga en el lado del generador de CC.
6. Encienda "S₁" y reducir R_Fse(ext) según sea necesario a ver cero V_A.
7. Variar R_L en cinco pasos casi igual hasta su ajuste de 50%, a Ω 300 y activar "S₁." Medir la velocidad V_Ay I_A.
   1. Gire a la "S₁" set R_L a Ω 200, entonces encienda "S₁." Medir la velocidad V_Ay I_A.
   2. Gire a la "S₁" set R_L a Ω 100, entonces encienda "S₁." Medir la velocidad V_Ay I_A.
8. Apague la fuente de alimentación.
   1. Establecer el VARIAC de salida a 0%.
   2. Mantener el lado del generador síncrono de la configuración intacta.
   3. Desconecte las conexiones del generador de CC.
   4. Restablezca el interruptor de "Inicio/ejecutar" a "Inicio".
9. Apague el interruptor de desconexión de tres fases.
10. Desmontar todos los cables y metros.

Figura 7 : Un esquema de la serie instalación de generador DC. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Bobinas de serie llevan típicamente alta corriente nominal de armadura nominal de la máquina actual, ya que los devanados serie y armadura están en serie. Por lo tanto, serie bobinados se esperan que sean del orden de una mΩ a unas bobinas de desviación Ω. por otro lado debe llamar la corriente mínima de la fuente de energía junto con la armadura de la máquina, y por lo tanto, tienen valores de resistencia grande de decenas a cientos o incluso miles de Ω.

El residual λ_R puede estimarse mediante la medición de la tensión de armadura sin carga. Puesto que esto una condición sin carga, la f.e.m. de espalda y tensión de armadura son las mismas, y la posterior f.e.m. (E_A) es una función de λ_R tal que E_A=I_f λ_Rω_m donde I_f es el campo actual y ω_m es la velocidad mecánica.

Cada tipo de máquina tiene su propia curva corriente tensión o esfuerzo de torsión-velocidad. La ventaja de los generadores shunt es que puede proporcionar voltaje sin tener cualquier carga hasta plena carga, mientras que los generadores de serie se caracterizan por no ser capaces de proveer cualquier tensión a menos que haya alguna carga.

Máquinas de CC son significativamente menos común de lo que solían ser antes de la invención de máquinas síncronas y de inducción de la CA. Siguen siendo comunes en aplicaciones de baja potencia simple como juguetes, pequeños robots y equipos antiguos. Máquinas de CC de imán permanente, que utilizan abundante no tierra rara imanes, son más comunes que sus piezas contrarias de shunt y serie debido a la excitación más simple, especialmente en aplicaciones de bajo costo y baja complejidad.