Moteurs à courant continu

Source : Ali Bazzi, département de génie électrique, Université du Connecticut, Storrs, CT.

La machine DC fonctionne avec DC courants et tensions par opposition à une machine de AC, ce qui nécessite des tensions et courants alternatifs. Machines de DC ont été les premiers à inventer et à utiliser deux champs magnétiques qui sont contrôlés par le courant continu. La même machine peut être facilement modifiée pour être un moteur ou un générateur si l’excitation du champ approprié n’est disponible, puisque la machine DC comporte deux champs appelés champ et l’armature. Le domaine se trouve généralement du côté stator et l’armature est sur le côté du rotor (opposées ou dedans-dehors par rapport à AC machines). Excitation de champ peut être fournie par des aimants permanents ou un enroulement (bobine). Lorsque le courant est appliquée à la bobine d’armature ou de rotor, il traverse de la source CC à la bobine brosses qui sont fixes et tournants, montés sur le rotor tournant touchant les brosses. Lorsque la bobine d’armature de rotor est une boucle de courant et est exposée à un champ externe entre le stator ou le champ magnétique, une force est exercée sur la boucle. Étant donné que la boucle est « suspendu » des deux côtés du moteur à l’aide de roulements, la force produit un couple qui va tourner l’arbre du rotor plutôt que de déplacer dans n’importe quelle autre direction.

Cette rotation entraîne les champs magnétiques à aligner, mais en même temps, glisser anneaux changer de côté sur les pinceaux, ou « navette », et c’est ce qu’on appelle le processus de commutation. En cas de ce rachat, circuler le courant dans la bobine du rotor est inversé et les champs magnétiques s’opposent encore une fois, causant l’autre couple dans le même sens de rotation. Ce processus se poursuit et l’arbre du rotor tourne action moteur fournissant. Dans le fonctionnement du générateur, rotation mécanique est fournie à l’arbre du rotor et actuel sort le rotor après qu’il est induit en raison d’une bobine mobile sous un champ magnétique.

Les machines discutés dans cette expérience ont un enroulement de champ au lieu des aimants permanents. Un processus de commutation qui est essentiel au fonctionnement de la machine DC utilise des bagues collectrices et brosses pour transférer l’énergie du rotor (induit) vers le monde extérieur puisque le rotor est filature et avoir filature fils auraient tordre et les briser. Toutefois, ces brosses et collecteurs tournants présentent des inconvénients majeurs de fiabilité car ils nécessitent un entretien régulier, brosse de remplacement, nettoyage et peuvent provoquer des étincelles. Cela a conduit au remplacement de la plupart des machines DC par AC machines qui n’ont pas ces problèmes, et autres machines CC ont pour la plupart excitation de champ à un aimant permanent, comme dans les jouets et outils simples de faible puissance. "Machines" AC appelés brushless DC machines (ou BLDCs) sont des machines de AC qui utilisent un DC source et puissance inverseur électronique pour obtenir des tensions AC de l’onduleur.

L’objectif de cette expérience est de tester deux configurations principales de machine DC : shunt et série. Essais ont pour but d’estimer le flux résiduel dans la machine et à étudier les caractéristiques à vide et le chargement des configurations différentes.

Il existe quatre principales configurations de machines cc : séparément excités, shunt, série et composé. Ces configurations sont classées selon l’emplacement de l’excitation du champ, où le champ est l’un des champs magnétiques nécessaires au fonctionnement de la machine comme un moteur ou un générateur. Étant donné que l’inducteur est alimenté par une source DC, cette source peut être le même que celui équipant l’induit du moteur DC, ou peut être séparée. Lorsque séparé, la machine s’appelle « alimenté séparément », et quand pas, l’emplacement de l’enroulement de champ dans le circuit du moteur détermine quel type de configuration, il est. Si l’inducteur est placé en parallèle avec le bobinage d’induit pour voir la source de tension même mise sous tension de l’armature, la machine est dans la configuration parallèle ou shunt.

Si l’inducteur est en série avec le bobinage d’induit afin qu’ils aient le même débit de courant, la machine est dans la configuration de série. Si les deux enroulements sont disponibles, c'est-à-dire les enroulements shunt et série sont utilisés, puis la machine est dans la configuration du composé. La configuration séparément excitée est indépendante de l’armature et peut être réglée pour prendre en charge divers charge grâce au contrôle automatique. Cependant, shunt, série et des configurations composées courant de la même source d’armature et sont donc affectées par les variations de tension de charge et l’armature.

Avec aucune excitation de champ, magnétisme résiduel en raison du champ magnétique résiduel (λ_R) dans la machine agit comme une source d’excitation de champ mineur. Ceci peut être exprimé comme un terme supplémentaire dans l’équation de dos f.e.m. (E_A) «λ_Rω » qui est ajouté à «KI_Fω » où ω est la vitesse mécanique de la machine. Pour une machine composée de DC, E_A est donc

E_A= K_shj’ai_Fshω+ K_sej’ai_Fseω+ λ_Rω, (1)

où «se « est l’abréviation de la série, "sh » est synonyme de shunt et K termes est des constantes de champ qui concernent la vitesse courante et mécanique de champ à la f.e.m. arrière n’oubliez pas que les valeurs de K sont constants, jusqu'à ce que la limite de la saturation est atteinte, après quoi, E_A sature à une certaine valeur.

Idéalement, λ_R est censé pour être égal à zéro, mais ce n’est pas réaliste. Afin de déterminer λ_R, une machine de DC est gérée comme un générateur sans excitation shunt ou série et sans charge. Ainsi, la tension aux bornes mesurée V_A=E_A. Si ω est mesurée, λ_R peut être déterminée. E_A est une tension caractéristique des machines CC, une tension qui contredit la tension d’induit pour limiter le courant dans la machine. Fonctionnement du moteur, E_A est inférieure à la tension d’induit, en tirer les fils E_A supérieurs à moins courant induit. Elle dépend de la vitesse de l’axe comme indiqué dans l’équation 1, et donc avoir un supérieur E_A provoque un fonctionnement à vitesse plus élevé. Dans les applications de générateur, E_A est la tension induite de tourner un champ magnétique sur l’armature vs le champ.

Pour une machine shunt, équation 1 tient toujours, mais j’ai_Fse est réglée à zéro ; pour une machine de série, l’équation 1 tient toujours, mais j’ai_Fsh est fixée à zéro. Machines composées ont shunt et connectés en série et peuvent être en long ou court-forme. Lorsque les deux champs existent, leurs effets peuvent s’additionner ou s’opposent à l’autre, comme en témoigne l’armature, et ces configurations sont appelées cumulatifs ou différentielle. Ces configurations sont possibles en faisant varier l’emplacement du champ shunt avant ou après le champ de la série, et en ayant les courants du champ entrer ou de sortir leurs points respectifs. Fig. 1 à 4 montrent toutes les quatre configurations.

Figure 1 : Une représentation schématique d’une configuration longtemps composée cumulatif.

Figure 2 : Schéma d’une configuration composé court cumulative.

Figure 3 : Une représentation schématique d’une configuration différentielle longtemps composée.

Figure 4 : Schéma d’une configuration composé court différentielle.

L’objectif de cette étude est de comparer le courant, tension et charge de relations dans la série et shunt configuré reducteur. Car DC haute puissance alimentation seul est disponible dans cette démonstration, opération excitée séparément n’est pas couvert. Pour les configurations de shunt et série, l’auteur principal du générateur DC est un moteur synchrone qui régule sa vitesse à 1800 tr/min. N’importe quel moment une mesure de courant continu est nécessaire, comme I_A ou I_Fsh, utilisez un multimètre numérique en mode actuel (Assurez-vous que les bornes sur le multimètre sont dans la configuration actuelle).

1. Tests de DC

1. Avec la faible puissance DC alimentation limitée à 0,8 A, connectez les bornes d’alimentation à l’armature de machine de DC.
2. Enregistrer de l’alimentation en tension continue et lectures actuelles.
3. Estimer la résistance de chaque enroulement.
4. Répéter pour les autres enroulements, dérivation champ et le champ de la série, un à la fois.
5. Éteindre et débrancher l’alimentation CC de faible puissance.
6. La valeur du rhéostat de champ intégré une résistance maximum et mesurer sa résistance.
7. La valeur du rhéostat de champ de série (externe) la résistance maximum et mesurer sa résistance.

2. moteur primaire Setup et rémanent

Le moteur primaire dans cette expérience est la machine synchrone, qui fonctionne comme un moteur qui fait tourner le rotor de générateur DC (induit).

1. Assurez-vous que l’interrupteur-sectionneur moteur triphasé, moteur synchrone interrupteur et interrupteur du moteur DC sont tous éteints.
2. Vérifiez que le thyristor est à 0 %.
3. Câblez le thyristor à la sortie du moteur triphasé et le programme d’installation illustré à la Fig. 5.
4. Vérifiez que l’interrupteur « Démarrer/Exécuter » est dans la position « Start ».
5. Allumez l’interrupteur-sectionneur moteur triphasé.
6. Allumez l’alimentation électrique de haute tension DC.
7. Assurez-vous que toutes les connexions sont claires les bornes d’alimentation.
8. Appuyez sur la « V / je DIS » bouton sur l’alimentation pour afficher la tension et les points de fonctionnement actuels. Réglez le bouton de tension à 125 V.
   1. N’appuyez pas sur le bouton Démarrer.
9. Appuyez sur le bouton « Démarrer » sur le panneau d’alimentation de puissance DC.
10. Augmentez lentement la sortie transfo variable jusqu'à ce que V_AC1 indique 120 V.
11. Lorsque le moteur synchrone atteint une vitesse d’équilibre, appuyer sur l’interrupteur Start/Run dans la position de marche.
12. Mesurer et consigner la vitesse de rotation à l’aide de la lampe stroboscopique et noter V_A.
13. Coupez l’alimentation électrique DC et retourner le thyristor à 0 %.
14. Le sélecteur de « Démarrer/exécuter » à « Démarrer ».
15. Éteignez l’interrupteur-sectionneur moteur triphasé.

Figure 5 : Une représentation schématique de la façon de configurer le moteur primaire. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

3. DC Shunt générateur caractérisation

1. Du côté de générateur de DC, connectez le champ shunt en parallèle avec le champ induit tel qu’illustré à la Fig. 6.
2. Utilisez le rhéostat intégré pour R_Fsh(ext)et le multimètre comme un ampèremètre pour mesurer j’ai_Fsh.
3. « S₁» garder ouverte pour un essai à vide.
4. Garder "R_Fsh(ext)» au maximum de résistance.
5. Allumez l’interrupteur-sectionneur moteur triphasé.
6. Appuyez sur le bouton « Démarrer » sur le panneau d’alimentation de puissance DC.
7. Augmentez lentement la sortie transfo variable jusqu'à ce que V_AC1 indique 120 V.
8. Lorsque le moteur synchrone atteint une vitesse d’équilibre, appuyer sur l’interrupteur « Démarrer/Exécuter » dans la position « Marche ».
9. Mesurer la vitesse de l’arbre en utilisant la technique de stroboscope décrite ailleurs.
10. Record V_A situé cette condition à vide sur le côté du générateur DC.
11. Réduire les R_Fsh(ext) jusqu'à ce que la tension générée à V_A est environ 150 V.
12. Après ce point, réduire "R_Fsh(ext)" en cinq étapes presque égales jusqu'à ce que la résistance minimale est atteinte.
    1. Pour chaque étape, mesurer V_A et j’ai_Fsh.
13. Laisser R_Fsh(ext) à sa valeur minimale.
14. Éteindre l’alimentation DC.
15. Réduire le VARIAC sortie à 0 %.
16. Déplacez l’ampèremètre mesure j’ai_Fsh pour mesurer I_A.
17. Redémarrez le programme d’installation comme décrit précédemment.
18. Valeur R_L 300 Ω et tourner sur « S₁». Mesure de V_A et I_A.
19. Mettez « S₁, » la valeur R_L Ω 200, puis tourner sur « S »₁. Mesure de V_Aet I_A.
20. Mettez « S₁, » la valeur R_L Ω 100, puis tourner sur « S »₁. Mesure de V_Aet I_A.
21. Coupez l’alimentation électrique DC et définissez le VARIAC sortie à 0 %.
22. Préserver le côté générateur synchrone de l’installation.
23. Déconnecter les connexions du générateur DC.
24. Le sélecteur de « Démarrer/exécuter » à « Démarrer ».
25. Éteignez l’interrupteur-sectionneur moteur triphasé.

Figure 6 : Une représentation schématique de l’installation de génératrice shunt DC. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

4. DC série génératrice caractérisation

1. Du côté de générateur de DC, connectez le champ de série en série avec le champ induit comme illustré en figure 7.
   1. Utilisez le rhéostat extérieur pour R_Fse(ext).
   2. Utiliser le rhéostat intégré comme R_L et ont une résistance maximale.
   3. « S₁» garder ouverte pour un essai à vide.
   4. Maintenir R_Fse(ext) à la résistance maximale.
2. Allumez l’interrupteur-sectionneur moteur triphasé.
3. Appuyez sur le bouton « Démarrer » sur le panneau d’alimentation de puissance DC.
4. Augmentez lentement la sortie transfo variable jusqu'à ce que V_AC1 indique 120 V.
5. Lorsque le moteur synchrone atteint une vitesse d’équilibre, appuyer sur l’interrupteur « Démarrer/Exécuter » dans la position « Marche ».
   1. Mesure de V_A à cette condition à vide sur le côté du générateur DC.
6. Tourner sur « S₁» et réduire les R_Fse(ext) au besoin, pour voir non nul V_A.
7. Varier R_L en cinq étapes presque égales jusqu'à ce que ses 50 % est atteint, la valeur 300 Ω et tourner sur « S »₁. Mesurer la vitesse, V,_Aet I_A.
   1. Mettez « S₁, » la valeur R_L Ω 200, puis tourner sur « S »₁. Mesurer la vitesse, V,_Aet I_A.
   2. Mettez « S₁, » la valeur R_L Ω 100, puis tourner sur « S »₁. Mesurer la vitesse, V,_Aet I_A.
8. Éteindre l’alimentation DC.
   1. Définissez le VARIAC sortie à 0 %.
   2. Préserver le côté générateur synchrone de l’installation.
   3. Déconnecter les connexions du générateur DC.
   4. Le sélecteur de « Démarrer/exécuter » à « Démarrer ».
9. Éteignez l’interrupteur-sectionneur moteur triphasé.
10. Démonter tous les fils et les compteurs.

Figure 7 : Une représentation schématique de la série installation Générateur DC. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

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Enroulements série transportent généralement un courant élevé évalué à armature nominale de la machine actuel, puisque les enroulements série et l’armature sont en série. Par conséquent, série enroulements sont censés être de l’ordre d’une mΩ à quelques Ω. Shunt enroulements devrait en revanche tirer courant minimal de la source qui leur puissance ainsi que de l’induit de la machine et par conséquent, ont des valeurs de grande résistance de dizaines à des centaines ou même des milliers de Ω.

La résiduelle λ_R peut être estimée en mesurant la tension d’induit à aucune charge. Depuis cela une condition à vide, la f.e.m. arrière et la tension d’induit sont les mêmes, et l’arrière f.e.m. (E_A) est une fonction de λ_R tel E_A=j’ai_f λ_Rω_m où J’ai_f est le champ actuel et ω_m la vitesse mécanique.

Chaque type de machine possède sa propre courbe tension-courant ou de couple-vitesse. L’avantage des générateurs de shunt est qu’ils peuvent fournir la tension sans avoir aucune charge, à pleine charge, alors que les générateurs de série sont caractérisent en n’étant ne pas en mesure de fournir n’importe quelle tension, sauf s’il existe une charge.

Machines de DC sont significativement moins fréquentes qu’auparavant d’être avant l’invention de l’induction de l’AC et machines synchrones. Ils restent monnaie courantes dans les applications simples de faible puissance comme les jouets, petits robots et héritage. Aimant permanent DC machines, qui utilisent des aimants de terres rares abondantes, sont plus fréquentes que leurs homologues de shunt et série causé par une excitation plus simple, en particulier dans les applications de faible coût et faible complexité.