Motori DC

Fonte: Ali Bazzi, Dipartimento di Ingegneria Elettrica, Università del Connecticut, Storrs, CT.

La macchina CC funziona con correnti e tensioni CC rispetto a una macchina CA, che richiede correnti e tensioni CA. Le macchine DC sono state le prime ad essere inventate e utilizzano due campi magnetici controllati da correnti CC. La stessa macchina può essere facilmente riconfigurata per essere un motore o un generatore se è disponibile un'eccitazione di campo appropriata, poiché la macchina DC ha due campi chiamati campo e armatura. Il campo è solitamente sul lato dello statore e l'armatura è sul lato del rotore (opposto o dentro-fuori rispetto alle macchine CA). L'eccitazione del campo può essere fornita da magneti permanenti o da un avvolgimento (bobina). Quando la corrente viene applicata all'armatura o alla bobina del rotore, passa dalla sorgente DC alla bobina attraverso spazzole fisse e collettori rotanti montati sul rotore rotante toccando le spazzole. Quando la bobina dell'armatura del rotore è un anello che trasporta corrente ed è esposta a un campo esterno dallo statore o dal campo magnetico, viene esercitata una forza sul loop. Poiché il loop è "appeso" su entrambi i lati del motore utilizzando cuscinetti, la forza produce una coppia che ruoterà l'albero del rotore piuttosto che spostarlo in qualsiasi altra direzione.

Questa rotazione fa sì che i campi magnetici si allineino ma allo stesso tempo, gli anelli di scorrimento cambiano lato sulle spazzole, o "pendolarismo", e questo è ciò che è noto come il processo di commutazione. Quando si verifica questa commutazione, il flusso di corrente nella bobina del rotore viene invertito e i campi magnetici si oppongono nuovamente l'un l'altro, causando un'ulteriore coppia nello stesso senso di rotazione. Questo processo continua e l'albero del rotore gira fornendo l'azione del motore. Nel funzionamento del generatore, la rotazione meccanica viene fornita all'albero del rotore e la corrente fuoriesci dal rotore dopo che è stata indotta a causa di una bobina in movimento sotto un campo magnetico.

Le macchine discusse in questo esperimento hanno un avvolgimento di campo piuttosto che magneti permanenti. Un processo di commutazione che è fondamentale nel funzionamento della macchina DC utilizza collettori rotanti e spazzole per trasferire energia dal rotore (armatura) al mondo esterno poiché il rotore sta girando e con fili rotanti li torcerebbe e li romperebbe. Tuttavia, queste spazzole e collettori rotanti presentano importanti inconvenienti di affidabilità in quanto richiedono una manutenzione regolare, la sostituzione della spazzola, la pulizia e possono causare scintille. Ciò ha portato alla sostituzione della maggior parte delle macchine CC con macchine CA che non hanno questi problemi, e le restanti macchine CC hanno per lo più eccitazione del campo a magneti permanenti, come nei giocattoli e nei semplici utensili a bassa potenza. Le macchine CA denominate macchine CC brushless (o BLDC) sono macchine CA che utilizzano una sorgente CC e un inverter elettronico di potenza per ottenere tensioni CA dall'inverter.

L'obiettivo di questo esperimento è quello di testare due principali configurazioni di macchine DC: shunt e serie. Le prove hanno lo scopo di stimare il flusso residuo nella macchina e di studiare le caratteristiche di carico e di carico delle diverse configurazioni.

Esistono quattro configurazioni principali di macchine CC: eccitate separatamente, shunt, serie e composto. Queste configurazioni sono classificate in base alla posizione dell'eccitazione del campo, dove il campo è uno dei campi magnetici necessari per far funzionare la macchina come motore o generatore. Poiché l'avvolgimento del campo è alimentato da una sorgente CC, tale sorgente può essere la stessa di quella che alimenta l'armatura del motore CC o può essere separata. Quando è separata, la macchina viene definita "eccitata separatamente" e, in caso contrario, la posizione dell'avvolgimento del campo nel circuito del motore determina il tipo di configurazione di cui si tratta. Se l'avvolgimento del campo è posto in parallelo con l'avvolgimento dell'armatura per vedere la stessa fonte di tensione che alimenta l'armatura, la macchina è nella configurazione parallela o di shunt.

Se l'avvolgimento del campo è in serie con l'avvolgimento dell'armatura in modo che abbiano lo stesso flusso di corrente, la macchina è nella configurazione di serie. Se sono disponibili entrambi gli avvolgimenti, ovvero vengono utilizzati avvolgimenti di shunt e di serie, la macchina è nella configurazione composta. La configurazione eccitata separatamente è indipendente dall'armatura e può essere regolata per supportare vari carichi attraverso il controllo automatico. Tuttavia, le configurazioni di shunt, serie e compound assorbono corrente dalla stessa sorgente di armatura e sono quindi influenzate dalle variazioni di carico e tensione dell'armatura.

Senza eccitazione di campo, il magnetismo residuo dovuto al campo magnetico residuo (λ_R) nella macchina funge da fonte per l'eccitazione di campo minore. Questo può essere espresso come un termine aggiuntivo nell'equazione posteriore e.m.f. (E_A) "λ_Rω " che viene aggiunta a "KI_Fω" dove ω è la velocità meccanica della macchina. Per una macchina CC composta, E_A è quindi,

E_A= K_shI_Fshω+ K_seI_Fseω+ λ_Rω, (1)

dove"se" sta per serie,"sh" sta per shunt, e i termini K sono costanti di campo che mettono in relazione la corrente di campo e la velocità meccanica con la parte posteriore e.m.f. Ricorda che i valori K sono costanti fino a quando non viene raggiunto un limite di saturazione, dopo di che E_A si satura a un certo valore.

Idealmente, si presume che λ_R sia zero, ma questo non è realistico. Per determinare λ_R, una macchina DC viene eseguita come un generatore senza shunt o eccitazione in serie e senza carico. Pertanto, la tensione terminale misurata V_A=E_A. Se si misura ω, si può determinare λ_R. E_A è una tensione caratteristica delle macchine DC, una tensione che contrasta la tensione di armatura per limitare la corrente nella macchina. Nel funzionamento del motore, l'E_A è inferiore alla tensione dell'armatura e l'E_A più alto porta a un minore assorbimento di corrente dell'armatura. Dipende dalla velocità dell'albero come mostrato nell'equazione 1, e quindi avere un E_A più alto provoca un funzionamento a velocità più elevata. Nelle applicazioni del generatore, E_A è la tensione indotta dalla rotazione di un campo magnetico sull'armatura rispetto al campo.

Per una macchina di shunt, l'equazione 1 è ancora valida, ma I_Fse è impostato su zero; per una macchina in serie, l'equazione 1 è ancora valida, ma I_Fsh è impostato su zero. Le macchine composte hanno sia lo shunt che la serie collegati e possono essere in forma lunga o corta. Quando entrambi i campi esistono, il loro effetto può sommarsi o opporsi l'un l'altro come visto dall'armatura, e queste configurazioni sono denominate cumulative o differenziali. Queste configurazioni possono essere ottenute variando la posizione del campo di shunt prima o dopo il campo di serie e facendo in modo che le correnti di campo entrino o lascino i rispettivi punti. La Fig. 1-4 mostra tutte e quattro le configurazioni.

Figura 1: Schema di una configurazione composta lunga cumulativa.

Figura 2: Schema di una configurazione composta corta cumulativa.

Figura 3: Schema di una configurazione composta lunga differenziale.

Figura 4: Schema di una configurazione differenziale a mescola corta.

L'obiettivo di questo esperimento è quello di confrontare le relazioni di corrente, tensione e carico in serie e shunt di motori DC configurati. Poiché in questa dimostrazione è disponibile un solo alimentatore CC ad alta potenza, il funzionamento eccitato separatamente non è coperto. Per le configurazioni di shunt e serie, il motore principale del generatore DC è un motore sincrono che regola la sua velocità a 1800 RPM. Ogni volta che è necessaria una misurazione della corrente CC, come I_A o I_Fsh, utilizzare il multimetro digitale in modalità corrente (assicurarsi che i terminali sul multimetro siano nella configurazione corrente).

1. Test DC

1. Con l'alimentatore CC a bassa potenza limitato a 0,8 A, collegare i terminali di alimentazione all'armatura della macchina CC.
2. Registrare le letture della tensione CC e della corrente di alimentazione.
3. Stimare la resistenza di ogni avvolgimento.
4. Ripetere per gli altri avvolgimenti, campo di shunt e campo di serie, uno alla volta.
5. Spegnere e scollegare l'alimentatore CC a bassa potenza.
6. Impostare il reostato di campo incorporato sulla massima resistenza e misurarne la resistenza.
7. Impostare il reostato di campo della serie (esterno) alla massima resistenza e misurarne la resistenza.

2. Configurazione del motore primario e magnetismo residuo

Il motore principale in questo esperimento è la macchina sincrona, che funziona come un motore che fa girare il rotore del generatore DC (armatura).

1. Assicurarsi che l'interruttore di disconnessione trifase, l'interruttore del motore sincrono e l'interruttore del motore CC siano tutti spenti.
2. Controllare che il VARIAC sia allo 0%.
3. Collegare il VARIAC alla presa trifase e collegare la configurazione mostrata in Fig. 5.
4. Verificare che l'interruttore "Start/Run" sia in posizione "Start".
5. Accendere l'interruttore di disconnessione trifase.
6. Accendere l'alimentatore CC ad alta tensione.
7. Assicurarsi che tutte le connessioni siano chiare dai terminali di alimentazione.
8. Premere il pulsante "V/I DIS" sull'alimentazione per visualizzare i punti di funzionamento di tensione e corrente. Regolare la manopola di tensione a 125 V.
   1. Non premere il pulsante di avvio.
9. Premere il pulsante "Start" sul pannello di alimentazione CC.
10. Aumentare lentamente l'uscita VARIAC fino a quando V_AC1 legge 120 V.
11. Quando il motore sincrono raggiunge una velocità stazionario, capovolgere l'interruttore Start/Run nella posizione Run.
12. Misurare e registrare la velocità di rotazione utilizzando la luce stroboscopica e registrare V_A.
13. Spegnere l'alimentatore CC e riportare il VARIAC allo 0%.
14. Ripristina l'interruttore "Start/Run" su "Start".
15. Spegnere l'interruttore di disconnessione trifase.

Figura 5: Schema di come impostare il motore principale. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

3. Caratterizzazione del generatore di shunt DC

1. Sul lato del generatore DC, collegare il campo di shunt in parallelo con il campo di armatura come mostrato in Fig. 6.
2. Utilizzare il reostato incorporato per R_Fsh(ext)e utilizzare il multimetro come amperometro per misurare I_Fsh.
3. Tenere aperto "S₁" per un test a vuoto.
4. Mantenere "R_Fsh(ext)" alla massima resistenza.
5. Accendere l'interruttore di disconnessione trifase.
6. Premere il pulsante "Start" sul pannello di alimentazione CC.
7. Aumentare lentamente l'uscita VARIAC fino a quando V_AC1 legge 120 V.
8. Quando il motore sincrono raggiunge una velocità stazionario, capovolgere l'interruttore "Start/Run" nella posizione "Run".
9. Misurare la velocità dell'albero utilizzando la tecnica della luce stroboscopica descritta altrove.
10. Registrare V_A in questa condizione di uscita a vuoto sul lato del generatore DC.
11. Ridurre R_Fsh(ext) fino a quando la tensione generata a V_A è di circa 150 V.
12. Dopo quel punto, riduci "R_Fsh(ext)" in cinque passaggi quasi uguali fino a raggiungere la resistenza minima.
    1. Per ogni passaggio, misurare V_A e I_Fsh.
13. Lasciare R_Fsh(ext) al suo valore minimo.
14. Spegnere l'alimentatore CC.
15. Ridurre l'output VARIAC allo 0%.
16. Spostare l'amperometro dalla misurazione I_Fsh alla misura I_A.
17. Riavviare il programma di installazione come descritto in precedenza.
18. Impostare R_L su 300 Ω e attivare "S₁". Misura V_A e I_A.
19. Disattiva "S_1",imposta R_L su 200 Ω, quindi attiva "S_1". Misura V_Ae I_A.
20. Disattiva "S_1",imposta R_L su 100 Ω, quindi attiva "S_1". Misura V_Ae I_A.
21. Spegnere l'alimentatore CC e impostare l'uscita VARIAC su 0%.
22. Mantenere intatto il lato generatore sincrono della configurazione.
23. Scollegare le connessioni del generatore DC.
24. Ripristina l'interruttore "Start/Run" su "Start".
25. Spegnere l'interruttore di disconnessione trifase.

Figura 6: Schema della configurazione del generatore DC di shunt. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

4. Caratterizzazione del generatore della serie DC

1. Sul lato del generatore DC, collegare il campo di serie in serie con il campo di armatura come mostrato in Fig 7.
   1. Utilizzare il reostato esterno per R_Fse(ext).
   2. Usa il reostato incorporato come R_L e averlo alla massima resistenza.
   3. Tenere aperto "S₁" per un test a vuoto.
   4. Mantenere R_Fse(ext) alla massima resistenza.
2. Accendere l'interruttore di disconnessione trifase.
3. Premere il pulsante "Start" sul pannello di alimentazione CC.
4. Aumentare lentamente l'uscita VARIAC fino a quando V_AC1 legge 120 V.
5. Quando il motore sincrono raggiunge una velocità stazionario, capovolgere l'interruttore "Start/Run" nella posizione "Run".
   1. Misura V_A in questa condizione di uscita a vuoto sul lato del generatore DC.
6. Attivare "S_1"e ridurre R_Fse(ext) secondo necessità per vedere V_Adiverso da zero.
7. Varia R_L in cinque passaggi quasi uguali fino a raggiungere l'impostazione del 50%, imposta su 300 Ω e attiva "S₁". Misurare la velocità, V_A, e I_A.
   1. Disattiva "S_1",imposta R_L su 200 Ω, quindi attiva "S_1". Misurare la velocità, V_A, e I_A.
   2. Disattiva "S_1",imposta R_L su 100 Ω, quindi attiva "S_1". Misurare la velocità, V_A, e I_A.
8. Spegnere l'alimentatore CC.
   1. Impostare l'output VARIAC su 0%.
   2. Mantenere intatto il lato generatore sincrono della configurazione.
   3. Scollegare le connessioni del generatore DC.
   4. Ripristina l'interruttore "Start/Run" su "Start".
9. Spegnere l'interruttore di disconnessione trifase.
10. Smontare tutti i fili e i contatori.

Figura 7: Schema della configurazione del generatore DC della serie. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Gli avvolgimenti di serie in genere trasportano una corrente elevata nominale alla corrente nominale dell'armatura della macchina, poiché sia gli avvolgimenti di serie che quelli di armatura sono in serie. Pertanto, gli avvolgimenti di serie dovrebbero essere dell'ordine di un mΩ a pochi Ω. Gli avvolgimenti di shunt, d'altra parte, dovrebbero attingere corrente minima dalla fonte che li alimenta insieme all'armatura della macchina e, quindi, avere grandi valori di resistenza da decine a centinaia o addirittura migliaia di Ω.

Il residuo λ_R può essere stimato misurando la tensione di armatura senza carico. Poiché questa è una condizione a vuoto, la tensione posteriore e.m.f. e l'armatura sono le stesse, e la e.m.f. posteriore (E_A) è una funzione di λ_R tale che E_A=I_f λ_Rω_m dove I_f è la corrente di campo e ω_m è la velocità meccanica.

Ogni tipo di macchina ha la propria curva tensione-corrente o coppia-velocità. Il vantaggio dei generatori di shunt è che possono fornire tensione senza avere alcun carico fino a pieno carico, mentre i generatori di serie sono caratterizzati dal non essere in grado di fornire alcuna tensione a meno che non ci sia un carico.

Le macchine CC sono significativamente meno comuni di quanto non fossero prima dell'invenzione dell'induzione AC e delle macchine sincrone. Rimangono comuni in semplici applicazioni a bassa potenza come giocattoli, piccoli robot e apparecchiature legacy. Le macchine CC a magneti permanenti, che utilizzano abbondanti magneti non in terre rare, sono più comuni delle loro parti di shunt e di serie a causa dell'eccitazione più semplice, specialmente nelle applicazioni a basso costo e bassa complessità.