Metode de pornire a masinii de curent continuu

METODE DE PORNIRE A MASINII DE CURENT CONTINUU

1. Masini de curent continuu cu excitatie separata sau derivatie

Masinile de curent continuu se pot porni prin mai multe procedee:

pornire prin conectare directa la reteaua de alimentare;

pornirea reostatica (se inseriaza cu indusul rezistente suplimentare);

pornirea prin variatia tensiunii de alimentare, fara inserierea de rezistente suplimentare.

Pe durata procesului de pornire curentul nu trebuie sa depaseasca o anumita valoare, deoarece astfel s-ar risca arderea izolatiei infasurarilor masinii, a aparatelor de masura si control, realizarea unei comutatii necorespunzatoare (foc circular la colector), socuri mecanice mari, suprasolicitarea periilor, etc. In general, regimurile de pornire au loc fie la gol (strunguri, compresoare), fie la jumatatea valorii sarcinii nominale (pompe, ventilatoare), fie in plina sarcina (mecanismele de ridicat, benzi transportoare), sau fie chiar la sarcina mai mare decat cea nominala (mori cu bile).

1.1. Pornirea prin conectare directa la retea

Datorita simplitatii aparaturii de comutatie si a operatiilor de conectare, metoda pare la prima vedere a fi cea mai avantajoasa. Dar, socul de curent la conectare este important (), iar efectele sunt nedorite: foc circular la colector, care duce treptat la distrugerea acestuia; la instalatiile cu inertie mare, creste foarte mult temperatura infasurarilor; aparatura de protectie si control este mai complicata; transmisia este puternic solicitata; reteaua trebuie sa fie suficient de "puternica".

Relatiile ce definesc regimul de pornire prin conectare directa sunt:

                      (2.20)

Schema folosita pentru pornirea prin conectare directa este:

Fig. 2.6. Schema secventiala de pornire prin conectare directa a masinii de curent continuu cu excitatie derivatie.

unde:     F sigurante;

K bobinele contactoarelor de curent continuu, cu contactele lor;

S butoane de pornire/oprire.

Contactul normal deschis/inchis, este un contact aflat in pozitia de deschis/inchis cand bobina contactorului (sau releului caruia ii apartine) este nealimentata (este in stare normala). Daca contactul normal deschis/inchis este reprezentat pe un traseu vertical, atunci partea mobila a contactului se reprezinta in stanga/dreapta traseului, iar daca traseul este orizontal, reprezentarea se face deasupra/sub traseul considerat.

Legenda de sub schema reprezinta o harta a contactelor. Cu ajutorul acesteia se poate gasi foarte usor pozitia in cadrul schemei a unui contact. Pentru contactul normal deschis se foloseste ca simbol o liniuta orizontala, respectiv o liniuta barata pentru cel normal inchis. Aceste simboluri sunt puse pe o line verticala plasata sub bobina contactorului (sau a releului caruia ii apartin) si este notata in dreptul fiecarei liniute coloana in care se afla contactul respectiv.

Functionarea schemei:

Prin apasarea butonului de pornire S_p1 si datorita contactului normal inchis K₂ din ramura 5, este alimentata bobina contactorului K₁. Astfel se inchide contactul auxiliar K₁, din ramura 6, si se realizeaza automentinerea alimentarii bobinei contactorului K₁. In acelasi timp se inchid si contactele de forta din ramura 2, conectand direct la reteaua de alimentare indusul masinii de curent continuu. Este de remarcat faptul ca excitatia masinii este alimentata de la aceeasi sursa de alimentare, dar imediat ce a fost inchis intrerupatorul manual Q, deci inaintea alimentarii indusului. Oprirea masinii se realizeaza prin oprire libera, masina fiind deconectata in urma apasarii butonului S_o. Ramurile 7 si 8 sunt similare cu 5 si 6, fiind folosite pentru alimentarea masinii cu tensiune inversa. Contactele K₁ si K₂ din ramurile 7 si respectiv 5 se numesc contacte de interblocare si nu permit contraconectarea in timpul functionarii masinii intr-un anumit sens.

1.2. Pornirea reostatica

Aceasta metoda se bazeaza pe folosirea reostatelor de pornire care au rolul de a reduce valoarea curentului de pornire la valori acceptabile. Curentul maxim de pornire calculat cu relatia:

            (2.21)

sau cu:

                   (2.22)

nu trebuie sa depaseasca valoarea de ori valoarea curentului nominal al masinii, iar cel minim de pornire, trebuie sa fie mai mare decat cel al sarcinii (de regula de ori valoarea acestuia).

Caracteristica reostatica de pornire este prezentata in figura 2.7. Pentru exemplificare, a fost ales un reostat de pornire cu doua trepte, cu valorile R_p1 si respectiv R_p2, care sunt scoase succesiv din circuitul serie cu indusul masinii.

Fig. 2.7. Caracteristica reostatica de pornire.

Raportul dintre curentul maxim la pornire si cel minim se noteaza cu , iar daca consideram marimile scrise in unitati relative, atunci cu ajutorul relatiei 2.16 putem scrie:

         (2.23)

La trecerile de pe o caracteristica de functionare pe o alta, consideram viteza unghiulara aproximativ constanta, deci constanta va fi si tensiunea electromotoare corespunzatoare (trecerile 1-1'si 2-2').

Folosind relatia 2.1 si observatia anterioara, se obtine:

(2.24 - 2.25)

ceea ce conduce la:

                         (2.26 - 2.28)

Pentru aflarea valorii treptelor reostatului de pornire, trebuie cunoscute doua dintre urmatoarele trei marimi: valoarea curentului minim de pornire, valoarea curentului maxim de pornire si respectiv numarul de trepte ale reostatului de pornire.

Cu ajutorul relatiilor 2.23 - 2.28, pentru valorile treptelor reostatului de pornire se obtin urmatoarele relatii:

                (2.29)

relatia generalizata fiind:

           (2.30)

Pentru cazul in care se lucreaza cu marimi raportate, atunci pe baza relatiilor anterioare, obtinem:

            (2.31 - 2.33)

iar relatia pentru o treapta a reostatului de pornire, la cazul general este:

                          (2.34)

Introducerea si respectiv scoaterea unor rezistente din circuitul indusului masinii de curent continuu cu excitatie separata, va modifica valoarea constantelor de timp electrice si electromecanice, definite cu relatiile:

                               (2.35 - 2.36)

Existenta unei trepte a reostatului de pornire in circuitul indusului va duce la micsorarea constantei electrice de timp si la cresterea celei electromecanice, astfel:

  (2.37)

                       (2.38)

Conform acestei observatii, in figura 2.8 este prezentat modul de variatie al curentului prin indusul masinii si al vitezei acesteia in functie de timp, in cazul folosirii unui reostat de pornire cu doua trepte.

Pornirea reostatica automata a unei masini de curent continuu se poate realiza prin folosirea unor scheme de comanda secventiala. In literatura de specialitate sunt cunoscute mai multe solutii posibile pentru indeplinirea acestui deziderat. Se poate realiza o pornire automata secventiala in functie de timp, in functie de viteza sau in functie de valoarea curentului.

           a)

      b)

Fig. 2.8. Variatia curentului (a) si a vitezei (b) pentru o pornire reostatica.

Schema de comanda automata, pentru pornirea in functie de viteza a unei masini de curent continuu cu excitatie derivatie, este prezentata in figura 2.9.

Functionarea schemei:

Prin inchiderea intreruptorului Q, excitatia masinii este alimentata, iar schema de comanda primeste si ea alimentare.

Daca este actionat butonul de pornire S_p, contactorul K₁ anclanseaza, masina fiind pornita cu intregul reostat de pornire inseriat cu indusul ei.

Pentru a realiza o comanda automata in functie de viteza, au fost folosite relee de tensiune. Acestea au posibilitatea reglarii valorii tensiunii de anclansare, valoare determinata in functie de viteza unghiulara a masinii cu ajutorul urmatoarelor relatii:

  (2.39 - 2.41)

Fig. 2.9. Comanda pornirii reostatice in functie de viteza.

Anclansarea releelor de tensiune permite comanda inchiderii circuitelor de alimentare a releelor din ramurile 8, 9 si respectiv 10, care scurtcircuiteaza treptele reostatului de pornire. Aceasta schema de comanda este folosita mai ales pentru masinile de curent continuu cu excitatie derivatie de putere mica.

In figura 2.10, este prezentata o schema de comanda automata pentru pornirea in functie de curent a unei masini de curent continuu cu excitatie derivatie.

Functionarea schemei:

Releele de curent K_I1 si K_I2 se regleaza, astfel incat sa declanseze la valoarea minima a curentului de pornire, anclansarea producandu-se la o valoarea mai mare. Inchiderea intreruptorului general Q permite alimentarea excitatiei masinii si a schemei de comanda. La apasarea butonului de pornire S_p, motorul va fi alimentat cu cele doua trepte ale reostatului de pornire inseriate cu indusul. Curentul va creste la valoarea sa maxima de pornire, iar releul K_I1 va anclansa, deschizandu-si contactul sau din ramura 7.   Atunci cand curentul va atinge valoarea sa minima pe durata procesului tranzitoriu, releul K_I1 va declansa. Momentul acestei declansari are loc dupa inchiderea prealabila a contactului normal deschis a releului de timp K_T1 din ramura 7. Acest contact are un rol de protectie, astfel incat sa nu se permita alimentarea bobinei contactorului K₂ pana cand curentul nu a atins valoarea sa minima de pornire.

Pentru a asigura o corecta secventiere a inchiderii si respectiv deschiderii contactelor din schema prezentata, au fost prevazute cele doua relee de timp K_T1 si K_T2. In momentul in care curentul a atins valoarea sa minima de pornire si contactorul K₂ a primit alimentare, prima treapta a reostatului de pornire este scurtcircuitata.

Procesul decurge similar si pentru treapta a doua (sau pentru mai multe trepte in cazul general).

Fig. 2.10. Comanda pornirii reostatice in functie de curent.

Pentru a realiza o comanda automata secventiala a pornirii in functie de timp a unei masini de curent continuu cu excitatie derivatie, se poate utiliza schema propusa in figura 2.11.

Functionarea schemei:

In momentul alimentarii bobinei unui releu de timp cu temporizare la revenire (cazul releelor K_T1 si K_T2), starea contactelor se schimba, iar cand alimentarea se intrerupe, temporizarea este startata, contactele revenind temporizat la starea lor "naturala".

La punerea schemei sub tensiune, odata cu inchiderea intreruptorului Q si alimentarea excitatiei masinii, datorita inchiderii contactului releului K_T1 din ramura 7, contactorul K₂ nu va primi alimentare. In acest moment se va intrerupe alimentarea bobinei releului de timp K_T1 si totodata este startata temporizarea acestuia, temporizare care determina, cand va fi scurtcircuitata, prima treapta a reostatului de pornire, si respectiv, cand va incepe "derularea" temporizarii releului K_T2

Aceasta secventiere poate fi foarte usor extinsa pentru utilizarea unui reostat de pornire cu mai multe trepte.

Fig. 2.11. Comanda pornirii reostatice in functie de timp.

Calculul duratelor de functionare pe fiecare treapta se bazeaza pe folosirea urmatoarelor relatii:

(2.42 - 2.43)

Inlocuind curentul din 2.43 in 2.42, se obtine:

      (2.44 - 2.45)

Cu ajutorul relatiei 2.38 si cu notatia:

                                 (2.46)

putem scrie solutia ecuatiei 2.45:

  (2.47)

Cu aceasta relatie se poate obtine timpul de functionare pe fiecare treapta, daca in relatiile urmatoare sunt introduse valorile: viteza initiala, viteza masinii in momentul scurtcircuitarii treptei reostatului de pornire, viteza finala a masinii sau valorile corespunzatoare ale cuplului dezvoltat de masina si a cuplului de sarcina, plus constanta electromecanica de timp, pentru treapta respectiva (2.38).

                             (2.48)

1.3. Pornirea prin variatia tensiunii de alimentare

Daca pornirea prin conectarea directa la reteaua de alimentare a masinii de curent continuu prezinta dezavantajul unui curent mare, cea de-a doua metoda prezentata are inconvenientul unui randament scazut, datorita utilizarii rezistentelor suplimentare. In cazul unor masini de puteri mari si gabaritul acestora este mare, ceea ce face ca socurile datorate curentului de pornire sa devina importante. De aceea, in multe cazuri este preferata pornirea masinilor de curent continuu prin variatia tensiunii de alimentare, de la zero spre valoarea sa nominala. Variatia tensiunii poate fi realizata prin mai multe procedee:

alimentarea prin intermediul unui convertor comandabil cu semiconductoare (redresor, chopper);

alimentarea prin intermediul unui autotransformator si a unui redresor necomandat cu semiconductoare (mai ales in cazul unei masini de putere mica);

alimentarea de la un convertor rotativ (un grup generator - motor);

alimentarea in trepte de tensiune (spre exemplu, conectarea in serie a mai multor elemente ale unei baterii).

2. Masini de curent continuu cu excitatie serie

Treptele reostatului de pornire folosit in cazul masinilor de curent continuu cu excitatie serie, se pot determina prin metoda grafo - analitica. Constructia caracteristicilor reostatice ale masinii serie se realizeaza cu ajutorul caracteristicii mecanice limita. Aceasta este de fapt o caracteristica fictiva, care ar corespunde unei rezistente nule pentru circuitul indusului:

      (2.49)

Cu ajutorul datelor de pe placuta indicatoare a masinii, se construieste aceasta caracteristica, pentru ca apoi sa poata fi determinate caracteristicile reostatice (relatia 2.51):

           (2.50)

                (2.51)

unde indicele k este pentru cazul inserierii unui reostat de pornire cu valoarea R_pk, iar i este indicele corespunzator unei anumite valori a curentului prin indusul masinii de curent continuu cu excitatie serie.

Conform figurii 2.12, se traseaza valorile limita pentru curentul de pornire, I_pmin si I_pmax, iar apoi caracteristicile =f(R) corespunzatoare acestor valori. Din punctul A, ridicam o perpendiculara pana cand este intalnita caracteristica pentru I_pmin, obtinand punctul B'. Acest punct corespunde vitezei pe care o va avea masina in momentul scoaterii din circuit a primei trepte a reostatului de pornire. Din B', ducem o paralela la abscisa. Segmentul B'B rezultat, reprezinta valoarea la scara a primei trepte a reostatului de pornire. Similar, se determina si celelalte trepte. Daca segmentul D'd', va intersecta ordonata in punctul D, atunci va rezulta un numar intreg de trepte ale reostatului de pornire. In caz contrar, trebuie repetata constructia pentru alte valori ale curentului de pornire I_pmin si I_pmax

Fig. 2.12. Construirea grafo-analitica a caracteristicilor mecanice in cazul pornirii reostatice pentru motorul de curent continuu cu excitatie serie.