L'étude du laboratoire du moteur électrique à courant continu. Nous comprenons les principes de fonctionnement des moteurs électriques : les avantages et les inconvénients des différents types. Comment fonctionne un moteur électrique
étudier l'appareil, le principe de fonctionnement, les caractéristiques du moteur à courant continu;
acquérir des compétences pratiques pour démarrer, faire fonctionner et arrêter un moteur électrique à courant continu;
étudier expérimentalement des informations théoriques sur les caractéristiques d'un moteur à courant continu.
Dispositions théoriques de base
Un moteur électrique à courant continu est une machine électrique conçue pour convertir l'énergie électrique en énergie mécanique.
Le dispositif du moteur à courant continu n'est pas différent du générateur de courant continu. Cette circonstance rend les machines électriques à courant continu réversibles, c'est-à-dire qu'elles peuvent être utilisées à la fois en mode générateur et en mode moteur. Structurellement, un moteur à courant continu a des éléments fixes et mobiles, qui sont illustrés à la Fig. un.
Partie fixe - le stator 1 (châssis) est en acier moulé, se compose de 2 pôles principaux et de 3 pôles supplémentaires avec enroulements d'excitation 4 et 5 et une traversée en brosse avec des brosses. Le stator remplit la fonction d'un circuit magnétique. A l'aide des pôles principaux, un champ magnétique constant dans le temps et immobile dans l'espace est créé. Des pôles supplémentaires sont placés entre les pôles principaux et améliorent les conditions de commutation.
La partie mobile du moteur à courant continu est le rotor 6 (induit), qui est placé sur un arbre rotatif. L'induit joue également le rôle d'un circuit magnétique. Il est constitué de fines tôles d'acier électrique minces, électriquement isolées les unes des autres, à haute teneur en silicium, ce qui réduit les pertes de puissance. Les enroulements 7 sont pressés dans les rainures d'induit, dont les fils sont connectés aux plaques collectrices 8, placées sur le même arbre moteur (voir Fig. 1).
Considérons le principe de fonctionnement d'un moteur à courant continu. La connexion d'une tension constante aux bornes d'une machine électrique provoque l'apparition simultanée dans les enroulements d'excitation (stator) et dans les enroulements d'induit de courant (Fig. 2). En raison de l'interaction du courant d'induit avec le flux magnétique créé par l'enroulement de champ, une force apparaît dans le stator F, déterminée par la loi d'Ampère . La direction de cette force est déterminée par la règle de la main gauche (Fig. 2), selon laquelle elle est orientée perpendiculairement à la fois au courant je(dans l'enroulement d'induit), et au vecteur d'induction magnétique V(créé par l'enroulement d'excitation). En conséquence, une paire de forces agit sur le rotor (Fig. 2). La force agit sur la partie supérieure du rotor vers la droite, sur la partie inférieure - vers la gauche. Ce couple de forces crée un couple sous l'action duquel l'armature est entraînée en rotation. La magnitude du moment électromagnétique émergent s'avère être égale à
M = c m je Je suis F,
où Avec m - coefficient dépendant de la conception de l'enroulement d'induit et du nombre de pôles du moteur électrique; F- flux magnétique d'une paire de pôles principaux du moteur électrique ; je Je suis - courant d'induit du moteur. Comme il ressort de la Fig. 2, la rotation des enroulements d'induit s'accompagne d'un changement simultané de polarité sur les plaques collectrices. La direction du courant dans les spires de l'enroulement d'induit change dans le sens opposé, mais le flux magnétique des enroulements d'excitation conserve la même direction, ce qui fait que la direction des forces reste inchangée. F, et donc le couple.
La rotation de l'armature dans un champ magnétique entraîne l'apparition d'une force électromotrice dans son enroulement, dont la direction est déjà déterminée par la règle de la main droite. En conséquence, pour celui représenté sur la Fig. 2 configurations de champs et de forces dans l'enroulement d'induit, un courant d'induction se produira, dirigé à l'opposé du courant principal. Par conséquent, l'EMF émergent est appelé contre-EMF. Sa valeur est
E = Avec e nФ,
où n- fréquence de rotation de l'induit du moteur électrique ; Avec e est un coefficient dépendant des éléments structurels de la machine. Cette FEM dégrade les performances du moteur.
Le courant dans l'induit crée un champ magnétique qui affecte le champ magnétique des pôles principaux (stator), appelé réaction d'induit. Au repos de la machine, le champ magnétique n'est créé que par les pôles principaux. Ce champ est symétrique par rapport aux axes de ces pôles et coaxial avec eux. Lorsqu'il est connecté à un moteur de charge, en raison du courant dans l'enroulement d'induit, un champ magnétique est créé - le champ d'induit. L'axe de ce champ sera perpendiculaire à l'axe des pôles principaux. Comme la répartition du courant dans les conducteurs d'induit reste inchangée pendant la rotation de l'induit, le champ d'induit reste stationnaire dans l'espace. L'addition de ce champ au champ des pôles principaux donne le champ résultant, qui se déploie selon un angle contre le sens de rotation de l'induit. De ce fait, le couple diminue, puisqu'une partie des conducteurs pénètre dans la zone du pôle de polarité opposée et crée un couple de freinage. Dans ce cas, les balais étincellent et le collecteur brûle, un champ de démagnétisation longitudinal apparaît.
Afin de réduire l'influence de la réaction d'induit sur le fonctionnement de la machine, des pôles supplémentaires y sont intégrés. Les enroulements de ces pôles sont connectés en série avec l'enroulement principal de l'armature, mais un changement de sens d'enroulement dans ceux-ci provoque l'apparition d'un champ magnétique dirigé contre le champ magnétique de l'armature.
Pour changer le sens de rotation d'un moteur à courant continu, il est nécessaire de changer la polarité de la tension fournie à l'induit ou à l'enroulement de champ.
Selon la méthode de commutation sur l'enroulement d'excitation, les moteurs à courant continu se distinguent par une excitation parallèle, série et mixte.
Pour les moteurs à excitation parallèle, l'enroulement est conçu pour la pleine tension du réseau d'alimentation et est connecté en parallèle avec le circuit d'induit (Fig. 3).
Un moteur à excitation série a un enroulement de champ qui est connecté en série avec l'induit, cet enroulement est donc conçu pour le courant d'induit complet (Fig. 4).
Les moteurs à excitation mixte ont deux enroulements, l'un est connecté en parallèle, l'autre est connecté en série avec une armature (Fig. 5).
Riz. 3 Fig. 4
Lors du démarrage de moteurs à courant continu (quel que soit le mode d'excitation) par connexion directe au réseau d'alimentation, des courants de démarrage importants se produisent, ce qui peut entraîner leur défaillance. Cela se produit à la suite du dégagement d'une quantité importante de chaleur dans l'enroulement d'induit et de la violation subséquente de son isolation. Par conséquent, le démarrage des moteurs à courant continu est effectué par des dispositifs de démarrage spéciaux. Dans la plupart des cas, à ces fins, le dispositif de démarrage le plus simple est utilisé - un rhéostat de démarrage. Le processus de démarrage d'un moteur à courant continu avec un rhéostat de démarrage est illustré à l'aide de l'exemple d'un moteur à courant continu à excitation parallèle.
Sur la base de l'équation compilée conformément à la deuxième loi de Kirchhoff pour le côté gauche du circuit électrique (voir Fig. 3), le rhéostat de démarrage est complètement supprimé ( R start = 0), courant d'induit
,
où tu- tension fournie au moteur électrique ; R i est la résistance de l'enroulement d'induit.
Au moment initial du démarrage du moteur électrique, la vitesse d'induit n= 0, par conséquent, la force contre-électromotrice induite dans l'enroulement d'induit, conformément à l'expression obtenue précédemment, sera également égale à zéro ( E= 0).
Résistance d'enroulement d'induit R je suis assez petit. Afin de limiter le courant inacceptable dans le circuit d'induit lors du démarrage, un rhéostat de démarrage est activé en série avec l'induit, quelle que soit la méthode d'excitation du moteur (résistance de démarrage R début). Dans ce cas, le courant de démarrage de l'induit
.
Résistance de démarrage du rhéostat R le démarrage est calculé pour le fonctionnement uniquement pour le temps de démarrage et est sélectionné de manière à ce que le courant de démarrage de l'induit du moteur ne dépasse pas la valeur autorisée ( je i, commencer 2 je je, nom). Lorsque le moteur accélère, la FEM induite dans l'enroulement d'induit en raison d'une augmentation de sa fréquence de rotation n augmente ( E=Avec e nФ). En conséquence, le courant d'induit, ceteris paribus, diminue. Dans ce cas, la résistance du rhéostat de démarrage R débutà mesure que l'induit du moteur accélère, il doit être progressivement réduit. Après la fin de l'accélération du moteur à la valeur nominale de la vitesse d'induit, la FEM augmente tellement que la résistance de démarrage peut être réduite à zéro, sans risque d'augmentation significative du courant d'induit.
Donc la résistance de départ R le démarrage dans le circuit d'induit n'est nécessaire qu'au démarrage. Pendant le fonctionnement normal du moteur électrique, il doit être éteint, d'une part, car il est conçu pour un fonctionnement de courte durée lors du démarrage, et d'autre part, s'il existe une résistance de démarrage, des pertes de puissance thermique égales à R début je 2 I, réduisant considérablement l'efficacité du moteur électrique.
.
En tenant compte de l'expression de la FEM ( E=Avec e nФ), en écrivant la formule résultante pour la fréquence de rotation, nous obtenons l'équation de la fréquence (vitesse) caractéristique du moteur électrique n(je Je suis):
.
Il en résulte qu'en l'absence de charge sur l'arbre et le courant d'induit je Je suis = 0 vitesse de rotation du moteur électrique à une valeur donnée de la tension d'alimentation
.
Vitesse du moteur n 0 est le régime de ralenti idéal. Outre les paramètres du moteur électrique, cela dépend également de la valeur de la tension d'entrée et du flux magnétique. Avec une diminution du flux magnétique, toutes choses étant égales par ailleurs, la vitesse de rotation d'un ralenti idéal augmente. Ainsi, en cas de circuit ouvert de l'enroulement d'excitation, lorsque le courant d'excitation devient nul ( je c = 0), le flux magnétique du moteur est ramené à une valeur égale à la valeur du flux magnétique résiduel F du repos. Dans ce cas, le moteur "passe en surmultipliée", développant une vitesse bien supérieure à la vitesse nominale, ce qui présente un certain danger tant pour le moteur que pour le personnel de maintenance.
Caractéristique de fréquence (vitesse) d'un moteur à courant continu à excitation parallèle n(je i) à une valeur constante du flux magnétique F=constante et une valeur constante de la tension d'entrée U = const ressemble à une ligne droite (Fig. 6).
Exprimer dans les équations des caractéristiques de fréquence le courant d'induit à travers le couple électromagnétique du moteur M =Avec m je Je suis F, on obtient l'équation de la caractéristique mécanique, c'est-à-dire les dépendances n(M) à U = const pour les moteurs à excitation parallèle :
.
En négligeant l'influence de la réaction d'induit lors du changement de charge, il est possible d'accepter le couple électromagnétique du moteur comme proportionnel au courant d'induit. Par conséquent, les caractéristiques mécaniques des moteurs à courant continu ont la même forme que les caractéristiques de fréquence correspondantes. Le moteur shunt a une caractéristique mécanique rigide (Fig. 7). D'après cette caractéristique, on peut voir que sa vitesse de rotation diminue légèrement avec l'augmentation du couple de charge, car le courant d'excitation lorsque l'enroulement d'excitation est connecté en parallèle et, par conséquent, le flux magnétique du moteur restent pratiquement inchangés, et la résistance de l'induit circuit est relativement petit.
Les caractéristiques de performance d'un moteur à courant continu à excitation parallèle sont illustrées à la fig. 8. A partir de ces caractéristiques, on peut voir que la vitesse de rotation n moteurs à excitation parallèle avec une charge croissante diminue légèrement. La dépendance du moment utile sur l'arbre moteur sur la puissance R 2 est une droite presque droite, puisque le moment de ce moteur est proportionnel à la charge sur l'arbre : M=kP 2 / n. La courbure de cette dépendance s'explique par une légère diminution de la vitesse de rotation avec l'augmentation de la charge.
À R 2 = 0 le courant consommé par le moteur électrique est égal au courant à vide. Avec une augmentation de puissance, le courant d'induit augmente approximativement selon la même dépendance que le couple de charge sur l'arbre, car dans la condition F=constante le courant d'induit est proportionnel au couple résistant. Le rendement d'un moteur électrique est défini comme le rapport de la puissance utile sur l'arbre à la puissance consommée sur le réseau :
,
où R 2 - puissance utile à l'arbre ; R 1 =interface utilisateur- puissance consommée par le moteur électrique à partir du réseau d'alimentation ; R ey = je 2 je R i - pertes de puissance électrique dans le circuit d'induit, R ev = interface utilisateur dans, = je 2 po R v- pertes de puissance électrique dans le circuit d'excitation ; R fourrure - perte de puissance mécanique ; R m - pertes de puissance dues à l'hystérésis et aux courants de Foucault.
Avec une tension d'alimentation constante et un flux magnétique constant, lors du changement de la valeur de résistance du circuit d'induit, une famille de caractéristiques mécaniques peut être obtenue, par exemple, pour un moteur électrique à excitation parallèle (Fig. 9).
L'avantage de la méthode de commande considérée réside dans sa relative simplicité et la possibilité d'obtenir une évolution douce de la vitesse de rotation sur une large plage (de zéro à la valeur nominale de la fréquence n nom). Les inconvénients de cette méthode incluent le fait qu'il y a des pertes de puissance importantes dans la résistance supplémentaire, augmentant avec la vitesse décroissante, ainsi que la nécessité d'utiliser un équipement de contrôle supplémentaire. De plus, cette méthode ne permet pas de régler la vitesse du moteur à partir de sa valeur nominale.
Des modifications de la vitesse de rotation d'un moteur à courant continu peuvent également être obtenues en modifiant la valeur du flux magnétique d'excitation. Lors de la modification du flux magnétique conformément à l'équation de réponse en fréquence pour les moteurs à courant continu à excitation parallèle à une valeur constante de la tension d'alimentation et à une valeur constante de la résistance du circuit d'induit, une famille de caractéristiques mécaniques peut être obtenue, illustrée à la fig. . dix.
Les inconvénients de cette méthode doivent également comprendre une plage de régulation relativement réduite en raison de la présence de restrictions sur la résistance mécanique et la commutation du moteur électrique. L'avantage de cette méthode de contrôle est sa simplicité. Pour les moteurs à excitation parallèle, ceci est réalisé en modifiant la résistance du rhéostat de régulation R R dans le circuit d'excitation.
Pour les moteurs à courant continu à excitation série, une modification du flux magnétique est obtenue en shuntant l'enroulement d'excitation avec une résistance d'une valeur appropriée, ou en court-circuitant un certain nombre de tours de l'enroulement d'excitation.
Une utilisation généralisée, en particulier dans les entraînements électriques construits selon le système générateur-moteur, a reçu une méthode de contrôle de la vitesse en modifiant la tension au niveau des pinces d'induit du moteur. Avec un flux magnétique et une résistance constants du circuit d'induit, à la suite de la modification de la tension d'induit, une famille de caractéristiques de fréquence peut être obtenue.
Avec un changement de la tension d'entrée, le régime de ralenti idéal n 0 selon l'expression donnée précédemment, varie proportionnellement à la tension. La résistance du circuit d'induit restant inchangée, la rigidité de la famille de caractéristiques mécaniques ne diffère pas de la rigidité de la caractéristique mécanique naturelle à tu=tu nom.
L'avantage de la méthode de régulation considérée est une large gamme de changements de vitesse sans augmenter les pertes de puissance. Les inconvénients de cette méthode incluent le fait qu'elle nécessite une source de tension d'alimentation régulée, ce qui conduit à augmentation du poids, des dimensions et du coût de l'installation.
Un moteur électrique est un appareil électrique permettant de convertir de l'énergie électrique en énergie mécanique. Aujourd'hui, les moteurs électriques sont largement utilisés dans l'industrie pour entraîner diverses machines et mécanismes. Dans le ménage, ils sont installés dans une machine à laver, un réfrigérateur, un presse-agrumes, un robot culinaire, des ventilateurs, des rasoirs électriques, etc. Les moteurs électriques mettent en mouvement les appareils et les mécanismes qui y sont connectés.
Dans cet article, je parlerai des types et principes de fonctionnement les plus courants des moteurs électriques à courant alternatif, largement utilisés dans le garage, le ménage ou l'atelier.
Comment fonctionne un moteur électrique
Le moteur fonctionne en fonction de l'effet découvert par Michael Faraday en 1821. Il a découvert que lorsqu'un courant électrique dans un conducteur interagit avec un aimant, une rotation continue peut se produire.
Si dans un champ magnétique uniforme placer le cadre en position verticale et y faire passer du courant, puis un champ électromagnétique apparaîtra autour du conducteur, qui interagira avec les pôles des aimants. Le cadre sera repoussé de l'un et attiré par l'autre.
En conséquence, le cadre se tournera vers une position horizontale, dans laquelle il n'y aura aucun effet du champ magnétique sur le conducteur. Pour que la rotation continue, vous devez ajouter un autre cadre à un angle ou changer la direction du courant dans le cadre au bon moment.
Sur la figure, cela se fait à l'aide de deux demi-anneaux, auxquels se raccordent les plaques de contact de la batterie. En conséquence, après un demi-tour effectué, la polarité change et la rotation continue.
Dans les moteurs électriques modernes au lieu d'aimants permanents, des inducteurs ou des électroaimants sont utilisés pour créer un champ magnétique. Si vous démontez un moteur, vous verrez des bobines de fil enroulées recouvertes de vernis isolant. Ces spires sont un électroaimant ou, comme on les appelle aussi, un enroulement d'excitation.
À la maison les aimants permanents sont utilisés dans les jouets pour enfants alimentés par batterie.
Dans d'autres plus puissants les moteurs n'utilisent que des électroaimants ou des bobinages. La partie rotative avec eux s'appelle le rotor et la partie fixe s'appelle le stator.
Types de moteurs électriques
Aujourd'hui, il existe de nombreux moteurs électriques de conceptions et de types différents. Ils peuvent être divisés par type d'alimentation:
- Courant alternatif fonctionnant directement sur le secteur.
- Courant continu qui fonctionnent sur piles, piles, blocs d'alimentation ou autres sources de courant continu.
Selon le principe de travail :
- Synchrone, dans lequel il y a des enroulements sur le rotor et un mécanisme à brosse pour leur fournir du courant électrique.
- Asynchrone, le type de moteur le plus simple et le plus courant. Ils n'ont pas de balais et d'enroulements sur le rotor.
Un moteur synchrone tourne de manière synchrone avec le champ magnétique qui le fait tourner, tandis que pour un moteur asynchrone, le rotor tourne plus lentement que le champ magnétique tournant dans le stator.
Le principe de fonctionnement et le dispositif d'un moteur électrique asynchrone
Dans un package asynchrone moteur, des enroulements de stator sont posés (pour 380 volts, il y en aura 3), qui créent un champ magnétique tournant. Leurs extrémités pour la connexion sont amenées à un bornier spécial. Les bobinages sont refroidis grâce à un ventilateur monté sur l'arbre en bout de moteur.
Rotor, qui ne font qu'un avec l'arbre, est constitué de tiges métalliques fermées les unes des autres des deux côtés, c'est pourquoi on l'appelle court-circuité.
Grâce à cette conception, il n'y a pas besoin d'entretien périodique fréquent et de remplacement des balais d'alimentation en courant, la fiabilité, la durabilité et la fiabilité sont considérablement augmentées.
D'habitude, principale cause d'échec moteur asynchrone est l'usure des roulements dans lesquels l'arbre tourne.
Principe d'opération. Pour qu'un moteur asynchrone fonctionne, il est nécessaire que le rotor tourne plus lentement que le champ électromagnétique du stator, à la suite de quoi une FEM est induite (un courant électrique se produit) dans le rotor. Voici une condition importante, si le rotor tournait à la même vitesse que le champ magnétique, alors, selon la loi de l'induction électromagnétique, aucune FEM ne serait induite et, par conséquent, il n'y aurait pas de rotation. Mais en réalité, en raison du frottement des roulements ou de la charge de l'arbre, le rotor tournera toujours plus lentement.
Les pôles magnétiques tournent constamment dans les enroulements du moteur, et la direction du courant dans le rotor change constamment. A un moment donné, par exemple, le sens des courants dans les enroulements du stator et du rotor est représenté schématiquement sous forme de croix (le courant vient de nous) et de points (le courant nous parvient). Le champ magnétique tournant est représenté par une ligne pointillée.
Par exemple, comment fonctionne une scie circulaire. Elle a la vitesse la plus élevée sans charge. Mais dès que nous commençons à couper la planche, la vitesse de rotation diminue et en même temps le rotor commence à tourner plus lentement par rapport au champ électromagnétique et, selon les lois de l'électrotechnique, une valeur EMF encore plus grande commence à être induite dedans. Le courant consommé par le moteur augmente et il commence à fonctionner à pleine puissance. Si la charge sur l'arbre est si importante qu'il cale, le rotor à cage d'écureuil peut être endommagé en raison de la valeur maximale de la FEM qui y est induite. C'est pourquoi il est important de sélectionner un moteur de puissance adaptée. Si vous en prenez plus, les coûts énergétiques seront injustifiés.
Vitesse des rotors dépend du nombre de pôles. Avec 2 pôles, la vitesse de rotation sera égale à la vitesse de rotation du champ magnétique, égale à un maximum de 3000 tours par seconde à une fréquence réseau de 50 Hz. Pour réduire la vitesse de moitié, il faut augmenter le nombre de pôles du stator à quatre.
Un inconvénient majeur de l'asynchrone moteurs est qu'ils sont servis en ajustant la vitesse de rotation de l'arbre uniquement en modifiant la fréquence du courant électrique. Il n'est donc pas possible d'obtenir une vitesse d'arbre constante.
Le principe de fonctionnement et le dispositif d'un moteur à courant alternatif synchrone
Ce type de moteur électrique est utilisé dans la vie courante où une vitesse de rotation constante est requise, la possibilité de son réglage, ainsi que si une vitesse de rotation supérieure à 3000 tr/min est requise (c'est le maximum pour l'asynchrone).
Les moteurs synchrones sont installés dans les outils électriques, les aspirateurs, les machines à laver, etc.
Dans le cas d'un synchrone Les enroulements du moteur à courant alternatif sont situés (3 sur la figure), qui sont également enroulés sur le rotor ou l'induit (1). Leurs conclusions sont soudées aux secteurs de la bague collectrice ou du collecteur (5), qui sont alimentés à l'aide de balais en graphite (4). De plus, les conclusions sont agencées pour que les balais n'alimentent toujours en tension qu'une seule paire.
Les pannes les plus fréquentes moteurs collecteurs est :
- Usure de la brosse ou leur mauvais contact dû à l'affaiblissement du ressort de serrage.
- Pollution du collecteur. Nettoyez avec de l'alcool ou du papier de verre zéro.
- Usure des roulements.
Principe d'opération. Le couple dans le moteur électrique est créé à la suite de l'interaction entre le courant d'induit et le flux magnétique dans l'enroulement de champ. Avec un changement de direction du courant alternatif, la direction du flux magnétique changera également simultanément dans le corps et l'armature, grâce à quoi la rotation sera toujours dans le même sens.
Labo #9
Sujet. L'étude du moteur à courant continu.
Objectif: étudier le dispositif et le principe de fonctionnement du moteur électrique.
Équipement: modèle de moteur électrique, source de courant, rhéostat, clé, ampèremètre, fils de liaison, dessins, présentation.
TÂCHES:
1 . Etudiez le dispositif et le principe de fonctionnement du moteur électrique, à l'aide d'une présentation, de dessins et d'une maquette.
2 . Connectez le moteur à une source d'alimentation et observez son fonctionnement. Si le moteur ne fonctionne pas, recherchez la cause, essayez de résoudre le problème.
3 . Indiquez les deux éléments principaux dans le dispositif du moteur électrique.
4 . Sur quel phénomène physique repose l'action d'un moteur électrique ?
5 . Changer le sens de rotation de l'armature. Notez ce qui doit être fait.
6. Assemblez le circuit électrique en connectant en série un moteur électrique, un rhéostat, une source de courant, un ampèremètre et une clé. Modifiez le courant et observez le fonctionnement du moteur électrique. La vitesse de rotation de l'induit change-t-elle ? Notez la conclusion sur la dépendance de la force agissant du côté du champ magnétique sur la bobine, sur l'intensité du courant dans la bobine.
7 . Les moteurs électriques peuvent être de n'importe quelle puissance, car :
A) vous pouvez modifier l'intensité du courant dans l'enroulement d'induit ;
B) vous pouvez modifier le champ magnétique de l'inducteur.
Spécifiez la bonne réponse :
1) seul A est vrai ; 2) seul B est vrai ; 3) A et B sont vrais ; 4) A et B sont faux.
8 . Énumérez les avantages d'un moteur électrique par rapport à un moteur thermique.
1. Le but du travail :Étudier les caractéristiques de démarrage, les caractéristiques mécaniques et les moyens de contrôler la vitesse d'un moteur à courant continu à excitation mixte.
Adania.
2.1. pour un travail indépendant :
Pour étudier les caractéristiques de conception, les circuits de mise en marche des moteurs à courant continu ;
Étudier la méthode d'obtention des caractéristiques mécaniques d'un moteur à courant continu ;
Familiarisez-vous avec les fonctionnalités de démarrage et de contrôle de la vitesse d'un moteur à courant continu;
Dessinez des schémas de circuit pour mesurer la résistance du circuit d'induit et des enroulements de champ (Fig. 6.4) et tester le moteur (Fig. 6.2);
En utilisant la fig. 6.2 et 6.3 établir un schéma de câblage ;
Dessinez les formes des tableaux 6.1 ... 6.4 ;
Préparez des réponses orales aux questions de contrôle.
2.2. travailler au laboratoire :
Familiarisez-vous avec la configuration du laboratoire ;
Enregistrer dans le tableau 6.1. données de passeport du moteur ;
Mesurer la résistance du circuit d'induit et des enroulements de champ. Enregistrez les données dans le tableau 6.1 ;
Assemblez le circuit et effectuez une étude du moteur, notez les données dans les tableaux 6.2, 6.3, 6.4;
Construire une caractéristique mécanique naturelle n=f(M) et des caractéristiques de vitesse n=f(I B) et n=f(U) ;
Tirer des conclusions des résultats de l'étude.
Informations générales.
Les moteurs à courant continu, contrairement aux moteurs à courant alternatif (principalement asynchrones), ont un rapport de couple de démarrage élevé et une capacité de surcharge, et permettent un contrôle en douceur de la vitesse de la machine de travail. Par conséquent, ils sont utilisés pour entraîner des machines et des mécanismes avec des conditions de démarrage difficiles (par exemple, comme démarreurs dans les moteurs à combustion interne), ainsi que, si nécessaire, pour contrôler la vitesse de rotation sur une large plage (mécanismes d'alimentation de machines-outils, fonctionnement- supports de frein, véhicules électrifiés).
Structurellement, le moteur se compose d'une unité fixe (inducteur) et d'une unité rotative (induit). Les enroulements d'excitation sont situés sur le circuit magnétique de l'inducteur. Il y en a deux dans un moteur à excitation mixte: parallèle avec les broches Sh 1 et Sh2 et série avec les broches C1 et C2 (Fig. 6.2). La résistance de l'enroulement parallèle R ovsh est, selon la puissance du moteur, de plusieurs dizaines à centaines d'ohms. Il est réalisé avec un fil de petite section avec un grand nombre de spires. L'enroulement série a une faible résistance R obc (généralement de quelques ohms à des fractions d'ohm), car se compose d'un petit nombre de spires de fil de grande section. L'inducteur sert à créer un flux d'excitation magnétique lorsque ses enroulements sont alimentés en courant continu.
L'enroulement d'induit est placé dans les rainures du circuit magnétique et amené au collecteur. A l'aide de balais, ses conclusions I I et I 2 sont connectées à une source de courant continu. La résistance de l'enroulement d'induit R I est faible (Ohms ou fractions d'Ohm).
Le couple M d'un moteur à courant continu est créé par l'interaction du courant d'induit Ia avec le flux magnétique d'excitation Ф :
M \u003d K × Ia × F, (6.1)
où K est un coefficient constant dépendant de la conception du moteur.
Lorsque l'induit tourne, son enroulement traverse le flux magnétique d'excitation et une FEM E y est induite, proportionnelle à la fréquence de rotation n :
E \u003d C × n × F, (6.2)
où C est un facteur constant dépendant de la conception du moteur.
Courant d'induit :
Je je \u003d (U - E) / (R I + R OBC) \u003d (U - C × n × F) / (R I + R OBC), (6.3)
En résolvant ensemble les expressions 6.1 et 6.3 par rapport à n, ils trouvent une expression analytique des caractéristiques mécaniques du moteur n = F (M). Sa représentation graphique est illustrée à la Figure 6.1.
Riz. 6.1. Caractéristiques mécaniques d'un moteur à courant continu à excitation mixte
Le point A correspond au moteur tournant au ralenti avec une vitesse de rotation n o. Avec une augmentation de la charge mécanique, la vitesse de rotation diminue et le couple augmente, atteignant la valeur nominale M H au point B. Dans la section BC, le moteur fonctionne en surcharge. Le courant Iya dépasse la valeur nominale, ce qui entraîne un échauffement rapide des enroulements d'induit et de l'OBC, et les étincelles sur le collecteur augmentent. Le moment maximal M max (point C) est limité par les conditions de fonctionnement du collecteur et la tenue mécanique du moteur.
En poursuivant la caractéristique mécanique jusqu'à son intersection au point D "avec l'axe du couple, on obtiendrait la valeur du couple de démarrage lorsque le moteur est directement connecté au réseau. EMF E est nul et le courant dans le circuit d'induit, conformément à formule 6.3, augmente fortement.
Pour réduire le courant de démarrage, un rhéostat de démarrage Rx (Fig. 6.2) avec résistance est connecté en série au circuit d'induit:
Rx = UH / (1,3...2,5) ×I Ya.N. - (R I - R obc), (6.4)
où U h - tension nominale du réseau;
Je Ya.N. - courant assigné d'induit.
Réduction du courant d'induit à (1,3...2,5)×I Ya.N. fournit un couple de démarrage initial Mn suffisant (point D). Lorsque le moteur accélère, la résistance Rx est réduite à zéro, maintenant une valeur approximativement constante de Mp (section SD).
Le rhéostat R B dans le circuit de l'enroulement d'excitation parallèle (Fig. 6.2) vous permet d'ajuster l'amplitude du flux magnétique Ф (formule 6.1). Avant de démarrer le moteur, il est complètement retiré pour obtenir le couple de démarrage requis à un courant d'induit minimum.
À l'aide de la formule 6.3, nous déterminons le régime moteur
n = (U - I I (R I + R obc + Rx)) / (С Ф), (6.5)
dans laquelle R I, R obc et C sont des constantes, et U, I I et F peuvent être modifiés. Il en résulte trois manières possibles de contrôler le régime moteur :
Modification de l'amplitude de la tension d'entrée ;
En modifiant la valeur du courant d'induit à l'aide du rhéostat de réglage Rx, qui, contrairement à celui de départ, est calculé pour un fonctionnement continu;
En modifiant l'amplitude du flux magnétique d'excitation F, qui est proportionnel au courant dans les enroulements OVSH et OVSS. Dans un enroulement parallèle, il peut être réglé avec un rhéostat R b. La résistance R b est prise en fonction des limites de régulation de vitesse requises R B =(2...5) R obsh.
La plaque signalétique du moteur indique la vitesse nominale, qui correspond à la puissance nominale sur l'arbre moteur à la tension nominale du réseau et aux résistances de sortie des rhéostats R X et R B .
Tout moteur électrique est conçu pour effectuer un travail mécanique en raison de la consommation d'électricité qui lui est appliquée, qui est généralement convertie en mouvement de rotation. Bien que dans la technologie, il existe des modèles qui créent immédiatement le mouvement de translation du corps qui travaille. Ils sont appelés moteurs linéaires.
Dans les installations industrielles, les moteurs électriques entraînent diverses machines et dispositifs mécaniques impliqués dans le processus de production technologique.
À l'intérieur des appareils électroménagers, des moteurs électriques alimentent les machines à laver, les aspirateurs, les ordinateurs, les sèche-cheveux, les jouets pour enfants, les montres et bien d'autres appareils.
Processus physiques de base et principe de fonctionnement
Les charges électriques se déplaçant à l'intérieur, appelées courant électrique, sont toujours affectées par une force mécanique qui tend à dévier leur direction dans un plan situé perpendiculairement à l'orientation des lignes de force magnétiques. Lorsqu'un courant électrique traverse un conducteur métallique ou une bobine constituée de celui-ci, cette force a tendance à déplacer / faire tourner chaque conducteur porteur de courant et l'ensemble de l'enroulement dans son ensemble.
L'image ci-dessous montre un cadre métallique à travers lequel le courant circule. Le champ magnétique qui lui est appliqué crée une force F pour chaque branche du cadre, ce qui crée un mouvement de rotation.
Cette propriété de l'interaction de l'énergie électrique et magnétique basée sur la création d'une force électromotrice dans un circuit fermé porteur de courant est mise en service de tout moteur électrique. Sa conception comprend :
bobinage parcouru par le courant électrique. Il est placé sur un noyau-ancre spécial et fixé dans des paliers de rotation pour réduire la contre-action des forces de frottement. Cette conception s'appelle un rotor;
un stator qui crée un champ magnétique qui, avec ses lignes de force, imprègne les charges électriques traversant les spires des enroulements du rotor ;
logement pour le stator. À l'intérieur du boîtier, des douilles d'atterrissage spéciales sont fabriquées, à l'intérieur desquelles les cages extérieures des roulements du rotor sont montées.
Simplifiée, la conception du moteur électrique le plus simple peut être représentée par une image de la forme suivante.
Lorsque le rotor tourne, un couple est créé dont la puissance dépend de la conception globale de l'appareil, de l'amplitude de l'énergie électrique appliquée et de ses pertes lors des transformations.
La valeur du couple maximal possible du moteur est toujours inférieure à l'énergie électrique qui lui est appliquée. Il est caractérisé par la valeur du facteur d'efficacité.
Types de moteurs électriques
Selon le type de courant circulant dans les enroulements, ils sont divisés en moteurs à courant continu ou à courant alternatif. Chacun de ces deux groupes comporte un grand nombre de modifications utilisant des procédés technologiques différents.
Moteurs à courant continu
Ils ont un champ magnétique statorique créé par des électroaimants fixes ou spéciaux avec des enroulements d'excitation. L'enroulement d'induit est monté de manière rigide dans l'arbre, qui est fixé dans des roulements et peut tourner librement autour de son propre axe.
Le dispositif principal d'un tel moteur est représenté sur la figure.
Sur le noyau de l'armature en matériaux ferromagnétiques se trouve un enroulement composé de deux parties connectées en série, qui à une extrémité sont connectées à des plaques collectrices conductrices et à l'autre extrémité sont commutées l'une avec l'autre. Deux balais en graphite sont situés aux extrémités diamétralement opposées de l'armature et sont plaqués contre les plots de contact des plaques collectrices.
Un potentiel positif d'une source de courant constant est fourni à la brosse inférieure du motif et négatif à la brosse supérieure. Le sens du courant circulant dans l'enroulement est indiqué par la flèche rouge en pointillé.
Le courant provoque le champ magnétique du pôle nord dans la partie inférieure gauche de l'armature et du pôle sud dans la partie supérieure droite (règle de la vrille). Cela conduit à la répulsion des pôles du rotor par rapport aux pôles fixes du même nom et à l'attraction vers les pôles opposés du stator. À la suite de la force appliquée, un mouvement de rotation se produit, dont la direction est indiquée par la flèche marron.
Avec une rotation supplémentaire de l'armature, par inertie, les pôles passent à d'autres plaques collectrices. Le sens du courant y est inversé. Le rotor continue sa rotation.
La conception simple d'un tel dispositif collecteur entraîne d'importantes pertes d'énergie électrique. De tels moteurs fonctionnent dans des appareils de conception simple ou des jouets pour enfants.
Les moteurs à courant continu impliqués dans le processus de production ont une conception plus complexe :
l'enroulement n'est pas divisé en deux, mais en plusieurs parties ;
chaque tronçon d'enroulement est monté sur son propre pôle ;
le dispositif collecteur est réalisé avec un certain nombre de plots de contact en fonction du nombre de sections d'enroulement.
En conséquence, une connexion en douceur de chaque pôle à travers ses plaques de contact avec les balais et la source de courant est créée, et les pertes de puissance sont réduites.
Le dispositif d'une telle ancre est montré dans l'image.
Avec les moteurs électriques à courant continu, le sens de rotation du rotor peut être inversé. Pour ce faire, il suffit de changer le mouvement du courant dans l'enroulement en sens inverse en changeant la polarité à la source.
Moteurs à courant alternatif
Ils diffèrent des conceptions précédentes en ce que le courant électrique circulant dans leur enroulement est décrit en changeant périodiquement de sens (signe). Pour les alimenter, la tension est fournie par des générateurs à valeur variable de signe.
Le stator de ces moteurs est constitué d'un circuit magnétique. Il est fabriqué à partir de plaques ferromagnétiques avec des rainures dans lesquelles des spires d'enroulement sont placées avec une configuration de cadre (bobine).
Moteurs synchrones
L'image ci-dessous montre principe de fonctionnement du moteur à courant alternatif monophasé avec rotation synchrone des champs électromagnétiques du rotor et du stator.
Dans les rainures du circuit magnétique du stator, à des extrémités diamétralement opposées, sont placés des conducteurs d'enroulement, représentés schématiquement sous la forme d'un cadre traversé par un courant alternatif.
Considérons le cas de l'instant correspondant au passage de la partie positive de son alternance.
Dans les cages de roulements, un rotor avec un aimant permanent intégré tourne librement, dans lequel les pôles nord «N bouche» et sud «S bouche» sont prononcés. Lorsqu'une demi-onde positive de courant traverse l'enroulement du stator, un champ magnétique avec les pôles "S st" et "N st" y est créé.
Des forces d'interaction apparaissent entre les champs magnétiques du rotor et du stator (les pôles du même nom se repoussent et les pôles opposés s'attirent), qui tendent à faire tourner l'induit du moteur électrique d'une position arbitraire à la position finale, lorsque le les pôles opposés sont aussi proches que possible l'un de l'autre.
Si nous considérons le même cas, mais pour le moment où la demi-onde inverse - négative du courant traverse le conducteur de trame, la rotation de l'armature se produira dans le sens opposé.
Pour donner un mouvement continu au rotor dans le stator, on ne réalise pas un enroulement de trame, mais un certain nombre d'entre eux, de sorte que chacun d'eux est alimenté par une source de courant distincte.
Le principe de fonctionnement d'un moteur à courant alternatif triphasé à rotation synchrone champs électromagnétiques du rotor et du stator est illustré dans l'image suivante.
Dans cette conception, trois enroulements A, B et C sont montés à l'intérieur du circuit magnétique du stator, décalés à des angles de 120 degrés l'un par rapport à l'autre. L'enroulement A est surligné en jaune, l'enroulement B est vert et l'enroulement C est rouge. Chaque enroulement est réalisé avec les mêmes cadres que dans le cas précédent.
Dans l'image de chaque cas, le courant ne traverse qu'un seul enroulement dans le sens avant ou arrière, indiqué par les signes "+" et "-".
Au passage d'une alternance positive dans la phase A dans le sens direct, l'axe du champ rotorique prend une position horizontale car les pôles magnétiques du stator sont formés dans ce plan et attirent l'induit mobile. Les pôles opposés du rotor ont tendance à se rapprocher des pôles du stator.
Lorsque la demi-onde positive passe en phase C, l'armature tourne de 60 degrés dans le sens des aiguilles d'une montre. Une fois le courant appliqué à la phase B, une rotation similaire de l'armature se produira. Chaque flux de courant suivant dans la phase suivante de l'enroulement suivant fera tourner le rotor.
Si une tension d'un réseau triphasé décalée selon un angle de 120 degrés est amenée à chaque enroulement, des courants alternatifs y circuleront, ce qui déroulera l'armature et créera sa rotation synchrone avec le champ électromagnétique fourni.
La même conception mécanique a été appliquée avec succès dans moteur pas à pas triphasé. Uniquement dans chaque enroulement, à l'aide d'une commande, des impulsions CC sont fournies et supprimées selon l'algorithme décrit ci-dessus.
Leur lancement déclenche un mouvement de rotation, et l'arrêt à un certain moment assure une rotation dosée de l'arbre et un arrêt à un angle programmé pour effectuer certaines opérations technologiques.
Dans les deux systèmes triphasés décrits, il est possible de changer le sens de rotation de l'armature. Pour ce faire, il vous suffit de changer la séquence de phases "A" - "B" - "C" en une autre, par exemple, "A" - "C" - "B".
La vitesse de rotation du rotor est régulée par la durée de la période T. Sa diminution entraîne une accélération de rotation. L'amplitude du courant dans la phase dépend de la résistance interne de l'enroulement et de la valeur de la tension qui lui est appliquée. Il détermine le couple et la puissance du moteur électrique.
Moteurs asynchrones
Ces conceptions de moteur ont le même circuit magnétique de stator avec des enroulements que dans les modèles monophasés et triphasés précédemment considérés. Ils tirent leur nom de la rotation non synchrone des champs électromagnétiques de l'induit et du stator. Cela a été fait en améliorant la configuration du rotor.
Son noyau est constitué de plaques d'acier de qualité électrique avec des rainures. Des conducteurs en aluminium ou en cuivre y sont montés, qui sont fermés par des anneaux conducteurs aux extrémités de l'armature.
Lorsqu'une tension est appliquée aux enroulements du stator, un courant électrique est induit dans l'enroulement du rotor par une force électromotrice et un champ magnétique de l'induit est créé. Lorsque ces champs électromagnétiques interagissent, la rotation de l'arbre du moteur commence.
Avec cette conception, le mouvement du rotor n'est possible qu'après qu'un champ électromagnétique tournant est apparu dans le stator et il se poursuit en mode de fonctionnement asynchrone avec lui.
Les moteurs asynchrones sont de conception plus simple. Par conséquent, ils sont moins chers et largement utilisés dans les installations industrielles et les appareils électroménagers.
Moteurs linéaires
De nombreux corps de travail de mécanismes industriels effectuent un mouvement de va-et-vient ou de translation dans un plan, ce qui est nécessaire au fonctionnement des machines à travailler les métaux, des véhicules, des coups de marteau lors du fonçage de pieux ...
Le déplacement d'un tel corps de travail à l'aide de boîtes de vitesses, de vis à billes, d'entraînements par courroie et de dispositifs mécaniques similaires à partir d'un moteur électrique rotatif complique la conception. La solution technique moderne à ce problème est le fonctionnement d'un moteur électrique linéaire.
Son stator et son rotor sont allongés sous forme de bandes, et non pliés en anneaux, comme dans les moteurs électriques rotatifs.
Le principe de fonctionnement est de donner un mouvement linéaire alternatif au rotor de roue en raison du transfert d'énergie électromagnétique d'un stator fixe avec un circuit magnétique ouvert d'une certaine longueur. À l'intérieur, en activant le courant à tour de rôle, un champ magnétique se déplaçant est créé.
Il agit sur l'enroulement d'induit avec le collecteur. Les forces apparaissant dans un tel moteur déplacent le rotor uniquement dans une direction linéaire le long des éléments de guidage.
Les moteurs linéaires sont conçus pour fonctionner en courant continu ou alternatif, et peuvent fonctionner en mode synchrone ou asynchrone.
Les inconvénients des moteurs linéaires sont :
complexité technologique;
prix élevé;
faible rendement énergétique.