DC-maskin

En likestrømsmaskin er en elektrisk maskin . Det er en elektromekanisk omformer som tillater toveis konvertering av energi mellom en elektrisk installasjon som bæres av en likestrøm og en mekanisk enhet; avhengig av energikilde.

• I motordrift , elektrisk energi omformes til mekanisk energi .
• I generatordrift transformeres mekanisk energi til elektrisk energi (den kan oppføre seg som en brems). I dette tilfellet kalles det også en dynamo .

Imidlertid er likestrømsmaskinen reversibel og i stand til å oppføre seg enten som en "motor" eller som en "generator" i de fire kvadranter i dreiemoment-hastighetsplanet, og skillet mellom motor og generator gjøres "vanlig" i forhold til bruk. enden av maskinen.

Oppfunnet av Zénobe Gramme og presentert for vitenskapsakademiet i Paris i 1871 , var det opprinnelig en enkel likestrømsgenerator (for elektropletteringsapplikasjoner , for eksempel akkumulatorer som er dyre).

Grunnleggende maskin eller uavhengig magnetiseringsmaskin

Kort beskrivelse

En likestrøm elektrisk maskin består av:

• en stator som er opprinnelsen til sirkulasjonen av en fast magnetisk strømning i lengderetningen skapt enten av statorviklinger ( vikling ) eller av permanente magneter . Det kalles også en "induktor" med henvisning til operasjonen som en generator for denne maskinen.
• av en viklet rotor koblet til en roterende kollektor som reverserer polariteten til hver rotorvikling minst en gang per omdreining for å få en tverrmagnetisk strøm til å sirkulere i kvadratur med statorstrømmen. Rotorviklingene kalles også ankerviklinger, eller ofte "  anker  " med henvisning til operasjonen som en generator for denne maskinen.

Konstitusjon og fysiske prinsipper

• Strømmen som injiseres via børstene til samleren, går gjennom en rotorleder (en rotorspole) og endrer retning (bytter) til høyre for børstene. Dette holder magnetiseringen av rotoren vinkelrett på statorens. Anordningen av børstene på den "nøytrale linje" (det vil si den sone hvor den fluks tetthet er null), gjør det mulig å oppnå den maksimalt tillatte elektromotoriske kraft (FCEM). Denne linjen kan likevel bevege seg ved den magnetiske ankerreaksjonen (påvirkning av rotorfluksen på det induktive feltet), avhengig av om maskinen arbeider med høy eller lav belastning. En overspenning , delvis på grunn av den dårlige fordelingen av spenningen mellom bladene til kollektoren og delvis på grunn av den hurtige reverseringen av strømmen i lederseksjonene når disse bladene passerer under børstene, kan da vises ved lederens terminaler spolen som kobler og forårsaker gradvis ødeleggelse av samleren. For å overvinne dette, det vil si å kompensere for ankerreaksjonen, og også for å forbedre svitsjen, brukes hjelpekompensasjon / svitsjepoler.Jeg{\ displaystyle i \,}
  
• Eksistensen av dreiemoment forklares av den magnetiske interaksjonen mellom stator og rotor:
  • Statorfeltet ( på diagrammet) er praktisk talt null på lederne plassert i hakk og virker derfor ikke på dem. Opprinnelsen til dreiemomentet forblir rotorens tverrmagnetisering, uendret under rotasjonen (samlerens rolle). En statorstolpe virker på en rotorpol, og motoren snur.Bs{\ displaystyle B_ {s} \,}
  • En klassisk, men forenklende måte å beregne dreiemomentet på, er å stole på eksistensen av en Laplace-kraft (fiktiv) skapt av statorfeltet ( på diagrammet) og virker på rotorlederne krysset av intensitetsstrømmen . Denne kraften ( på diagrammet) som er resultatet av denne interaksjonen er identisk i modul for to diametralt motsatte rotorledere, men da disse strømningene er i motsatt retning takket være børstesamlersystemet, er kreftene også i motsatt retning.Bs{\ displaystyle B_ {s} \,}Jeg{\ displaystyle jeg \,}FDE{\ displaystyle F_ {L} \,}

• Kraften som er skapt er proporsjonal med og til . Motormomentet er derfor også proporsjonalt med disse to mengdene.Jeg{\ displaystyle jeg \,}Bs{\ displaystyle B_ {s} \,}T{\ displaystyle T \,}
• Den ledende stangen som strømmen passerer gjennom rotoren beveger seg utsatt for statorfeltet . Det er derfor setet til en indusert EMF ( Lenz-lov ) proporsjonal med og til forskyvningshastigheten, derfor til rotasjonsfrekvensen. Alle disse bakelektromotoriske kreftene resulterer i utseendet til en samlet EMF ved terminalene til rotorviklingen som er proporsjonal med og til motorens rotasjonshastighet.Jeg{\ displaystyle jeg \,}Bs{\ displaystyle B_ {s} \,}Bs{\ displaystyle B_ {s} \,}E{\ displaystyle E \,}Bs{\ displaystyle B_ {s} \,}
• For å tillate strøm å fortsette å strømme, må strømforsyningen til motoren levere en spenning som er større enn den bakre EMF- indusert ved rotoren.Jeg{\ displaystyle jeg \,}E{\ displaystyle E \,}

Idealisert elektrisk diagram (i motorens driftsmodus)

Dette rudimentære diagrammet er ikke gyldig i forbigående regime. og er henholdsvis motstandene til rotoren (ankerets motstand) og statoren (motstanden til eksitasjonskretsen) RJeg{\ displaystyle R_ {i} \,}Re{\ displaystyle R_ {e} \,}

Dette diagrammet tilsvarer følgende elektriske ligninger:

• stator: (Ohms lov) og statorfeltet er ( den minste nøyaktige av formlene i dette avsnittet, fordi vi ikke tar hensyn til ikke-lineariteter som er viktige, og dessuten antar vi at maskinen har viklingskompensasjon / pendling som gjør dette feltet uavhengig av rotorstrømmene. Faktisk ledes en strøm gjennom disse kompensasjons- / kommuteringsviklingene slik at det skaper et felt som avbryter feltet som er indusert ved børstene. Denne strømmen er passeringsstrømmen. i ankerviklingen fordi byttefeltet må variere på samme måte som det induserte feltet. )Ue=Re⋅Jege{\ displaystyle U_ {e} = R_ {e} \ cdot I_ {e} \,}Bs=k⋅Jege{\ displaystyle B_ {s} = k \ cdot I_ {e} \,}
• til rotoren: UJeg=E+RJeg⋅JegJeg{\ displaystyle U_ {i} = E + R_ {i} \ cdot I_ {i} \,}

På den annen side har vi to elektromekaniske ligninger:

• Motelektromotorisk kraft: E=k′⋅Bs⋅Ω{\ displaystyle E = k '\ cdot B_ {s} \ cdot \ Omega \,}

hvor tilsvarer rotasjonshastigheten, eller pulsasjonen, i rad / s relatert til frekvensen (antall omdreininger per sekund) av forholdetΩ{\ displaystyle \ Omega \,}f=Ω2π{\ displaystyle f = {\ frac {\ Omega} {2 \ pi}}}

• Det elektromekaniske dreiemomentet (motor eller motstand): T=k′⋅Bs⋅JegJeg{\ displaystyle T = k '\ cdot B_ {s} \ cdot I_ {i} \,}

Vi kan vise at det er den samme konstanten k 'som forekommer i de to foregående forholdene som innebærer:

• E⋅JegJeg=T⋅Ω{\ displaystyle E \ cdot I_ {i} = T \ cdot \ Omega \,} eller "Nyttig elektrisk kraft" = "Mekanisk kraft".

Beskrivelse av driften

Se for deg en elektrisk maskin som drives av en konstant spenningskilde . Når motoren går på tomgang (det anstrenger seg ikke) er det ikke behov for å levere dreiemoment, det er veldig lavt og ≈ Rotasjonshastigheten er proporsjonal med . UJeg{\ displaystyle U_ {i} \,}JegJeg{\ displaystyle I_ {i} \,}UJeg{\ displaystyle U_ {i} \,}E{\ displaystyle E \,}UJeg{\ displaystyle U_ {i} \,}

• motordrift

Når du ønsker å få det til å fungere, ved å bruke et resistivt dreiemoment på aksen, reduserer dette det derfor . Som forblir konstant, produktet . øker derfor , slik at dreiemomentet også øker og kjemper mot reduksjonen i hastighet: det er et motormoment . Jo mer den blir bremset, jo mer øker strømmen for å bekjempe hastighetsnedgangen. Dette er grunnen til at DC-motorer kan "brenne ut" når rotoren sitter fast, hvis kildestrømmen ikke er begrenset til en riktig verdi. E{\ displaystyle E \,}
UJeg{\ displaystyle U_ {i} \,}RJeg{\ displaystyle R_ {i} \,}JegJeg{\ displaystyle I_ {i} \,}JegJeg{\ displaystyle I_ {i} \,}T{\ displaystyle T \,}

• generator drift

Hvis en kilde med mekanisk energi prøver å øke maskinens hastighet (lasten kjører: løft for eksempel), øker derfor Ω . Som forblir konstant blir produktet negativt og øker i absolutt verdi, og øker derfor , slik at dreiemomentet også øker og kjemper mot økningen i hastighet: det er et bremsemoment . Tegn på at strømmen har endret seg, også tegnet på den forbrukte kraften endres. Maskinen bruker negativ effekt , og den leverer derfor strøm til kretsen. Hun har blitt en generator. E{\ displaystyle E \,}
UJeg{\ displaystyle U_ {i} \,}RJeg⋅JegJeg{\ displaystyle R_ {i} \ cdot I_ {i}}JegJeg{\ displaystyle I_ {i} \,}T{\ displaystyle T \,}

Disse to driftsmodusene finnes i begge maskinens rotasjonsretninger. Dette kan passere sømløst fra den ene rotasjonsretningen eller dreiemomentet til den andre. Det sies da at den opererer i de fire kvadranter i dreiemomenthastighetsplanet.

Konstant magnetiseringsmaskin

Dette er det hyppigste tilfellet: er konstant fordi den er opprettet av permanente magneter eller til og med fordi den er konstant (separat eksitasjon forsynt med likestrøm) Bs{\ displaystyle B_ {s} \,}Jege{\ displaystyle I_ {e} \,}

Hvis vi setter : blir ligningene i forrige avsnitt:Bs⋅k′=K{\ displaystyle B_ {s} \ cdot k '= K \,}

• U=E+RJeg⋅JegJeg{\ displaystyle U = E + R_ {i} \ cdot I_ {i} \,}
• E=K⋅Ω{\ displaystyle E = K \ cdot \ Omega \,}
• T=K⋅JegJeg{\ displaystyle T = K \ cdot I_ {i} \,}

Motorserie

Ettersom seriens eksitasjon hovedsakelig er reservert for motorer, er det ikke vanlig å bruke begrepet series excitation machine (unntatt i jernbanesystemer).

Denne typen motor er preget av det faktum at statoren (induktoren) er koblet i serie med rotoren (ankeret).

• Så den samme strømmen strømmer gjennom rotoren og statoren: og forsyningsspenningenJegJeg=Jege=Jeg{\ displaystyle I_ {i} = I_ {e} = I \,}U=UJeg+Ue{\ displaystyle U = U_ {i} + U_ {e} \,}
• Bs=ke⋅Jeg{\ displaystyle B_ {s} = k_ {e} \ cdot I \,}

Forutsatt at strømmen blir likningene til maskinen:=K′⋅Jeg{\ displaystyle = K '\ cdot I \,}

• U=E+RJeg⋅Jeg+Re⋅Jeg=E+(RJeg+Re)⋅Jeg{\ displaystyle U = E + R_ {i} \ cdot I + R_ {e} \ cdot I = E + (R_ {i} + R_ {e}) \ cdot I}
• E=K⋅Ke⋅Jeg⋅Ω=k⋅Jeg⋅Ω{\ displaystyle E = K \ cdot K_ {e} \ cdot I \ cdot \ Omega = k \ cdot I \ cdot \ Omega \,}
• T=K⋅Jeg⋅Ke⋅Jeg=k⋅Jeg2{\ displaystyle T = K \ cdot I \ cdot K_ {e} \ cdot I = k \ cdot I ^ {2} \,}

Ovennevnte ligninger gjør det mulig å vise at motorer med serieeksitasjon kan utvikle et veldig sterkt dreiemoment, spesielt ved lav hastighet, dette er proporsjonalt med kvadratet til strømmen. Dette er grunnen til at de ble brukt til å lage lokomotivmotorer frem til 1980-tallet .
På grunn av egenskapene utgjør denne typen maskiner imidlertid en risiko for overhastighet og tom løpsk.

I dag er hovedapplikasjonene:

• bilstartere;
• de universelle motorer  : momentet forblir den samme retning uavhengig av skiltet jeg .T=k⋅Jeg2{\ displaystyle T = k \ cdot I ^ {2} \,}

En av de praktiske forholdene for at en seriemotor skal være en universell motor er at dens stator er laminert, fordi i dette tilfellet kan den induserende fluksen veksle. ( Merk: en drill beregnet for tilkobling til 230 V AC-nettverk fungerer også med likestrøm: koblet til et 12 V bilbatteri den går. )

Shunt-eksitasjon

I shuntmotoren er statoren kablet parallelt med rotoren. Spenningen over rotoren er den samme som over statoren, så:

• UJeg=Ue=U{\ displaystyle U_ {i} = U_ {e} = U \,}
• Bs=ke⋅Jege=K⋅U{\ displaystyle B_ {s} = k_ {e} \ cdot I_ {e} = K \ cdot U \,}

Likningene til maskinen blir:

• U=E+RJeg⋅JegJeg{\ displaystyle U = E + R_ {i} \ cdot I_ {i} \,}
• E=K⋅U⋅Ω{\ displaystyle E = K \ cdot U \ cdot \ Omega \,}
• T=K⋅U⋅JegJeg{\ displaystyle T = K \ cdot U \ cdot I_ {i} \,}

Shunt-magnetiseringsmotoren brukes i elektroverktøy på grunn av det begrensede dreiemomentet som beskytter brukeren og fraværet av rømning når den er tom.

Forbindelse eller sammensatt eksitasjon

I den sammensatte motoren er en del av statoren koblet i serie med rotoren, og en annen er av parallell- eller shunt-typen. Denne motoren kombinerer fordelene med begge motortypene: det høye dreiemomentet ved lav hastighet til seriemotoren og fraværet av shuntmotorens rømning (overhastighet).

Fordeler og ulemper

Hovedfordelen med likestrømsmaskiner ligger i deres enkle tilpasning til midlene som gjør det mulig å justere eller variere hastighet, dreiemoment og rotasjonsretning: hastighetsvariatorer , eller til og med deres direkte forbindelse til energikilden: akkumulatorbatterier, celler  osv. .

Hovedproblemet med disse maskinene kommer fra forbindelsen mellom børstene, eller "karbonene" og rotasjonsoppsamleren. I tillegg til selve samleren som angitt ovenfor og kompleksiteten i realiseringen. I tillegg skal det bemerkes at:

• jo høyere rotasjonshastighet, jo mer må trykket på børstene øke for å forbli i kontakt med samleren og derfor jo større friksjon;
• ved høye hastigheter må børstene derfor skiftes ut veldig regelmessig;
• samleren som pålegger kontaktbrudd forårsaker buer , som raskt slites ut bryteren og genererer forstyrrelser i strømforsyningskretsen, så vel som ved elektromagnetisk stråling.

Et annet problem begrenser de høye brukshastighetene til disse motorene når rotoren er viklet opp, det er fenomenet "defretting", sentrifugalkraften som til slutt bryter leddene og sikrer hold av svingene (krymping).

Temperaturen er begrenset på nivået av samleren av legeringen som brukes til å lodde rotorens ledere til bladene til samleren. En sølvbasert legering bør brukes når driftstemperaturen overstiger smeltetemperaturen til den konvensjonelle tinnbaserte legeringen.

Et visst antall av disse ulempene er delvis løst ved utførelsesformer av motorer uten rotorjern, så som "skive" -motorer eller "bjelle" -motorer, som likevel fortsatt har børster.

Ovennevnte ulemper er eliminert drastisk med børsteløs motorteknologi (også referert til som børsteløs motor , eller feil "børsteløs likestrømsmotor"), som er en selvdrevet synkron maskin .

Merknader og referanser

1. Kvadranter I til IV i dreiemomenthastighetsplanet (kjent som "de fire kvadranter"), vises i artikkelen "  Kvadrant (matematikk)  ", med hastigheten på ordinaten og dreiemomentet på abscissen . Alle elektriske maskiner (likestrøm, synkron eller asynkron ) bytter sømløst fra "motor" til "generator" ved å bare reversere tegnet på dreiemomentet (drevet eller kjørende belastning, for eksempel under akselerasjons- eller bremsefaser.) Eller tegnet på hastigheten (reversering av rotasjonsretningen).
2. BTS Elektroteknikk (andre år) - Likestrømsmaskin - Driftskvadranter , nettstedet physique.vije.net, åpnet 8. august 2012.
3. Robert Chauprade, elektronisk styring av likestrømsmotorer - For bruk av høyere utdanning, ingeniørskoler, mastergrad, IUT , Paris,  red. Eyrolles , koll.  "EEA", 1975, 243  s. , s.  15-32 og 148-150 .
4. "  Dynamo-elektrisk maskin Grammesystem ordnet spesielt for galvanisering og metallreduksjon  " , på arts-et-metiers.net , museum for kunst og håndverk (åpnet 10. oktober 2015 ) .
5. Likestrøms maskin Sitelec.org

Vedlegg

Bibliografi

• Charles Harel, elektriske maskiner og maskintester , French Society of Electricians - Higher School of Electricity , Paris, 1960.
• A. Fouillé, Elektroteknikk for ingeniører. T.2, Elektriske maskiner , Paris, Dunod, 1969.
• M. Poloujadoff, elektromekaniske konverteringer: mestring av EØS og C3 - Électrotechnique , Paris, Dunod, 1969.
• Mikhail Kostenko og Ludvik Piotrovski, Elektriske maskiner , t.  I , likestrømsmaskiner, transformatorer , Moscow Publishing (MIR), 1969; 3 th  edition, 1979, 582  s.
• J. Chatelain, Elektriske maskiner - Volum X av avhandlingen om elektrisitet, elektronikk og elektroteknikk , Presse polytechnique romande,   red. Georgi, 1983; gjenutgitt av Dunod, 1993.

Relaterte artikler

• Elektrisk maskin
• Bytte gnister fra elektriske maskiner
• Reostatisk bremsing

Eksterne linker

• Likestrømsmaskin , nettsted elec-ing.blogspot.com
• Magnetiske kretser av maskiner , nettsted sitelec.org
• Likestrøm motor: animasjon , nettsted sitelec.org
• Likestrømsgenerator: animasjon , nettsted sitelec.org
• Likestrømsmaskin , nettsted sitelec.org
• Modellering av en likestrømsmotor , nettsted sitelec.org
• Hastighetsregulering av en likestrømsmotor , nettsted sitelec.org
• Luftgapet motor , reiser sitelec.org
• Utvikling av DC-motorer i trekkraft , nettsted sitelec.org
• Koblingsskjema for en toveis likestrømsmotor , site robert.cireddu.free.fr
• Elektriske maskiner - Kurs og problemer [PDF] , nettsted mach.elec.free.fr
• (no) Elektriske motorer og generatorer , stedet phys.unsw.edu.au
• (de) Animasjon av en likestrømsmaskin , site zum.de