SOMMARIO. I Motori in Corrente Continua

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1 SOMMARIO Gralità sull Macchi i Corrt Cotiua...2 quazio dlla forza lttromotric...2 Circuito quivalt...2 Carattristica di ccitazio...3 quazio dlla vlocità...3 quazio dlla Coppia rsa all'albro motor:...3 Coppia di sputo:...4 Corrt di armatura :...4 RNDIMNTO...4 Rgolazio di vlocità...5 RGOLAZIONI FFTTUABILI SU UN MOTOR C.C....6 DINAMO TACHIMTRICA...7 Prgi dlla Diamo Tachimtrica risptto ad altri trasduttori di vlocità...8 Diftti dlla Diamo Tachimtrica risptto ad altri trasduttori di vlocità...8 I Motori i Corrt Cotiua prof. Clto Azzai IPSIA Mortto Brscia Ottobr 1994

2 Gralità sull Macchi i Corrt Cotiua Ua macchia i corrt cotiua è ua macchia lttrica rotat rvrsibil ch può ssr usata pr trasformar rgia lttrica i rgia mccaica (motor) o rgia mccaica i rgia lttrica (grator: diamo). Da u puto di vista mccaico si distiguoo du lmti : lo Stator ossia la part fissa d il Rotor o part mobil. Da u puto di vista lttrico i ua macchia si parla di Iduttor quado si vuol localizzar il circuito ch produc il campo magtico sszial al fuzioamto dlla macchia; si parla di Idotto quado si vuol localizzar il circuito ch è sd (pr la lgg di Lz) di f..m. idotta. Il motor a corrt cotiua è ua macchia lttrica rotat capac di trasformar rgia lttrica (co cui vi alimtato) i rgia mccaica; ch si ritrova sull'albro motor stsso sotto forma di coppia (coppia motric). sso è costituito da : 1) Il circuito magtico corrdato dgli avvolgimti di ccitazio ch costituisc l'iduttor rapprsta lo stator dlla macchia; parlrmo quidi di tsio corrt di ccitazio. 2) Il circuito di armatura ch costituisc l'idotto rapprsta il rotor dlla macchia; parlrmo quidi di tsio corrt di armatura. 3) Il collttor l spazzol ch srvoo pr cottr il circuito di armatura co la lia di alimtazio stra. quazio dlla forza lttromotric = K Φ 3.1 Dalla Fisica : U coduttor di lughzza l ch si muov co vlocità v su u piao prpdicolar all li di forza dl campo magtico di iduzio B è sd di f..m. idotta data dall'sprssio : = B l v 3.2 Si oti ch l'sprssio 3.2 è formalmt aaloga alla 3.1 ifatti : Il flusso di ccitazio Φ è proporzioal all'iduzio magtica B, è proporzioal alla vlocità v. La costat K ti coto dll vari costati di proporzioalità: l lughzza di coduttori attivi, N umro di spir di cui è costituita ogi sigola part dll'idotto. Il collttor a lamll srv a rdr uidirzioal la f..m. altrata siusoidal ch si gra tro ua spira i rotazio all'itro di u campo di dirzio fissa. Circuito quivalt I figura 1 è riportato il circuito quivalt di ua macchia i corrt cotiua ad ccitazio idipdt. I ssa idividuiamo du distiti circuiti: il circuito di ccitazio il circuito di Armatura. Il circuito di ccitazio è carattrizzato da rsistza R iduttaza L; vi alimtato dalla tsio V d i sso circola la itsità di corrt I; il circuito di Armatura è carattrizzato da rsistza Ra, iduttaza La grator di f..m. ; alimtato dalla tsio è prcorso dalla itsità di corrt. Motori CC - Azzai 2

3 Ra La R I L V M fig. 1 Circuito quivalt di ua macchia i corrt cotiua SATURAZION B = COST. =0 r A I fig. 2 Carattristica di ccitazio Carattristica di ccitazio I fig. 2 è riportata la carattristica di ccitazio di ua macchia i corrt cotiua. ssa sprim l'adamto dlla f..m. data dall'sprssio 3.1 al variar dlla corrt di ccitazio. Si oti iazitutto ch la carattristica è ottuta a vlocità di rotazio dll'albro motor costat, co corrt di armatura ugual a zro. La carattristica prsta u tratto di fuzioamto liar A-B l qual al crscr di I crsc proporzioalmt. È prst u tratto ch porta alla saturazio dlla macchia (saturazio dl matrial magtico co cui è costruito il circuito di ccitazio). Si oti ch s I=0 si ha ua fm rsidua r (fomo dl magtismo rsiduo). quazio dlla vlocità Dalla rlazio 3.1 si ricava : Ra = = K Φ K Φ 3.3 si vd chiaramt ch la vlocità di u motor c.c. dipd sia dalla tsio applicata (tsio di armatura) sia dal flusso di ccitazio. quazio dlla Coppia rsa all'albro motor: C = K Φ I 3.4 Dalla Fisica : m c a U coduttor di lughzza l prcorso dall'itsità di corrt I immrso i ua rgio dllo spazio ov si maifstao l azioi di u campo magtico di iduzio B è sottoposto all'azio di ua forza F dtta forza di Lortz data dall'sprssio : F = B l I 3.5 Si oti ch l'sprssio 3.4 è formalmt aaloga alla 3.5 ifatti : Il flusso di ccitazio Φ è proporzioal all'iduzio magtica B, C m è proporzioal alla Forza F. La costat K c ti coto dll vari costati di proporzioalità: l lughzza di coduttori attivi, N umro di spir di cui è costituita ogi sigola part dll'idotto, d diamtro dll'idotto. Motori CC - Azzai 3

4 Coppia di sputo: Si dfiisc coppia di sputo il valor massimo ch puó assumr la coppia motric i codizioi di motor frmo ossia co il massimo valor di corrt di armatura. ssa assum valori pari a 1,5-2 volt il valor dlla coppia omial, forita dal costruttor, dipd dall capacità di sovraccarico momtao dl motor prso i cosidrazio. Pr cotrla bisoga limitar la corrt di armatura allo sputo; si può utilizzar u rostato, isrito i sri al circuito d'armatura, domiato rostato d'avviamto. Qusto rostato vi isrito a motor frmo vi poi compltamt disisrito quado il motor è a rgim. Corrt di armatura : scrivdo il scodo pricipio di Kirchoff al circuito di armatura di fig. 1 si ha : = Ra 3.6 da cui si ricava la corrt : = R a 3.7 rapprsta la forza cotro lttromotric ch asc l circuito di armatura il suo valor è dato dalla sprssio 3.1 = K Φ 3.8 si potrà dir ch la corrt di armatura varia all'itro dl campo di valori: 0 < < R a 3.9 La di u motor idal divta zro quado la (f.c..m) guaglia la V a ; qusto, i raltà, o si può vrificar pr la prsza dgli attriti mccaici ch richidoo ach a vuoto la circolazio di ua piccola corrt di armatura. Il valor : = 3.10 R a rapprsta la corrt di corto circuito, cioè il valor di corrt ch si ha a motor frmo. Qusto valor è suprior a qullo dlla omial ach più grad dl limit sopportabil. Da ciò si dduc ch all'atto dll'avviamto si dvoo attuar particolari accorgimti pr limitar tal corrt (tramit u opportuo cotrollo di corrt). RNDIMNTO Tal paramtro idica il rapporto tra la potza mccaica sviluppata dal rotor la potza lttrica assorbita dalla lia di alimtazio: η = = Ra da cui: η = 3.12 Il rdimto dipd dal tipo di macchia; ssa avrà particolari sprssioi ch dipdoo dall prdit lttrich itrisch dlla macchia stssa d ioltr o potrà mai ssr pari a 3. 0 < η < Motori CC - Azzai 4

5 Qusto rdimto è solo qullo lttrico poiché o cosidra l prdit di tipo mccaico. Potza rsa all'albro motor : ossrvato ch o tutta la potza P = I a 3.14 riportata a umrator dlla formula 3.11 la ritroviamo dispoibil sotto forma di potza mccaica all'albro motor; ifatti ua part di ssa srv pr vicr la coppia rsistt dovuta agli attriti mccaici (ch soo proporzioali al umro di giri), alla prdit pr vtilazio (proporzioal al cubo dlla vlocità), all prdit pr istrsi l frro all corrti parassit ll'idotto ll pasioi polari. Rgolazio di vlocità Il ostro studio sulla rgolazio dlla vlocità part dalla formula: Ra Ra = K L I I s Ra << 3.22 I 3.23 Aalizzado la rlazio fodamtal 3.1 dlla macchia i corrt cotiua = K Φ 3.24 si vd ch la f.c..m. dl motor è proporzioal alla sua vlocità, al flusso d'ccitazioφ. Quado il motor fuzioa a rgim la c.d.t. sulla rsistza d'armatura Ra è circa ugual a zro; ifatti tutta la tsio d'armatura si trova ai capi dl motor. Prciò si può ritr: = K Φ 3.25 da cui ricavado si ha : = K Φ 3.26 Il umro di giri, a flusso di ccitazio costat Φ, risulta ssr dirttamt proporzioal alla tsio di armatura ; il umro di giri, a tsio d'armatura costat, risulta ivrsamt proporzioal al flusso di ccitazio Φ. a Φ cost 3.27 K Φ 3.28 Φ K V a cost. ' 1 2 fig. 5 adamto di i fuzio di L'quazio 3.27 riportata i fig. 5 o è altro ch l'quazio di ua rtta. Ciò sigifica ch a mdsimi icrmti di tsio d'armatura V A pr bassi pr alti valori di, l variazioi dlla vlocità dl motor cosguti, sarao - sattamt uguali. ' ' fig. 6 adamto di i fuzio dl flusso Motori CC - Azzai 5

6 L'quazio 3.28 riportata i fig. 6, rapprsta ua lgg di tipo iprbolico. Si ossrvi ifatti ch u icrmto Φ dl flusso di ccitazio ffttuato attoro ad u valor dl flusso piccolo provoca ua otvol variazio dl umro di giri; mtr u gual icrmto dl flusso ffttuato attoro ad u valor di flusso lvato provoca ua ridotta variazio dl umro di giri. RGOLAZIONI FFTTUABILI SU UN MOTOR C.C. L pricipali rgolazioi ch possoo ssr ffttuat sull gradzz lttrich o mccaich di u motor i corrt cotiua soo : 1) Rgolazio di vlocità (o dl umro di giri) 2) Rgolazio dlla coppia rsa all'albro. 3) Limitazioi dlla corrt allo sputo. 4) Ivrsio dl sso di marcia. 5) Fratura. L cosidrazioi ch sguoo riguardrao uicamt la rgolazio di vlocità, a cui adrbb itrcossa paralllamt qulla di corrt pr i motivi visti i prcdza (forti corrti di avviamto ). La rgolazio di vlocità è fors fra tutt qulla più importat i quato largamt impigata gli impiati idustriali. La rgolazio di vlocità o dl umro di giri può ssr fatta a : - a " Coppia costat " (rgolado la tsio d'armatura ) oppur - a " Potza costat " (rgolado la corrt di ccitazio). Ni grafici riportati ll fig. 3 4 è riportato l'adamto dlla coppia dlla potza i fuzio di umro di giri. Si ossrvi ch, matdo l tratto 0-N1 (coppia costat) la I=I variado la di armatura si vd ch la coppia rima costat fio al umro di giri N1 dl motor fissati dal costruttor pr qusta rgolazio, mtr la potza crsc liarmt fio al valor dlla potza omial P. Nl tratto N1 - N2 (tratto a potza costat pari a P) = = cost. l'aumto dl P P umro di giri vi ottuto riducdo il flusso di ccitazio (dflussaggio); la coppia dcrsc i C C qusto tratto co lgg iprbolica. sist pro' ua zoa proibita alla rgolazio (il tratto 0-N0 di fig. 4), dfiita dal sgut rapporto: N Nl tratto 0-N N0 N2 = N1 A vlocità ulla il motor è chiamato a forir coppia massima il rotor è prcorso da ua corrt molto alta ch provoca problmi di dissipazio trmica co cosgut cssità di vtilazio forzata pr facilitar lo smaltimto dll'ccssiv calor ch si sviluppa l circuito di armatura. cco prché N0 lla maggior part di casi o corrispod a vlocità ulla. P 0 0 rg. coppia costat N1 rg potza costat fig. 3 Curv C() P() C P N2 N0 N1 N2 fig. 4 Tratto 0-No Motori CC - Azzai 6

7 Nl cotrollo dl motor c.c. la variazio dl. di giri passado da vuoto a pio carico, vi sprssa i forma prctual: di solito oscilla fra lo 0,1% il 3 %. Tal valor è mior s si ffttua u cotrollo di vlocità co diamo tachimtrica; mtr i valori più lvati di rror si ottgoo quado si utilizza com sgal di rtroazio la tsio di armatura, ch solo i prima approssimazio è proporzioal al umro di giri (si commtt ifatti u rror poiché o si ti coto dlla caduta di tsio dovuta alla rsistza d'armatura); la sclta dl tipo di rtroazio dipd solo dal livllo di prcisio ch si vuol ottr dal cotrollo ad allo chiuso. Pr quato riguarda la limitazio dlla corrt allo sputo, ssa dv ssr cotrollata i modo da prmttr la sostituzio dl rostato d'avviamto tdo prst ch il costruttor prmtt u sovraccarico di corrt comprso tra il % pr u tmpo massimo di circa 120 sc.. Nl campo di cotrolli i motori su di cui si prfrisc agir soo i motori a c.c. co ccitazio idipdt. Appartgoo a qusta catgoria tutti qui motori i cui il circuito d'ccitazio risulta compltamt idipdt dal circuito d'armatura l'alimtazio d'armatura qulla d'ccitazio possoo ach'ss ssr idipdti: I u motor i corrt cotiua, il vrso di rotazio dll'albro motor (orario o ati-orario), dipd sia dal vrso dlla corrt di armatura, sia da qulla dlla corrt di ccitazio; prtato pr ivrtirlo basta scambiar il vrso dlla I o dlla. L rlazioi fodamtali sulla macchia i corrt cotiua possoo così ssr riassut : = K Φ = K L I = K I 3.17 avdo posto : K = K L 3.18 Cm = Kc Φ 3.19 P = C 3.20 = + Ra 3.21 DINAMO TACHIMTRICA La diamo tachimtrica vi calttata sull'albro motor dlla macchia i corrt cotiua co la fuzio di trasdurr la vlocità i ua gradzza lttrica, prcisamt i ua tsio cotiua. L' sprssio dlla tsio di uscita dlla D.T. è : 0 = Kd Kd = K Φ 3.29 dov Kd idica la costat tachimtrica (valori usuali attoro dci di mv/giro al mi.). ` vidt ch pr avr ua buoa liarità Kd dv rstar il più costat possibil tro ua vasta gamma di vlocità. I raltà Kd può variar pr i sguti motivi: A) Pr la corrt forita dalla D.T. Nll carattristich dl costruttor soo comuqu smpr idicat l variazioi dlla "o" (forza lttro motric) i fuzio dlla corrt. U fftto smagtizzat ioltr è prodotto lla D.T. da vtuali corto circuiti sull'uscita; qusti corto circuiti di carattr accidtal dvoo ssr vitati co ua crta attzio. B) Pr la vlocità massima. Il costruttor, dado la class dlla D.T., limita ach il valor dlla vlocità massima. Covi distigur il limit massimo mccaico dlla vlocità dal limit lttrico. Il limit massimo mccaico stabilisc la massima vlocità a cui la D.T. può arrivar sza prgiudicar l su carattristich mccaich (ad smpio cuscitti, srraggio mccaico dgli avvolgimti, adsio dll spazzol, tc.). Il limit lttrico ivc fissa la massima f..m. ch si può ottr dalla D.T. sza ch siao compromss l carattristich di isolamto dgli avvolgimti dl collttor. Motori CC - Azzai 7

8 C) Co la tmpratura. ssdo pr la maggior part l D.T. costruit co magti prmati, i campi magtici da qusti prodotti soo ssibili alla tmpratura. Ua compsazio pr l ormali variazioi di tmpratura è praticata su tutt l D.T.. ` possibil ottr, su richista, ua ultrior compsazio pr qui casi i cui la D.T. è chiamata a lavorar i codizioi di tmpratura particolari. D) Odulazio dlla tsio d' uscita.. Qusta odulazio è fuzio dl umro di lamll dl collttor d al fi di tr bassa qusta odulazio i costruttori usao collttori co lvato umro di lamll. La prsza poi, ll D.T., dl collttor, porta altri icoviti. Nll'istat di commutazio (passaggio dll spazzol tra ua lamlla l'altra) si grao dll corrti di corto circuito tra l du lamll, all'atto dl distacco, uo scitillio. Co opportui accorgimti qusto scitillio è ridotto al miimo, prò il sgal dlla D.T., ossrvato all'oscilloscopio, prstrà sovrapposti alla "o" disturbi abbastaza vidti. Qusti disturbi dvoo ssr opportuamt limiati prima ch la tsio dlla D.T. tri ll'allo di rgolazio. Dal puto di vista mccaico la Diamo Tachimtrica dv avr u basso valor dl momto d'irzia. Qusto dato carattristico dv ssr prso i cosidrazio spcialmt i qui cotrolli di vlocità i cui il motor i c.c., al qual la D.T. è calttata, è piccolo co u proprio momto d'irzia cofrotabil a qulla dlla D.T.. Smpr da u puto di vista mccaico va prstata molta attzio lla costruzio dl giuto lastico ch uisc il motor alla D.T.. Diftti i qusto particolar puto possoo ssr causa di rrori od oscillazioi. Soo ioltr dispoibili i commrcio di piccoli motori pr srvomccaismi co la D.T. icorporata, i quali vi cosi` limiato il problma dll'accoppiamto mccaico. Prgi dlla Diamo Tachimtrica risptto ad altri trasduttori di vlocità A) o vi soo problmi di sfasamti di form d' oda. B) Pr vlocità ulla ach la tsio d' uscita è ulla. C) K d comprsa fra mV g Diftti dlla Diamo Tachimtrica risptto ad altri trasduttori di vlocità A) la tsio d' uscita è altrata da ua odulazio la cui frquza dipd dalla vlocità di rotazio ( o può quidi ssr agvolmt limiata co u filtro). B) Icoviti dovuti alla prsza di spazzol ( dl collttor sgmtato), alto valor dlla coppia d'attrito; vibrazioi all alt vlocità; cosumo rapido dll spazzol dtrioramto dl collttor; grazio di rumori ad alta frquza dovuti alla commutazio; momto d'irzia dl rotor piuttosto lvato, spci s cofrotato co altri sistmi. I fig. 7 è riportato l'adamto dlla tsio prlvabil i uscita ad ua diamo tachimtrica al variar dl umro di giri pr divrsi valori dl carico R = oo R = 10k R = 3,5k R = 1K g/m. fig. 7 adamto di () pr vari valori di R Motori CC - Azzai 8

9 CONCLUDR!!!! macao cosidrazioi su: modalità di ccitazio : sri paralllo schma a blocchi dl motor i c.c. compsazio, saturazio tc. sistma Word Loard Costati di tmpo mccaica d lttrica B SATURAZION CIRCUITO DI CAMPO CIRCUITO DI ARMATURA = COST. =0 R Ra A I I V L CIRCUITO DI CAMPO CIRCUITO DI ARMATURA R RA STATOR ROTOR V I L STATOR ROTOR 1/Ra Kc Cm 1/(K + sj) fdt MCCANICA umro di giri K Motori CC - Azzai 9

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