Контрол на скоростта на DC мотор: Контрол на съпротивлението на якора и контрол на магнитния поток

DC мотор е устройство, което преобразува механична мощност в електрическа мощност с постоянн ток. Една от най-значителните характеристики на DC мотора е възможността му за лесно регулиране на скоростта според конкретни изисквания чрез прости методи. Този ниво на удобно контролиране на скоростта не е толкова лесно постижимо с AC мотор.

Концепциите за регулиране на скоростта и контрол на скоростта са различни. В случая на регулиране на скоростта, скоростта на мотора се променя самопроизволно в отговор на различни условия на работа. Напротив, при DC мотор, промените в скоростта се инициират умишлено или ръчно от оператор, или автоматично чрез устройства за контрол. Скоростта на DC мотора се определя от следната зависимост:

Уравнение (1) ясно показва, че скоростта на DC мотора зависи от три ключови фактора: напрежението на захранване V, съпротивлението на обмотката на арматурата Ra и магнитния поток ϕ, който се генерира от полевия ток.

• Когато става дума за контролиране на скоростта на DC мотор, манипулацията на напрежението, съпротивлението на арматурата и магнитния поток са ключови разглеждания. Има три основни техники за постигане на контрол на скоростта на DC мотор, както е описано по-долу:

• Промяна на съпротивлението в обмотката на арматурата (Контрол на съпротивлението на арматурата или реостатен контрол)

• Промяна на магнитния поток (Контрол на магнитния поток)

• Промяна на приложено напрежение (Контрол на напрежението на арматурата)

По-задълбочено изследване на всеки от тези методи за контрол на скоростта е предоставено по-нататък.
Контрол на съпротивлението на арматурата на DC мотор (Паралелен мотор)
Схемата за връзки за изпълнение на контрол на съпротивлението на арматурата на паралелен мотор е показана по-долу. В този подход, променливо съпротивление Re се включва в обмотката на арматурата. Забележително е, че промените в стойността на това променливо съпротивление не влияят на магнитния поток, тъй като полевата обмотка е директно свързана с питащата мрежа.

Характеристиката на скорост-ток на паралелния мотор е показана по-долу.

Серийен мотор
Нека сега разгледаме схемата за връзки за контролиране на скоростта на DC серийен мотор чрез метода на контрол на съпротивлението на арматурата.

Когато съпротивлението на обмотката на арматурата се регулира, то едновременно влияе както на тока, протичащ през веригата, така и на магнитния поток в мотора. Падането на напрежението в променливото съпротивление ефективно намалява напрежението, налично за арматурата. Следователно, това намаление на приложено напрежение на арматурата води до намаление на въртенето на мотора.

Характеристичната крива на скорост-ток на серийния мотор, която илюстрира връзката между скоростта на мотора и тока, протичащ през него, е представена на фигурата по-долу.

Когато стойността на променливото съпротивление Re се увеличава, моторът работи на по-ниска скорост на въртене. Тъй като променливото съпротивление провежда целия ток на арматурата, то трябва да бъде проектирано, за да обработва постоянно целия номинален ток на арматурата, без да се нагорещява или дефектува.

Недостатъци на метода за контрол на съпротивлението на арматурата

• Значително количество електрическа мощност се разсейва като топлина във външното съпротивление Re, което води до неефективности и загуба на енергия.

• Този метод за контрол на съпротивлението на арматурата е ограничен само до намаляване на скоростта на мотора под нормалната му работна скорост; той не позволява увеличаване на скоростта над нормалното ниво.

• За всяка конкретна стойност на променливото съпротивление, степента на намаление на скоростта не е фиксирана, а вместо това варира в зависимост от нагрузката, приложена към мотора, което прави трудно постигането на точен контрол на скоростта.

• В резултат на своите вродени неефективности и ограничения, този метод за контрол на скоростта е типично приложим само за малки мотори.

Метод за контрол на магнитния поток на DC мотор

Магнитният поток в DC мотор се генерира от полевия ток. Следователно, контролът на скоростта чрез този метод се осъществява чрез регулиране на големината на полевия ток.

Паралелен мотор

В паралелния мотор, променливо съпротивление RC се свързва в сериоза с полевите обмотки, както е показано на фигурата по-долу. Това RC често се нарича регулатор на полевите обмотки, играейки важна роля в модифицирането на полевия ток и, следователно, магнитния поток на мотора.

Полевият ток на паралелния мотор е зададен от уравнението, показано по-долу:

Когато променливото съпротивление RC се включи в полевата верига, то ограничава протичането на полевия ток. Следователно, магнитният поток, генериран от полевите обмотки, намалява. Това намаление на потока има пряко влияние върху скоростта на мотора, причинявайки й да се увеличи. Следователно, моторът работи на скорост, която надвишава нормалната, непроменена скорост.

Тази уникална характеристика прави метода за контрол на магнитния поток много полезен за две основни цели. Първо, той позволява на мотора да достигне скорости, по-високи от стандартната работна скорост, предоставяйки гъвкавост в приложения, които изискват повишени скорости на въртене. Второ, той може да се използва, за да компенсира естественото намаление на скоростта, когато моторът е под нагрузка, ефективно поддържайки по-константна скорост при различни условия на нагрузка.

Характеристичната крива на скорост-момент на паралелния мотор, която графично илюстрира връзката между скоростта на въртене на мотора и момента, който той може да произведе, е представена по-долу. Тази крива предоставя ценна информация относно характеристиките на производителността на мотора при различни условия на работа, когато се използва методът за контрол на магнитния поток.

Серийен мотор

В случая на серийния мотор, изменението на полевия ток може да бъде осъществено чрез един от два метода: или чрез използване на отклонител, или чрез използване на тапнат контрол на полето.

Чрез използване на отклонител

Както е показано на фигурата по-долу, променливо съпротивление Rd се свързва паралелно с серийните полеви обмотки. Тази конфигурация позволява манипулиране на разпределението на тока в веригата, влияейки на силата на магнитното поле, генерирано от серийните полеви обмотки.

Паралелното съпротивление в тази схема е известно като отклонител. Когато отклонителят с променливо съпротивление Rd е свързан, той отклонява определена част от основния ток от серийните полеви обмотки. Следователно, основната функция на отклонителя е да намали големината на тока, протичащ през полевата обмотка. С намалението на полевия ток, магнитният поток, генериран от полето, също намалява. Това намаление на потока води до увеличение на скоростта на въртене на мотора.Тапнат контрол на полетоВторият подход за изменение на полевия ток в серийния мотор е чрез тапнат контрол на полето. Соответстващата схема за връзки, която илюстрира конкретните електрически връзки и компоненти, включени в този метод, е представена по-долу.

В метода за тапнат контрол на полето, ампер-завоевете се регулират чрез промяна на броя на активните полеви завои. Тази специфична конфигурация е широко приложима в системи за електрическа тракция. Чрез манипулиране на броя на полевите завои, магнитното поле, генерирано от полевата обмотка на мотора, се променя, позволявайки точен контрол върху скоростта на мотора.

Характеристичната крива на скорост-момент на серийния мотор, която графично илюстрира връзката между скоростта на въртене на мотора и момента, който той може да произведе при различни условия на работа, е представена по-долу. Тази крива предоставя ценна информация относно способностите на мотора, когато се използва методът за тапнат контрол на полето, помагайки инженерите и техниците да разберат как моторът реагира на промени в нагрузката и настройките на скоростта.

Преимущества на контрола на магнитния поток
Методът за контрол на магнитния поток предлага няколко значителни предимства, както е описано по-долу:

• Лесна употреба: Този подход е прост и удобен за потребителите, осигурявайки лесна реализация и използване.

• Ниска загуба на мощност: Тъй като паралелното поле обикновено изисква относително малко ток, мощността, разсеяна в паралелното поле, остава минимална, допринасяйки за подобряване на общата ефективност.

• Механизъм за увеличаване на скоростта: В резултат на насищането на желязната ядро в магнитната верига, магнитният поток обикновено не може да бъде увеличен над нормалната си стойност. Следователно, контролът на магнитния поток се фокусира главно върху ослабяването на полето, което ефективно води до увеличение на скоростта на въртене на мотора.

• Ограничен диапазон на приложение: Важно е да се отбележи, че този метод е приложим само в ограничен диапазон. Прекомерното ослабяване на полето може да доведе до нестабилност в работата на мотора, ограничавайки неговото използване до конкретни сценарии, където точният контрол и стабилността са критични.