Control de la velocitat del motor DC: Control de la resistència de l'armadura i control del flux del camp
Un motor DC és un dispositiu que converteix la potència mecànica en potència elèctrica de corrent contínua. Una de les característiques més notables d'un motor DC és la seva capacitat per ajustar fàcilment la seva velocitat segons requisits específics utilitzant mètodes simples. Aquest nivell de control de velocitat convenient no és tan fàcilment assolible amb un motor AC.
Els conceptes de regulació de velocitat i control de velocitat són diferents. En el cas de la regulació de velocitat, la velocitat del motor canvia espontàniament en resposta a diverses condicions d'operació. Per contra, en un motor DC, els canvis de velocitat es inicien deliberadament, ja sigui manualment per un operador o automàticament mitjançant dispositius de control. La velocitat d'un motor DC es determina segons la relació següent:
L'equació (1) il·lustra clarament que la velocitat d'un motor DC depèn de tres factors clau: el voltatge d'alimentació V, la resistència del circuit d'armadura Ra, i el flux de camp ϕ, generat per la corrent de camp.
Quan es tracta de controlar la velocitat d'un motor DC, la manipulació del voltatge, la resistència de l'armadura i el flux de camp són consideracions crucials. Hi ha tres tècniques principals per aconseguir el control de velocitat d'un motor DC, com es detalla a continuació:
Variació de la Resistència en el Circuit de l'Armadura (Control de Resistència de l'Armadura o Control Reòstàtic)
Variació en el Flux de Camp (Control de Flux de Camp)
Variació en el Voltatge Aplicat (Control de Voltatge de l'Armadura)
Es proporciona una exploració més en profunditat de cada un d'aquests mètodes de control de velocitat posteriorment.
Control de la Resistència de l'Armadura d'un Motor DC (Motor en Paral·lel)
El diagrama de connexió per implementar el control de la resistència de l'armadura en un motor en paral·lel es mostra a continuació. En aquest enfocament, es col·loca un resistor variable Re al circuit de l'armadura. Notablement, els canvis en el valor d'aquest resistor variable no afecten el flux magnètic perquè el bobinat de camp està connectat directament a la xarxa d'alimentació.
La característica de corrent de velocitat del motor en paral·lel es mostra a continuació.
Motor en Sèrie
Ara examinem el diagrama de connexió per controlar la velocitat d'un motor DC en sèrie utilitzant el mètode de control de la resistència de l'armadura.
Quan es regula la resistència del circuit de l'armadura, això impacta simultàniament la corrent que flueix pel circuit i el flux magnètic dins del motor. La caiguda de tensió a través del resistor variable redueix efectivament la tensió disponible per a l'armadura. Com a conseqüència, aquesta reducció del voltatge aplicat a l'armadura porta a una disminució de la velocitat rotacional del motor.
La corba característica de velocitat - corrent d'un motor en sèrie, que il·lustra la relació entre la velocitat del motor i la corrent que passa a través d'ell, es presenta a la figura següent.
Quan el valor de la resistència variable Re augmenta, el motor opera a una velocitat rotacional més baixa. Donat que la resistència variable conduix tota la corrent de l'armadura, ha de ser dissenyada per manegar la corrent nominal de l'armadura sense sobrecalentar-se ni fallar.
Desavantatges del Mètode de Control de la Resistència de l'Armadura
Una quantitat significativa de potència elèctrica es dissipa com a calor dins la resistència externa Re, resultant en ineficiències i despesa d'energia.
Aquest mètode de control de la resistència de l'armadura està limitat a reduir la velocitat del motor per davall de la seva velocitat d'operació normal; no permet augmentar la velocitat més enllà del nivell normal.
Per a qualsevol valor específic de la resistència variable, el grau de reducció de la velocitat no és fix, sinó que fluctua depenent de la càrrega aplicada al motor, fent difícil assolir una regulació precisa de la velocitat.
Degut a les seves ineficiències i limitacions inherents, aquest enfocament de control de velocitat és típicament només adequat per motors de petita mida.
Mètode de Control del Flux de Camp d'un Motor DC
El flux magnètic dins d'un motor DC es genera per la corrent de camp. Conseqüentment, el control de velocitat mitjançant aquest mètode es realitza ajustant la magnitud de la corrent de camp.
Motor en Paral·lel
En un motor en paral·lel, un resistor variable RC es connecta en sèrie amb els bobinats de camp en paral·lel, com es mostra a la figura següent. Aquest RC és sovint referit com a regulador de camp en paral·lel, jugant un paper crucial en la modificació de la corrent de camp i, en conseqüència, el flux magnètic del motor.
La corrent de camp en paral·lel es dóna per l'equació mostrada a continuació:
Quan el resistor variable RC es insereix al circuit de camp, restringeix el flux de la corrent de camp. Com a resultat, el flux magnètic generat pels bobinats de camp es redueix. Aquesta disminució de flux té un impacte directe sobre la velocitat del motor, fent que augmenti. Conseqüentment, el motor opera a una velocitat rotacional que supera la seva velocitat normal, no alterada.
Aquesta característica única fa que el mètode de control del flux de camp sigui molt útil per dos propòsits principals. Primer, permet al motor assolir velocitats superiors a la seva velocitat d'operació estàndard, proporcionant flexibilitat en aplicacions que requereixen taules de rotació elevades. Segon, es pot utilitzar per contrarestar la caiguda natural de velocitat que ocorre quan el motor està sota càrrega, mantenint de manera efectiva una velocitat més consistent sota condicions de càrrega variables.
La corba característica de velocitat - couple d'un motor en paral·lel, que gràficament il·lustra la relació entre la velocitat rotacional del motor i el couple que pot produir, es presenta a continuació. Aquesta corba ofereix valioses indicacions sobre les característiques de rendiment del motor en diferents escenaris d'operació quan s'aplica el mètode de control del flux de camp.
Motor en Sèrie
En el cas d'un motor en sèrie, alterar la corrent de camp es pot aconseguir mitjançant un d'entre dos mètodes: utilitzant un desviador o implementant un control de camp segmentat.
Utilitzant un Desviador
Com es mostra a la figura següent, una resistència variable Rd es connecta en paral·lel amb els bobinats de camp en sèrie. Aquesta configuració permet manipular la distribució de la corrent dins del circuit, influenciant la força del camp magnètic generat pels bobinats de camp en sèrie.
El resistor paral·lel en aquesta configuració és conegut com a desviador. Quan el desviador amb resistència variable Rd es connecta, desvia una certa fracció de la corrent principal allunyant-se dels bobinats de camp en sèrie. Conseqüentment, la funció principal del desviador és reduir la magnitud de la corrent que passa pel bobinat de camp. Com la corrent de camp disminueix, el flux magnètic generat pel camp també es redueix. Aquesta reducció de flux porta a un increment de la velocitat rotacional del motor. Control de Camp Segmentat El segon enfocament per alterar la corrent de camp en un motor en sèrie és a través del control de camp segmentat. El diagrama de connexió corresponent, que il·lustra les connexions elèctriques i components específics involucrats en aquest mètode, es presenta a continuació.
En el mètode de control de camp segmentat, els ampere-voltes es ajusten canviant el nombre de voltes de camp actives. Aquesta configuració específica és altament aplicable en sistemes de tracció elèctrica. Manipulant el nombre de voltes de camp, el flux magnètic generat pel bobinat de camp del motor es modifica, permetent un control precís de la velocitat del motor.
La corba característica de velocitat - couple d'un motor en sèrie, que gràficament representa la relació entre la velocitat rotacional del motor i el couple que pot produir sota diverses condicions d'operació, es mostra a continuació. Aquesta corba ofereix valioses indicacions sobre les capacitats de rendiment del motor quan s'emplea el mètode de control de camp segmentat, ajudant els enginyers i tècnics a entendre com el motor respon als canvis de càrrega i ajustos de velocitat.
Avantatges del Control del Flux de Camp
El mètode de control del flux de camp ofereix diversos avantatges notables, com es detalla a continuació:
Facilitat d'Ús: Aquest enfocament és simple i amistós per a l'usuari, facilitant la implementació i operació senzilles.
Pèrdua de Potència Baixa: Donat que el camp en paral·lel sol tenir un requeriment de corrent relativament petit, la potència dissipada dins del camp en paral·lel roman mínima, contribuint a una millor eficiència general.
Mecanisme d'Augment de Velocitat: Degut a la saturació del nucli ferros en el circuit magnètic, el flux magnètic generalment no pot augmentar més enllà del seu valor normal. Com a resultat, el control del flux de camp es centra principalment en debilitar el camp, el que efectivament porta a un increment de la velocitat rotacional del motor.
Rang d'Aplicació Controlat: No obstant això, cal tenir en compte que aquest mètode és aplicable només dins d'un rang restrictiu. Un debilitament excessiu del camp pot portar a instabilitat en l'operació del motor, limitant-ne l'ús a escenaris específics on el control precís i la estabilitat són crucials.
