Hastighedsregulering af DC-motor: Armaturmodstandskontrol og feltfluxkontrol

En DC-motor er en enhed, der konverterer mekanisk kraft til strømstyrket elektrisk kraft. En af de mest bemærkelsesværdige egenskaber ved en DC-motor er dens evne til let at justere dens hastighed i overensstemmelse med specifikke krav ved hjælp af simple metoder. Dette niveau af bekvem hastighedsregulering er ikke lige så nemt opnåeligt med en AC-motor.

Koncepterne hastighedsregulering og hastighedskontrol er forskellige. I tilfældet hastighedsregulering ændrer motorens hastighed spontant som respons på forskellige driftsforhold. Omvendt i en DC-motor initieres hastighedsændringer enten manuelt af en operatør eller automatisk gennem kontrolelementer. Hastigheden for en DC-motor bestemmes af følgende relation:

Ligning (1) viser klart, at hastigheden for en DC-motor afhænger af tre nøglefaktorer: spændingsforsyningen V, armaturekredsløbsmodstanden Ra, og feltfluxen ϕ, der genereres af feltstrømmen.

• Når det kommer til at styre hastigheden for en DC-motor, er manipulering af spænding, armaturemodstand og feltflux vigtige overvejelser. Der findes tre primære teknikker for at opnå hastighedsregulering af en DC-motor, som er angivet nedenfor:

• Variation af modstand i armaturekredsløbet (Armaturemodstands- eller rheostatisk kontrol)

• Variation i feltflux (Feltfluxkontrol)

• Variation i anvendt spænding (Armaturespændingskontrol)

En mere grundig gennemgang af hver af disse hastighedsreguleringsmetoder gives herefter.
Armaturemodstandsregulering af DC-motor (Shuntmotor)
Forbindelsediagrammet for implementering af armaturemodstandsregulering på en shuntmotor vises nedenfor. I denne tilgang indføres en variabel resistor Re i armaturekredsløbet. Bemærk, at ændringer i værdien af denne variable resistor ikke påvirker magnetfeltet, da feltvindingen er direkte forbundet til forsyningsnettet.

Hastigheds-strøm karakteristikken for shuntmotoren vises nedenfor.

Seriemotor
Lad os nu undersøge forbindelsediagrammet for at kontrollere hastigheden for en DC-seriemotor ved hjælp af armaturemodstandsregulering.

Når modstanden i armaturekredsløbet justeres, påvirker det både strømmen, der løber igennem kredsløbet, og magnetfeltet i motoren. Spændingsfaldet over den variable resistor formindsker effektivt den spænding, der er tilgængelig til armaturet. Dette fører til en reduktion i den anvendte armaturespænding, hvilket resulterer i en nedgang i motorens rotationshastighed.

Karakteristikkurven for hastighed-strøm for en seriemotor, der illustrerer forholdet mellem motorens hastighed og strømmen, der passerer gennem den, vises i figuren nedenfor.

Når værdien af den variable resistor Re øges, kører motoren på en lavere rotationshastighed. Eftersom den variable resistor leder hele armaturestrømmen, skal den designes til at håndtere den fulde nominerede armaturestrøm konstant uden at overophede eller mislykkes.

Ulemper ved armaturemodstandsreguleringsmetoden

• En betydelig mængde elektrisk kraft dissiperes som varme i den eksterne resistor Re, hvilket resulterer i ineffektivitet og energispilde.

• Denne metode for armaturemodstandsregulering er begrænset til at reducere motorens hastighed under dens normale driftshastighed; den tillader ikke en forøgelse i hastighed over normalniveauet.

• For en bestemt værdi af den variable resistor er graden af hastighedsreduktion ikke fast, men varierer afhængigt af belastningen på motoren, hvilket gør præcis hastighedsregulering udfordrende.

• På grund af dets inbyggede ineffektiviteter og begrænsninger er denne hastighedsreguleringsmetode typisk kun passende for små motorer.

Feltfluxreguleringsmetode for DC-motor

Magnetfeltet i en DC-motor genereres af feltstrømmen. Derfor opnås hastighedsregulering ved denne metode ved at justere størrelsen af feltstrømmen.

Shuntmotor

I en shuntmotor er en variabel resistor RC forbundet i serie med shuntfeltvindingerne, som vist på figuren nedenfor. Denne RC kaldes ofte for en shuntfeltdempere, der spiller en afgørende rolle i at ændre feltstrømmen og derefter magnetfeltet i motoren.

Shuntfeltstrømmen er givet ved ligningen nedenfor:

Når den variable resistor RC indføres i feltkredsløbet, begrænser den strømmen, der går igennem feltet. Dette fører til, at magnetfeltet, der genereres af feltvindingerne, mindskes. Dette fald i flux har en direkte indflydelse på motorens hastighed, hvilket resulterer i en forøgelse. Dermed kører motoren på en rotationshastighed, der overstiger dens normale, uændrede hastighed.

Denne unikke egenskab gør feltfluxreguleringsmetoden meget nyttig til to hovedformål. For det første giver det motoren mulighed for at opnå hastigheder, der er højere end dens standarddrifthastighed, hvilket giver fleksibilitet i applikationer, der kræver høje rotationsfrekvenser. For det andet kan det bruges til at kompensere for den naturlige hastighedsnedgang, der finder sted, når motoren er under belastning, og effektivt vedligeholde en mere konstant hastighed under variabel belastning.

Kurven for hastighed-drejetorque for en shuntmotor, der grafisk illustrerer forholdet mellem motorens rotationshastighed og drejetorquen, den kan producere, vises nedenfor. Denne kurve giver værdifulde indsigt i motorens ydeevne under forskellige driftsscenarier, når feltfluxreguleringsmetoden anvendes.

Seriemotor

I tilfældet en seriemotor kan ændring af feltstrømmen opnås ved en af to metoder: enten ved at bruge en diverter eller ved at implementere tapped feltkontrol.

Ved at bruge en diverter

Som vist på figuren nedenfor, er en variabel resistor Rd forbundet parallel med seriefeltvindingerne. Denne konfiguration gør det muligt at manipulere strømfordelingen i kredsløbet, hvilket påvirker styrken af det magnetiske felt, der genereres af seriefeltvindingerne.

Parallellisten i denne opsætning kaldes en diverter. Når diverteren med variabel resistor Rd forbinder, omdirigerer den en vis fraktion af hovedstrømmen væk fra seriefeltvindingerne. Dette fører til, at diverterens primære funktion er at reducere størrelsen på strømmen, der passerer igennem feltvindingen. Da feltstrømmen falder, mindskes også det magnetiske felt, der genereres af feltet. Dette fald i flux fører til en forøgelse i motorens rotationshastighed. Tapped feltkontrol Anden metode til at ændre feltstrømmen i en seriemotor er gennem tapped feltkontrol. Det tilsvarende forbindelsediagram, der viser de specifikke elektriske forbindelser og komponenter, der er involveret i denne metode, vises nedenfor.

I tapped feltkontrolmetoden justeres ampere-vendingerne ved at ændre antallet af aktive feltvendinger. Denne specifikke konfiguration er højst anvendelig i elektriske traktionssystemer. Ved at manipulere antallet af feltvendinger ændres det magnetiske felt, der genereres af motorens feltvinding, hvilket gør det muligt at have præcis kontrol over motorens hastighed.

Kurven for hastighed-drejetorque for en seriemotor, der grafisk illustrerer forholdet mellem motorens rotationshastighed og drejetorquen, den kan producere under forskellige driftsforhold, vises nedenfor. Denne kurve giver værdifulde indsigt i motorens ydeevne, når tapped feltkontrolmetoden anvendes, og hjælper ingeniører og teknikere med at forstå, hvordan motoren reagerer på ændringer i belastning og hastighedsindstillinger.

Fordele ved feltfluxregulering
Feltfluxreguleringsmetoden tilbyder flere bemærkelsesværdige fordele, som er angivet nedenfor:

• Lethed i brug: Denne tilgang er enkel og brugervenlig, hvilket gør det nemt at implementere og bruge.

• Lav strømtab: Da shuntfeltet typisk har et relativt lille strømbehov, forbliver den dissiperede effekt i shuntfeltet minimal, hvilket bidrager til forbedret samlet effektivitet.

• Mekanisme til hastighedsforøgelse: På grund af jernkernen i det magnetiske kredsløb, kan magnetfeltet generelt ikke forøges over sin normale værdi. Feltfluxregulering fokuserer derfor primært på at svække feltet, hvilket effektivt fører til en forøgelse i motorens rotationshastighed.

• Begrænset anvendelsesområde: Det er dog vigtigt at bemærke, at denne metode kun er anvendelig inden for et begrænset område. Overdrægtig svækkelse af feltet kan føre til ustabilitet i motorens drift, hvilket begrænser dets anvendelse til specifikke scenarier, hvor præcis kontrol og stabilitet er afgørende.