Έλεγχος Ταχύτητας DC Μοτέρ: Έλεγχος Αντίστασης Αμπατούρας και Έλεγχος Ροής Πεδίου

Ένας DC μοτέρ αποτελεί συσκευή που μετατρέπει μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια άμεσης ροής. Μία από τις πιο σημαντικές ιδιότητες ενός DC μοτέρ είναι η δυνατότητά του να προσαρμόζεται εύκολα η ταχύτητά του σε συγκεκριμένες απαιτήσεις με απλές μεθόδους. Αυτό επίπεδο εύκολης ρύθμισης της ταχύτητας δεν είναι τόσο εύκολα επιτευξιμό σε έναν AC μοτέρ.

Οι έννοιες της ρύθμισης της ταχύτητας και της ελέγχου της ταχύτητας είναι διαφορετικές. Στην περίπτωση της ρύθμισης της ταχύτητας, η ταχύτητα του μοτέρ αλλάζει αυτόματα σε απάντηση σε διάφορες συνθήκες λειτουργίας. Αντιθέτως, σε ένα DC μοτέρ, οι αλλαγές της ταχύτητας προκαλούνται είτε χειροκίνητα από έναν τεχνικό είτε αυτόματα μέσω συσκευών ελέγχου. Η ταχύτητα ενός DC μοτέρ καθορίζεται από την παρακάτω σχέση:

Η εξίσωση (1) δείχνει σαφώς ότι η ταχύτητα ενός DC μοτέρ εξαρτάται από τρία βασικά παράγοντα: την εφοδιαστική τάση V, την αντίσταση του κύκλου αντίστροφης ροής Ra και την πεδιακή φλούξο ϕ, η οποία παράγεται από την πεδιακή ροή.

• Όσον αφορά τον έλεγχο της ταχύτητας ενός DC μοτέρ, η ρύθμιση της τάσης, της αντίστασης του κυκλώματος αντίστροφης ροής και της πεδιακής φλούξου είναι κρίσιμες σκέψεις. Υπάρχουν τρεις βασικές τεχνικές για τον έλεγχο της ταχύτητας ενός DC μοτέρ, όπως αναφέρονται παρακάτω:

• Παραλλαγή της Αντίστασης στο Κύκλωμα της Αντίστροφης Ροής (Αντίσταση της Αντίστροφης Ροής ή Ρευστικός Έλεγχος)

• Παραλλαγή της Πεδιακής Φλούξου (Έλεγχος Πεδιακής Φλούξου)

• Παραλλαγή της Εφαρμοσμένης Τάσης (Έλεγχος Τάσης της Αντίστροφης Ροής)

Μια πιο εμβυθή μελέτη κάθε μιας από αυτές τις μεθόδους ελέγχου της ταχύτητας παρέχεται στη συνέχεια.
Έλεγχος της Αντίστασης της Αντίστροφης Ροής του DC Μοτέρ (Συμπαράλληλος Μοτέρ)
Το διάγραμμα σύνδεσης για την εφαρμογή ελέγχου της αντίστασης της αντίστροφης ροής σε έναν συμπαράλληλο μοτέρ απεικονίζεται παρακάτω. Σε αυτή την προσέγγιση, ένας μεταβλητός αντιστατής Re εισάγεται στο κύκλωμα της αντίστροφης ροής. Σημαντικό είναι ότι οι αλλαγές στην τιμή αυτού του μεταβλητού αντιστατή δεν επηρεάζουν την μαγνητική φλούξο, καθώς το πεδιακό στρώμα είναι συνδεδεμένο άμεσα με την εφοδιαστική.

Η χαρακτηριστική ταχύτητα - ρεύμα του συμπαράλληλου μοτέρ απεικονίζεται παρακάτω.

Σειριακός Μοτέρ
Εξετάζουμε τώρα το διάγραμμα σύνδεσης για τον έλεγχο της ταχύτητας ενός DC σειριακού μοτέρ με τη μέθοδο ελέγχου της αντίστασης της αντίστροφης ροής.

Όταν προσαρμόζεται η αντίσταση του κυκλώματος της αντίστροφης ροής, επηρεάζει ταυτόχρονα το ρεύμα που ρέει στο κύκλωμα και τη μαγνητική φλούξο μέσα στον μοτέρ. Η πτώση τάσης στον μεταβλητό αντιστατή μειώνει αποτελεσματικά την τάση που είναι διαθέσιμη στην αντίστροφη ροή. Ως αποτέλεσμα, αυτή η μείωση της εφαρμοσμένης τάσης της αντίστροφης ροής οδηγεί σε μείωση της ταχύτητας περιστροφής του μοτέρ.

Η χαρακτηριστική καμπύλη ταχύτητας - ρεύματος ενός σειριακού μοτέρ, η οποία απεικονίζει τη σχέση μεταξύ της ταχύτητας περιστροφής του μοτέρ και του ρεύματος που διέρχεται μέσα του, παρουσιάζεται στο παρακάτω σχήμα.

Όταν αυξάνεται η τιμή του μεταβλητού αντιστάτη Re, ο μοτέρ λειτουργεί σε χαμηλότερη ταχύτητα περιστροφής. Δεδομένου ότι ο μεταβλητός αντιστατής διαχειρίζεται το ολόκληρο το ρεύμα της αντίστροφης ροής, πρέπει να σχεδιαστεί ώστε να μπορεί να αντιμετωπίζει συνεχώς το πλήρως ρεύμα της αντίστροφης ροής χωρίς να ξεθερμαίνεται ή να αποτυγχάνει.

Παραμειώσεις της Μεθόδου Ελέγχου της Αντίστασης της Αντίστροφης Ροής

• Μεγάλη ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας διασπαρίσσεται ως θερμότητα στον εξωτερικό αντιστατή Re, προκαλώντας αποτελεσματικότητα και απώλεια ενέργειας.

• Αυτή η μέθοδος ελέγχου της αντίστασης της αντίστροφης ροής περιορίζεται στη μείωση της ταχύτητας του μοτέρ κάτω από την κανονική ταχύτητα λειτουργίας· δεν επιτρέπει την αύξηση της ταχύτητας πέρα από το κανονικό επίπεδο.

• Για κάθε συγκεκριμένη τιμή του μεταβλητού αντιστάτη, η βαθμίδα μείωσης της ταχύτητας δεν είναι σταθερή, αλλά αλλάζει εξαρτώμενη από το φορτίο που εφαρμόζεται στο μοτέρ, κάνοντας δύσκολη την επίτευξη ακριβούς ρύθμισης της ταχύτητας.

• Λόγω των αποτελεσματικών αδυναμιών και περιορισμών, αυτή η μέθοδος ελέγχου της ταχύτητας είναι συνήθως κατάλληλη μόνο για μικρού μεγέθους μοτέρ.

Μέθοδος Ελέγχου της Πεδιακής Φλούξου του DC Μοτέρ

Η μαγνητική φλούξο ενός DC μοτέρ παράγεται από την πεδιακή ροή. Συνεπώς, ο έλεγχος της ταχύτητας με αυτή τη μέθοδο επιτευχθεί με την προσαρμογή της έντασης της πεδιακής ροής.

Συμπαράλληλος Μοτέρ

Σε έναν συμπαράλληλο μοτέρ, ένας μεταβλητός αντιστατής RC συνδέεται σε σειρά με τα συμπαράλληλα πεδιακά στρώματα, όπως απεικονίζεται στο παρακάτω σχήμα. Αυτός ο RC είναι συνήθως γνωστός ως ρυθμιστής συμπαράλληλου πεδίου, παίζοντας κρίσιμο ρόλο στην τροποποίηση της πεδιακής ροής και, ακολούθως, της μαγνητικής φλούξου του μοτέρ.

Η πεδιακή ροή του συμπαράλληλου πεδίου δίνεται από την εξίσωση που ακολουθεί:

Όταν ο μεταβλητός αντιστατής RC εισάγεται στο πεδιακό κύκλωμα, περιορίζει τη ροή της πεδιακής ροής. Ως αποτέλεσμα, η μαγνητική φλούξο που παράγεται από τα πεδιακά στρώματα μειώνεται. Αυτή η μείωση της φλούξου έχει άμεση επίδραση στη ταχύτητα του μοτέρ, προκαλώντας την αύξησή της. Συνεπώς, ο μοτέρ λειτουργεί σε ταχύτητα περιστροφής που υπερβαίνει την κανονική, ανεπηρεασμένη ταχύτητα.

Αυτή η μοναδική ιδιότητα κάνει τη μέθοδο ελέγχου της πεδιακής φλούξου εξαιρετικά χρήσιμη για δύο βασικούς σκοπούς. Πρώτον, επιτρέπει στο μοτέρ να επιτευγεί ταχύτητες υψηλότερες από την κανονική ταχύτητα λειτουργίας, παρέχοντας ευελιξία σε εφαρμογές που απαιτούν επαυξημένες ταχύτητες περιστροφής. Δεύτερον, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να αντισταθμίσει τη φυσική μείωση της ταχύτητας που συμβαίνει όταν το μοτέρ είναι υπό φορτίο, επιτρέποντας έτσι την υποδοχή μιας πιο σταθερής ταχύτητας υπό μεταβαλλόμενες συνθήκες φορτίου.

Η χαρακτηριστική καμπύλη ταχύτητας - δύναμης τροχιακής για έναν συμπαράλληλο μοτέρ, η οποία γραφικά απεικονίζει τη σχέση μεταξύ της ταχύτητας περιστροφής του μοτέρ και της δύναμης τροχιακής που μπορεί να παράγει, παρουσιάζεται παρακάτω. Αυτή η καμπύλη παρέχει πολύτιμες πληροφορίες για τις χαρακτηριστικές λειτουργίας του μοτέρ υπό διάφορες συνθήκες λειτουργίας, όταν εφαρμόζεται η μέθοδος ελέγχου της πεδιακής φλούξου.

Σειριακός Μοτέρ

Στην περίπτωση ενός σειριακού μοτέρ, η αλλαγή της πεδιακής ροής μπορεί να επιτευχθεί με μία από δύο μεθόδους: είτε με τη χρήση ενός διαχωριστή, είτε με την εφαρμογή ελέγχου ταππαρισμένου πεδίου.

Με τη Χρήση ενός Διαχωριστή

Όπως απεικονίζεται στο παρακάτω σχήμα, ένας μεταβλητός αντιστατής Rd συνδέεται παράλληλα με τα σειριακά πεδιακά στρώματα. Αυτή η διάταξη επιτρέπει την προσαρμογή της κατανομής του ρεύματος μέσα στο κύκλωμα, επηρεάζοντας έτσι την ισχύ του μαγνητικού πεδίου που παράγεται από τα σειριακά πεδιακά στρώματα.

Ο παράλληλος αντιστατής σε αυτή τη διάταξη είναι γνωστός ως διαχωριστής. Όταν ο διαχωριστής με μεταβλητή αντίσταση Rd συνδέεται, αποκλίνει ένα συγκεκριμένο μέρος του κυρίως ρεύματος από τα σειριακά πεδιακά στρώματα. Συνεπώς, η κύρια λειτουργία του διαχωριστή είναι να μειώσει την ένταση του ρεύματος που περνά μέσω του πεδιακού στρώματος. Καθώς μειώνεται η πεδιακή ροή, η μαγνητική φλούξο που παράγεται από το πεδίο επίσης μειώνεται. Αυτή η μείωση της φλούξου οδηγεί σε αύξηση της ταχύτητας περιστροφής του μοτέρ.Ελεγχός ταππαρισμένου πεδίουΗ δεύτερη προσέγγιση για την αλλαγή της πεδιακής ροής σε έναν σειριακό μοτέρ είναι μέσω του ελέγχου ταππαρισμένου πεδίου. Το αντίστοιχο διάγραμμα σύνδεσης, το οπο