کنترل سرعت موتور مستقیم جریان: کنترل مقاومت آرماتور و کنترل شار میدان

موتور الکتریکی DC دستگاهی است که انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی جریان مستقیم تبدیل می‌کند. یکی از ویژگی‌های بارز موتور DC قابلیت تنظیم ساده سرعت آن بر اساس نیازهای خاص با استفاده از روش‌های ساده است. این سطح از کنترل سرعت آسان در موتور AC به همان راحتی قابل دسترسی نیست.

مفهوم تنظیم سرعت و کنترل سرعت متفاوت است. در مورد تنظیم سرعت، سرعت موتور به طور خودکار به علت شرایط عملکرد مختلف تغییر می‌کند. به طور معکوس، در موتور DC، تغییرات سرعت به طور عمداً توسط اپراتور یا به صورت خودکار از طریق دستگاه‌های کنترلی انجام می‌شود. سرعت یک موتور DC با رابطه زیر تعیین می‌شود:

رابطه (1) به وضوح نشان می‌دهد که سرعت یک موتور DC به سه عامل کلیدی وابسته است: ولتاژ تغذیه V، مقاومت مدار آرماتور Ra و فلوکس میدان ϕ که توسط جریان میدان ایجاد می‌شود.

• در مورد کنترل سرعت یک موتور DC، دستکاری ولتاژ، مقاومت آرماتور و فلوکس میدان مسائل مهمی هستند. سه روش اصلی برای دستیابی به کنترل سرعت موتور DC در زیر آمده است:

• تغییر مقاومت در مدار آرماتور (کنترل مقاومت آرماتور یا کنترل ریزومتریک)

• تغییر در فلوکس میدان (کنترل فلوکس میدان)

• تغییر در ولتاژ اعمال شده (کنترل ولتاژ آرماتور)

در ادامه، بررسی دقیق‌تر هر یک از این روش‌های کنترل سرعت ارائه می‌شود.
کنترل مقاومت آرماتور موتور DC (موتور شونت)
نمودار اتصال برای اجرای کنترل مقاومت آرماتور در یک موتور شونت در زیر نشان داده شده است. در این رویکرد، یک مقاومت متغیر Re به مدار آرماتور اضافه می‌شود. تغییرات در مقدار این مقاومت متغیر تأثیری بر فلوکس مغناطیسی ندارد چرا که پیچ میدان مستقیماً به شبکه تغذیه متصل است.

ویژگی سرعت-جریان موتور شونت در زیر نشان داده شده است.

موتور سری
اکنون نمودار اتصال برای کنترل سرعت یک موتور DC سری با استفاده از روش کنترل مقاومت آرماتور را بررسی می‌کنیم.

هنگامی که مقاومت مدار آرماتور تنظیم می‌شود، همزمان تأثیر بر جریان عبوری از مدار و فلوکس مغناطیسی درون موتور دارد. کاهش ولتاژ در مقاومت متغیر منجر به کاهش ولتاژ موجود برای آرماتور می‌شود. بنابراین، این کاهش ولتاژ اعمال شده به آرماتور منجر به کاهش سرعت دورانی موتور می‌شود.

منحنی ویژگی سرعت-جریان یک موتور سری که رابطه بین سرعت موتور و جریان عبوری از آن را نشان می‌دهد، در شکل زیر ارائه شده است.

هنگامی که مقدار مقاومت متغیر Re افزایش می‌یابد، موتور با سرعت دورانی پایین‌تر عمل می‌کند. چون مقاومت متغیر کل جریان آرماتور را رسانی می‌کند، باید طراحی شود تا بدون گرم شدن یا خرابی، جریان کامل آرماتور را به طور مداوم تحمل کند.

معایب روش کنترل مقاومت آرماتور

• مقدار قابل توجهی از انرژی الکتریکی به عنوان گرما در مقاومت خارجی Re تلف می‌شود، که منجر به عدم کارایی و تلفات انرژی می‌شود.

• این روش کنترل مقاومت آرماتور محدود به کاهش سرعت موتور زیر سرعت عملکرد عادی آن است؛ و اجازه افزایش سرعت فراتر از سرعت عادی را نمی‌دهد.

• برای هر مقدار مشخص از مقاومت متغیر، میزان کاهش سرعت ثابت نیست بلکه به بار اعمال شده به موتور بستگی دارد، که منجر به چالش‌هایی در دستیابی به تنظیم دقیق سرعت می‌شود.

• به دلیل عدم کارایی و محدودیت‌های ذاتی، این روش کنترل سرعت فقط برای موتورهای کوچک مناسب است.

روش کنترل فلوکس میدان موتور DC

فلوکس مغناطیسی در یک موتور DC توسط جریان میدان ایجاد می‌شود. بنابراین، کنترل سرعت با استفاده از این روش با تنظیم مقدار جریان میدان انجام می‌شود.

موتور شونت

در یک موتور شونت، یک مقاومت متغیر RC به صورت سری با پیچ‌های میدان شونت متصل می‌شود، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است. این RC به طور معمول به عنوان تنظیمات میدان شونت شناخته می‌شود و نقش مهمی در تغییر جریان میدان و در نتیجه فلوکس مغناطیسی موتور دارد.

جریان میدان شونت با رابطه زیر داده می‌شود:

وقتی مقاومت متغیر RC در مدار میدان قرار می‌گیرد، جریان میدان را محدود می‌کند. در نتیجه، فلوکس مغناطیسی تولید شده توسط پیچ‌های میدان کاهش می‌یابد. این کاهش فلوکس تأثیر مستقیمی بر سرعت موتور دارد و باعث افزایش آن می‌شود. بنابراین، موتور با سرعت دورانی بالاتر از سرعت عادی و بدون تغییر عمل می‌کند.

این ویژگی منحصر به فرد روش کنترل فلوکس میدان را برای دو هدف اصلی مفید می‌کند. اولاً، امکان می‌دهد موتور سرعت‌های بالاتر از سرعت عملکرد استاندارد خود را به دست آورد، که انعطاف‌پذیری در برنامه‌هایی که نیاز به نرخ‌های دورانی بالاتر دارند فراهم می‌کند. ثانیاً، می‌تواند برای مقابله با کاهش طبیعی سرعت که زمانی که موتور تحت بار است رخ می‌دهد، استفاده شود و بدین ترتیب سرعت بیشتری را در شرایط بار مختلف حفظ می‌کند.

منحنی سرعت-گشتاور یک موتور شونت که رابطه بین سرعت دورانی موتور و گشتاور تولیدی آن را به صورت گرافیکی نشان می‌دهد، در زیر ارائه شده است. این منحنی اطلاعات مفیدی درباره ویژگی‌های عملکرد موتور در شرایط عملیاتی مختلف زمانی که روش کنترل فلوکس میدان استفاده می‌شود، ارائه می‌دهد.

موتور سری

در مورد یک موتور سری، تغییر جریان میدان می‌تواند از طریق یکی از دو روش انجام شود: یا با استفاده از یک دایورتر یا با استفاده از کنترل میدان با تپ.

با استفاده از یک دایورتر

همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، یک مقاومت متغیر Rd به صورت موازی با پیچ‌های میدان سری متصل می‌شود. این پیکربندی امکان دستکاری توزیع جریان در مدار را فراهم می‌کند و در نتیجه تأثیر بر قدرت میدان مغناطیسی تولید شده توسط پیچ‌های میدان سری دارد.

مقاومت موازی در این پیکربندی به عنوان یک دایورتر شناخته می‌شود. وقتی دایورتر با مقاومت متغیر Rd متصل می‌شود، بخشی از جریان اصلی را از پیچ‌های میدان سری جدا می‌کند. بنابراین، عملکرد اصلی دایورتر کاهش مقدار جریان عبوری از پیچ میدان است. با کاهش جریان میدان، فلوکس مغناطیسی تولید شده نیز کاهش می‌یابد. این کاهش فلوکس باعث افزایش سرعت دورانی موتور می‌شود.کنترل میدان با تپروش دوم برای تغییر جریان میدان در یک موتور سری از طریق کنترل میدان با تپ است. نمودار اتصال متناظر که اتصالات الکتریکی و مولفه‌های مرتبط با این روش را نشان می‌دهد، در زیر ارائه شده است.

در روش کنترل میدان با تپ، آمپر-دور با تغییر تعداد دورهای فعال میدان تنظیم می‌شود. این پیکربندی خاص در سیستم‌های برق راه‌آهن بسیار کاربرد دارد. با تغییر تعداد دورهای میدان، فلوکس میدان مغناطیسی تولید شده توسط پیچ میدان موتور تغییر می‌کند و بدین ترتیب کنترل دقیق سرعت موتور امکان‌پذیر می‌شود.

منحنی سرعت-گشتاور یک موتور سری که رابطه بین سرعت دورانی موتور و گشتاور تولیدی آن را در شرایط عملیاتی مختلف به صورت گرافیکی نشان می‌دهد، در زیر ارائه شده است. این منحنی اطلاعات مفیدی درباره توانایی‌های عملکردی موتور زمانی که روش کنترل میدان با تپ استفاده می‌شود، ارائه می‌دهد و به مهندسان و فنی‌ان امکان می‌دهد که چگونگی واکنش موتور به تغییرات بار و تنظیمات سرعت را درک کنند.

مزایای کنترل فلوکس میدان
روش کنترل فلوکس میدان مزایای قابل توجهی را ارائه می‌دهد، همانطور که در زیر آمده است:

• سهولت استفاده: این رویکرد ساده و کاربرپسند است و پیاده‌سازی و عملیات آن آسان است.

• کم تلف: چون میدان شونت معمولاً نیاز به جریان کوچکی دارد، تلفات در میدان شونت کم است و به کارایی کلی کمک می‌کند.

• مکانیسم افزایش سرعت: به دلیل اشباع هسته آهن در مدار مغناطیسی، فلوکس مغناطیسی عموماً نمی‌تواند فراتر از مقدار عادی خود افزایش یابد. بنابراین، کنترل فلوکس میدان عمدتاً بر روی ضعیف کردن میدان تمرکز دارد که منجر به افزایش سرعت دورانی موتور می‌شود.

• محدوده کاربرد کنترل: با این حال، باید توجه داشت که این روش فقط در یک محدوده محدود قابل استفاده است. ضعیف کردن بیش از حد میدان می‌تواند به ناپایداری در عملکرد موتور منجر شود و استفاده آن را به سناریوهای خاصی که نیاز به کنترل دقیق و پایداری دارند محدود می‌کند.