Vaihtovirtakoneen nopeuden säädöksen: paikkaresistanssin säätö ja kentän fluksin säätö

Vaihtosähkömoottori on laite, joka muuntaa mekaanisen voiman suoraksi sähkövoimaksi. Yksi vaihtosähkömoottorin erityispiirteistä on sen nopeuden helposti säädettävyys tiettyihin vaatimuksiin yksinkertaisilla menetelmillä. Tämän tason mukavan nopeudensäätelyn saavuttaminen vaihesähkömoottorissa ei ole yhtä helposti toteutettavissa.

Nopeuden säätely ja nopeuden ohjaus ovat kaksi eri asiaa. Nopeuden säätelyssä moottorin nopeus muuttuu spontaansisti eri toimintatilanteiden mukaan. Toisaalta vaihtosähkömoottorissa nopeuden muutokset aloitetaan joko manuaalisesti operaattorin toimesta tai automaattisesti ohjauslaitteiden kautta. Vaihtosähkömoottorin nopeus määräytyy seuraavasta relaatiosta:

Yhtälö (1) osoittaa selkeästi, että vaihtosähkömoottorin nopeus riippuu kolmesta keskeisestä tekijästä: tarjotusta jännitteestä V, armatuuri piirin vastustuksesta Ra ja kenttävirtauksesta ϕ, jota kenttävirta tuottaa.

• Kun kyseessä on vaihtosähkömoottorin nopeuden säätely, jännitteen, armatuuri vastuksen ja kenttävirtauksen manipulointi on olennainen huomio. Vaihtosähkömoottorin nopeuden säätelyyn on kolme pääasialista teknikkaa, jotka esitetään alla:

• Vastuksen vaihtelu armatuuri piirissä (Armatuuri vastus tai rheostaatinen ohjaus)

• Kenttävirtauksen vaihtelu (Kenttävirtausohjaus)

• Tarjotun jännitteen vaihtelu (Armatuuri jänniteohjaus)

Jokaisen näistä nopeuden ohjausmenetelmistä käsitellään syvällisemmin myöhemmin.
Vaihtosähkömoottorin armatuuri vastusohjaus (Shunt-moottori)
Alla on esitetty shunt-moottorin armatuuri vastusohjausta varten käytetty yhdistelykaavio. Tässä lähestymistavassa armatuuri piiriin lisätään muuttuva vastus Re. On huomioitava, että tämän muuttuvan vastuksen arvon muutokset eivät vaikuta magneettiseen virtaukseen, koska kenttäkierrätys on yhdistetty suoraan tarjontajännitteeseen.

Shunt-moottorin nopeus-sähkövirta ominaisuus on esitetty alla.

Sarjamoottori
Tarkastelemme nyt sarjamoottorin nopeuden ohjaamista armatuuri vastusohjausmenetelmällä.

Kun armatuuri piirin vastus säädellään, se vaikuttaa sekä piirin kautta kulkevaan sähkövirtaan että moottorin sisäiseen magneettiseen virtaukseen. Muuttuva vastus aiheuttaa jännitteen pudotuksen, mikä vähentää armatuurille saatavissa olevaa jännitettä. Tämä johtaa moottorin kiertonopeuden laskuun.

Sarjamoottorin nopeus-sähkövirta ominaisuuskäyrä, joka havainnollistaa moottorin nopeuden ja kautta kulkevan sähkövirran välisen suhteen, on esitetty alla.

Kun muuttuvan vastuksen Re arvo kasvaa, moottori toimii alhaisemmalla kiertonopeudella. Koska muuttuva vastus johtaa koko armatuuri virtauksen, sen on oltava suunniteltu siten, että se voi jatkuvasti käsitellä täysiä armatuuri virtaa ilman ylikuumenemista tai epäonnistumista.

Armatuuri vastusohjausmenetelmän haitat

• Suuri määrä sähköenergiaa häviää lämpönä ulkoiseen vastuuseen Re, mikä johtaa tehottomuuteen ja energian tuhlaamiseen.

• Tämä armatuuri vastusohjausmenetelmä rajoittuu moottorin nopeuden vähentämiseen normaalin toiminnan nopeuden alapuolella; se ei salli nopeuden nostamista normaalin tasoa ylittäväksi.

• Mikä tahansa muuttuva vastuksen tietty arvo ei takaa kiinteää nopeuden vähennyksen määrää, vaan se vaihtelee riippuen moottorin kuormituksen mukaan, mikä tekee tarkasta nopeuden säätelystä haastavaa.

• Sen sisäisten tehottomuustekijöiden ja rajoitusten vuoksi tämä nopeuden ohjausmenetelmä on yleensä sovellettavissa vain pieniin moottoreihin.

Vaihtosähkömoottorin kenttävirtausohjausmenetelmä

Vaihtosähkömoottorin sisäinen magneettinen virtaus tuotetaan kenttävirtauksella. Nopeuden ohjaus tällä menetelmällä tapahtuu kenttävirtauksen suuruuden säätelyllä.

Shunt-moottori

Shunt-moottorissa muuttuva vastus RC on yhdistetty sarjassa shunt-kenttäkierräyksen kanssa, kuten kuvassa alla. Tätä RC:ää kutsutaan yleensä shunt-kenttäregulaattoriksi, sillä se on keskeinen osa kenttävirtauksen ja siten moottorin magneettisen virtauksen muuttamisessa.

Shunt-kenttävirta annetaan seuraavalla yhtälöllä:

Kun muuttuva vastus RC lisätään kenttäpiiriin, se rajoittaa kenttävirtauksen virtaa. Tämä johtaa kenttäkierräyksen tuottamaan magneettiseen virtauksen vähenemiseen. Virtauksen väheneminen vaikuttaa suoraan moottorin nopeuteen, joka kasvaa. Tämän vuoksi moottori toimii kiertonopeudella, joka on korkeampi kuin normaali, muuttamaton nopeus.

Tämä ainutlaatuinen ominaisuus tekee kenttävirtausohjausmenetelmästä hyödyllisen kahdelle pääasiassa. Ensimmäiseksi se mahdollistaa moottorin toiminnan nopeuksilla, jotka ovat korkeampia kuin sen normaali toiminnan nopeus, tarjoaakseen joustavuutta sovelluksiin, jotka vaativat korkeampia kiertonopeuksia. Toiseksi sitä voidaan käyttää kompensoimaan luonnollista nopeuden laskua, kun moottori on kuormitettu, jolloin voidaan ylläpitää vakaampaa nopeutta eri kuormituksen tilanteissa.

Shunt-moottorin nopeus-torquen ominaisuuskäyrä, joka graafisesti havainnollistaa moottorin kiertonopeuden ja sen tuottaman torquet välisen suhteen, on esitetty alla. Tämä käyrä tarjoaa arvokasta tietoa moottorin toimintaominaisuuksista eri toimintatilanteissa, kun kenttävirtausohjausmenetelmää sovelletaan.

Sarjamoottori

Sarjamoottorin kenttävirtauksen muuttaminen voidaan toteuttaa kahdella tavalla: joko käyttämällä diverteria tai käyttämällä tapattua kenttäohjausta.

Diverterin avulla

Kuvassa alla on esitetty, että muuttuva vastus Rd on yhdistetty rinnakkain sarjakenttäkierräyksen kanssa. Tämä asetus mahdollistaa sähkövirtauksen jakautumisen piirissä, mikä vaikuttaa sarjakenttäkierräyksen tuottamaan magneettiseen kenttään.

Tämä rinnakkaismuodossa yhdistetty vastus on nimeltään diverter. Kun diverter, jolla on muuttuva vastus Rd, yhdistetään, se siirtää osan päävirtauksesta pois sarjakenttäkierräyksen ulkopuolelle. Diverterin pääräinen tehtävä on vähentää kenttäkierräyksen kautta kulkevan virtauksen suuruutta. Kenttävirtauksen vähenemisen myötä kenttäkierräyksen tuottama magneettinen virtaus vähenee. Tämä johtaa moottorin kiertonopeuden kasvuun.Tapattu kenttäohjausToinen tapa muuttaa kenttävirtausta sarjamoottorissa on tapattu kenttäohjaus. Vastaava yhdistelykaavio, joka havainnollistaa tätä menetelmää koskevat sähköiset yhteydet ja komponentit, on esitetty alla.

Tapatussa kenttäohjausmenetelmässä ampeerikierrokset säädellään muuttamalla aktiivisten kenttäkierräysten määrää. Tämä erityiskonfiguraatio on erityisen soveltuva sähköisiin liikennejärjestelmiin. Kenttäkierräysten määrän muuttamalla voidaan tarkasti hallita moottorin tuottamaa magneettista kenttää, mikä mahdollistaa täsmällisen nopeuden ohjaamisen.

Sarjamoottorin nopeus-torque ominaisuuskäyrä, joka graafisesti havainnollistaa moottorin kiertonopeuden ja sen tuottaman torque:n suhdetta eri toimintatilanteissa, on esitetty alla. Tämä käyrä tarjoaa arvokasta tietoa moottorin toimintaominaisuuksista, kun käytetään tapattua kenttäohjausmenetelmää, auttaa insinööreitä ja teknikkoja ymmärtämään, miten moottori reagoi kuormituksen ja nopeuden asetusten muutoksiin.

Kenttävirtausohjausmenetelmän edut
Kenttävirtausohjausmenetelmällä on useita huomattavia etuja, jotka esitetään alla:

• Helppous: Tämä lähestymistapa on yksinkertainen ja käyttäjäystävällinen, mikä mahdollistaa sen helpon toteuttamisen ja käytön.

• Pieni tehon häviö: Koska shunt-kenttä on yleensä pieni virta, häviö shunt-kentässä pysyy minimissä, mikä parantaa yleistä tehokkuutta.

• Nopeuden kasvattaminen: Magneettisen piirin terästa esiintyvän saturaation vuoksi magneettista virtausta ei yleensä voida lisätä normaalin arvon yläpuolelle. Tämän vuoksi kenttävirtausohjaus keskittyy enemmänkin kentän heikentämiseen, mikä johtaa moottorin kiertonopeuden kasvuun.

• Rajoitettu sovellusalue: Kuitenkin on tärkeää huomioida, että tämä menetelmä on sovellettavissa vain rajatulle alueelle. Kentän liian paljon heikentäminen voi johtaa epävakauden syntymiseen moottorin toiminnassa, mikä rajoittaa sen käyttöä tietyihin tilanteisiin, joissa tarkka ohjaus ja vakaus ovat olennaisia.