שליטה במהירות של מנוע ישר זרם: שליטה 저ومة בתנגדות הארמה ושליטה בשדה השטף

מנוע DC הוא מכשיר הממיר אנרגיה מכנית לאנרגיה חשמלית בתפזורת ישרה. אחת מאפייניו הבולטים ביותר של מנוע DC היא היכולת להשתנות בקלות מהירותו בהתאם לדרישות ספציפיות באמצעות שיטות פשוטות. רמת השליטה במהירות הנוחה הזו אינה קלה להשגה באותה מידה עם מנוע AC.

המושגים של תקנון מהירות וניהול מהירות הם שונים. במקרה של תקנון מהירות, מהירות המנוע משתנה באופן אוטומטי בתגובה לתנאים שונים של פעולה. לעומת זאת, במנוע DC, שינויים במהירות מתבצעים במכוון, בין אם על ידי מפעיל באופן ידני או באופן אוטומטי באמצעות מכשירי בקרה. מהירות מנוע DC נקבעת על ידי הקשר הבא:

משוואה (1) מדגימה בבירור כי מהירות מנוע DC תלויה בשלושה גורמים עיקריים: המתח הזמין V, התנגדות המעגל הארמור Ra, והפלוקס השדה ϕ שנוצר על ידי זרם השדה.

• בשאיפה לשלוט במהירות מנוע DC, הגישה ליצירת שינוי במתח, התנגדות הארמור ופלוקס השדה הם נושאים קריטיים. ישנן שלוש טכניקות עיקריות להשגת שליטה במהירות מנוע DC, כפי שמפורט להלן:

• שינוי בהתנגדות מעגל הארמור (ניהול התנגדות הארמור או Rheostatic Control)

• שינוי בפלוקס השדה (ניהול פלוקס השדה)

• שינוי במתח המופעל (ניהול מתח הארמור)

הרחבה מעמיקה של כל אחת מהשיטות הללו לניהול מהירות מוצגת בהמשך.
ניהול התנגדות הארמור של מנוע DC (מנוע Shunt)
תרשים החיבור למימוש ניהול התנגדות הארמור במנוע Shunt מוצג להלן. בשיטה זו, מוכנס 저ومة משתנה Re למעגל הארמור. חשוב לציין כי שינויים בערך של 저ومة משתנה זה אינם משפיעים על הפלוקס המגנטי כיוון שהסליל השדה מחובר ישירות לחשמל הספק.

מאפייני המהירות והזרם של מנוע Shunt מוצגים להלן.

מנוע Series
כעת נעיין בתרשים החיבור לשליטה במהירות מנוע DC Series באמצעות שיטת ניהול התנגדות הארמור.

כאשר התנגדות מעגל הארמור מותאמת, היא משפיעה בו זמנית על הזרם העובר במעגל ועל הפלוקס המגנטי בתוך המנוע. ההפרש במתח על פני 저ومة המשתנה מפחית את המתח הזמין לארמור. כתוצאה מכך, הפחתה זו במתח המופעל על הארמור מובילה לעליה במהירות הסיבוב של המנוע.

העקומה המאפיינת את המהירות והזרם של מנוע Series, המדגימה את הקשר בין מהירות המנוע לזרם העובר דרכו, מוצגת בתמונה שלהלן.

כאשר ערך ההתנגדות המשתנה Re עולה, המנוע פועל במהירות סיבוב נמוכה יותר. מכיוון שההתנגדות המשתנה מנהלת את כל זרם הארמור, היא צריכה להיות מיוצרת כך שתוכל להתמודד עם זרם הארמור המלא ללא חימום יתר או כשל.

חסרונות שיטת ניהול התנגדות הארמור

• כמות גדולה של אנרגיה חשמלית מתפזרת כתשואת חום בתוך ההתנגדות החיצונית Re, מה שגורם לאפקטיביות נמוכה ואבוז אנרגיה.

• שיטת ניהול התנגדות הארמור מוגבלת להפחתת מהירות המנוע מתחת למהירות הפעולה הנורמלית שלו; היא אינה מאפשרת עלייה במהירות מעבר למהירות הנורמלית.

• לכל ערך מסוים של ההתנגדות המשתנה, מידת הפחתת המהירות אינה קבועה אלא משתנה בהתאם עומס המוטל על המנוע, מה שמקשה על השגת תקנון מהירות מדויק.

• בשל אי-האפקטיביות והמגבלות הטבועות בה, שיטה זו של ניהול מהירות מתאימה בדרך כלל רק למכונות קטנות.

שיטת ניהול פלוקס השדה של מנוע DC

הפלוקס המגנטי בתוך מנוע DC נוצר על ידי זרם השדה. לכן, ניהול מהירות באמצעות שיטה זו מתבצע על ידי تعدיה בכמות זרם השדה.

מנוע Shunt

במנוע Shunt, 저ومة משתנה RC מחובר בטור עם סלילי השדה Shunt, כפי שמוצג בתמונה שלהלן. RC זה מכונה לעיתים "רגולטור שדה Shunt", והוא משחק תפקיד מרכזי בהגדרת זרם השדה ובהתאם גם בפלוקס המגנטי של המנוע.

זרם השדה Shunt נתון על ידי המשוואה המוצגת להלן:

כאשר 저ومة המשתנה RC מוכנס למעגל השדה, הוא מגביל את זרם השדה. כתוצאה מכך, הפלוקס המגנטי שנוצר על ידי סלילי השדה מופחת. הפחתה זו בפלוקס משפיעה ישירות על מהירות המנוע ומגביר אותה. לפיכך, המנוע פועל במהירות סיבוב גבוהה ממהירות הפעולה הנורמלית שלו.

תכונה ייחודית זו הופכת את שיטת ניהול פלוקס השדה לשימושית מאוד לשני מטרות עיקריות. ראשית, היא מאפשרת למנוע להשיג מהירויות גבוהות ממהירות הפעולה הסטנדרטית, מה שמציע גמישות באפליקציות הדורשות מהירויות סיבוב גבוהות. ושנית, ניתן להשתמש בה כדי להתגבר על ירידת המהירות הטבעית המתרחשת כאשר המנוע נמצא תחת עומס, מה שמוביל לשימור מהירות אחידה יותר תחת תנאים שונים של עומס.

עקומת המהירות והמומנט של מנוע Shunt, המדגימה גרפית את הקשר בין מהירות הסיבוב של המנוע למומנט שהוא יכול לייצר, מוצגת להלן. עקומה זו מספקת מבט ערכי לתכונות הביצועים של המנוע בנסיבות שונות של פעולה כאשר משמשים בשיטת ניהול פלוקס השדה.

מנוע Series

במקרה של מנוע Series, שינוי זרם השדה יכול להתבצע באמצעות אחת משתי שיטות: או באמצעות שימוש בDiverter, או באמצעות בקרת שדה מתקשרת.

בעזרת Diverter

כפי שמוצג בתמונה שלהלן,저ومة משתנה Rd מחובר מקביל לסלילי השדה Series. תצורה זו מאפשרת לנהל את הפצה של הזרם במעגל, ובכך להשפיע על חוזק השדה המגנטי שנוצר על ידי סלילי השדה Series.

ההתנגדות מקבילה בסידור זה מכונה Diverter. כאשר Diverter עם התנגדות משתנה Rd מחובר, הוא מפצל חלק מהזרם העיקרי מסלילי השדה Series. כתוצאה מכך, תפקידו העיקרי של Diverter הוא להפחית את כמות הזרם העובר דרך סליל השדה. ככל שזרם השדה יורד, הפלוקס המגנטי שנוצר על ידי השדה גם הוא יורד. הפחתה זו בפלוקס מובילה לעליה במהירות הסיבוב של המנוע.Tapped Field Controlהגישה השנייה לשינוי זרם השדה במנוע Series היא באמצעות בקרת שדה מתקשרת. תרשים החיבור המתאים, המדגים את החיבורים החשמליים והרכיבים המעורבים בשיטה זו, מוצג להלן.

בשיטה של בקרת שדה מתקשרת, מספר הקפות האמפר מתעדכן על ידי שינוי במספר הקפות השדה פעילות. תצורה זו היא מאוד מתאימה במערכות חשמל נייד. על ידי שינוי במספר הקפות השדה, הפלוקס המגנטי שנוצר על ידי סליל השדה של המנוע משתנה, מה שמאפשר שליטה מדויקת במהירות המנוע.

עקומת המהירות והמומנט של מנוע Series, המדגימה גרפית את הקשר בין מהירות הסיבוב של המנוע למומנט שהוא יכול לייצר תחת מצבים שונים של פעולה, מוצגת להלן. עקומה זו מספקת מבט ערכי לתכונות הביצועים של המנוע כאשר משתמשים בשיטת בקרת שדה מתקשרת, מה שמסייע למהנדסים וטכנאים להבין איך המנוע מגיב לשינויים בעומס ומהירות.

יתרונות של ניהול פלוקס השדה
שיטה של ניהול פלוקס השדה מציעה מספר יתרונות בולטים, כפי שמפורט להלן:

• קלות השימוש: גישה זו פשוטה ונוחה לשימוש, מה שמאפשר יישום ופעולת פשוטים.

• הפסדי אנרגיה נמוכים: מאחר וזרם השדה Shunt בדרך כלל דורש זרם קטן יחסית, כמות האנרגיה המופרת בתוך השדה Shunt נשארת נמוכה, מה שתרום לאפקטיביות כללית טובה יותר.

• กลไק להגדלת מהירות: בשל satuレーション של ליבת הברזל במעגל המגנטי, בדרך כלל לא ניתן להעלות את הפלוקס המגנטי מעבר לערך הנורמלי שלו. לכן, ניהול פלוקס השדה מתמקד בעיקר בהחלשת השדה, מה שמוביל להגדלת מהירות הסיבוב של המנוע.

• טווח יישום מוגבל: עם זאת, חשוב לציין כי שיטה זו מתאימה רק בתחום מוגבל. החלשת יתר של השדה יכולה להוביל לאיזון בלתי יציב בפעולת המנוע, מה שמקטין את השימוש שלה למקרים ספציפיים בהם שליטה מדויקת ואיזון הם קריטיים.