Kontrola brzine gama motora: kontrola otpora armature i kontrola fluksa polja

DC motor je uređaj koji pretvara mehaničku snagu u električnu snagu jednosmjernog struja. Jedna od najznačajnijih karakteristika DC motora jest mogućnost lako prilagođavanja brzine prema specifičnim zahtjevima pomoću jednostavnih metoda. Taj nivo praktične kontrole brzine nije tako lako dostupan kod AC motora.

Koncepti regulacije brzine i kontrole brzine su različiti. U slučaju regulacije brzine, brzina motora se spontano mijenja u odgovoru na različite radne uvjete. S druge strane, kod DC motora promjene brzine su namjerno inicirane bukvalno rukom operatera ili automatski putem kontrolnih uređaja. Brzina DC motora određuje se sljedećom relacijom:

Jednadžba (1) jasno ilustrira da brzina DC motora ovisi o tri ključna faktora: naponskom naponu V, otpornosti kruga armature Ra i magnetskom toku ϕ, koji generira magnetski tok polja.

• Kada je riječ o kontroli brzine DC motora, manipulacija naponom, otpornošću armature i magnetskim tokom su ključni aspekti. Postoji tri glavne tehnike postizanja kontrole brzine DC motora, kako je navedeno u nastavku:

• Varijanca otpornošću u krugu armature (Otpornošću armature ili reostatska kontrola)

• Varijanca magnetskog toka (Kontrola magnetskog toka)

• Varijanca primijenjenog napona (Kontrola napona armature)

Naprednije istraživanje svake od ovih metoda kontrole brzine daje se u nastavku.
Kontrola otpornošću armature DC motora (Shunt motor)
Dijagram spoja za implementaciju kontrole otpornošću armature na shunt motor prikazan je u nastavku. U ovom pristupu, varijabilni otpornik Re umetnut je u krug armature. Važno je napomenuti da promjene vrijednosti ovog varijabilnog otpornika ne utječu na magnetski tok jer je polje zavojnice direktno spojeno s mrežom.

Karakteristika brzine-struja shunt motora prikazana je u nastavku.

Serijalni motor
Sada ćemo ispitati dijagram spoja za kontrolu brzine DC serijalnog motora koristeći metodu kontrole otpornošću armature.

Kada se prilagodi otpornošću kruga armature, to istodobno utječe na struju koja protječe kroz krug i magnetski tok unutar motora. Pad napona na varijabilnom otporniku efektivno smanjuje napon dostupan armaturi. Kao rezultat, ovo smanjenje primijenjenog napona armature dovodi do smanjenja rotacijske brzine motora.

Karakteristična krivulja brzine-struja serijalnog motora, koja ilustrira odnos između brzine motora i struje koja prođe kroz njega, prikazana je na slici u nastavku.

Kada se vrijednost varijabilnog otpora Re poveća, motor radi na nižoj rotacijskoj brzini. Budući da varijabilni otpor provodi cijelu struju armature, mora biti dizajniran da neprekidno nosi cijelu nominalnu struju armature bez pretopa ili propusta.

Nedostaci metode kontrole otpornošću armature

• Značajna količina električne snage rasipa se kao toplina unutar vanjskog otpora Re, što dovodi do neefikasnosti i gubitaka energije.

• Ova metoda kontrole otpornošću armature ograničena je na smanjenje brzine motora ispod njegove normalne radne brzine; ne dopušta povećanje brzine iznad normalnog nivoa.

• Za svaku specifičnu vrijednost varijabilnog otpora, stupanj smanjenja brzine nije fiksiran, već se fluktuira ovisno o opterećenju motora, što čini teškim postići preciznu regulaciju brzine.

• Zbog svojih neefikasnosti i ograničenja, ovaj pristup kontrole brzine obično je pogodan samo za male motore.

Metoda kontrole magnetskog toka DC motora

Magnetski tok unutar DC motora generira se magnetskim tokom polja. Stoga se kontrola brzine ovom metodom postiže prilagođavanjem magnituda magnetskog toka polja.

Shunt motor

U shunt motoru, varijabilni otpornik RC spojen je niz s shunt zavojnicama polja, kao što je prikazano na slici u nastavku. Ovaj RC obično se naziva regulator shunt polja, igrajući ključnu ulogu u modificiranju magnetskog toka polja i, posljedično, magnetskog toka motora.

Struja shunt polja dana je jednadžbom prikazanom u nastavku:

Kada se varijabilni otpornik RC umetne u krug polja, on ograničava protok magnetskog toka polja. Kao rezultat, magnetski tok generiran zavojnicama polja smanjuje se. To smanjenje toka ima direktni utjecaj na brzinu motora, uzrokujući da se poveća. Tako motor radi na rotacijskoj brzini koja prelazi njegovu normalnu, neizmijenjenu brzinu.

Ova jedinstvena karakteristika čini metodu kontrole magnetskog toka vrlo korisnom za dvije glavne svrhe. Prvo, omogućuje motoru dostizanje brzina viših od njegovog standardnog radnog brzine, pružajući fleksibilnost u aplikacijama koje zahtijevaju podignute rotacijske brzine. Drugo, može se koristiti za kompenzaciju prirodnog pada brzine koji se događa kada je motor pod opterećenjem, efektivno održavajući konzistentniju brzinu pod različitim uvjetima opterećenja.

Karakteristična krivulja brzine-momenta shunt motora, koja grafički ilustrira odnos između rotacijske brzine motora i momenta koji može proizvesti, prikazana je u nastavku. Ova krivulja nudi vrijedne uvide u performanse motora pod različitim radnim scenarijima kada se primjenjuje metoda kontrole magnetskog toka.

Serijalni motor

U slučaju serijalnog motora, promjena magnetskog toka polja može se postići jednom od dvije metode: koristeći diverter ili implementirajući kontrolu polja sa tapovima.

Korištenjem divertera

Kao što je prikazano na slici u nastavku, varijabilni otpornik Rd spojen je paralelno s serijalnim zavojnicama polja. Ova konfiguracija omogućuje manipulaciju distribucijom struje unutar kruga, time utječeći na jačinu magnetskog polja generiranog serijalnim zavojnicama polja.

Paralelni otpornik u ovom postavljanju poznat je kao diverter. Kada se diverter s varijabilnim otporom Rd spoji, on odvija određeni udio glavne struje od serijalnih zavojnica polja. Kao rezultat, primarna funkcija divertera je smanjiti magnitudu struje koja prolazi kroz zavojnicu polja. Kako magnetski tok polja opada, magnetski tok generiran poljem također se smanjuje. To smanjenje toka dovodi do povećanja rotacijske brzine motora. Kontrola polja sa tapovimaDrugi pristup za promjenu magnetskog toka polja u serijalnom motoru je kroz kontrolu polja sa tapovima. Odgovarajući dijagram spoja, koji ilustrira specifične električne spojeve i komponente uključene u ovu metodu, prikazan je u nastavku.

U metodi kontrole polja sa tapovima, amper-oborci se prilagođavaju mijenjanjem broja aktivnih zavojnica polja. Ova posebna konfiguracija visoko je primjenjiva u električnim sustavima trakcije. Manipulacijom broja zavojnica polja, magnetski tok generiran zavojnicama polja motora mijenja se, omogućujući preciznu kontrolu nad brzinom motora.

Karakteristična krivulja brzine-momenta serijalnog motora, koja grafički prikazuje odnos između rotacijske brzine motora i momenta koji može proizvesti pod različitim radnim uvjetima, prikazana je u nastavku. Ova krivulja nudi vrijedne uvide u sposobnosti motora kada se primjenjuje metoda kontrole polja sa tapovima, pomažući inženjerima i tehničarima da razumiju kako motor reagira na promjene opterećenja i postavki brzine.

Prednosti kontrole magnetskog toka
Metoda kontrole magnetskog toka nudi nekoliko značajnih prednosti, kako je navedeno u nastavku:

• Jednostavnost upotrebe: Ovaj pristup je jednostavan i korisniku prijateljski, olakšavajući jednostavnu implementaciju i upotrebu.

• Niska potrošnja snage: Budući da shunt polje obično ima relativno malu potrebu za strujom, snaga rasipa se unutar shunt polja ostaje minimalna, doprinoseći poboljšanoj ukupnoj učinkovitosti.

• Mehanizam povećanja brzine: Zbog nasitnosti željeznog jezgra u magnetskom krugu, magnetski tok obično se ne može povećati iznad njegove normalne vrijednosti. Stoga se kontrola magnetskog toka uglavnom fokusira na oslabljenje polja, što efektivno dovodi do povećanja rotacijske brzine motora.

• Ograničeni opseg primjene: Međutim, važno je napomenuti da je ova metoda primjenjiva samo unutar ograničenog opsega. Preveliki oslabljenje polja može dovesti do nestabilnosti u radu motora, ograničujući njegovo korištenje na specifičnim scenarijima gdje je nužna precizna kontrola i stabilnost.