DC-motor sebességvezérlés: Armatúr-ellenállás-vezérlés és mágneses fluxus-vezérlés

A DC motor is egy eszköz, amely mechanikai erőt átalakít közvetlen áramú elektromos energiává. A DC motor legjellemzőbb jellemvonása, hogy sebességét könnyen és egyszerű módszerekkel igazíthatjuk megfelelően a specifikus igényeknek. Ez a szintű kényelmes sebesség-ellenőrzés nem olyan könnyen elérhető AC motornál.

A sebesség-szabályozás és a sebesség-ellenőrzés fogalmai eltérőek. A sebesség-szabályozás esetén a motor sebessége spontán változik különböző működési feltételek hatására. Ellenben a DC motor esetén a sebességváltozások vagy manuálisan, operátortól, vagy automatikusan, ellenőrző berendezések által kezdeményezett. A DC motor sebessége a következő összefüggés alapján határozható meg:

Az (1) egyenlet világosan mutatja, hogy a DC motor sebessége három kulcsfontosságú tényezőtől függ: a tápegység feszültségétől V, az armatúrkör ellenállásától Ra és a mező-fluxustól ϕ, amely a mező-áram által generált.

• Amikor a DC motor sebesség-ellenőrzéséről beszélünk, a feszültség, az armatúr ellenállás és a mező-fluxus manipulációja alapvető fontosságú. Három fő módszer létezik a DC motor sebesség-ellenőrzésére, amelyeket a következőkben sorolunk fel:

• Az Armatúrkör ellenállásának változtatása (Armatúr ellenállás vagy rheostatic ellenőrzés)

• A Mező-fluxus változtatása (Mező-fluxus ellenőrzés)

• Az Alkalmazott Feszültség változtatása (Armatúr feszültség ellenőrzés)

Ezek mindegyik sebesség-ellenőrzési módszer részletesebb bemutatása a következőben található.
DC Motor Armatúr ellenállásának ellenőrzése (Szélesszálas motor)
A szélesszálas motor armatúr ellenállásának ellenőrzésének kapcsolási diagramja lent látható. Ebben az esetben egy változó ellenállás Re kerül be az armatúrkörbe. Megjegyzendő, hogy ez a változó ellenállás értékének változása nem befolyásolja a mágneses fluxust, mivel a mező-tekerő közvetlenül csatlakoztatva van a tápegységhez.

A szélesszálas motor sebesség-áramerő jellemzője alább látható.

Soros motor
Nézzük most a kapcsolási diagramot, amely bemutatja, hogyan lehet ellenőrizni a DC soros motor sebességét az armatúr ellenállás ellenőrzési módszerrel.

Amikor az armatúrkör ellenállása beállításra kerül, ez ugyanakkor befolyásolja a körön áthaladó áramot és a motorban lévő mágneses fluxust is. A változó ellenálláson történő feszültség-lehullás hatására csökken a armatúrnak elérhető feszültség. Ennek következtében a motor forgási sebessége csökken.

A soros motor sebesség-áramerő jellemző görbéje, amely a motor sebességének és a benne áthaladó áramnak a viszonyát mutatja, a következő ábrán látható.

Ha a változó ellenállás Re értéke növekedik, a motor alacsonyabb forgási sebességen működik. Mivel a változó ellenállás az egész armatúr áramot vezeti, ezért konstruálni kell úgy, hogy folyamatosan kezelje a teljes nominális armatúr áramot, anélkül, hogy túlmelegedne vagy meghibásodna.

Az Armatúr ellenállás ellenőrzési módszer hátrányai

• Signifikáns mennyiségű elektromos energia hővé válik a külső ellenállás Re-ben, ami ineffektivitást és energiapazarlást okoz.

• Ez az armatúr ellenállás ellenőrzési módszer korlátozódik a motor sebességének csökkentésére a normális működési sebességnél, nem engedélyezi a sebesség növelését a normális szint felett.

• Bármely adott változó ellenállás értékére a sebesség-csökkenés mértéke nem rögzített, hanem a motor terhelésétől függ, ami nehézséget okoz a pontos sebesség-szabályozásban.

• Ennek a sebesség-ellenőrzési módszernek a természetes ineffektivitása és korlátai miatt általában csak kisebb méretű motorok esetén alkalmazható.

A DC motor mező-fluxus ellenőrzési módszere

A DC motorban a mágneses fluxust a mező-áram generálja. Így ennek a módszernek a segítségével a sebesség-ellenőrzést a mező-áram nagyságának beállításával hajtjuk végre.

Szélesszálas motor

A szélesszálas motor esetén egy változó ellenállás RC kapcsolódik sorba a szélesszálas mező-tekerőkkel, ahogy az alábbi ábrán látható. Ez az RC gyakran szélesszálas mező-regulátor néven ismert, és alapvető szerepe van a mező-áram és a motor mágneses fluxusának módosításában.

A szélesszálas mező-áram a következő egyenlettel adható meg:

Amikor a változó ellenállás RC beillesztve van a mezőkörbe, korlátozza a mező-áram folyását. Ennek hatására a mező-tekerők által generált mágneses fluxus csökken. Ez a fluxus-csökkenés közvetlen hatással van a motor sebességére, ami emelkedik. Így a motor magasabb forgási sebességen működik, mint a normál, nem módosított sebessége.

Ez a jellemző teszi ezt a mező-fluxus ellenőrzési módszert különösen hasznosnak két fő célra. Először is, lehetővé teszi, hogy a motor a normális működési sebességénél magasabb sebességeket érjen el, ami rugalmasságot biztosít olyan alkalmazásokban, amelyekben magasabb forgási ütem szükséges. Másodszor, használható a motor terhelés alatti természetes sebesség-csökkenés ellen, hogy konzisztensebb sebességet fenntartsanak különböző terhelési feltételek között.

A szélesszálas motor sebesség-fordulatszám jellemző görbéje, amely grafikusan ábrázolja a motor forgási sebességének és a fordulatszámhoz tartozó nyomaték viszonyát, a következő ábrán látható. Ez a görbe értékes információkat nyújt a motor teljesítmény-jellemzőiről különböző működési helyzetekben, amikor a mező-fluxus ellenőrzési módszer alkalmazásra kerül.

Soros motor

A soros motor esetén a mező-áram módosítása két módon lehetséges: vagy diverter segítségével, vagy a mező-tekerők csonkolásával.

Diverter segítségével

Ahogy az alábbi ábrán látható, egy változó ellenállás Rd kapcsolódik párhuzamosan a soros mező-tekerőkkel. Ez a konfiguráció lehetővé teszi a körön belüli árameloszlás manipulálását, ami befolyásolja a soros mező-tekerők által generált mágneses mező erejét.

A párhuzamos ellenállás ebben a beállításban diverter néven ismert. Amikor a változó ellenállású diverter Rd kapcsolódik, áttér egy adott arányban a fő áramot a soros mező-tekerőkkel. Így a diverter fő funkciója, hogy csökkentse a mező-tekerőn áthaladó áram nagyságát. Ahogy a mező-áram csökken, a mező által generált mágneses fluxus is csökken. Ez a fluxus-csökkenés a motor forgási sebességének növekedését eredményezi.Tapped Field ControlA soros motor mező-áramának módosításának másik módja a mező-tekerők csonkolása. A hozzá tartozó kapcsolási diagram, amely a konkrét elektrikai kapcsolatokat és komponenseket mutatja, a következő ábrán látható.

A mező-tekerők csonkolása módszerében az ampère-körök számát változtatják a mező-tekerők aktív tekerőinek számának módosításával. Ez a konfiguráció különösen hasznos az elektromos járművezetési rendszerekben. A mező-tekerők számának módosításával a motor mező-tekerőjéből generált mágneses mező fluxusát módosítják, így lehetővé téve a motor sebességének pontos ellenőrzését.

A soros motor sebesség-fordulatszám jellemző görbéje, amely grafikusan ábrázolja a motor forgási sebességének és a fordulatszámhoz tartozó nyomaték viszonyát különböző működési feltételek között, a következő ábrán látható. Ez a görbe értékes információkat nyújt a motor teljesítmény-jellemzőiről, amikor a mező-tekerők csonkolása módszerét alkalmazzák, segítve az mérnököknek és technikusoknak, hogy megértsék, hogyan reagál a motor a terhelés és a sebesség beállításainak változásaira.

A mező-fluxus ellenőrzés előnyei
A mező-fluxus ellenőrzési módszer több jelentős előnyt kínál, amelyek a következőkben vannak felsorolva:

• Könnyű használat: Ez a módszer egyszerű és felhasználóbarát, ami egyszerű implementációt és működést tesz lehetővé.

• Alacsony energiafogyasztás: Mivel a szélesszálas mező általában kis áramot igényel, a szélesszálas mezőben diszippált energia minimális, ami hozzájárul a teljes hatékonyság javításához.

• Sebesség-növelési mechanizmus: A mágneses körben lévő vaskernyalom szenvedésének következtében a mágneses fluxus általában nem növelhető a normál értéknél. Így a mező-fluxus ellenőrzés főleg a mező gyengítésére összpontosít, ami a motor forgási sebességének növekedését eredményezi.

• Korlátozott alkalmazási tartomány: Fontos megjegyezni, hogy ez a módszer csak korlátozott tartományban alkalmazható. A mező túl nagy gyengítése instabilitást okozhat a motor működésében, ami korlátozza használatát olyan esetekre, ahol precíz ellenőrzés és stabilitás kulcsfontosságú.