Controllo della Velocità del Motore a Corrente Continua: Controllo della Resistenza dell'Armatura e Controllo del Flusso di Campo

Un motore a corrente continua è un dispositivo che converte la potenza meccanica in potenza elettrica a corrente continua. Una delle caratteristiche più notevoli di un motore a corrente continua è la sua capacità di regolare facilmente la velocità in base a specifiche esigenze utilizzando metodi semplici. Questo livello di controllo della velocità conveniente non è altrettanto facilmente raggiungibile con un motore a corrente alternata.

I concetti di regolazione della velocità e di controllo della velocità sono distinti. Nel caso della regolazione della velocità, la velocità del motore cambia spontaneamente in risposta a varie condizioni operative. Al contrario, in un motore a corrente continua, i cambiamenti di velocità vengono deliberatamente iniziati manualmente da un operatore o automaticamente attraverso dispositivi di controllo. La velocità di un motore a corrente continua è determinata dalla seguente relazione:

L'equazione (1) illustra chiaramente che la velocità di un motore a corrente continua dipende da tre fattori chiave: la tensione di alimentazione V, la resistenza del circuito dell'armatura Ra e il flusso di campo ϕ, generato dalla corrente di campo.

• Quando si tratta di controllare la velocità di un motore a corrente continua, la manipolazione della tensione, della resistenza dell'armatura e del flusso di campo sono considerazioni cruciali. Esistono tre tecniche principali per ottenere il controllo della velocità del motore a corrente continua, come indicato di seguito:

• Variazione della Resistenza nel Circuito dell'Armatura (Controllo della Resistenza dell'Armatura o Controllo Reostatico)

• Variazione del Flusso di Campo (Controllo del Flusso di Campo)

• Variazione della Tensione Applicata (Controllo della Tensione dell'Armatura)

Un'esplorazione più approfondita di ciascuno di questi metodi di controllo della velocità viene fornita successivamente.
Controllo della Resistenza dell'Armatura del Motore a Corrente Continua (Motore a Derivazione)
Il diagramma di connessione per implementare il controllo della resistenza dell'armatura su un motore a derivazione è rappresentato di seguito. In questo approccio, una resistenza variabile Re viene inserita nel circuito dell'armatura. Notabilmente, i cambiamenti nel valore di questa resistenza variabile non influenzano il flusso magnetico perché l'avvolgimento di campo è direttamente collegato alla rete di alimentazione.

La caratteristica corrente-velocità del motore a derivazione è mostrata di seguito.

Motore in Serie
Esaminiamo ora il diagramma di connessione per controllare la velocità di un motore a corrente continua in serie utilizzando il metodo di controllo della resistenza dell'armatura.

Quando la resistenza del circuito dell'armatura viene regolata, essa influenza contemporaneamente sia la corrente che scorre nel circuito sia il flusso magnetico all'interno del motore. La caduta di tensione sulla resistenza variabile riduce effettivamente la tensione disponibile per l'armatura. Di conseguenza, questa riduzione della tensione applicata all'armatura porta a una diminuzione della velocità rotazionale del motore.

La curva caratteristica corrente-velocità di un motore in serie, che illustra la relazione tra la velocità del motore e la corrente che lo attraversa, è presentata nella figura sottostante.

Quando il valore della resistenza variabile Re aumenta, il motore funziona a una velocità rotazionale inferiore. Poiché la resistenza variabile conducesse l'intera corrente dell'armatura, deve essere progettata per gestire continuamente la corrente nominale dell'armatura senza surriscaldarsi o guastarsi.

Svantaggi del Metodo di Controllo della Resistenza dell'Armatura

• Una quantità significativa di potenza elettrica viene dissipata sotto forma di calore nella resistenza esterna Re, causando inefficienze e spreco di energia.

• Questo metodo di controllo della resistenza dell'armatura è limitato a ridurre la velocità del motore al di sotto della sua velocità di funzionamento normale; non consente di aumentare la velocità oltre il livello normale.

• Per qualsiasi valore specifico della resistenza variabile, il grado di riduzione della velocità non è fisso ma invece fluttua a seconda del carico applicato al motore, rendendo difficile ottenere una regolazione precisa della velocità.

• A causa delle sue inefficienze intrinseche e limitazioni, questo approccio di controllo della velocità è generalmente adatto solo per motori di piccole dimensioni.

Metodo di Controllo del Flusso di Campo del Motore a Corrente Continua

Il flusso magnetico all'interno di un motore a corrente continua è generato dalla corrente di campo. Di conseguenza, il controllo della velocità utilizzando questo metodo viene realizzato regolando l'entità della corrente di campo.

Motore a Derivazione

In un motore a derivazione, una resistenza variabile RC è collegata in serie con gli avvolgimenti di campo a derivazione, come illustrato nella figura sottostante. Questo RC è comunemente noto come regolatore di campo a derivazione, svolgendo un ruolo cruciale nella modifica della corrente di campo e, conseguentemente, del flusso magnetico del motore.

La corrente di campo a derivazione è data dall'equazione mostrata di seguito:

Quando la resistenza variabile RC viene inserita nel circuito di campo, essa limita il flusso della corrente di campo. Di conseguenza, il flusso magnetico generato dagli avvolgimenti di campo diminuisce. Questa riduzione del flusso ha un impatto diretto sulla velocità del motore, causandone un aumento. Pertanto, il motore opera a una velocità rotazionale superiore alla sua velocità normale, non modificata.

Questa caratteristica unica rende il metodo di controllo del flusso di campo estremamente utile per due scopi principali. In primo luogo, permette al motore di raggiungere velocità superiori alla sua velocità di funzionamento standard, fornendo flessibilità nelle applicazioni che richiedono tassi rotazionali elevati. In secondo luogo, può essere utilizzato per contrastare la naturale diminuzione della velocità che si verifica quando il motore è sotto carico, mantenendo una velocità più costante in condizioni di carico variabili.

La curva caratteristica velocità-coppia di un motore a derivazione, che rappresenta graficamente la relazione tra la velocità rotazionale del motore e la coppia che può produrre, è presentata di seguito. Questa curva offre preziose informazioni sulle caratteristiche di prestazione del motore in diverse situazioni operative quando viene applicato il metodo di controllo del flusso di campo.

Motore in Serie

Nel caso di un motore in serie, la modifica della corrente di campo può essere realizzata attraverso uno dei due metodi: utilizzando un deviatore o implementando il controllo del campo a presa.

Utilizzando un Deviatore

Come illustrato nella figura sottostante, una resistenza variabile Rd è collegata in parallelo con gli avvolgimenti di campo in serie. Questa configurazione permette di manipolare la distribuzione della corrente all'interno del circuito, influenzando quindi la forza del campo magnetico generato dagli avvolgimenti di campo in serie.

La resistenza parallela in questa configurazione è nota come deviatore. Quando il deviatore con resistenza variabile Rd è collegato, esso devia una certa frazione della corrente principale dagli avvolgimenti di campo in serie. Di conseguenza, la funzione primaria del deviatore è quella di ridurre l'entità della corrente che passa attraverso l'avvolgimento di campo. A mano a mano che la corrente di campo diminuisce, il flusso magnetico generato dal campo si riduce. Questa riduzione del flusso porta a un aumento della velocità rotazionale del motore.Tapped Field ControlIl secondo approccio per modificare la corrente di campo in un motore in serie è attraverso il controllo del campo a presa. Il diagramma di connessione corrispondente, che illustra le specifiche connessioni elettriche e i componenti coinvolti in questo metodo, è presentato di seguito.

Nel metodo di controllo del campo a presa, gli ampere-giri vengono regolati cambiando il numero di spire di campo attive. Questa particolare configurazione è altamente applicabile nei sistemi di trazione elettrica. Manipolando il numero di spire di campo, si altera il flusso magnetico generato dall'avvolgimento di campo del motore, consentendo un controllo preciso sulla velocità del motore.

La curva caratteristica velocità-coppia di un motore in serie, che rappresenta graficamente la relazione tra la velocità rotazionale del motore e la coppia che può produrre in diverse condizioni operative, è illustrata di seguito. Questa curva fornisce preziose informazioni sulle capacità di prestazione del motore quando viene impiegato il metodo di controllo del campo a presa, aiutando ingegneri e tecnici a comprendere come il motore risponde ai cambiamenti di carico e alle impostazioni di velocità.

Vantaggi del Controllo del Flusso di Campo
Il metodo di controllo del flusso di campo offre diversi vantaggi notevoli, come indicato di seguito:

• Facilità d'uso: Questo approccio è semplice e user-friendly, facilitando l'implementazione e l'operazione.

• Basso consumo di potenza: Poiché il campo a derivazione richiede solitamente una corrente relativamente bassa, la potenza dissipata nel campo a derivazione rimane minima, contribuendo a un miglioramento dell'efficienza complessiva.

• Meccanismo di aumento della velocità: A causa della saturazione del nucleo di ferro nel circuito magnetico, il flusso magnetico generalmente non può essere aumentato oltre il suo valore normale. Di conseguenza, il controllo del flusso di campo si concentra principalmente sull'affievolimento del campo, che porta effettivamente a un aumento della velocità rotazionale del motore.

• Gamma di applicazione controllata: Tuttavia, è importante notare che questo metodo è applicabile solo entro un range ristretto. L'affievolimento eccessivo del campo può portare a instabilità nell'operazione del motore, limitandone l'uso a scenari specifici in cui sono cruciali il controllo preciso e la stabilità.