Regel van de snelheid van de gelijkstroommotor: armatuurweerstandregeling en veldfluxregeling

Een gelijkstroommotor is een apparaat dat mechanische energie omzet in elektrische energie met gelijkspanning. Een van de meest opvallende kenmerken van een gelijkstroommotor is de mogelijkheid om de snelheid eenvoudig aan te passen volgens specifieke vereisten met behulp van eenvoudige methoden. Dit niveau van gemakkelijke snelheidsregeling is bij een wisselstroommotor niet zo gemakkelijk te bereiken.

De concepten van snelheidsregeling en snelheidscontrole zijn verschillend. In het geval van snelheidsregeling verandert de snelheid van de motor spontaan als reactie op verschillende werkomstandigheden. Daarentegen worden in een gelijkstroommotor snelheidsveranderingen doelbewust geïnitieerd, ofwel handmatig door een operator of automatisch via controleapparatuur. De snelheid van een gelijkstroommotor wordt bepaald door de volgende relatie:

Vergelijking (1) illustreert duidelijk dat de snelheid van een gelijkstroommotor afhangt van drie belangrijke factoren: de voedingsspanning V, de weerstand van het armatuurcircuit Ra en de veldflux ϕ, die wordt gegenereerd door de veldstroom.

• Bij het regelen van de snelheid van een gelijkstroommotor zijn de manipulatie van de spanning, de armatuurweerstand en de veldflux cruciale overwegingen. Er zijn drie primaire technieken om de snelheid van een gelijkstroommotor te regelen, zoals hieronder beschreven:

• Variatie van de Weerstand in het Armatuurcircuit (Armatuurweerstand of Rheostatische Controle)

• Variatie in Veldflux (Veldfluxcontrole)

• Variatie in Toegepaste Spanning (Armatuurspanningscontrole)

Een meer gedetailleerde verkenning van elke van deze snelheidscontrolemethoden wordt vervolgens gegeven.
Armatuurweerstandcontrole van Gelijkstroommotor (Shuntmotor)
Het verbindingsschema voor de implementatie van armatuurweerstandcontrole op een shuntmotor is hieronder weergegeven. In deze benadering wordt een variabele weerstand Re in het armatuurcircuit ingevoegd. Het is opmerkelijk dat veranderingen in de waarde van deze variabele weerstand geen invloed hebben op de magnetische flux, omdat de veldwikkeling direct aan de voeding is aangesloten.

De stroomsnelheidskenmerklijn van de shuntmotor is hieronder weergegeven.

Series Motor
Laten we nu het verbindingsschema bekijken voor het regelen van de snelheid van een seriegelijkstroommotor met behulp van de armatuurweerstandcontrolemethode.

Wanneer de weerstand van het armatuurcircuit wordt aangepast, heeft dit tegelijkertijd invloed op zowel de stroom die door het circuit stroomt als de magnetische flux binnen de motor. De spanningsoverval over de variabele weerstand verminderd effectief de spanning die beschikbaar is voor de armatuur. Hierdoor leidt deze reductie in toegepaste armatuurspanning tot een afname van de rotatiesnelheid van de motor.

De stroomsnelheidskenmerklijn van een series motor, die de relatie tussen de snelheid van de motor en de stroom die erdoorheen stroomt, illustreert, wordt in de onderstaande figuur weergegeven.

Wanneer de waarde van de variabele weerstand Re wordt verhoogd, werkt de motor op een lagere rotatiesnelheid. Aangezien de variabele weerstand de volledige armatuurstroom geleidt, moet deze ontworpen zijn om continu de volledige nominale armatuurstroom te kunnen hanteren zonder oververhitting of defecten.

Nadelen van de Armatuurweerstandcontrole Methode

• Een aanzienlijke hoeveelheid elektrische energie wordt als warmte gedissipeerd in de externe weerstand Re, wat resulteert in inefficiëntie en energieverlies.

• Deze methode van armatuurweerstandcontrole is beperkt tot het verlagen van de motorsnelheid onder de normale werksnelheid; het staat niet toe om de snelheid boven het normale niveau te verhogen.

• Voor elke specifieke waarde van de variabele weerstand is de mate van snelheidsafname niet vast, maar varieert afhankelijk van de belasting op de motor, waardoor het moeilijk is om nauwkeurige snelheidsregeling te bereiken.

• Vanwege de inherente inefficiënties en beperkingen is deze snelheidscontrolebenadering meestal alleen geschikt voor kleinere motoren.

Veldfluxcontrole Methode van Gelijkstroommotor

De magnetische flux in een gelijkstroommotor wordt gegenereerd door de veldstroom. Daarom wordt snelheidscontrole met deze methode bereikt door de grootte van de veldstroom aan te passen.

Shunt Motor

In een shuntmotor wordt een variabele weerstand RC in serie met de shuntveldwikkelingen aangesloten, zoals in de onderstaande figuur wordt getoond. Deze RC wordt vaak aangeduid als een shuntveldregelaar, die een cruciale rol speelt bij het wijzigen van de veldstroom en daarmee de magnetische flux van de motor.

De shuntveldstroom wordt gegeven door de vergelijking die hieronder wordt weergegeven:

Wanneer de variabele weerstand RC in het veldcircuit wordt ingevoegd, beperkt dit de stroom door het veld. Hierdoor neemt de magnetische flux die door de veldwikkelingen wordt gegenereerd af. Deze afname in flux heeft een directe invloed op de snelheid van de motor, waardoor deze toeneemt. Hierdoor werkt de motor op een rotatiesnelheid die hoger ligt dan de normale, ongewijzigde snelheid.

Dit unieke kenmerk maakt de veldfluxcontrolemethode zeer nuttig voor twee hoofddoeleinden. Ten eerste stelt het de motor in staat om snelheden te bereiken die hoger liggen dan de standaardsnelheid, wat flexibiliteit biedt in toepassingen die verhoogde rotatiesnelheden vereisen. Ten tweede kan het worden gebruikt om de natuurlijke snelheidsdaling te compenseren die optreedt wanneer de motor onder belasting staat, waardoor een meer constante snelheid onder variabele belastingcondities wordt onderhouden.

De snelheidskoppelkenmerklijn voor een shuntmotor, die grafisch de relatie tussen de rotatiesnelheid van de motor en het koppel dat hij kan produceren, wordt hieronder weergegeven. Deze lijn biedt waardevolle inzichten in de prestatiekenmerken van de motor onder verschillende werkscenarios wanneer de veldfluxcontrolemethode wordt toegepast.

Series Motor

In het geval van een seriesmotor kan de veldstroom worden aangepast door middel van een van twee methoden: ofwel door gebruik te maken van een diverter of door middel van getapte veldcontrole.

Door Gebruik te Maken van een Diverter

Zoals in de onderstaande figuur wordt getoond, wordt een variabele weerstand Rd parallel met de seriesveldwikkelingen aangesloten. Deze configuratie stelt in staat om de stroomverdeling binnen het circuit te manipuleren, waardoor de sterkte van het magnetisch veld dat door de seriesveldwikkelingen wordt gegenereerd, wordt beïnvloed.

De parallelle weerstand in deze configuratie wordt aangeduid als een diverter. Wanneer de diverter met variabele weerstand Rd wordt aangesloten, leidt deze een bepaald deel van de hoofdstroom weg van de seriesveldwikkelingen. Hierdoor is de primaire functie van de diverter om de grootte van de stroom die door de veldwikkeling stroomt, te verkleinen. Naarmate de veldstroom afneemt, neemt ook de magnetische flux die door het veld wordt gegenereerd af. Deze afname in flux leidt tot een toename van de rotatiesnelheid van de motor.Tapped Field ControlDe tweede benadering voor het wijzigen van de veldstroom in een seriesmotor is door middel van getapte veldcontrole. Het corresponderende verbindingsschema, dat de specifieke elektrische verbindingen en componenten die bij deze methode betrokken zijn, illustreert, wordt hieronder weergegeven.

Bij de getapte veldcontrolemethode worden de ampère-omwentelingen aangepast door het aantal actieve veldomwentelingen te veranderen. Deze specifieke configuratie is zeer toepasbaar in elektrische tractiesystemen. Door het aantal veldomwentelingen te manipuleren, wordt de magnetische veldflux die door de veldwikkeling van de motor wordt gegenereerd, gewijzigd, waardoor nauwkeurige controle over de snelheid van de motor mogelijk wordt.

De snelheidskoppelkenmerklijn van een seriesmotor, die grafisch de relatie tussen de rotatiesnelheid van de motor en het koppel dat hij kan produceren onder verschillende werkcondities, illustreert, wordt hieronder weergegeven. Deze lijn biedt waardevolle inzichten in de prestatiecapaciteiten van de motor wanneer de getapte veldcontrolemethode wordt toegepast, waardoor ingenieurs en technici begrijpen hoe de motor reageert op veranderingen in belasting en snelheidsinstellingen.

Voordelen van Veldfluxcontrole
De veldfluxcontrolemethode biedt verschillende opmerkelijke voordelen, zoals hieronder beschreven:

• Gemakkelijk te Gebruiken: Deze benadering is eenvoudig en gebruiker-vriendelijk, waardoor eenvoudige implementatie en bediening mogelijk is.

• Geringe Energieverlies: Aangezien de shuntveldtypisch een relatief kleine stroomvereiste heeft, blijft de in de shuntveld gedissipeerde energie minimaal, wat bijdraagt aan een verbeterde algemene efficiëntie.

• Mechanisme voor Snelheidsverhoging: Vanwege de verzadiging van de ijzerkern in het magnetische circuit, kan de magnetische flux over het algemeen niet verder worden verhoogd dan de normale waarde. Daarom richt de veldfluxcontrole zich voornamelijk op het verzwakken van het veld, wat effectief leidt tot een toename van de rotatiesnelheid van de motor.

• Beperkte Toepassingsbereik: Het is echter belangrijk op te merken dat deze methode alleen binnen een beperkt bereik toepasbaar is. Excessive verzwakking van het veld kan leiden tot instabiliteit in de werking van de motor, waardoor het gebruik beperkt is tot specifieke scenario's waarin nauwkeurige controle en stabiliteit cruciaal zijn.