Fartstyring av DC-motor: Armaturmotstandsstyring og feltfluksstyring

En DC-motor er en enhet som konverterer mekanisk kraft til direktestrøms elektrisk kraft. En av de mest markante egenskapene ved en DC-motor er dens evne til å enkelt justere farten etter spesifikke behov ved hjelp av enkle metoder. Dette nivået av bekvem fartkontroll er ikke like lett oppnåelig med en AC-motor.

Konseptene fartregulering og fartkontroll er ulike. I tilfelle fartregulering endres motorens fart spontant i respons til ulike driftsforhold. Imidlertid initieres fartendringer i en DC-motor enten manuelt av en operatør eller automatisk gjennom kontrolelementer. Farten på en DC-motor bestemmes av følgende relasjon:

Ligning (1) viser tydelig at farten på en DC-motor avhenger av tre nøkkelfaktorer: spenningsforsyningen V, motstandsverdien i armaturekretsen Ra, og feltfluks ϕ, som genereres av feltstrømmen.

• Når det gjelder kontroll av farten på en DC-motor, er manipulering av spenning, armaturmotstand og feltfluks viktige overveielser. Det finnes tre hovedteknikker for å oppnå fartkontroll av en DC-motor, som er nevnt nedenfor:

• Variasjon av motstand i armaturekretsen (Armature Resistance or Rheostatic Control)

• Variasjon i feltfluks (Field Flux Control)

• Variasjon i anvendt spenning (Armature Voltage Control)

En mer grundig utforskning av hver av disse fartkontrollmetodene er gitt nedenfor.
Armaturmotstandskontroll av DC-motor (Shunt Motor)
Forbindelsesdiagrammet for å implementere armaturmotstandskontroll på en shuntmotor er vist nedenfor. I denne tilnærmingen settes en variabel motstand Re inn i armaturekretsen. Noter at endringer i verdien av denne variable motstanden ikke påvirker magnetfeltet, da feltvindingen er direkte koblet til strømforsyningen.

Strøm-fart-karakteristikken for shuntmotoren er vist nedenfor.

Seriemotor
La oss nå se på forbindelsesdiagrammet for å kontrollere farten på en DC-seriemotor ved hjelp av armaturmotstandskontrollmetoden.

Når motstanden i armaturekretsen justeres, påvirkes både strømmen gjennom kretsen og magnetfeltet i motoren samtidig. Spenningsfall over den variable motstanden reduserer effektivt spenningen som er tilgjengelig for armaturen. Dette fører til en reduksjon i den appliserte armaturespenningen, som igjen fører til en nedgang i motorens rotasjonsfart.

Karakteristikkurven for fart-strøm for en seriemotor, som viser forholdet mellom motorens fart og strømmen som passerer gjennom den, er presentert i figuren nedenfor.

Når verdien av den variable motstanden Re økes, opererer motoren med en lavere rotasjonsfart. Ettersom den variable motstanden leder hele armaturestrømmen, må den være utformet for å håndtere full-rated armaturestrøm uten å overhete eller mislykkes.

Ulemper ved armaturmotstandskontrollmetoden

• En betydelig mengde elektrisk energi dissiperes som varme i den eksterne motstanden Re, noe som fører til ineffektivitet og energiforbruk.

• Denne metoden for armaturmotstandskontroll er begrenset til å redusere motorens fart under dens normale driftsfart; den tillater ikke økning av fart over normalt nivå.

• For en spesifikk verdi av den variable motstanden, er graden av fartreduksjon ikke fast, men heller fluktuerer avhengig av belastningen på motoren, noe som gjør det utfordrende å oppnå presis fartregulering.

• På grunn av sine innebygde ineffektiviteter og begrensninger, er denne fartkontrolltilnærmingen typisk bare egnet for små motorer.

Feltflukskontrollmetode for DC-motor

Magnetfeltet i en DC-motor genereres av feltstrømmen. Dermed oppnås fartkontroll ved denne metoden ved å justere styrken av feltstrømmen.

Shunt Motor

I en shuntmotor kobles en variabel motstand RC i serie med shuntfeltvindingene, som vist i figuren nedenfor. Denne RC-en er ofte referert til som en shuntfeltregulator, som spiller en viktig rolle i å modifisere feltstrømmen, og deretter magnetfeltet i motoren.

Shuntfeltstrømmen er gitt ved ligningen nedenfor:

Når den variable motstanden RC settes inn i feltkretsen, begrenser den strømmen i feltvindingene. Dette fører til en reduksjon i det genererte magnetfeltet. Denne reduksjonen i fluks har en direkte innvirkning på motorens fart, som øker. Dermed opererer motoren med en rotasjonsfart som overstiger dens normale, uendrede fart.

Denne unike karakteristika gjør feltflukskontrollmetoden svært nyttig for to hovedformål. For det første lar den motoren oppnå høyere farter enn dens standard driftsfart, noe som gir fleksibilitet i applikasjoner som krever høyere rotasjonsrater. For det andre kan den brukes til å motvirke den naturlige fartnedgangen som skjer når motoren er under belastning, noe som effektivt sikrer en mer konsekvent fart under ulike belastningsforhold.

Karakteristikkurven for fart-dra moment for en shuntmotor, som grafisk illustrerer forholdet mellom motorens rotasjonsfart og dra momentet den kan produsere, er presentert nedenfor. Denne kurven gir verdifulle innsikter i motorens ytelsesegenskaper under ulike driftsscenarier når feltflukskontrollmetoden er brukt.

Seriemotor

I tilfelle en seriemotor kan feltstrømmen endres ved hjelp av en av to metoder: enten ved å bruke en diverter eller ved å implementere tapped feltkontroll.

Ved bruk av en diverter

Som vist i figuren nedenfor, kobles en variabel motstand Rd parallelt med seriefeltvindingene. Denne konfigurasjonen tillater manipulering av strømdistribusjonen i kretsen, noe som påvirker styrken av det magnetiske feltet generert av seriefeltvindingene.

Den parallelle motstanden i denne oppsettet er kjent som en diverter. Når diverteren med variabel motstand Rd kobles, ledet den en viss andel av hovedstrømmen unna seriefeltvindingene. Dette fører til at feltstrømmen reduseres. Som feltstrømmen reduseres, reduseres også det genererte magnetfeltet. Denne reduksjonen i fluks fører til en økning i motorens rotasjonsfart.Tapped feltkontrollDen andre tilnærmingen for å endre feltstrømmen i en seriemotor er ved hjelp av tapped feltkontroll. Tiltakets samsvarende forbindelsesdiagram, som viser de spesifikke elektriske koblingene og komponentene involvert i denne metoden, er presentert nedenfor.

I tapped feltkontrollmetoden justeres ampere-svingninger ved å endre antallet aktive feltsvingninger. Dette spesielle oppsettet er høygradig relevant for elektrisk traktsystemer. Ved å manipulere antallet feltsvingninger, endres det magnetiske feltfluks generert av motorens feltvinding, noe som muliggjør presis kontroll over motorens fart.

Karakteristikkurven for fart-dra moment for en seriemotor, som grafisk illustrerer forholdet mellom motorens rotasjonsfart og dra momentet den kan produsere under ulike driftsforhold, er vist nedenfor. Denne kurven gir verdifulle innsikter i motorens ytelseskapasiteter når tapped feltkontrollmetoden brukes, noe som hjelper ingeniører og teknikere med å forstå hvordan motoren reagerer på endringer i belastning og fartinnstillinger.

Fordeler ved feltflukskontroll
Feltflukskontrollmetoden gir flere merkelige fordeler, som er nevnt nedenfor:

• Enkel bruk: Denne tilnærmingen er rettferdig og brukervennlig, som forenkler enkel implementering og drift.

• Lav energiforbruk: Ettersom shuntfeltet typisk har et relativt lite strømbehov, blir energien som dissiperes i shuntfeltet minimal, noe som bidrar til forbedret total effektivitet.

• Mekanisme for fartøkning: På grunn av jernkjernen i det magnetiske kretsløpet, kan magnetfeltfluksen generelt ikke økes over sin normale verdi. Derfor fokuserer feltflukskontroll hovedsakelig på å svekke feltet, noe som effektivt fører til en økning i motorens rotasjonsfart.

• Kontrollert anvendelsesområde: Imidlertid er det viktig å merke seg at denne metoden kun er anvendelig innenfor et begrenset område. For mye svekkelse av feltet kan føre til ustabilitet i motorens drift, noe som begrenser bruken til spesifikke scenarier der presis kontroll og stabilitet er viktig.