Regulacja prędkości silnika prądu stałego: kontrola oporu uzwojenia i kontrola natężenia pola

Silnik prądu stałego to urządzenie, które przekształca moc mechaniczną w elektryczną moc prądu stałego. Jedną z najbardziej charakterystycznych cech silnika prądu stałego jest możliwość łatwego dostosowania jego prędkości do konkretnych wymagań za pomocą prostych metod. Taki poziom wygodnej regulacji prędkości nie jest tak łatwo osiągalny dla silników prądu zmiennego.

Pojęcia regulacji prędkości i sterowania prędkością są różne. W przypadku regulacji prędkości, prędkość silnika zmienia się spontanicznie w odpowiedzi na różne warunki pracy. Z kolei w silniku prądu stałego, zmiany prędkości są celowo inicjowane ręcznie przez operatora lub automatycznie za pomocą urządzeń sterujących. Prędkość silnika prądu stałego określa się następującym związkiem:

Równanie (1) jasno pokazuje, że prędkość silnika prądu stałego zależy od trzech kluczowych czynników: napięcia zasilania V, oporu obwodu wirowego Ra oraz strumienia magnetycznego ϕ, generowanego przez prąd pola.

• Gdy mowa o sterowaniu prędkością silnika prądu stałego, manipulacja napięciem, oporem wirowym i strumieniem pola są kluczowymi rozważaniami. Istnieją trzy główne techniki sterowania prędkością silnika prądu stałego, jak podano poniżej:

• Zmiana oporu w obwodzie wirowym (Sterowanie oporem wirowym lub reostatyczne)

• Zmiana strumienia pola (Sterowanie strumieniem pola)

• Zmiana napięcia zastosowanego (Sterowanie napięciem wirowym)

Bardziej szczegółowe omówienie tych metod sterowania prędkością zostanie przedstawione poniżej.
Sterowanie oporem wirowym silnika prądu stałego (Silnik szeregowy)
Schemat połączeń do zaimplementowania sterowania oporem wirowym w silniku szeregowym przedstawiono poniżej. W tym podejściu, zmienny rezystor Re jest wprowadzony do obwodu wirowego. Zauważalne jest, że zmiany wartości tego zmiennego rezystora nie wpływają na strumień magnetyczny, ponieważ cewka pola jest bezpośrednio połączona z siecią zasilającą.

Charakterystyka prędkości-napięcia silnika szeregowego przedstawiona jest poniżej.

Silnik szeregowy
Przeanalizujmy teraz schemat połączeń do sterowania prędkością silnika szeregowego prądu stałego przy użyciu metody sterowania oporem wirowym.

Gdy opór obwodu wirowego jest regulowany, jednocześnie wpływa na prąd płynący przez obwód oraz na strumień magnetyczny w silniku. Spadek napięcia na zmiennym rezystorze skutecznie zmniejsza napięcie dostępne dla obwodu wirowego. W konsekwencji, to zmniejszenie zastosowanego napięcia wirowego prowadzi do obniżenia prędkości obrotowej silnika.

Krzywa charakterystyki prędkości-napięcia silnika szeregowego, która ilustruje relację między prędkością silnika a prądem przepływającym przez niego, przedstawiona jest na poniższym rysunku.

Gdy wartość zmiennego rezystora Re jest zwiększana, silnik działa z niższą prędkością obrotową. Ponieważ zmienny rezystor przepuszcza cały prąd wirowy, musi być zaprojektowany tak, aby ciągle obsługiwał pełny nominalny prąd wirowy bez nadgrzewania się lub awarii.

Wady metody sterowania oporem wirowym

• Znaczna ilość energii elektrycznej jest rozprasza jako ciepło w zewnętrznym rezystorze Re, co prowadzi do nieefektywności i marnowania energii.

• Ta metoda sterowania oporem wirowym ogranicza się do obniżania prędkości silnika poniżej normalnej prędkości pracy; nie pozwala ona na zwiększenie prędkości powyżej normalnej wartości.

• Dla każdej konkretnej wartości zmiennego rezystora, stopień obniżenia prędkości nie jest stały, ale zamiast tego fluktuuje w zależności od obciążenia silnika, co utrudnia dokładne sterowanie prędkością.

• Ze względu na własne nieefektywności i ograniczenia, ta metoda sterowania prędkością jest zwykle stosowana tylko dla małych silników.

Metoda sterowania strumieniem pola w silniku prądu stałego

Strumień magnetyczny w silniku prądu stałego jest generowany przez prąd pola. W związku z tym sterowanie prędkością przy użyciu tej metody odbywa się poprzez regulację wielkości prądu pola.

Silnik szeregowy

W silniku szeregowym, zmienny rezystor RC jest połączony szeregowo z cewkami pola szeregowego, jak pokazano na poniższym rysunku. Ten RC jest często nazywany regulatorem pola szeregowego, odgrywając kluczową rolę w modyfikacji prądu pola i, w konsekwencji, strumienia magnetycznego silnika.

Prąd pola szeregowego jest określony równaniem pokazanym poniżej:

Gdy zmienny rezystor RC jest wprowadzony do obwodu pola, ogranicza on przepływ prądu pola. W rezultacie, strumień magnetyczny generowany przez cewki pola jest zmniejszany. To zmniejszenie strumienia ma bezpośredni wpływ na prędkość silnika, powodując jej wzrost. W konsekwencji, silnik pracuje z prędkością obrotową, która przekracza jego normalną, niezmienioną prędkość.

Ta unikalna cecha sprawia, że metoda sterowania strumieniem pola jest bardzo użyteczna w dwóch głównych celach. Po pierwsze, umożliwia ona silnikowi osiągnięcie prędkości wyższych niż standardowa prędkość pracy, zapewniając elastyczność w aplikacjach, które wymagają zwiększonej prędkości obrotowej. Po drugie, może być wykorzystywana do zrekompensowania naturalnego spadku prędkości, który występuje, gdy silnik jest obciążony, efektywnie utrzymując bardziej stałą prędkość pod zmiennymi warunkami obciążenia.

Krzywa charakterystyki prędkości-momentu dla silnika szeregowego, która graficznie ilustruje relację między prędkością obrotową silnika a momentem, jaki może wytworzyć, przedstawiona jest poniżej. Ta krzywa oferuje cenne informacje na temat charakterystyk pracy silnika w różnych scenariuszach operacyjnych, gdy zastosowana jest metoda sterowania strumieniem pola.

Silnik szeregowy

W przypadku silnika szeregowego, zmiana prądu pola może być dokonana jednym z dwóch sposobów: poprzez wykorzystanie dywertera lub poprzez implementację sterowania polem z uzwojeniem zakończonym.

Poprzez wykorzystanie dywertera

Jak pokazano na poniższym rysunku, zmienny rezystor Rd jest połączony równolegle z cewkami pola szeregowego. Ta konfiguracja pozwala na manipulację rozkładem prądu w obwodzie, co wpływa na siłę pola magnetycznego generowanego przez cewki pola szeregowego.

Rezystor równoległy w tej konfiguracji jest znany jako dywerter. Gdy dywerter o zmiennym rezystorze Rd jest podłączony, przekierowuje on pewną frakcję głównego prądu z dala od cewek pola szeregowego. W rezultacie, główna funkcja dywertera polega na zmniejszeniu wielkości prądu przepływającego przez cewkę pola. Gdy prąd pola maleje, strumień magnetyczny generowany przez pole również się zmniejsza. To zmniejszenie strumienia prowadzi do wzrostu prędkości obrotowej silnika. Sterowanie polem z uzwojeniem zakończonym Drugim podejściem do zmiany prądu pola w silniku szeregowym jest sterowanie polem z uzwojeniem zakończonym. Odpowiedni schemat połączeń, który ilustruje konkretne połączenia elektryczne i komponenty w tej metodzie, przedstawiono poniżej.

W metodzie sterowania polem z uzwojeniem zakończonym, amperowitye zwroty są dostosowywane poprzez zmianę liczby aktywnych zwitków pola. Ta konfiguracja jest szczególnie stosowana w systemach napędowych elektrycznych. Poprzez manipulację liczbą zwitków pola, zmieniany jest strumień magnetyczny generowany przez cewkę pola silnika, co umożliwia precyzyjne sterowanie prędkością silnika.

Krzywa charakterystyki prędkości-momentu silnika szeregowego, która graficznie przedstawia relację między prędkością obrotową silnika a momentem, jaki może wytworzyć w różnych warunkach pracy, przedstawiona jest poniżej. Ta krzywa oferuje cenne informacje na temat możliwości pracy silnika, gdy zastosowana jest metoda sterowania polem z uzwojeniem zakończonym, pomagając inżynierom i technikom zrozumieć, jak silnik reaguje na zmiany obciążenia i ustawień prędkości.

Zalety sterowania strumieniem pola
Metoda sterowania strumieniem pola oferuje kilka istotnych korzyści, jak podano poniżej:

• Łatwość użytkowania: Ta metoda jest prosta i intuicyjna, ułatwiając łatwe wdrożenie i obsługę.

• Niskie straty mocy: Biorąc pod uwagę, że cewka szeregowego pola ma zwykle niewielkie wymagania energetyczne, straty mocy w cewce szeregowego pola pozostają minimalne, co przyczynia się do poprawy ogólnej efektywności.

• Mechanizm zwiększenia prędkości: Ze względu na nasycenie rdzenia żelaznego w obwodzie magnetycznym, strumień magnetyczny zazwyczaj nie może być zwiększony ponad jego normalną wartość. W rezultacie, sterowanie strumieniem pola skupia się głównie na osłabianiu pola, co efektywnie prowadzi do zwiększenia prędkości obrotowej silnika.

• Ograniczony zakres zastosowania: Należy jednak zauważyć, że ta metoda jest stosowana tylko w ograniczonym zakresie. Nadmierne osłabienie pola może prowadzić do niestabilności w pracy silnika, ograniczając jej zastosowanie do określonych scenariuszy, gdzie precyzyjne sterowanie i stabilność są kluczowe.