Kontrola brzine DC motora: Kontrola otpora armature i kontrola fluksa polja

DC motor je uređaj koji pretvara mehaničku snagu u električnu snagu pravog toka. Jedna od najznačajnijih karakteristika DC motora jeste njegova sposobnost lako prilagođavanja brzine prema specifičnim zahtevima pomoću jednostavnih metoda. Ovaj nivo praktične kontrole brzine nije tako lako dostiživ sa AC motorom.

Koncepti regulacije brzine i kontrole brzine su različiti. U slučaju regulacije brzine, brzina motora se automatski menja u odgovoru na različite radne uslove. S druge strane, kod DC motora promene brzine su namerno inicirane, bilo ručno od strane operatera ili automatski putem kontrolnih uređaja. Brzina DC motora određuje se sledećim odnosom:

Jednačina (1) jasno pokazuje da brzina DC motora zavisi od tri ključna faktora: napona isporuke V, otpora kruga armature Ra i polja fluksa ϕ, koje generiše poljski tok.

• Kada je reč o kontroli brzine DC motora, manipulacija naponom, otporom armature i poljem fluksa su ključni aspekti. Postoje tri primarne tehnike za postizanje kontrole brzine DC motora, kako je navedeno ispod:

• Varijacija otpora u krugu armature (kontrola otpora armature ili reostatska kontrola)

• Varijacija poljnog fluksa (kontrola poljnog fluksa)

• Varijacija primenjenog napona (kontrola napona armature)

Naprednije razmatranje svake od ovih metoda kontrole brzine data je u nastavku.
Kontrola otpora armature DC motora (shunt motor)
Dijagram veza za implementaciju kontrole otpora armature na shunt motoru prikazan je ispod. U ovom pristupu, varijabilni otpornik Re ubavljen je u krug armature. Promene vrednosti ovog varijabilnog otpornika ne utiču na magnetski fluks jer je poljsko navojno direktno spojeno na mrežu.

Karakteristika brzine-toka shunt motora prikazana je ispod.

Serijalni motor
Sada ćemo razmotriti dijagram veza za kontrolu brzine DC serijalnog motora koristeći metodu kontrole otpora armature.

Kada se otpor kruga armature menja, istovremeno utiče na tok koji teče kroz krug i magnetski fluks unutar motora. Pad napona na varijabilnom otporniku efektivno smanjuje napon dostupan armaturi. Kao rezultat, ovo smanjenje primenjenog napona armature dovodi do smanjenja rotacione brzine motora.

Karakteristična kriva brzine-toka serijalnog motora, koja ilustruje odnos između brzine motora i toka koji kroz njega prolazi, prikazana je na slici ispod.

Kada se poveća vrednost varijabilnog otpora Re, motor radi na nižoj rotacionoj brzini. Budući da varijabilni otpor provodi celokupan tok armature, mora biti dizajniran tako da može neprekidno nositi puni nominalni tok armature bez pregrejanja ili padanja.

Nedostaci metode kontrole otpora armature

• Značajan iznos električne snage rasipan je kao toplota unutar vanjskog otpora Re, što dovodi do neefikasnosti i gubitaka energije.

• Ova metoda kontrole otpora armature ograničena je na smanjivanje brzine motora ispod njegove normalne radne brzine; ne dozvoljava povećanje brzine iznad normalnog nivoa.

• Za svaku specifičnu vrednost varijabilnog otpora, stepen smanjenja brzine nije fiksiran, već fluktuira u zavisnosti od opterećenja motora, što čini teškim postizanje precizne regulacije brzine.

• Zbog svojih intrinzičnih neefikasnosti i ograničenja, ovaj pristup kontrole brzine obično je pogodan samo za male motore.

Metoda kontrole poljnog fluksa DC motora

Magnetski fluks unutar DC motora generisan je poljskim tokom. Stoga, kontrola brzine pomoću ove metode ostvaruje se prilagođavanjem intenziteta poljskog toka.

Shunt motor

U shunt motoru, varijabilni otpornik RC spojen je u seriju sa shunt poljskim navojima, kako je prikazano na slici ispod. Ovaj RC je često poznat kao regulator shunt polja, igra ključnu ulogu u modifikaciji poljskog toka i, posledično, magnetskog fluksa motora.

Poljski tok shunta dat je jednačinom prikazanom ispod:

Kada se varijabilni otpornik RC ubavi u poljski krug, on ograničava protok poljskog toka. Kao rezultat, magnetski fluks generisan od strane poljskih navoja se smanjuje. Ovo smanjenje fluksa direktno utiče na brzinu motora, dovodeći do povećanja. Stoga, motor radi na rotacionoj brzini koja premašuje njegovu normalnu, neizmenjenu brzinu.

Ova jedinstvena karakteristika čini metodu kontrole poljnog fluksa vrlo korisnom za dve glavne svrhe. Prvo, omogućava motoru dostizanje brzina viših od njegovih standardnih radnih brzina, pružajući fleksibilnost u aplikacijama koje zahtevaju povišene rotacione stope. Drugo, može se koristiti za kompenzaciju prirodnog pada brzine koji se dešava kada motor pod opterećenjem, efektivno održavajući konstantniju brzinu pod različitim uslovima opterećenja.

Karakteristična kriva brzine-momenta shunt motora, koja graficki ilustruje odnos između rotacione brzine motora i momenta koji može proizvesti, prikazana je ispod. Ova kriva pruža dragocene informacije o performansama motora pod različitim radnim scenarijima kada se primeni metoda kontrole poljnog fluksa.

Serijalni motor

U slučaju serijalnog motora, promene poljskog toka mogu se ostvariti jednom od dve metode: koristeći diverter ili implementirajući kontrolu polja sa tapsovima.

Korišćenjem divertera

Kao što je prikazano na slici ispod, varijabilni otpornik Rd spojen je paralelno sa serijalnim poljskim navojima. Ova konfiguracija omogućava manipulaciju raspodele toka unutar kruga, utičući na jačinu magnetskog polja generisanog od strane serijalnih poljskih navoja.

Paralelni otpornik u ovoj shemi poznat je kao diverter. Kada se diverter sa varijabilnim otporom Rd spoji, on odvija određeni deo glavnog toka od serijalnih poljskih navoja. Posledica je da osnovna funkcija divertera jeste smanjenje jačine toka koji prolazi kroz poljski navoj. Kako se poljski tok smanjuje, magnetski fluks generisan od strane polja se takođe smanjuje. Ovo smanjenje fluksa dovodi do povećanja rotacione brzine motora.Tapped Field ControlDrugi pristup za promenu poljskog toka u serijalnom motoru je kroz kontrolu polja sa tapsovima. Odgovarajući dijagram veza, koji ilustruje specifične električne veze i komponente uključene u ovu metodu, prikazan je ispod.

U metodi kontrole polja sa tapsovima, amper-okretaji se prilagođavaju menjanjem broja aktivnih poljskih okretaja. Ova specifična konfiguracija je visoko primenjiva u sistemima električne trakcije. Manipulacijom broja poljskih okretaja, magnetski poljski fluks generisan od strane poljskog navoja motora se menja, omogućavajući preciznu kontrolu nad brzinom motora.

Karakteristična kriva brzine-momenta serijalnog motora, koja graficki prikazuje odnos između rotacione brzine motora i momenta koji može proizvesti pod različitim radnim uslovima, prikazana je ispod. Ova kriva pruža dragocene informacije o performansama motora kada se primeni metoda kontrole polja sa tapsovima, pomažući inženjerima i tehničarima da razumeju kako motor reaguje na promene opterećenja i postavke brzine.

Prednosti kontrole poljnog fluksa
Metoda kontrole poljnog fluksa nudi nekoliko značajnih prednosti, kako je navedeno ispod:

• Lakoća korišćenja: Ovaj pristup je jednostavan i korisniku prijateljski, omogućavajući jednostavnu implementaciju i operaciju.

• Niska potrosnja snage: Budući da shunt polje obično ima relativno malu zahtevu za tokom, potrosnja snage unutar shunt polja ostaje minimalna, doprinoseći poboljšanoj ukupnoj efikasnosti.

• Mehanizam povećanja brzine: Zbog nasitljivosti željeznog jezgra u magnetskom krugu, magnetski fluks obično ne može biti povećan iznad njegove normalne vrednosti. Stoga, kontrola poljnog fluksa uglavnom fokusira na oslabljanje polja, što efektivno dovodi do povećanja rotacione brzine motora.

• Kontrolisani opseg primene: Međutim, važno je napomenuti da je ova metoda primenljiva samo unutar ograničenog opsega. Prekomerno oslabljanje polja može dovesti do nestabilnosti u radu motora, ograničavajući njegovo korišćenje na specifične scenarije gde su precizna upravljanje i stabilnost ključni.