Hastreglering av DC-motor: Armaturmotståndskontroll och fältflödeskontroll

En likströmsmotor är en enhet som omvandlar mekanisk kraft till likströmselektrisk kraft. En av de mest framstående egenskaperna hos en likströmsmotor är dess förmåga att lätt justera sin hastighet enligt specifika krav med hjälp av enkla metoder. Denna nivå av bekväm hastighetskontroll är inte lika lätt uppnåelig med en växelströmsmotor.

Begreppen hastighetsreglering och hastighetskontroll är olika. I fallet med hastighetsreglering ändras motorns hastighet spontant i svar på olika driftsätt. Å andra sidan initieras förändringar i hastigheten för en likströmsmotor antingen manuellt av en operatör eller automatiskt genom kontrolleringsenheter. Hastigheten för en likströmsmotor bestäms av följande relation:

Ekvation (1) visar tydligt att hastigheten för en likströmsmotor beror på tre viktiga faktorer: spänningsförsörjningen V, armaturkretsens resistans Ra och fältflödet ϕ, som genereras av fältströmmen.

• När det gäller att styra hastigheten för en likströmsmotor är manipulering av spänning, armaturresistans och fältflöde avgörande överväganden. Det finns tre huvudmetoder för att uppnå hastighetskontroll av likströmsmotor, som beskrivs nedan:

• Variation av resistans i armaturkretsen (Armaturresistans- eller rheostatkontroll)

• Variation i fältflöde (Fältflödeskontroll)

• Variation i tillämpad spänning (Armaturspänningkontroll)

En mer djupgående undersökning av dessa hastighetskontrollmetoder ges i följd.
Armaturresistanskontroll av likströmsmotor (Parallellmotor)
Anslutningsdiagrammet för att implementera armaturresistanskontroll på en parallellmotor visas nedan. I denna metod infogas en variabel resistor Re i armaturkretsen. Notera att förändringar i värdet av denna variabla resistor inte påverkar det magnetiska flödet eftersom fältspole är direkt ansluten till nätet.

Hastighet-strömkurvan för parallellmotorn visas nedan.

Seriekopplad motor
Låt oss nu titta på anslutningsdiagrammet för att styra hastigheten för en seriekopplad likströmsmotor med hjälp av armaturresistanskontrollmetoden.

När resistansen i armaturkretsen justeras påverkar det samtidigt både strömmen som passerar genom kretsen och det magnetiska flödet inuti motorn. Spänningsfallet över den variabla resistorn minskar effektivt den tillgängliga spänningen till armaturen. Som ett resultat leder detta minskade tillämpade armaturspänning till en minskning av motorns rotationshastighet.

Hastighet-strömkurvan för en seriekopplad motor, som illustrerar förhållandet mellan motorns hastighet och strömmen som passerar genom den, presenteras i figuren nedan.

När värdet av den variabla resistansen Re ökar fungerar motorn vid en lägre rotationshastighet. Eftersom den variabla resistansen leder hela armaturströmmen måste den konstrueras för att kontinuerligt hantera full belastningsström utan att överhettas eller misslyckas.

Nackdelar med armaturresistanskontrollmetoden

• Ett betydande mängd elektrisk energi dissiperas som värme i den externa resistansen Re, vilket resulterar i ineffektivitet och energiförlust.

• Denna metod för armaturresistanskontroll begränsas till att minska motorns hastighet under dess normala driftshastighet; den tillåter inte ökning av hastigheten över normalnivån.

• För ett specifikt värde av den variabla resistansen är graden av hastighetsminskning inte fastställd, utan varierar beroende på lasten som appliceras på motorn, vilket gör det svårt att uppnå exakt hastighetsreglering.

• På grund av dess inhämtade ineffektiviteter och begränsningar är denna hastighetskontrollmetod vanligtvis endast lämplig för små motorsystem.

Fältflödeskontrollmetod för likströmsmotor

Det magnetiska flödet inuti en likströmsmotor genereras av fältströmmen. Därför åstadkommes hastighetskontroll med denna metod genom att justera magnituden av fältströmmen.

Parallellmotor

I en parallellmotor är en variabel resistor RC ansluten i serie med parallellfältspolen, som visas i figuren nedan. Denna RC kallas ofta för en parallellfältregulator, som spelar en viktig roll i att modifiera fältströmmen och därmed det magnetiska flödet i motorn.

Parallellfältströmmen ges av ekvationen nedan:

När den variabla resistansen RC infogas i fältkretsen begränsar den strömmen genom fältspolen. Som en följd av detta minskar det genererade magnetiska flödet. Denna minskning av flödet har en direkt inverkan på motorns hastighet, vilket leder till en ökning. Således fungerar motorn vid en rotationshastighet som överskrider dess normala, omodifierade hastighet.

Denna unika egenskap gör fältflödeskontrollmetoden mycket användbar för två huvudsakliga ändamål. För det första möjliggör den att motorn når hastigheter högre än dess standarddrifthastighet, vilket ger flexibilitet i applikationer som kräver högre rotationshastigheter. För det andra kan den användas för att motverka den naturliga hastighetsnedgången som inträffar när motorn är under last, vilket effektivt bibehåller en mer konstant hastighet under varierande lastförhållanden.

Hastighet-torkkurvan för en parallellmotor, som grafiskt illustrerar förhållandet mellan motorns rotationshastighet och den kraft den kan producera, visas nedan. Denna kurva ger värdefulla insikter i motorns prestandaegenskaper under olika driftscenarion när fältflödeskontrollmetoden används.

Seriekopplad motor

I fallet med en seriekopplad motor kan fältströmmen ändras genom en av två metoder: antingen genom att använda en diverter eller genom att implementera staplad fältkontroll.

Genom att använda en diverter

Som visas i figuren nedan är en variabel resistor Rd ansluten parallellt med seriefältspolen. Denna konfiguration möjliggör manipulation av strömfördelningen i kretsen, vilket påverkar styrkan på det magnetiska fältet som genereras av seriefältspolen.

Den parallella resistorn i denna uppbyggnad kallas för en diverter. När divertern med variabel resistor Rd ansluts dirigeras en viss andel av huvudströmmen bort från seriefältspolen. Konsekvent är diverterns primära funktion att minska magnituden av strömmen som passerar genom fältspolen. När fältströmmen minskar, minskar också det genererade magnetiska flödet. Denna minskning av flödet leder till en ökning av motorns rotationshastighet. Staplad fältkontroll Den andra metoden för att ändra fältströmmen i en seriekopplad motor är genom staplad fältkontroll. Det motsvarande anslutningsdiagrammet, som illustrerar de specifika elektriska anslutningarna och komponenterna som ingår i denna metod, visas nedan.

I metoden för staplad fältkontroll justeras ampereturnerna genom att ändra antalet aktiva fältvridningar. Denna specifika konfiguration är mycket tillämpbar i elektriska traktionssystem. Genom att manipulera antalet fältvridningar ändras det magnetiska fältflöde som genereras av motorns fältspole, vilket möjliggör exakt kontroll över motorns hastighet.

Hastighet-torkkurvan för en seriekopplad motor, som grafiskt illustrerar förhållandet mellan motorns rotationshastighet och den kraft den kan producera under olika driftsätt, visas nedan. Denna kurva ger värdefulla insikter i motorns prestandaförmågor när staplad fältkontrollmetoden används, vilket hjälper ingenjörer och tekniker att förstå hur motorn reagerar på förändringar i last och hastighetsinställningar.

Fördelar med fältflödeskontroll
Fältflödeskontrollmetoden erbjuder flera framträdande fördelar, som utlinjerats nedan:

• Lättanvändhet: Denna metod är enkel och användarvänlig, vilket underlättar enkel implementering och drift.

• Låg effektförlust: Eftersom parallellfälttypiskt har en relativt liten strömbeslag, blir den effekt som dissiperas i parallellfält minimal, vilket bidrar till förbättrad total effektivitet.

• Mekanism för hastighetsökning: På grund av järnkärnens mättnad i det magnetiska kretssystemet kan det magnetiska flödet generellt inte ökas över sin normala värde. Därför fokuserar fältflödeskontroll huvudsakligen på att försvaga fältet, vilket effektivt leder till en ökning av motorns rotationshastighet.

• Begränsad tillämpningsområde: Det är dock viktigt att notera att denna metod är tillämpbar endast inom en begränsad räckvidd. Överdriven försvagning av fältet kan leda till instabilitet i motorns drift, vilket begränsar dess användning till specifika scenarion där exakt kontroll och stabilitet är avgörande.