การควบคุมความเร็วของมอเตอร์กระแสตรง: การควบคุมแรงต้านของอาร์เมเจอร์และการควบคุมฟลักซ์สนามแม่เหล็ก

มอเตอร์กระแสตรงเป็นอุปกรณ์ที่แปลงพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้ากระแสตรง หนึ่งในคุณสมบัติที่โดดเด่นของมอเตอร์กระแสตรงคือความสามารถในการปรับความเร็วได้ง่ายตามความต้องการโดยใช้วิธีการที่ง่าย ๆ ระดับความสะดวกในการควบคุมความเร็วนี้ไม่สามารถทำได้โดยง่ายกับมอเตอร์กระแสสลับ

แนวคิดของการควบคุมความเร็วและการปรับความเร็วแตกต่างกัน ในกรณีของการควบคุมความเร็ว มอเตอร์จะเปลี่ยนความเร็วโดยอัตโนมัติในตอบสนองต่อสภาพการทำงานต่าง ๆ ทางตรงกันข้าม ในมอเตอร์กระแสตรง การเปลี่ยนแปลงความเร็วเกิดขึ้นโดยเจตนา ไม่ว่าจะเป็นการควบคุมด้วยมือหรือการควบคุมโดยอัตโนมัติผ่านอุปกรณ์ควบคุม ความเร็วของมอเตอร์กระแสตรงถูกกำหนดโดยสูตรต่อไปนี้:

สมการ (1) แสดงให้เห็นชัดเจนว่าความเร็วของมอเตอร์กระแสตรงขึ้นอยู่กับสามปัจจัยหลัก: แรงดันไฟฟ้าV ความต้านทานวงจรอาร์เมเจอร์ Ra และสนามฟลักซ์ ϕ ซึ่งสร้างขึ้นโดยกระแสสนาม

• เมื่อพูดถึงการควบคุมความเร็วของมอเตอร์กระแสตรง การปรับแรงดัน ความต้านทานอาร์เมเจอร์ และสนามฟลักซ์เป็นสิ่งที่สำคัญ มีเทคนิคหลักสามวิธีในการควบคุมความเร็วของมอเตอร์กระแสตรง ดังรายละเอียดต่อไปนี้:

• การเปลี่ยนแปลงความต้านทานในวงจรอาร์เมเจอร์ (การควบคุมความต้านทานอาร์เมเจอร์หรือการควบคุมด้วยไรโอสตัท)

• การเปลี่ยนแปลงสนามฟลักซ์ (การควบคุมสนามฟลักซ์)

• การเปลี่ยนแปลงแรงดันที่ใช้ (การควบคุมแรงดันอาร์เมเจอร์)

การสำรวจอย่างละเอียดของแต่ละวิธีการควบคุมความเร็วจะถูกนำเสนอต่อไป
การควบคุมความต้านทานอาร์เมเจอร์ของมอเตอร์กระแสตรง (มอเตอร์เชิงขนาน)
แผนภาพการเชื่อมต่อสำหรับการควบคุมความต้านทานอาร์เมเจอร์บนมอเตอร์เชิงขนานแสดงด้านล่าง ในวิธีนี้ ตัวต้านทานแปรผัน Re จะถูกใส่เข้าไปในวงจรอาร์เมเจอร์ ควรทราบว่าการเปลี่ยนแปลงค่าของตัวต้านทานแปรผันนี้ไม่มีผลต่อสนามแม่เหล็กเนื่องจากขดลวดสนามถูกเชื่อมต่อโดยตรงกับแหล่งกำเนิดไฟฟ้า

คุณสมบัติความเร็ว-กระแสของมอเตอร์เชิงขนานแสดงด้านล่าง

มอเตอร์อนุกรม
มาดูแผนภาพการเชื่อมต่อสำหรับการควบคุมความเร็วของมอเตอร์กระแสตรงแบบอนุกรมโดยใช้วิธีการควบคุมความต้านทานอาร์เมเจอร์

เมื่อความต้านทานของวงจรอาร์เมเจอร์ถูกปรับ มันจะมีผลกระทบต่อทั้งกระแสที่ไหลผ่านวงจรและสนามแม่เหล็กภายในมอเตอร์ แรงดันที่ลดลงข้ามตัวต้านทานแปรผันทำให้แรงดันที่มีให้กับอาร์เมเจอร์ลดลง ผลจากการลดแรงดันที่ใช้กับอาร์เมเจอร์นี้ทำให้ความเร็วการหมุนของมอเตอร์ลดลง

เส้นโค้งคุณสมบัติความเร็ว-กระแสของมอเตอร์อนุกรม ซึ่งแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความเร็วของมอเตอร์และกระแสที่ผ่านมัน แสดงในรูปด้านล่าง

เมื่อค่าของตัวต้านทานแปรผัน Re เพิ่มขึ้น มอเตอร์จะทำงานที่ความเร็วการหมุนที่ต่ำลง เนื่องจากตัวต้านทานแปรผันนำกระแสอาร์เมเจอร์ทั้งหมด มันจึงต้องออกแบบให้สามารถทนต่อกระแสอาร์เมเจอร์ที่ระบุโดยไม่เกิดความร้อนหรือเสียหาย

ข้อเสียของการควบคุมความต้านทานอาร์เมเจอร์

• พลังงานไฟฟ้าจำนวนมากถูกกระจายเป็นความร้อนภายในตัวต้านทานภายนอก Re ทำให้เกิดความไม่ประสิทธิภาพและสิ้นเปลืองพลังงาน

• วิธีการควบคุมความต้านทานอาร์เมเจอร์นี้จำกัดในการลดความเร็วของมอเตอร์ต่ำกว่าความเร็วปกติ ไม่สามารถเพิ่มความเร็วให้สูงกว่าความเร็วปกติได้

• สำหรับค่าเฉพาะของตัวต้านทานแปรผัน ระดับการลดความเร็วไม่คงที่ แต่เปลี่ยนแปลงตามโหลดที่ใช้งานกับมอเตอร์ ทำให้ยากในการควบคุมความเร็วอย่างแม่นยำ

• เนื่องจากความไม่ประสิทธิภาพและความจำกัด วิธีการควบคุมความเร็วนี้มักเหมาะสมสำหรับมอเตอร์ขนาดเล็กเท่านั้น

วิธีการควบคุมสนามฟลักซ์ของมอเตอร์กระแสตรง

สนามฟลักซ์ภายในมอเตอร์กระแสตรงสร้างขึ้นโดยกระแสสนาม ดังนั้น การควบคุมความเร็วด้วยวิธีนี้ทำได้โดยการปรับขนาดของกระแสสนาม

มอเตอร์เชิงขนาน

ในมอเตอร์เชิงขนาน ตัวต้านทานแปรผัน RC จะถูกเชื่อมต่อแบบอนุกรมกับขดลวดสนามเชิงขนาน ดังแสดงในรูปด้านล่าง ตัวต้านทานแปรผัน RC นี้มักเรียกว่าตัวควบคุมสนามเชิงขนาน ซึ่งมีบทบาทสำคัญในการปรับกระแสสนามและสนามฟลักซ์ของมอเตอร์

กระแสสนามเชิงขนานคำนวณได้โดยสมการด้านล่าง:

เมื่อตัวต้านทานแปรผัน RC ถูกใส่เข้าไปในวงจรสนาม มันจะจำกัดการไหลของกระแสสนาม ผลทำให้สนามฟลักซ์ที่สร้างขึ้นโดยขดลวดสนามลดลง การลดลงของฟลักซ์นี้มีผลโดยตรงต่อความเร็วของมอเตอร์ ทำให้มันเพิ่มขึ้น ดังนั้นมอเตอร์จะทำงานที่ความเร็วการหมุนที่สูงกว่าความเร็วปกติ

คุณสมบัติที่ไม่เหมือนใครนี้ทำให้วิธีการควบคุมสนามฟลักซ์มีประโยชน์สองประการ ประการแรก มันทำให้มอเตอร์สามารถบรรลุความเร็วที่สูงกว่าความเร็วปฏิบัติงานปกติ ให้ความยืดหยุ่นในการใช้งานที่ต้องการความเร็วการหมุนที่สูง ประการที่สอง มันสามารถใช้เพื่อต่อต้านการลดลงของความเร็วตามธรรมชาติเมื่อมอเตอร์อยู่ภายใต้โหลด ทำให้สามารถรักษาความเร็วที่คงที่มากขึ้นภายใต้เงื่อนไขโหลดที่แตกต่างกัน

เส้นโค้งคุณสมบัติความเร็ว-แรงบิดของมอเตอร์เชิงขนาน ซึ่งแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความเร็วการหมุนของมอเตอร์และแรงบิดที่สามารถผลิตได้ แสดงด้านล่าง เส้นโค้งนี้ให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับคุณสมบัติการดำเนินงานของมอเตอร์ภายใต้สถานการณ์การทำงานที่แตกต่างกันเมื่อใช้วิธีการควบคุมสนามฟลักซ์

มอเตอร์อนุกรม

ในกรณีของมอเตอร์อนุกรม การเปลี่ยนแปลงกระแสสนามสามารถทำได้โดยใช้วิธีการใดวิธีการหนึ่ง: ไม่ว่าจะเป็นการใช้ตัวเบี่ยงหรือการควบคุมสนามที่เชื่อมต่อ

โดยใช้ตัวเบี่ยง

ดังแสดงในรูปด้านล่าง ตัวต้านทานแปรผัน Rd จะถูกเชื่อมต่อแบบขนานกับขดลวดสนามอนุกรม การกำหนดค่านี้ทำให้สามารถจัดการการกระจายกระแสภายในวงจร ทำให้สามารถควบคุมความแรงของสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นโดยขดลวดสนามอนุกรม

ตัวต้านทานขนานในโครงสร้างนี้เรียกว่าตัวเบี่ยง เมื่อตัวเบี่ยงที่มีตัวต้านทานแปรผัน Rd ถูกเชื่อมต่อ มันจะเบี่ยงบางส่วนของกระแสหลักออกจากขดลวดสนามอนุกรม ผลทำให้ตัวเบี่ยงมีหน้าที่ลดขนาดของกระแสที่ผ่านขดลวดสนาม เมื่อกระแสสนามลดลง สนามฟลักซ์ที่สร้างขึ้นโดยสนามก็จะลดลง การลดลงของฟลักซ์นี้ทำให้ความเร็วการหมุนของมอเตอร์เพิ่มขึ้น การควบคุมสนามที่เชื่อมต่อวิธีที่สองสำหรับการเปลี่ยนแปลงกระแสสนามในมอเตอร์อนุกรมคือการควบคุมสนามที่เชื่อมต่อ แผนภาพการเชื่อมต่อที่แสดงการเชื่อมต่อไฟฟ้าและส่วนประกอบที่เกี่ยวข้องในวิธีนี้แสดงด้านล่าง

ในการควบคุมสนามที่เชื่อมต่อ แอมแปร์-เทิร์นถูกปรับโดยการเปลี่ยนจำนวนรอบสนามที่ใช้งาน โครงสร้างนี้มีความเหมาะสมอย่างยิ่งในระบบการลากจูงไฟฟ้า โดยการควบคุมจำนวนรอบสนาม สนามฟลักซ์ที่สร้างขึ้นโดยขดลวดสนามของมอเตอร์จะเปลี่ยนแปลง ทำให้สามารถควบคุมความเร็วของมอเตอร์ได้อย่างแม่นยำ

เส้นโค้งคุณสมบัติความเร็ว-แรงบิดของมอเตอร์อนุกรม ซึ่งแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความเร็วการหมุนของมอเตอร์และแรงบิดที่สามารถผลิตได้ภายใต้เงื่อนไขการทำงานที่แตกต่างกัน แสดงด้านล่าง เส้นโค้งนี้ให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับความสามารถในการดำเนินงานของมอเตอร์เมื่อใช้วิธีการควบคุมสนามที่เชื่อมต่อ ช่วยให้นักวิศวกรรมและเทคนิคเข้าใจว่ามอเตอร์ตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงโหลดและตั้งค่าความเร็วอย่างไร

ข้อดีของการควบคุมสนามฟลักซ์
วิธีการควบคุมสนามฟลักซ์มีข้อดีหลายประการ ดังรายละเอียดต่อไปนี้:

• ง่ายต่อการใช้งาน: วิธีการนี้ง่ายและใช้งานได้สะดวก ทำให้การนำมาใช้งานและการดำเนินการง่ายขึ้น

• การสูญเสียพลังงานต่ำ: เนื่องจากขดลวดสนามเชิงขนานมักต้องการกระแสที่น้อย ดังนั้นพลังงานที่กระจายภายในขดลวดสนามเชิงขนานจึงน้อย ทำให้ประสิทธิภาพโดยรวมดีขึ้น

• กลไกเพิ่มความเร็ว: เนื่องจากแกนเหล็กในวงจรแม่เหล็กมักจะอิ่มตัว สนามฟลักซ์จึงไม่สามารถเพิ่มขึ้นเกินค่าปกติได้ ดังนั้น การควบคุมสนามฟลักซ์มักจะเน้นที่การลดสนาม ซึ่งทำให้ความเร็วการหมุนของมอเตอร์เพิ่มขึ้น

• ช่วงการใช้งานที่ควบคุมได้: อย่างไรก็ตาม ควรทราบว่าวิธีการนี้มีความจำกัดในการใช้งานภายในช่วงที่จำกัด การลดสนามมากเกินไปอาจทำให้การดำเนินงานของมอเตอร์ไม่เสถียร จำกัดการใช้งานเฉพาะสถานการณ์ที่ต้องการการควบคุมและความเสถียรที่แม่นยำ