DC Motor Hız Kontrolü: Armatur Direnci Kontrolü ve Alan Akımı Kontrolü

DC motor, mekanik gücü doğrudan akım elektrik enerjisine dönüştüren bir cihazdır. Bir DC motorun en dikkat çekici özelliklerinden biri, hızının basit yöntemlerle spesifik ihtiyaçlara göre kolayca ayarlanabilmesidir. Bu düzeyde pratik hız kontrolü, AC motorlarda aynı derecede kolay elde edilemez.

Hız düzenleme ve hız kontrol kavramları farklıdır. Hız düzenleme durumunda, motorun hızı çeşitli çalışma koşullarına bağlı olarak kendiliğinden değişir. Buna karşılık, bir DC motorde hız değişiklikleri ya operatör tarafından manuel olarak ya da kontrol cihazları aracılığıyla otomatik olarak başlatılır. Bir DC motorun hızı aşağıdaki ilişkiye dayanarak belirlenir:

Denklem (1), bir DC motorun hızının üç ana faktöre bağlı olduğunu açıkça göstermektedir: besleme gerilimi V, armatür devre direnci Ra ve alan akımı tarafından üretilen manyetik akım ϕ.

• Bir DC motorun hızını kontrol etmek konusunda, gerilim, armatür direnci ve manyetik akımın manipülasyonu çok önemlidir. Aşağıda belirtilen üç temel teknik, DC motor hız kontrolünü gerçekleştirmek için kullanılır:

• Armatür Devresinde Direnç Değişimi (Armatür Direnç veya Reostatik Kontrol)

• Alan Akımı Değişimi (Alan Akımı Kontrolü)

• Uygulanan Gerilim Değişimi (Armatür Gerilim Kontrolü)

Bu hız kontrol yöntemlerinin her biri hakkında daha ayrıntılı bir inceleme aşağıda sunulmuştur.
DC Motorun Armatür Direnç Kontrolü (Şunt Motoru)
Aşağıda, şunt motorunda armatür direnç kontrolünün uygulanması için bağlantı diyagramı gösterilmiştir. Bu yaklaşım, armatür devresine değişken bir direnç Re yerleştirilerek gerçekleştirilir. Nota değer, bu değişken direnç değeri değiştikçe manyetik akım etkilenmez çünkü alan bobini doğrudan besleme ana hatlarına bağlanmıştır.

Şunt motorunun hız akım karakteristiği aşağıda gösterilmiştir.

Seri Motor
Şimdi, DC seri motorun hızını armatür direnç kontrol yöntemiyle kontrol etmek için kullanılan bağlantı diyagramını inceleyelim.

Armatür devresindeki direnç ayarlandığında, bu işlem hem devre boyunca akan akımı hem de motordaki manyetik akımı etkiler. Değişken direnç üzerindeki gerilim düşümü, armatürüne kullanılabilir olan gerilimi azaltır. Sonuç olarak, uygulanan armatür geriliminin azalması, motorun dönme hızının azalmasına neden olur.

Seri motorun hız-akım karakteristik eğrisi, motora geçen akım ile motorun hızı arasındaki ilişkiyi göstermektedir ve bu eğri aşağıda verilmiştir.

Değişken direnç Re'nin değeri artırıldığında, motor daha düşük bir dönme hızında çalışır. Değişken direnç tüm armatür akımını geçirir, bu nedenle aşırı ısınma veya arızaya uğramadan sürekli olarak tam nominal armatür akımını taşımak üzere mühendisliklenmelidir.

Armatür Direnç Kontrol Yönteminin Dezavantajları

• Dıştaki direnç Re'de önemli miktarda elektrik enerjisi ısı olarak dağılır, bu da verimsizlik ve enerji kaybına neden olur.

• Bu armatür direnç kontrol yöntemi, motorun normal çalışma hızından daha düşük bir hıza indirilmesine sınırlıdır; normal seviyeden yüksek bir hıza çıkarma imkanı sağlamaz.

• Değişken direnç için belirli bir değerde, hız azalma derecesi sabit değildir, bunun yerine motorun üzerine uygulanan yükten bağımsız olarak değişir, bu da hassas hız düzenlemesini zorlaştırır.

• Kendi içindeki verimsizlikler ve sınırlamalar nedeniyle, bu hız kontrol yaklaşımı genellikle küçük boyutlu motorlar için uygun olarak kabul edilir.

DC Motorun Alan Akımı Kontrol Yöntemi

Bir DC motorun manyetik akımı, alan akımı tarafından üretilir. Bu nedenle, bu yöntemi kullanarak hız kontrolü, alan akımının büyüklüğünü değiştirerek gerçekleştirilir.

Şunt Motor

Şunt motorunda, değişken bir direnç RC, şunt alan bobinleriyle seride bağlanır, aşağıdaki figürde gösterildiği gibi. Bu RC, genellikle şunt alan düzenleyici olarak adlandırılır ve motorun manyetik akımını ve dolayısıyla alan akımını değiştirmede kritik bir rol oynar.

Şunt alan akımı, aşağıdaki denklemlerle verilmektedir:

Değişken direnç RC alan devresine eklenince, alan akımının akışını kısıtlar. Sonuç olarak, alan bobinleri tarafından üretilen manyetik akım azalır. Bu akım azalmasının doğrudan etkisi, motorun hızının artmasıdır. Böylece, motor normal, değiştirilmemiş hızından daha yüksek bir dönme hızında çalışır.

Bu benzersiz özelliği, alan akımı kontrol yöntemi iki ana amaçla oldukça faydalı kılar. İlk olarak, motorun standart çalışma hızından daha yüksek hızlara ulaşmasını sağlar, bu da yüksek dönme hızları gerektiren uygulamalarda esneklik sağlar. İkinci olarak, motor yük altında olduğunda doğal olarak oluşan hız düşüşünü karşılayarak, değişken yük koşullarında daha tutarlı bir hızı koruma imkanı sağlar.

Şunt motorunun hız-tork eğrisi, motorun dönme hızı ile üretebileceği tork arasındaki ilişkiyi grafiksel olarak göstermektedir. Bu eğri, alan akımı kontrol yöntemi uygulandığında motorun farklı çalışma senaryolarındaki performans özelliklerine değerli bilgiler sağlar.

Seri Motor

Seri motor durumunda, alan akımını değiştirme iki yöntemle gerçekleştirilebilir: ya bir diverter kullanarak ya da kapalı devre kontrolü uygulayarak.

Bir Diverter Kullanarak

Aşağıdaki figürde gösterildiği gibi, değişken bir direnç Rd, seri alan bobinleriyle paralel olarak bağlanır. Bu yapılandırma, devre içindeki akım dağılımını manipüle etmeye ve dolayısıyla seri alan bobinleri tarafından üretilen manyetik alanın gücünü etkilemeye olanak tanır.

Bu yapılandırmada paralel direnç, diverter olarak adlandırılır. Değişken direnç Rd'ye sahip diverter bağlandığında, ana akımın belirli bir kesimi seri alan bobinlerinden uzaklaştırılır. Sonuç olarak, diverter'in asıl işlevi, alan bobininden geçen akım miktarını azaltmaktır. Alan akımı azaldıkça, alanı oluşturan manyetik akım da azalır. Bu akım azalması, motorun dönme hızının artmasına neden olur.Tapped Field ControlSeri motorun alan akımını değiştirmenin ikinci yaklaşımı, tapped field control yani kapalı devre kontrolüdür. Bu yönteme ilişkin bağlantı diyagramı, bu yöntemde kullanılan belirli elektriksel bağlantıları ve bileşenleri göstermektedir.

Tapped field control yönteminde, amper tur sayısı, aktif alan tur sayısını değiştirerek ayarlanır. Bu özel yapılandırma, özellikle elektrik traksiyon sistemlerinde uygundur. Alan tur sayısının manipüle edilmesi, motorun alan bobinleri tarafından üretilen manyetik alan akımını değiştirerek, motorun hızını hassas bir şekilde kontrol etmeyi sağlar.

Seri motorun hız-tork karakteristik eğrisi, motorun çeşitli çalışma koşulları altında üretebileceği tork ile dönme hızı arasındaki ilişkiyi grafiksel olarak göstermektedir. Bu eğri, tapped field control yöntemi uygulandığında motorun performans özelliklerini anlama konusunda mühendisler ve teknisyenlere değerli bilgiler sağlar, böylece motorun yük ve hız ayarlarına nasıl tepki verdiği anlaşılır.

Alan Akımı Kontrolünün Avantajları
Alan akımı kontrol yöntemi, aşağıdaki gibi birçok belirgin avantaja sahiptir:

• Kullanım Kolaylığı: Bu yaklaşım basit ve kullanıcı dostudur, kolay uygulama ve kullanım sağlar.

• Düşük Güç Kaybı: Şunt alan genellikle nispeten küçük bir akım gereksinimine sahiptir, bu nedenle şunt alanda dağıtılan güç minimum kalır, bu da genel verimliliğe katkıda bulunur.

• Hız Arttırma Mekanizması: Manyetik devrenin demir çekirdeğinin doyuma girmesi nedeniyle, manyetik akım genellikle normal değerinden fazla artırılamaz. Bu nedenle, alan akımı kontrolü, çoğunlukla alanın zayıflatılmasına odaklanır, bu da motorun dönme hızının artmasına neden olur.

• Kontrollü Uygulama Aralığı: Ancak, bu yöntemin sadece sınırlı bir aralıkta uygulanabilir olduğu unutulmamalıdır. Alanın aşırı zayıflatılması, motorun işlemlerinde istikrarsızlığa yol açabilir, bu nedenle bu yöntem, hassas kontrol ve istikrar gerektiren belirli senaryolarda kullanılabilir.