Керування швидкістю ДД двигуна: керування опором якоря та керування потоком магнітного поля

Постійний струмовий двигун — це пристрій, який перетворює механічну енергію на електричну енергію постійного струму. Однією з найважливіших характеристик постійного струмового двигуна є його здатність легко регулювати швидкість відповідно до конкретних вимог за допомогою простих методів. Цей рівень зручного керування швидкістю не так легко досяжний для альтернативного струмового двигуна.

Поняття регулювання швидкості та керування швидкістю відрізняються. У випадку регулювання швидкості, швидкість двигуна змінюється автоматично відповідно до різних умов роботи. Навпаки, у постійному струмовому двигуні зміни швидкості ініціюються намірно, або вручну оператором, або автоматично через керуючі пристрої. Швидкість постійного струмового двигуна визначається наступним співвідношенням:

Рівняння (1) чітко показує, що швидкість постійного струмового двигуна залежить від трьох ключових факторів: напруги живлення V, опору кола якоря Ra та магнітного потоку ϕ, який генерується полем струму.

• Щодо керування швидкістю постійного струмового двигуна, важливими розглядаються маніпуляції з напругою, опором якоря та магнітним потоком. Існує три основні методи досягнення керування швидкістю постійного струмового двигуна, як описано нижче:

• Зміна опору в колі якоря (керування опором якоря або реостатичне керування)

• Зміна магнітного потоку (керування магнітним потоком)

• Зміна прикладеної напруги (керування напругою якоря)

Більш детальне дослідження кожного з цих методів керування швидкістю надається нижче.
Керування опором якоря постійного струмового двигуна (паралельний двигун)
Схема з'єднання для реалізації керування опором якоря паралельного двигуна зображена нижче. У цьому підході, змінний резистор Re вставляється в коло якоря. Зверніть увагу, що зміни значення цього змінного резистора не впливають на магнітний потік, оскільки обмотка поля прямо підключена до мережі живлення.

Характеристика швидкості-струму паралельного двигуна показана нижче.

Серійний двигун
Розглянемо тепер схему з'єднання для керування швидкістю серійного двигуна постійного струму за допомогою методу керування опором якоря.

При налаштуванні опору кола якоря, одночасно впливає на струм, що проходить через коло, та на магнітний потік всередині двигуна. Спад напруги на змінному резисторі ефективно зменшує напругу, доступну для якоря. В результаті, це зменшення прикладеної напруги якоря призводить до зниження обертальної швидкості двигуна.

Характеристична крива швидкості-струму серійного двигуна, яка ілюструє зв'язок між швидкістю двигуна та струмом, що проходить через нього, представлена ​​нижче.

При збільшенні значення змінного опору Re, двигун працює на нижчій обертальній швидкості. Оскільки змінний опір проводить весь струм якоря, він повинен бути спроектований таким чином, щоб безперервно обробляти повний номінальний струм якоря без перегріву або виходу з ладу.

Недоліки методу керування опором якоря

• Значна кількість електричної енергії розсіюється як тепло в зовнішньому опорі Re, що призводить до неефективності та витрати енергії.

• Цей метод керування опором якоря обмежений зниженням швидкості двигуна нижче нормальної робочої швидкості; він не дозволяє збільшити швидкість за межами нормального рівня.

• Для будь-якого конкретного значення змінного опору, ступінь зниження швидкості не є фіксованим, а залежить від навантаження, прикладеного до двигуна, що робить складним точне регулювання швидкості.

• З-за своїх внутрішніх неефективностей та обмежень, цей метод керування швидкістю зазвичай підходить лише для маленьких двигунів.

Метод керування магнітним потоком постійного струмового двигуна

Магнітний потік у постійному струмовому двигуні генерується струмом поля. Відповідно, керування швидкістю за допомогою цього методу виконується за допомогою налаштування величини струму поля.

Паралельний двигун

У паралельному двигуні змінний резистор RC підключається послідовно з обмотками паралельного поля, як показано на рисунку нижче. Цей RC зазвичай називають регулятором паралельного поля, він відіграє ключову роль у зміні струму поля та, відповідно, магнітного потоку двигуна.

Струм паралельного поля визначається рівнянням, показаним нижче:

При вставлянні змінного резистора RC в коло поля, він обмежує потік струму поля. В результаті, магнітний потік, генерований обмотками поля, зменшується. Це зменшення потоку безпосередньо впливає на швидкість двигуна, призводячи до її збільшення. В результаті, двигун працює на обертальній швидкості, яка перевищує його нормальну, незмінену швидкість.

Ця унікальна характеристика робить метод керування магнітним потоком дуже корисним для двох основних цілей. По-перше, він дозволяє двигуну досягати швидкостей, вищих за його стандартну робочу швидкість, забезпечуючи гнучкість у застосуваннях, які вимагають підвищених обертальних швидкостей. По-друге, він може бути використаний для компенсації природного зниження швидкості, яке відбувається, коли двигун знаходиться під навантаженням, ефективно підтримуючи більш стабільну швидкість при різних умовах навантаження.

Характеристична крива швидкості-моменту паралельного двигуна, яка графічно ілюструє зв'язок між обертальною швидкістю двигуна та моментом, який він може виробляти, представлена ​​нижче. Ця крива надає цінні відомості про характеристики роботи двигуна при різних умовах роботи, коли використовується метод керування магнітним потоком.

Серійний двигун

У випадку серійного двигуна, зміна струму поля може бути здійснена одним з двох методів: або за допомогою дивертора, або за допомогою керування з розрядом поля.

За допомогою дивертора

Як показано на рисунку нижче, змінний опір Rd підключається паралельно з обмотками серійного поля. Ця конфігурація дозволяє маніпулювати розподілом струму в колі, впливаючи на силу магнітного поля, генерованого обмотками серійного поля.

Паралельний резистор в цьому встановленні називається дивертором. Коли дивертор з змінним опором Rd підключено, він відволікає певну частину основного струму від обмоток серійного поля. В результаті, основна функція дивертора полягає в зменшенні величини струму, що проходить через обмотку поля. Як струм поля зменшується, магнітний потік, генерований полем, також зменшується. Це зменшення потоку призводить до збільшення обертальної швидкості двигуна. Керування з розрядом поля. Другий підхід до зміни струму поля в серійному двигуні — це керування з розрядом поля. Відповідна схема з'єднання, яка ілюструє специфічні електричні з'єднання та компоненти, використовувані в цьому методі, представлена ​​нижче.

У методі керування з розрядом поля, ампер-витки змінюються за допомогою зміни кількості активних витків поля. Ця конкретна конфігурація дуже придатна для систем електроперевезення. Маніпулюючи кількістю витків поля, магнітний потік, генерований обмоткою поля двигуна, змінюється, що дозволяє точне керування швидкістю двигуна.

Характеристична крива швидкості-моменту серійного двигуна, яка графічно показує зв'язок між обертальною швидкістю двигуна та моментом, який він може виробляти при різних умовах роботи, представлена ​​нижче. Ця крива надає цінні відомості про можливості роботи двигуна, коли використовується метод керування з розрядом поля, допомагаючи інженерам та технікам зрозуміти, як двигун реагує на зміни навантаження та налаштування швидкості.

Переваги керування магнітним потоком
Метод керування магнітним потоком має ряд значимих переваг, як описано нижче:

• Простота використання: Цей підхід є простим та зручним, що сприяє простому впровадженню та експлуатації.

• Мала втрати енергії: Оскільки паралельне поле, як правило, потребує невеликого струму, втрати енергії в паралельному полі залишаються мінімальними, що сприяє покращенню загальної ефективності.

• Механізм збільшення швидкості: Через насичення залізного сердечника в магнітному контурі, магнітний потік, як правило, не може бути збільшений за межами його нормального значення. В результаті, керування магнітним потоком зосереджується на послабленні поля, що ефективно призводить до збільшення обертальної швидкості двигуна.

• Обмежений діапазон застосування: Проте, важливо зазначити, що цей метод застосовний лише в обмеженому діапазоні. Чрезмірне послаблення поля може призвести до нестабільності роботи двигуна, що обмежує його використання лише до певних сценаріїв, де потрібне точне керування та стабільність.