ساختمان، نحوه عملکرد و کاربردهای موتورهای DC – قسمت دوم

در قسمت اول این نوشته در مورد ساختمان الکتروموتورهای DC ، اصول کار، روابط نیرو و گشتاور، حفاظت و راه اندازی این موتورها صحبت کردیم در این پست ادامه مطالب را ارائه خواهیم کرد.   تغییر جهت دوران در موتورهای DC برای فهم بهتر این موضوع بهتر است که از قانون دست چپ برای موتورهای DC استفاده کنیم. به شکل زیر توجه کنید.

قانون دست چپ

اگر انگشت اشاره در جهت میدان مغناطیسی قرار بگیرد و انگشت بزرگ در جهت عبور جریان باشد آنگاه طبق شکل روبرو انگشت شست جهت نیرو را نشان می دهد. برای تغییر جهت دوران بایستی جهت نیرو را عکس کنیم دو راه به ذهن می رسد. جهت میدان و یا جهت جریان را تغییر دهیم. ۱- تغییر جهت جریان آرمیچر: در صورتی که موتور تحریک مستقل یا مغناطیس دائم باشد از طریق تغییر پلاریته ولتاژ تغذیه این کار صورت می گیرد. ۲- تغییر جهت جریان میدان : که از طریق تغییر پلاریته ولتاژ میدان این کار انجام می شود.

پدیده کموتاسیون

کموتاسيون فرآيند تبديل ولتاژ و جريانهاي AC ماشين در روتور به ولتاژ و جريان DC در ترمينال است. کموتاسیون باعث یکسو کردن ولتاژ خروجی در ژنراتورها و یکسو کردن گشتاور در موتورها می شود.

مشکلات مرتبط با پدیده کموتاسیون

برای درک بهتر این مشکلات بایستی عوامل ایجاد مشکل را شناسایی کرد. عکس العمل عرضی آرمیچر یکی از این عوامل می باشد. در ادامه در مورد این موضوع بحث خواهد شد.

یک ماشین دو قطب را در نظر بگیرید. در ابتدا شار قطب بطور يکنواخت تورزيع شده است و صفحه خنثي عمود است، تاثیر فاصله هوایی بر شار قطب هنگامي که بار وصل ميشود جرياني از داخل روتور عبور کرده و ميدان مغناطيسي را اطراف سيم پيچهاي روتور ايجاد مي کند. ميدان مغناطيسي ايجاد شده در روتور بر ميدان مغناطيسي اصلي قطبها اثر مي گذارد. در برخي نقاط با ميدان اصلي جمع شده و در برخي نقاط ديگر از آن کسر مي گردد. بنابراين، ميدان مغناطيسي خالص يکنواخت نخواهد بود و صفحه خنثي جابجا خواهد شد. بطور کلي، صفحه خنثي در ژنراتورها در جهت حرکت و در موتورها در خلاف جهت حرکت جابجا مي شود. مقدار جابجايي به مقدار بار ماشين بستگي دارد.

مشکلات ایجاد شده توسط پدیده کموتاسیون

۱- ایجاد جرقه و آسیب دیدن جاروبک و کموتاتور

کموتاتور بايستي دقيقا تيغه هاي کموتاتورهايي که ولتاژ دو سر آنهاصفر هستند را اتصال کوتاه بکند. جابجايي صفحه خنثي باعث ميشود که کموتاتور تيغه هايي را دو سر آنها ولتاژ وجود دارد را اتصال کوتاه کند که موجب جرقه زني و قوس در زير جاروبکها مي شود.

۲- ایجاد ولتاژهای L di/dt

اين مساله در قطعات کموتاتور با شروع اتصال کوتاه آنها توسط جاروبکها شروع می شود. و ضربه القايي ناميده می شود.

 فرض کنيم جريان در جاروبک ۴۰۰ آمپر است. جريان در هر مسير ۲۰۰ مي شود با عبور تيغه کموتاتور از جلوي جاروبک جريان گذرنده از تيغه کموتاتور بايستي معکوس گردد. فرض کنيم که ماشين با سرعت ۸۰۰ rpm مي گردد و داراي ۵۰ تيغه کموتاتور است. ورود به ناحيه زير جاروبک و عبور از آن ۰٫۰۱۵ ثانيه طول مي کشد. متوسط نرخ تغييرات جريان در حلقه اتصال کوتاه شده به صورت زير مي گردد.

di/dt = 400/0.0015 = 266667 A/s

بنابراين، حتي با يک اندوکتانس کوچک حلقه، يک ضربه بسيار بزرگ ولتاژ القايي L di/dt در تيغه کموتاتور اتصال کوتاه شده القا مي گردد اين ولتاژ باعث ايجاد جرقه در جاروبک ها مي شود.

راهکارهای بهبود پدیده کموتاسیون؛

1.  تغییر محل جاروبکها: به گونه ای که در محور خنثی قرار بگیرد.
2.  افزودن قطهای کمکی به ماشین DC
3. استفاده از سیم پیچهای جبرانگر در ماشین DC
4. افزايش تعداد تيغه هاي کلکتور به صورت مضربي از شيارهاي آرميچر

کنترل سرعت موتور DC

مزايای کنترل سرعت موتور DC

1. سهولت در کنترل
2. ارائه گشتاور راه اندازي بالا
3. عملکرد تقريبا خطي

معايب کنترل سرعت موتور DC

1. نياز به نگهداري زياد
2. بزرگ و پر هزينه ( در مقايسه با موتور القايي)
3. نامناسب جهت کارکرد در سرعتهاي بالا به علت جاروبکها و کموتاتور
4. نامناسب جهت استفاده در محيطهاي قابل انفجار و يا محيطهاي خيلي تميز

روش های کنترل سرعت موتورهای DC

در شکل زیر مدار معادل یک موتور DC آورده شده است و روابط سرعت با استفاده از روابط اصلی موتور استخراج شده است.

از رابطه بدست آمده برای سرعت ω می توان به این نتیجه رسید که برای کنترل سرعت موتور Dc دو راه وجود دارد یا باید ولتاژ ترمینال Va را کنترل کرد و یا جریان تحریک If از اینرو دو روش کلي براي کنترل سرعت موتورهاي DC وجود دارد.

الف: با کنترل ولتاژ ترمينال

در اين روش با افزايش و يا کاهش ولتاژ ترمينال مي توان به سرعتهاي مورد نظر دست يافت. و فقط تا سرعت نامي قابل استفاده است. چرا؟

ب: با کاهش جريان تحريک

در اين روش مطابق رابطه فوق جريان تحريک و سرعت با هم رابطه عکس دارند از اينرو با کاهش جريان تحريک مي توان سرعت آن را افزايش داد و بالعکس. در هنگام راه اندازي نبايد از اين روش استفاده کرد. چرا؟

درایو موتورهای DC

نکاتي در مورد درايو موتورهاي DC

• درايو موتور DC نسبتا ساده و ارزان قيمت است (در مقايسه با درايوهاي موتور القايي). البته خود موتور DC گرانتر است.
• به علت معايب زياد، موتورهاي DC (مخصوصا نگهداري) در حال از دست دادن مقبوليت خود مخصوصا در کاربردهاي توان بالا مي باشند.
• در کاربردهای توان پایین قیمت موتور DC به اضافه درایو هنوز اقتصادی و به صرفه است.
• برای کاربردهای سروو درایو ، موتورهای DC به علت پاسخ دینامیکی خوب و کنترل مناسب هنوز رایج هستند.
• رویکرد استفاده از موتورهای DC مخصوصا در توانهای بالا چندان روشن و خوش بینانه نیست.