ساختمان، نحوه عملکرد و کاربردهای موتورهای DC – قسمت سوم

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 قسمت دوم درباره تغییر جهت دوران، پدیده کموتاسیون و کنترل سرعت موتورهای DC مطالبی ارائه گردید.

قسمت سوم و پایانی این مبحث در این پست ارائه شده است. موتورهای DC انواع مختلفی دارند که از لحاظ کاربرد و مشخصه با همدیگر متفاوت هستند. موتورهای انیورسال با هر دو ولتاژ AC و DC کار می کنند اما ساختار آنها شباهتا بسیار زیادی با موتورهای DC دارد در انتهای این مقاله در مورد این موتورها نیز صحبت خواهیم کرد.

انواع موتورهای DC

موتورهاي DC را می توان به دو دسته کلی تقسيم بندی نمود.

الف: تحريک مستقل

ب: خود تحريک شامل

۱- تحريک شنت ۲- تحريک سري ۳- کمپوند اضافي ۴- کمپوند نقصاني

موتورهای مغناطیس دائم را شاید بتوان در رده موتورهای تحریک مستقل قرار داد در این موتورها یک مغناطیس دائمی عمل تحریک را انجام می دهد.

موتور تحريک مستقل

مدار معادل و مشخصه خارجی موتور تحریک مستقل در شکل زیر آورده شده است.

مدار معادل مدل مداری موتور الکتریکی DC بوده و کمک می کند تا با استفاده از قوانین ساده کیرشهف و قانون اهم مدار و رفتار الکتروموتور را تحلیل کرد. روابط اصلی در زیر شماتیک نوشته شده است. منحنی مشخصه خارجی موتور DC : مشخصه تغییرات سرعت بر حسب تغییرات گشتاور است. و بیانگیر این موضوع است که سرعت الکتروموتور با تغییر (افزایش یا کاهش ) بار روی آن چگونه تغییر می کند. این مشخصه در تحلیل رفتار ماشین و انتخاب موتور مناسب برای کاربرد مورد نظر بسیار مهم است.

موتور خود تحريک شنت

مدار معادل و مشخصه خارجی موتور تحریک مستقل در شکل زیر آورده شده است.

با توجه به اشکال فوق ملاحظه می شود که مشخصه خارجی موتور تحریک مستقل و موتور خودتحریک شنت کاملا مشابه و یکسان هستند. از اینرو در دسته بندی موتورهای DC این دو را در یک دسته قرار می دهند؟ شاخه موازی مدار شنت در خودتحریک شنت به منبع تغذیه متصل است و مانند تحریک مستقل عمل می کند. افت دور کم با افزایش گشتاور بار مشخصه بارز این نوع موتورها است که رفتاری شبیه به موتورهای القایی از خود نشان می دهند.

کنترل سرعت موتور شنت

الف- تنظیم مقاومت تحریک و از این طریق کنترل شار میدان

ب- تنظیم ولتاژ ترمینال اعمال شده به آرمیچر

الف- تنظیم مقاومت تحریک و از این طریق کنترل شار میدان

۱- افزایش مقاومت میدان R_F جریان تحریک را کاهش می دهد (I_F = V_T/R_F)

۲- کاهش جریان جریان تحریک I_F شار میدان φ را کاهش می دهد.

۳- کاهش شار، ولتاژ نیروی محرکه داخلی تولید شده را کاهش می دهد. (E_A = Kφω)

۴- کاهش E_A جریان آرمیچر را افزایش می دهد. (I_A = (V_T – E_A)/R_A)

۵- تغییرات در جریان آرمیچر بر تغییر شار غالب است از اینرو ، افزایش I_A گشتاور ایجاد شده را افزایش می دهد.

۶- گشتاور ایجاد شده افزایش یافته و در حال حاضر بزرگتر از گشتاور بار است ، بنابراین ، سرعت ω افزایش می یابد.

۷- افزایش سرعت نیروی محرکه داخلی تولید شده ماشین E_A را افزایش می دهد.

۸- افزایش E_A جریان آرمیچر I_A را کاهش می دهد.

۹- کاهش I_A گشتاور تولیدی را کاهش داده به نوعی که در یک سرعت بالاتر T_ind = T_load شود. تاثیر افزایش دادن مقاومت میدان در حدود یک بار نرمال: از بی باری تا بار کامل افزایش در مقاومت میدان سرعت موتور را افزایش می دهد. مشاهده می شود که شیب منحنی گشتاور- سرعت با افزایش مقاومت تحریک بیشتر می شود. در یک رنج وسیعتر منحنی احتمال دارد بصورت زیر درآید.

ب- تنظیم ولتاژ ترمینال اعمال شده به آرمیچر

شکل زیر چگونگی کنترل ولتاژ آرمیچر و منحنی های گشتاور سرعت با تغییر ولتاژ برای این روش آورده شده اند. ملاحظه می شود که در این روش شیب خط تغییرات سرعت بر اساس گشتاور بار تغییر نمی کند و فقط به سمت بالا و پایین شیفت پیدا می کند. و از این نظر مطلوب تر از روش قبلی است.

موتور خود تحريک سری

مدار معادل و مشخصه خارجی موتور خود تحریک سری در شکل زیر آورده شده است.

با توجه به منحنی خارجی موتور سری مشخص است که این موتور در بارهای کم سرعت زیادی دارد و در سرعت کم یا لحظه راه اندازی گشتاور قابل توجهی تولید می کند و مناسب بارهایی است که گشتاور راه اندازی و کار زیادی نیاز دارند مانند بالابرها آسانسورها و کانوایرها اما هرگز نباید بی بار کار کند. چونکه در این صورت به سرعت خطرناک می رسد.

موتور خود تحريک کمپوند

این نوع از موتورها بسته به نحوه اتصال شاخه موازی سیم پیچ تحریک به دو دسته کمپوند با اتصال شنت بلند و کمپوند با اتصال شنت کوتاه تقسیم می شوند. مشخصه خارجی این موتورها مابین موتور شنت و سری قرار دارد.

موتور کمپوند با اتصال شنت بلند / موتور کمپوند با اتصال شنت کوتاه

موتور DC مغناطيس دائم(PMDC)

موتوري است که استاتور آن از مواد مغناطيس دائم ساخته شده است.

مزايا

1. به علت عدم نياز به مدار ميدان خارجي، هيچ گونه تلفات مسي در ميدان مغناطيسي وجود ندارد.
2. به علت عدم نياز به سيم پيچ ميدان، اين موتور مي تواند به ميزان قابل توجهي کوچکتر باشد.

معايب

1. چون که مغناطيس دائمي چگالي شار ضعيف تری از يک موتور تحريک خارجي شنت توليد مي کند از اينرو اين موتور گشتاور کمتري را فراهم مي کند.
2. خطر مغناطيس زدايي در اثر قرارگیری در دماهاي زياد يا عکس العمل عرضي آرميچر (mmf آرميچر ) وجود دارد.

مغناطیس دائمی موتور DC

براي هسته موتورهاي معمولي عموما از يک ماده فرومغناطيس با چگالي پسماند مغناطيسي کوچک استفاده مي کنند.                             در حالي وضعيت مطلوب براي موتورهاي PMDC وضعيت مطلوب استفاده از مواد مغناطيسي با چگالي پسماند مغناطيسي هر چه بزرگتر در قطبهاي مغاطيسي آنها مي باشد.

منحنی مغناطیس شوندگی و چگالی شار مواد مغناطیسی

يک مقايسه کلي از منحني هاي مواد مغناطيس دائم که جديدا توسعه اند با مواد مغناطيس دائم متداول آلياژي (آلينکو ۵) نشان ميدهد که مغناطيس ساخته شده از چنين موادي پس ماند مغناطيسي در حد بهترين هسته هاي ساخته شده از مواد فرومغناطيسي توليد مي کنند. طراحي موتور مغناطيس دائم کاملا شبيه به طراحي موتورهاي شنت يا تحريک مستقل ميباشد البته با اين تفاوت که در PMDC شار موتور ثابت است. در نتيجه تنها راه ممکن براي کنترل سرعت موتورهاي PMDC کنترل ولتاژ آرميچر است.

موتورهاي اونيورسال

عمده موتورها از منبع تغذيه DC يا AC تغذيه مي کنند و بعضي ديگر از هر دوي اين منابع تغذيه می کنند، اين نوع موتورها را موتورهای اونيورسال می گويند.

از لحاظ ساختاری بسيار شبيه به موتورهاي خود تحريک سری می باشند، اما برای کارکرد با هر دو نوع منبع تغذيه DC و AC طراحی شده اند.

ویژگی ها

1. اصولا سرعت بالايي دارند ( معمولا بيش از ۱۰۰۰۰ دور بر دقيقه)
2. نسبت قدرت به وزن بالايي را ارائه مي دهند.
3. براي تجهيزات قابل حمل مثل دريل های دستي و جاروبرقی ها بسيار مناسب می باشند.