کنترل سرعت الکتروموتور چیست؟
کنترل سرعت الکتروموتور یکی از لازمه‌های حوزه‌های مختلف صنعت، کارخانه‌ها، شرکت‌ها و یا در برخی موارد زمینه‌های کاربرد خانگی و محدود است. کنترل دور الکتروموتور در برخی دستگاه‌ها به‌صورت پیش‌فرض و در برخی دیگر نیز با ایجاد یک سری تغییرات ممکن خواهد بود. در واقع الکتروموتورها عمدتاً با یک دور مشخص در رنج نهایی تولید و راهی بازار می‌شوند. در برخی نسل موتور AC که توسط جریان متناوب (AC) به حرکت در می‌آید و از دو بخش اصلی تشکیل شده است: یک استاتور خارجی که سیم‌پیچ‌هایی با جریان متناوب برای تولید یک میدان مغناطیسی دوار تأمین می‌شود و یک روتور داخلی متصل به شفت خروجی که یک ثانیه را تولید می‌کند. میدان مغناطیسی دوار توانایی کنترل سرعت الکتروموتور موتور دارای مزایای بی‌شماری است و این راهنما راه‌های متعددی را برای کنترل سرعت الکتروموتور بررسی می‌کند.
همان‌طور که در بالا ذکر شد، کنترل سرعت موتور الکتریکی AC دارای مزایای مختلفی است، از جمله کاهش نویز شنیداری، راندمان انرژی و افزایش کنترل بر روی کاربرد موتور. اگرچه آنها دستگاه‌هایی با سرعت ثابت هستند، اما در صورت تغییر فرکانس، ولتاژ ورودی یا سیم‌پیچ‌هایی که باعث چرخش موتور می‌شوند، می‌تواند موجب تغییر رنج سرعت حرکتی باشد.
چرا نیاز به کنترل سرعت الکتروموتور خواهیم داشت؟
چرا نیاز به کنترل سرعت الکتروموتور خواهیم داشت؟معمولاً به دلایلی مانند کنترل فرایند برای متغیرهایی مانند جریان یا فشار ما نیاز خواهیم داشت که کنترل سرعت الکتروموتور را به دست بگیریم. کاربردهایی مانند فن‌ها و پمپ‌ها اغلب دارای نیازهای خروجی متفاوتی هستند و کنترل سرعت الکتروموتور کارآمدتر از محدودکردن مکانیکی خروجی فرایند با وسایلی مانند دریچه گاز یا دمپر است.
اما پیش از هر چیزی اجازه دهید ما نخست کنترل سرعت الکتروموتور در موتورهای جریان مستقیم را بررسی کنیم.
دنیای موتورهای DC
در دوره خود قرن 18، تکامل موتورهای DC وجود داشت. توسعه موتورهای DC به طور گسترده‌ای افزایش‌یافته است و آنها به طور قابل‌توجهی در صنایع مختلف استفاده می‌شوند. در اوایل دهه 1800 و با پیشرفت‌های انجام شده در سال 1832، موتورهای DC در ابتدا توسط محقق بریتانیایی استورجن توسعه یافتند. این دستگاه‌ها که با جریان متناوب کار می‌کردند، خیلی زود توانستند جای خود را در بازار و بین صنعت گران باز کنند. کنترل موتور سه‌فاز و تک‌فاز در این سیستم‌ها به‌راحتی انجام شد.
انواع روش‌های کنترل سرعت الکتروموتور DC
در ادامه ضمن پرداختن به روند کنترل سرعت الکتروموتور جریان مستقیم، در مورد مزیت‌ها و مشکلات انواع روش‌ها و ساختارهای مقایسه‌ای آنان با هم صحبت خواهیم کرد.
روش کنترل جریان برای موتور شنت DC
روش کنترل جریان برای موتور شنت DCدر این روش، شار مغناطیسی ناشی از سیم‌پیچ‌های میدان به‌منظور تغییر سرعت موتور تغییر می‌کند. کنترل سرعت موتور AC بسیار آسان است و به‌راحتی هرچه‌تمام‌تر انجام می‌شود. ازآنجایی‌که شار مغناطیسی به جریان عبوری از سیم‌پیچ میدان بستگی دارد، می‌توان آن را با تغییر جریان از طریق سیم‌پیچ میدان تغییر داد. این را می‌توان با استفاده از یک مقاومت متغیر در یک سری با مقاومت سیم‌پیچ میدان به دست آورد.
در ابتدا، هنگامی که مقاومت متغیر در موقعیت حداقل خود نگه داشته می‌شود، جریان نامی به دلیل ولتاژ نامی تغذیه از سیم‌پیچ میدان عبور می‌کند و در نتیجه سرعت نرمال نگه داشته می‌شود. هنگامی که مقاومت به‌تدریج افزایش می‌یابد، جریان عبوری از سیم‌پیچ میدان کاهش می‌یابد. این به نوبه خود شار تولید شده را کاهش می‌دهد؛ بنابراین سرعت موتور فراتر از مقدار طبیعی خود افزایش می‌یابد.
روش کنترل مقاومت آرمیچر برای موتور شنت DC
با این روش می‌توان سرعت موتور DC را با کنترل مقاومت آرمیچر برای کنترل افت ولتاژ روی آرمیچر کنترل کرد. این روش همچنین از یک مقاومت متغیر به‌صورت سری با آرمیچر استفاده می‌کند. هنگامی که مقاومت متغیر به حداقل مقدار خود می‌رسد، مقاومت آرمیچر در حد معمولی است و بنابراین، ولتاژ آرمیچر کاهش می‌یابد. هنگامی که مقدار مقاومت به‌تدریج افزایش می‌یابد، ولتاژ در سراسر آرمیچر کاهش می‌یابد. این به نوبه خود منجر به کاهش سرعت موتور می‌شود.
این روش سرعت موتور را زیر محدوده نرمال خود به دست می‌آورد.
روش کنترل ولتاژ آرمیچر برای موتور شنت DC (روش Ward Leonard)
تکنیک Ward Leonard مدار کنترل سرعت الکتروموتور موتور DC به شرح زیر نشان‌داده‌شده است. این روش یکی از محبوب‌ترین تکنیک‌های کنترل سرعت الکتروموتور در دنیا است.
ثابت نگه‌داشتن شار میدان موتور، جریان میدان موتور باید ثابت بماند. هنگامی که سرعت موتور تنظیم می‌شود، جریان آرمیچر برای موتور باید با سطح نامی یکسان باشد.
جریان میدان تحویلی متفاوت خواهد بود به‌طوری‌که سطح ولتاژ آرمیچر از “0” تا سطح نامی متفاوت است. همان‌طور که تنظیم سرعت با جریان نامی و با شار میدان مداوم موتور و شار میدان تا زمانی که سرعت نامی به دست می‌آید مطابقت دارد و چون توان حاصل‌ضرب سرعت و گشتاور است و نسبت مستقیمی با سرعت دارد. با این کار، زمانی که قدرت افزایش می‌یابد، سرعت افزایش می‌یابد.
انواع روش‌های کنترل موتور تک‌فاز
کنترل سرعت الکتروموتور تک‌فاز یکی از پیش‌نیازهای بسیاری از کارخانه‌ها، شرکت‌ها و کارگاه‌ها است. برای کنترل سرعت الکتروموتور از PWM استفاده خواهد شد.
PWMها تجهیزات جانبی اصلی هستند که برای کنترل موتور استفاده می‌شوند. با استفاده از ورودی‌های فوق، الگوریتم کنترل موتور میکروکنترلر، چرخه وظیفه PWM و الگوی خروجی را تعیین می‌کند. باارزش‌ترین ویژگی‌های PWM شامل کانال‌های مکمل با زمان مرده قابل‌برنامه‌ریزی است. PWMها می‌توانند به‌صورت لبه تراز یا تراز وسط باشند. PWMهای تراز مرکزی دارای مزیت کاهش نویز الکترومغناطیسی (EMI) هستند که توسط محصول منتشر می‌شود
کنترل یک‌طرفه الکتروموتور تک‌فاز
کنترل VF در یک‌جهت توپولوژی و الگوریتم کنترل درایو را نسبتاً آسان می‌کند. وظیفه تولید یک منبع تغذیه ولتاژ و فرکانس متغیر از منبع تغذیه ولتاژ و فرکانس ثابت (مانند منبع تغذیه پریز دیواری) است.
سیم‌پیچ‌های موتور به مرکز هر نیم پل در قسمت خروجی اینورتر متصل می‌شوند. بسیاری از موتورهای موجود خارج از قفسه دارای هر دو سیم‌پیچ اصلی و استارت هستند که با یک خازن به‌صورت سری به سیم‌پیچ استارت متصل شده‌اند. با این پیکربندی، موتور ممکن است فقط دو سیم بیرون‌زده (M1 و M2) داشته باشد.
کنترل دوطرفه الکتروموتور تک‌فاز
اکثر موتورهای PSC طوری طراحی شده‌اند که در یک‌جهت کار کنند. بااین‌حال، بسیاری از برنامه‌ها نیاز به چرخش موتور دوطرفه دارند. درگذشته، مکانیسم‌های دنده یا رله‌ها و کلیدهای خارجی برای دستیابی به چرخش دوطرفه استفاده می‌شد.
هنگامی که از چرخ‌دنده‌های مکانیکی استفاده می‌شود، محور موتور در یک‌جهت حرکت می‌کند و دنده‌های جلو و عقب بر اساس جهت موردنیاز درگیر و جدا می‌شوند. با استفاده از رله‌ها و سوئیچ‌ها، قطبیت سیم‌پیچ راه‌اندازی بر اساس جهت موردنیاز، به‌صورت الکتریکی معکوس می‌شود.
متأسفانه همه این قطعات هزینه سیستم را برای کنترل اولیه و روشن و خاموش‌کردن در دو جهت بالا می‌برد.
در این بخش به دو روش کنترل سرعت دوطرفه برای موتورهای PSC با استفاده از درایو مبتنی بر میکروکنترلر می‌پردازیم. توپولوژی‌های درایو موردبحث در اینجا ولتاژهای مؤثری تولید می‌کنند که سیم‌پیچ اصلی را به حرکت در می‌آورد و سیم‌پیچ را در تغییر فاز 90 درجه به یکدیگر آغاز می‌کند. این به طراح سیستم امکان می‌دهد تا خازن را که به‌صورت سری با سیم‌پیچ استارت است، به طور دائم از مدار خارج کند و در نتیجه هزینه کل سیستم را کاهش دهد.
کنترل الکتروموتور تک‌فاز با اینورتر H-Bridge
این روش دارای دوبرابر کننده ولتاژ در سمت ورودی است
یک انتهای سیم‌پیچ اصلی و شروع به هر نیم پل متصل می‌شود. انتهای دیگر در نقطه خنثی منبع تغذیه ac به هم متصل می‌شوند که همچنین به‌عنوان نقطه مرکزی برای دوبرابر کننده ولتاژ عمل می‌کند.
مدار کنترل به چهار PWM با دو جفت مکمل و باند مرده (half bridge) کافی بین خروجی‌های مکمل نیاز دارد. با استفاده از PWM، باس dc برای ارائه دو ولتاژ سینوسی در 90 درجه خارج از فاز با دامنه و فرکانس متغیر، مطابق با مشخصات VF، سنتز می‌شود. اگر ولتاژ اعمال شده به سیم‌پیچ اصلی 90 درجه از سیم‌پیچ شروع عقب بماند، موتور در جهت جلو حرکت می‌کند. برای معکوس کردن جهت چرخش، ولتاژ تأمین شده به سیم‌پیچ اصلی باید ولتاژ تأمین شده را به سیم‌پیچ شروع هدایت کند.
استفاده از پل اینورتر سه‌فاز برای کنترل سرعت
روش دیگر کنترل سرعت الکتروموتور، استفاده از پل اینورتر سه‌فاز خواهد بود. بخش ورودی با یک‌سوساز دیود پل استاندارد جایگزین شده است. قسمت خروجی دارای پل اینورتر سه‌فاز است. تفاوت اصلی با طرح قبلی روش استفاده شده برای اتصال سیم‌پیچ موتور به اینورتر است. یک سر سیم‌پیچ اصلی و شروع هرکدام به یک نیم پل متصل می‌شوند. انتهای دیگر به هم گره‌خورده و به نیمه پل سوم متصل می‌شود. کنترل سرعت الکتروموتور در این حالت بسیار استاندارد و پایا است.
به‌منظور داشتن سطوح ولتاژ – تنش برابر در همه دستگاه‌ها که استفاده از دستگاه را بهبود می‌بخشد و حداکثر ولتاژ خروجی ممکن را برای یک ولتاژ باس dc معین فراهم می‌کند، هر سه ولتاژ فاز اینورتر در یک دامنه نگه داشته می‌شوند، همان‌طور که توسط:
| Va | = | Vb | = | Vc |
ولتاژ مؤثر در سیم‌پیچ‌های اصلی و راه‌اندازی به شرح زیر است:
Vmain = Va-Vc
Vstart = Vb-Vc
جهت چرخش را می‌توان به‌راحتی با زاویه فاز Vc نسبت به Va و Vb کنترل کرد. یکی دیگر از مزایای استفاده از روش کنترل سه‌فاز این است که می‌توان از همان توپولوژی سخت‌افزاری درایو برای کنترل موتور القایی سه‌فاز استفاده کرد.
در این سناریو، میکروکنترلر باید دوباره برنامه‌ریزی شود تا ولتاژهای سینوسی خروجی با تغییر فاز 120 درجه به یکدیگر که یک موتور القایی سه‌فاز را به حرکت درمی‌آورد، برنامه‌ریزی شود. این باعث کاهش زمان توسعه می‌شود. کنترل سرعت الکتروموتور را به چند روش اصلی و استاندارد در جهان آموختیم.
موتورهای القایی تک‌فاز در لوازم‌خانگی و کاربردهای صنعتی و مصرفی بسیار محبوب هستند. PSCها محبوب‌ترین نوع موتورهای القایی تک‌فاز هستند. کنترل سرعت موتور دارای مزایای بسیاری از جمله راندمان انرژی، کاهش صدای شنیداری و کنترل بهتر بر روی برنامه است.
روش‌های کنترل سرعت الکتروموتور سه‌فاز
روش‌های کنترل سرعت الکتروموتور سهفازسرعت الکتروموتور القایی را می‌توان با دو روش اصلی کنترل کرد. آنها هستند:
- کنترل سمت استاتور
- کنترل سمت روتور
روش اول هم برای موتورهای قفس سنجابی و هم برای موتورهای روتور زخمی قابل‌استفاده است. روش دوم فقط برای موتورهای روتور پیچشی قابل‌استفاده است.
کنترل سمت استاتور به این معنی است که ما باید پارامترهای سمت استاتور، ولتاژ تغذیه، فرکانس، شماره را تغییر دهیم. این کار از سمت قطب‌ها و غیره انجام می‌گیرد. کنترل سمت روتور به این معنی است که ما باید پارامترهای سمت روتور، مقاومت روتور را تغییر دهیم. کنترل دور الکتروموتور باید بادقت عمل زیادی انجام شود.
انواع کنترل سرعت الکتروموتور
- کنترل ولتاژ استاتور
- کنترل فرکانس استاتور
- کنترل V/F
- روش تعویض قطب
انواع کنترل جانبی روتور در الکتروموتورهای سه‌فاز
- افزودن مقاومت خارجی در مدار روتور
- کنترل آبشاری
- طرح بازیابی توان لغزشی
روش کنترل سرعت با تغییر ولتاژ استاتور
سرعت موتور القایی را می‌توان با تغییر ولتاژ استاتور کنترل کرد. این روش کنترل سرعت به کنترل ولتاژ استاتور معروف است. در اینجا، عرضه، فرکانس ثابت است. ولتاژ استاتور را می‌توان با دو روش کنترل کرد.
- استفاده از ترانسفورماتور خودکار
- مقاومت‌های اولیه به‌صورت سری با سیم‌پیچ استاتور متصل می‌شوند.
سرعت موتور القایی را می‌توان با استفاده از ترانسفورماتور خودکار کنترل کرد. در شکل نشان‌داده‌شده است. ورودی به ترانسفورماتور خودکار یک ولتاژ ac ثابت است. با تغییر ترانسفورماتور خودکار، می‌توانیم ولتاژ خروجی ac متغیر را بدون تغییر در فرکانس منبع دریافت کنیم. ولتاژ متغیر به موتور القایی تغذیه می‌شود. سپس سرعت موتور القایی نیز تغییر می‌کند. کنترل سرعت الکتروموتور کاملاً اصولی است.
همان‌طور که در شکل نشان‌داده‌شده است مقاومت‌های اولیه به‌صورت سری با سیم‌پیچ‌های استاتور متصل می‌شوند.
با تغییر مقاومت اولیه، افت ولتاژ در پایانه‌های موتور کاهش می‌یابد. یعنی ولتاژ کاهش‌یافته به موتور تغذیه می‌شود. سپس سرعت موتور را می‌توان کاهش داد. این یکی از روش‌های کنترل سرعت معمولی موتور القایی است. روش کنترل بسیار ساده است. نقطه‌ضعف اصلی این است که تلفات توان بیشتری در مقاومت‌های اولیه رخ می‌دهد.
گشتاور متناسب با مجذور ولتاژ استاتور آن است. T α V² با تغییر ولتاژ، گشتاور نیز تغییر می‌کند.
شکل مشخصات گشتاور سرعت موتور القایی تحت کنترل ولتاژ استاتور را نشان می‌دهد. با تغییر ولتاژ استاتور، حداکثر گشتاور و گشتاور راه‌اندازی نیز تغییر می‌کند. برای یک موتور کم لغزش، محدوده سرعت بسیار استاندارد است؛ بنابراین این روش برای دامنه وسیع کنترل سرعت و بار گشتاور ثابت استفاده نمی‌شود. این مورد در مواردی کاربرد دارد که باری که به گشتاور راه‌اندازی کم و محدوده سرعت باریک در لغزش نسبتاً کم نیاز دارد، موردنیاز است.
کنترل سرعت الکتروموتور سه‌فاز با تغییر در فرکانس استاتور
کنترل فرکانس استاتور یکی از روش‌های کنترل سرعت برای موتورهای سه فاز است. در اینجا می‌توانیم فرکانس ورودی موتور را تغییر دهیم.
در شرایط پایدار، موتور القایی در ناحیه لغزش کوچک عمل می‌کند که در آن سرعت موتور القایی همیشه نزدیک به‌سرعت سنکرون شار دوار است. سرعت سنکرون موتور القایی با N2 = 120f/P داده می‌شود.
جایی که، f = فرکانس ولتاژ تغذیه، P = خواهد بود با تعداد قطب‌ها.
در این معادله سرعت سنکرون موتور با فرکانس ولتاژ تغذیه نسبت مستقیم دارد. هنگامی که فرکانس تغذیه تغییر می‌کند، سرعت موتور نیز تغییر می‌کند. تنها با کنترل سرعت حرکت‌دهنده‌های اصلی ژنراتورها امکان‌پذیر است. این روش به‌ندرت مورداستفاده قرار می‌گیرد. این در شکل نشان‌داده‌شده است.
emf V القا شده در سیم‌پیچ استاتور موتور القایی با V = 2πf T1 Φ Kw داده می‌شود.
البته در هنگام کنترل سرعت الکتروموتور سه‌فاز، دو مشخصه اصلی را بررسی کنید.
- عملکرد فرکانس پایین در ولتاژ ثابت.
- عملکرد فرکانس بالا در ولتاژ ثابت.
عملکرد فرکانس پایین در ولتاژ ثابت
با کاهش فرکانس تغذیه در ولتاژ ثابت V، مقدار شار شکاف هوا افزایش می‌یابد و مدار مغناطیسی موتور القایی اشباع می‌شود. معادله emf را در نظر بگیرید.
V = ثابت
f = کاهش
Φ = افزایش می‌یابد
باتوجه‌به این عملیات فرکانس پایین، اثرات زیر رخ می‌دهد. راکتانس کم خواهد بود که منجر به جریان‌های موتور بالا می‌شود.
عملکرد فرکانس بالا در ولتاژ ثابت
با ثابت‌بودن ولتاژ ورودی، اگر فرکانس استاتور افزایش یابد، سرعت موتور نیز افزایش می‌یابد. به دلیل افزایش فرکانس، شار و گشتاور کاهش می‌یابد.
V = ثابت
f = افزایش
Φ = کاهش می‌یابد
با افزایش فرکانس تغذیه موتور، اثرات زیر را به دنبال خواهد داشت:
- سرعت بدون بار افزایش می‌یابد
- حداکثر گشتاور کاهش می‌یابد
- گشتاور راه‌اندازی کاهش می‌یابد
- این نوع کنترل فرکانس معمولاً به دلیل معایب فوق استفاده نمی‌شود.
همچنین بخوانید: کار نکردن الکتروموتور و عیب یابی آن
جمع‌بندی نهایی
کنترل سرعت الکتروموتور باید بادقت عمل ویژه‌ای انجام شود. دستگاه‌های الکترونیکی در برابر تغییرات مداوم نرخ ولتاژ و فرکانس کاری حساس هستند. درصورتی‌که در این مورد تخصص لازم را ندارید احتمالاً در هنگام تعویض نرخ کارکرد و فرکانس با مشکل مواجه می‌شوید.
در نهایت شما باید بسته به حوزه استفاده نوع موتور، کارکرد و راندمان تغییر فرکانس و نحوه کنترل آن را انتخاب کنید. برای کاربردهایی که سرعت متغیر ضروری است، معمولاً از یک موتور AC با اینورتر یا موتورهای براشلس استفاده می‌شود. موتورهای DC بدون جاروبک به دلیل محدوده سرعت گسترده، حرارت کم و عملکرد بدون نیاز به تعمیر و نگهداری، گزینه‌ای پیشرفته هستند. موتورهای پله‌ای گشتاور بالا و عملکرد نرم با سرعت کم را ارائه می‌دهند.
سرعت معمولاً با عملکرد دستی روی درایور یا یک سوئیچ خارجی یا با یک ولتاژ 0~10 VDC خارجی کنترل می‌شود. سیستم‌های کنترل سرعت معمولاً از گیربکس‌ها برای افزایش گشتاور خروجی استفاده می‌کنند. انواع دنده بسته به تقاضای گشتاور و بودجه، از خار، کرم یا مارپیچ/هاپلوئید متغیر است.
موتورهای DC بدون جاروبک از آهنرباهای دائمی در روتور استفاده می‌کنند و به دلیل راندمان بالا، حرارت کم تولید می‌کنند، تمیزتر هستند و به دلیل اینکه برس‌هایی برای تعویض وجود ندارد نیاز به تمیزکردن و گردگیری بعد از مدت زمانی کارکردن دارند. بخصوص اگر محیط کارگاه این وضعیت را تشدید کند. منطقاً کنترل سرعت الکتروموتور باید طبق جریان برق انجام شود و اگر نوسان برق وجود داشته باشد این روش‌ها به طبع با مشکل مواجه می‌شوند.
برای خرید الکتروموتور، الکتروموتور weg، الکتروموتور abb، الکتروموتور vem، الکتروموتور ضد انفجار با بهترین قیمت و ضمانت اصالات کالا از مجموعه الکترومتحد با بیش از سه دهه تجربه و سابقه همکاری با کارخانجات صنعتی با ما تماس بگیرید.
بدون دیدگاه