پایه کنترل سرعت موتور dc از تبدیل برق AC به DC با خلوص مختلف می باشد. برای انتخاب روش کنترل مناسب، باید معیارهایی که برای عملکرد دستگاه مهم هستند، شناسایی شود. ما در اینجا مدارهای مختلف کنترل سرعت موتورهای DC که تفاوت در کیفیت ولتاژ DC و در نتیجه بر عملکرد موتور DC تاثیر مستقیم دارد، را مورد بررسی قرار می دهیم. علاوه بر این ما خروجی DC فیلتر شده و فیلتر نشده مدارهای الکتریکی ارایه شده را ارزیابی می کنیم.
1- كنترل نیم موج فیلتر نشده با تریستور:
یكی از ابتدایی ترین روشهای كنترل سرعت است. در این روش یك تریستور بصورت سری با موتور Dc قرار می گیرد. این مدار با عدم عبور سیكل منفی و برش بخشی از سیكل مثبت، برق AC را به DC تبدیل می كند. همانند شكل زیر، استفاده از این مدار یک ولتاژ DC ناقص را برای موتور فراهم می كند.
2- كنترل تمام موج فیلتر نشده با تریستور:
در این مدار با افزودن یك تریستور و دو دیود دیگر، كه در مجموع یك پل الكتریكی را تشکیل می دهند، خروجی DC را بهبود می دهد. این مدار بخش منفی موج، به موج مثبت تبدیل شده و با تریستور بخش مورد نیاز آن جدا می شود. همانند شكل زیر این موج همچنان نوسانی به نظر می رسد، اما به یک جریان صاف DC نزدیكتر است.
3- كنترل تمام موج فیلتر شده با تریستور:
در این مدار از یك خازن پرقدرت در خروجی پل الکتریکی روش قبلی استفاده می شود. در حین افزایش موج ولتاژ، بارهای الكتریكی در خازن ذخیره شده و در زمان كاهش ولتاژ، بارهای الكتریكی ذخیره شده در خازن، به آرامی در موتور تخلیه می شود. این روش سبب بهتر شده شكل موج ولتاژ اعمال شده به موتور می شود. در نتیجه یك موج صاف و تقریبا خالص DC به موتور اعمال می شود.
4- كنترل PWM فیلتر شده:
كنترل PWM روش متفاوتری است كه سبب ایجاد یك ولتاژ تقریبا صاف Dc برای موتور می شود. در این مدار، ولتاژ AC توسط دیودها یكسو شده و توسط خازن ریپل های آن گرفته شده و صاف می شود. سپس توسط عناصر الكترونیكی مثل MOSFET و یا IGBT ولتاژ خروجی با سرعت زیاد قطع و وصل (Switching) می شوند. تا ولتاژ خروجی را تغییر دهند. کنترل PWM با كنترل تمام موج فیلتر شده با تریستور در عملكرد تفاوت دارد. در روش كنترل تمام موج فیلتر شده با تریستور، ابتدا قسمت مورد نیاز برق AC برش شده و سپس توسط خازن صاف می شود. ولی در روش PWM برق AC پس از یكسوسازی و صاف شدن، پالسی می شوند. هر چند كه با توجه به شكل، ممكن است اینطور به نظر رسد كه قطع و وصل جریان نوسانی است، ولی با توجه به سرعت بالای كلید زنی در كنترل PWM و همچنین اندوكتانس بالای موتور dc، جریان موتور تقریبا DC خالص است.
تفاوت كنترل در فیلتر شده و غیر فیلتر:
تفاوت ظرافت در كنترل كیفیت موج DC یا form factor می تواند در كارایی و کیفیت كنترل سرعت موتور تاثیر مستقیمی داشته باشد. رنج كنترل سرعت موتور،گشتاور نامی مداوم، دمای كاری موتور، طول عمر ذغال ها، جریان متناوب و تداخل امواج الكترومغناطیسی (EMI) پارامترهایی هستند كه در انتخاب سیستم مناسب كنترل سرعت موتور DC موثرند.
FORM FACTOR
نسبت مقدار مؤثر یک کمیت متناوب به مقدار میانگین آن در یک چرخه را form factor گویند.
برای یک موج خالص سینوسی این مقدار 1.11 است. در حالت كلی، ضریب form factor بالاتر، سبب گرم شدن بیشتر موتور می شود. مقادیر نمونه form factor برای انواع مختلف كنترل در زیر آمده است.
| control type | form factor |
|---|---|
| half-wave unfiltered | 1.6-2.0 |
| half-wave filtered | 1.1-1.5 |
| full-wave unfiltered | 1.1-1.6 |
| full-wave filtered | 1.0-1.1 |
پارامترهایی که برای انتخاب یک روش مناسب کنترل باید در نظر گرفته شود:
دمای موتور:
بهره برداری از موتوری با کنترل فیلتر نشده و form factor بالاتر سبب شده كه دمای موتور تا 30 درجه بیشتر از نوع كنترل فیلترشده افزایش یابد. form factor مورد مهمی در طراحی عملكرد موتورها در جریان مستقیم است. هنگامیكه از یك كنترل یكسوشده در مقابل یك DC خالص استفاده می شود، افزایش دمای موتور برای یك خروجی ثابت،تقریبا متناسب با مجذور form factor است. بطور مثال، موتوری با كنترل نیم موج تریستوری تقریبا 2.5 برابر بیشتر از موتوری با form factor 1.0 افزایش دما دارد.
این مورد برای موتورهای كه در معرض تماس با افراد با آن هستند حایز اهمیت است. استاندارهای ایمنی بیان می كنند كه دمای سطح تجهیزات در صورتیكه بدن انسان با آن در تماس از نباید بیشتر از 60 درجه سانتیگراد باشد. یك موتور داغ می تواند بر سایر تجهیزاتی كه اطراف آن وجود دارد اثر بگذارد. این اثر در مكانهای بسته و ضد انفجار كه به گرمای بالا حساسیت دارند، تشدید می شود.
طول عمر موتور:
در كنار مسایل ایمنی، گرمای زیاد موتور باعث كوتاه شدن عمر موتور نیز می شود. خاصیت عایقی، روانكاری و آببندی موتور با دما تاثیر می گیرند.
- به عنوان یک قاعده کلی، طول عمربلبرینگ و یا روان کننده ها به ازاء افزایش دما برای هر 14 درجه سانتیگراد نصف می شود. حرارت در نهایت منجر به کم شدن خاصیت گریس و آببندی شده و سبب نشت، افزایش اصطکاک و هزینه تعمیر و نگهداری بیشتر می شود.
- در حالت کلی، خاصیت عایقی موتور به ازاء هر 10 درجه سانتیگراد افزایش دما، نصف می شود.
طول عمر بالا برای دستگاههای صنعتی ای که 24 ساعته و در سه شیفت کاری در حال کار هستند، اهمیت بسیاری دارد. موتورها بطور معمول برای ساعت کارکرد معینی طراحی می شوند. بطور مثال موتوری که برای 1000 ساعت کار طراحی شده است، اگر آن بطور متوسط 8 ساعت در روز کار کند، حدود 5 سال کار خواهد کرد. ولی اگر همان موتور بصورت 24 ساعته کار کند، طول عمر آن به یکسال کاهش خواهد یافت. اگر هم از یک روش کنترل فیلتر نشده استفاده شود، طول عمر آن حتی تا 6 ماه نیز کوتاه می شود.
طول عمر جاروبک ها:
در یک سیستم کنترل فیلتر نشده برای حفظ یک میانگین جریان خروجی، نیازه که جریانهای لحظه ای شدیدی به موتور اعمال شود. این جریان های شدید لحظه ای تاثیر مخربی در زغال و جاروبک نگهدار موتور داشته و سبب کاهش 50 درصدی طول عمر موتور نسبت به نوع کنترل فیلتر شده می شود. این مشکل در کاربردهای حساس سرعت بالا مثلا در سانتریفوژهای آزمایشگاهی آشکارتر است. در کنترل فیلتر نشده و در سرعت های بالا مثلا در حدود 15000r.p.m بعلت سرعت بالای خطی بین ذغال و کموتاتور، طول عمر جاروبک کوتاه خواهد بود. در موتورهای با سرعتهای بالا و استفاده از سیستم کنترل فیلتر نشده، مجبور می شوید در فواصل زمانی کوتاه، با توجه به مدت و شرایط استفاده از دستگاه تان، مجموعه جاروبک و متعلقات آنرا تعویض کنید.
محدوده سرعت:
با کنترل فیلتر شده حداکثر سرعت 45 درصد بیشتر می شود. در ولتاژ 115VAc حداکثر ولتاژ DC در روش کنترل فیلتر نشده، 90 ولت می باشد. ولی ولتاژ Dc یک کنترل فیلتر شده 130V است. چون سرعت یک موتور Dc به طور مستقیم با ولتاژ اعمالی به آن در ارتباط است، در کنترل فیلتر شده سرعت موتور بیشتر خواهد بود (حدود 2500 دور در دقیقه). این مورد در کنترل فیلتر نشده حدود 1750 دور در دقیقه خواهد بود.
گستره وسیع سرعت در موتورهای که نیاز به کنترل در سرعت های خیلی پایین و بالا هستند خیلی اهمیت دارد. بطور مثال در ماشین چاپ، موتور باید پمپی که حاوی جوهر است را به کار بیاندازد. در طی فرآیند چاپ، برای حفظ فشار ثابت، موتور با سرعت پایین حرکت می کند. در پایان فرآیند چاپ، برای پاک کردن جوهر از یک سیستم تمییز کننده استفاده می شود. که در این صورت نیاز است که موتور در سرعت بالا کار کند.
گشتاور مداوم:
وقتی ولتاژ ترمینال های موتور دارای تغییرات شدید باشد، گشتاور کاری موتور نیز تغییرات شدید و گاها ضربه ای دارد. این تغییر در گشتاور سبب نوسانات سرعت نیز می شود. گشتاور نامی موتور توسط شرایط دمایی و عایقی و سایر پارامترهای تغییر می یابد. اتحادیه تولید کننده تجهیزات الکتریکی دمای کاری بیش از 70 درجه سانتیگراد برای موتور را مجاز نمی دانند. بطور مثال موتوری با کلاس دمایی A که با form factor 1.0 در دمای 40 درجه سانتیگراد، 0.7 نیوتن/متر باری را به حرکت در می آورد. برای اینکه همین موتور با form factor 1.6 در زیر 70 درجه سانتیگراد کار کند، گشتاور موتور باید به 0.4 نیوتن/متر کاهش یابد. (57 درصد کمتر از form factor 1.0 شود). در کنترل فیلتر شده، گشتاور مداوم حدود 50% بیشتر است.
گزارش