کنترل سرعت متغیر موتور DC: چگونه کار می کند و چه چیزی را برای طراحی لوازم خانگی باید مشخص کرد

مهندسی موتور - طراحی لوازم خانگی

سرعت متغیر موتور DC: راهنمای کاری برای طراحان و خریداران

موتورهای DC با سرعت متغیر پنجره‌ای با سرعت وسیع‌تر، عملکرد کم‌سرعت آرام‌تر و بازدهی بار جزئی بهتر را ارائه می‌کنند - زمانی که موتور، درایور و طراحی حرارتی به عنوان یک سیستم مشخص شده باشند.

یک سازنده هود در حال آزمایش یک موتور 120 ولت DC برای خط آشپزخانه جدید است. این مختصر به سه سرعت استخراج، محدودیت شدید نویز سرعت پایین و کنترل کننده ای نیاز دارد که با بارگیری فیلتر، سرعت را حفظ کند. در آزمایشگاه دیگری، یک تولید کننده کولر هوا موتوری می خواهد که برای کار در شب بدون گرم شدن بیش از حد، بتواند به یک سوم سرعت نامی کاهش یابد.

هر دو تیم سؤال یکسانی را می پرسند: سرعت متغیر موتور DC واقعاً چگونه کار می کند و چه چیزی در مشخصات قبل از ارسال اولین نمونه تعلق دارد؟ پاسخ به طور خلاصه این است که سرعت از ولتاژ پیروی می کند، گشتاور از جریان پیروی می کند و کنترل کننده تصمیم می گیرد که این دو چقدر محکم نگه داشته شوند. راندمان، نویز و عمر مفید همگی به میزان تطابق این سه بستگی دارد.

چه چیزی یک موتور DC را با سرعت متغیر می کند

در موتورهای DC با آهنربای دائم، سرعت متناسب با ولتاژ اعمال شده به آرمیچر است، در حالی که گشتاور متناسب با جریان آرمیچر است. ولتاژ متوسط ​​را کاهش دهید و موتور کند می شود. آن را بالا ببرید و موتور به سمت سرعت نامی خود بالا می رود. این رفتار نزدیک به خطی به همین دلیل است که موتورهای DC پایه طبیعی وسایل با سرعت متغیر هستند - هیچ میدان چرخشی برای همگام سازی و هیچ مبدل فرکانس در مدار وجود ندارد.

نیمه دوم تصویر وجود دارد. تحت بار، هر موتور واقعی به دلیل مقاومت سیم پیچ و در طرح های برس خورده، تلفات برس کمی کند می شود. یک کنترل کننده حلقه باز که فقط سطح ولتاژ را تعیین می کند نمی تواند آن افت را اصلاح کند. برای فن ها و دمنده ها، که در آن چند درصد دریفت نامرئی است، عملیات حلقه باز قابل قبول است. برای یک هود برد که باید حداقل حجم هوا را حفظ کند، یا یک خنک کننده هوا که هوا را از طریق پدهای مرطوب عبور می دهد، کنترل حلقه بسته ارزش هزینه اضافی را دارد.

سه اصطلاح هر مکالمه با یک تامین کننده موتور را تنظیم می کند:

• محدوده سرعت - نسبت کمترین سرعت قابل استفاده به سرعت نامی که اغلب به صورت 5:1 یا 20:1 بیان می شود. نسبت گسترده تر نیاز به درایوری دارد که برای پایداری در سرعت کم طراحی شده باشد.
• چرخه وظیفه - آیا موتور به طور مداوم با حداقل سرعت کار می کند یا فقط در فواصل زمانی کوتاه. این طراحی حرارتی را تعیین می کند.
• مقررات - کاهش سرعت از بدون بار به بار کامل در یک تنظیم ثابت، به صورت درصد بیان می شود. سیستم های حلقه بسته تنظیم بسیار کمتری نسبت به سیستم های حلقه باز نشان می دهند.

راه های اصلی برای کنترل سرعت موتور DC

سه روش کنترل در وسایل تولید ظاهر می شود. آنها از نظر هزینه، کارایی، نویز و رفتار گشتاور متفاوت هستند.

کنترل ولتاژ خطی

یک مقاومت متغیر یا تنظیم کننده خطی ولتاژ دیده شده توسط آرمیچر را کاهش می دهد. مفهوم ساده و ارزان است، اما انرژی دور ریخته شده به گرما در دستگاه تبدیل می شود و بازده با سرعت کاهش می یابد. این برای طرفداران بسیار کم هزینه مناسب است، به ندرت محصولی که ساعت ها کار می کند.

مدولاسیون عرض پالس

مدولاسیون عرض پالس منبع تغذیه را به طور کامل در یک فرکانس ثابت - معمولاً 8 کیلوهرتز تا 25 کیلوهرتز - روشن و خاموش می کند و چرخه کار را تغییر می دهد. موتور ولتاژ متوسط ​​کمتری را می بیند در حالی که دستگاه سوئیچینگ یا به طور کامل روشن یا خاموش است، بنابراین تلفات راننده کم می ماند. PWM اکنون روش استاندارد برای سرعت متغیر موتور DC، از جمله موتورهای DC بدون جاروبک است، زیرا کارایی را با محدوده قابل کنترل گسترده ای ترکیب می کند.

کنترل بازخورد حلقه بسته

کنترل حلقه بسته یک سنسور سرعت را اضافه می کند - حسگر هال، رمزگذار، یا مدار تشخیص EMF عقب - بنابراین راننده سرعت واقعی را با مقدار فرمان مقایسه می کند و PWM را در زمان واقعی تنظیم می کند. موتور زمانی که پروانه آن را بارگیری می کند، هنگامی که فیلتر مسدود می شود، یا زمانی که ولتاژ تغذیه کاهش می یابد، سرعت خود را حفظ می کند. موتورهای DC بدون جاروبک به هر حال به این کموتاسیون الکترونیکی متکی هستند، به همین دلیل است که آنها منحنی گشتاور مسطح را در یک باند سرعت گسترده ارائه می دهند.

برای اکثر لوازم خانگی، یک درایور PWM با بازخورد حلقه بسته بهترین تعادل رفتار و هزینه را ارائه می دهد. سفارش موتور و درایور به عنوان یک مجموعه منطبق از یک تامین کننده، از عدم تطابق که باعث ایجاد صدا، گیر کردن و خرابی زودرس می شود جلوگیری می کند.

سرعت متغیر DC در مقابل سرعت متغیر AC

موتورهای القایی AC همچنین می توانند با سرعت متغیر کار کنند، اما سخت افزار آن سنگین تر است. یک موتور تک فاز با خازن نیاز به کنترل فاز دارد. یک موتور سه فاز به یک درایو فرکانس متغیر نیاز دارد. در هر دو مورد، گشتاور در سرعت کم کاهش می یابد، مگر اینکه موتور به طور خاص طراحی شده باشد، و طرح های تک فاز کلاسیک زمانی که از آنها خواسته می شود بسیار کمتر از سرعت نامی کار کنند، تمایل به زمزمه کردن یا چرخاندن دارند.

مبادله مطلق نیست. موتورهای AC گزینه ای قوی برای کاربردهای با سرعت ثابت و پرقدرت باقی می مانند. اما هنگامی که بریف سرعتی بین X و Y، سرعت کم و بودجه کم انرژی را می‌پرسد، سرعت متغیر DC به پاسخ مهندسی عملی تبدیل می‌شود.

قبل از تعیین یک موتور DC با سرعت متغیر چه چیزی را باید بررسی کرد

یک دیتاشیت رفتار حالت پایدار را نشان می دهد، نه رفتار میدانی. بررسی‌های زیر موتوری را که در حال تولید کار می‌کند از موتوری که پس از ماه‌های اول از کار می‌افتد جدا می‌کند.

1. کمترین سرعت پیوسته با خود خنک کننده. موتوری که توسط فن خودش خنک می‌شود، با افت جریان هوا، داغ‌تر می‌شود. حداقل سرعت را در مشخصات ذکر کنید و در آن نقطه با پروانه واقعی نصب شده تست کنید.
2. سازگاری درایور فرکانس PWM، حد جریان و رفتار شروع نرم باید با موتور مطابقت داشته باشد. اختلاط قطعات از منابع مختلف شایع ترین علت خرابی با سرعت متغیر در وسایل کوچک است.
3. گشتاور در نقطه کار. موتوری که با سرعت نامی به خوبی شروع به کار می کند ممکن است در سرعت یک سوم گشتاور بسیار کمی تولید کند. قبل از انجماد طرح، منحنی بار پروانه را با منحنی گشتاور موتور مقایسه کنید.
4. سر و صدا در هر مرحله سرعت. نویز الکترومغناطیسی با فرکانس و سرعت PWM تغییر می کند. اگر محصول دارای محدودیت صدا است، آن را با کنترل کننده تولید اندازه گیری کنید، نه با منبع تغذیه آزمایشگاهی.
5. صدور گواهینامه تحت حالت کنترل علامت‌های CE، UL، CQC یا سایر علامت‌ها فقط در صورتی معنی دارند که حالت کنترل سرعت و چرخه وظیفه مورد نظر را پوشش دهند. گزارش آزمون را بخواهید نه فقط گواهی.

سرعت متغیر موتور DC یک تصمیم تک جزیی نیست. موتور، درایور PWM و رفتار حرارتی در حداقل سرعت به عنوان یک سیستم عمل می‌کنند، بنابراین مشخصات باید به این ترتیب با آنها رفتار کند. ابتدا محدوده سرعت را تعریف کنید، گشتاور را در برابر پروانه واقعی بررسی کنید، کنترل کننده را از همان تامین کننده انتخاب کنید و تحت سیکل کار واقعی تست کنید. این رشته چیزی است که یک موتور امیدوارکننده روی کاغذ را به محصولی قابل اعتماد در این زمینه تبدیل می کند.