مقاله در مورد کنترل سرعت در ماشین های الکتریکی

بخشی از مقاله

كنترل سرعت در ماشين هاي الكتريكي

كنترل سرعت در موتورهاي DC, ac به منظور تغيير دادن سرعت براي هدفي خاص صورت مي گيرد، تغيير سرعت به طور طبيعي مي تواند توسط تغيير بار صورت گيرد كه در اين بخش منظور ا زكنترل سرعت شامل مواردي كه در آن سرعت به طور طبيعي تغيير مي كند، نيست بلكه اين تغيير بايد به صورت عمدي رخ دهد.
(1)
با توجه به رابطه 1 در بالا به سه روش مي توان سرعت را كنترل كرد: تغيير Ra ، تغيير و تغيير vt
1- كنترل سرعت با تغيير Ra:
الف: در موتور شنت : در اين روش ، رئوستاي و R را به طور سري با مدار آرميچر قرار مي دهيم: به R, رئوستاي كنترل كننده گويند. زماني كه Rg در مدار موجود نيست داريم

و زمان كه Rg را در مدار آرميچر قرار مي دهيم اگر فرض كنيم تغيير سرعت رخ ندهد خواهيم داشت:

در يك موتور شنت شار ميدان بدون تغيير باقي مي ماند بنابارين با كاهش جريان آرميچر به گشتاور الكترومغناطيسي از به كاهش مي يابد. و در نتيجه جريان آرميچر Ia افزايش مي يابد . در نتيجه جريان آرميچر Ia1 بطوري كه گشتاور الكترومغناطيسي اوليه دوباره ايجاد گردد.

هنگامي كه با شرايط پايدار جديدي با در مدار آرميچر مي رسيم داريم:


رابطه بالا نشان مي دهد كه كمتر از مي باشد.
در اين روش كنترل سرعت Ia ثابت باقي مي ماند تواني كه منبع به موتور مي دهد ثابت است يعني مقدار ثابت بوده و ربطي به اين ندارد كه Rg در مدار باشد يا نباشد ودر مورد قدرت تحويلي به بار مي توان گفت كه

پس قدرت تحويلي به بار متناسب با سرعت است.
در اين روش بازده برابر است با

پس هر چه Rg بيشتر باشد بازده ما كمتر خواهد شد، در نتيجه در مورد معايب اين روش مي توان گفت: بازده بسيار كم است و تنظيم سرعت با مقاومت كنترل كننده Rg ضعيف است. مزيت اين روش نيز اين است كه امكان رسيدن به سرعت هاي زير سرعت پايه را نيز ميسر مي سازد.
در آخر مي توان گفت كه اين روش تنها موقعي به كار مي رود كه كار موتور كوتاه مدت يا با سرعت كم باشد
ب) موتور سري:
اگر بازه وسيع كنترل سرعت مورد نياز باشد معمولاً از موتورهاي DC سري استفاده مي شود.
قبل از وارد كردن رئوستاي Rg داريم:

اگر از اشباع مغناطيسي صرفنظر شود شار ميدان متناسب با جريان آرميچر مي باشد.
اگر باشد خواهد بود و



بعد از اينكه رئوستاي Rg بطور سري با مدار آرميچر قرار گرفت،

براي گشتاور بار ثابت:

يا
و

رابطه بالا نشان مي دهد كه كمتر از است.
تنظيم ضعيف سرعت در موتورهاي سري چندان مهم نيست. اين روش كنترل سرعت براي كنترل سرعت محركهايي نظير جرثقيل، بالابرها، قطارها و غيره كاربردهاي مهمي دارند. از رئوستاي بكار رفته براي محدود كردن جريان راه اندازي آرميچر نيز ممكن است براي كنترل سرعت استفاده كرد.
به منظور استفاده از ظرفيت كامل موتور در همة سرعتها جريان آرميچر برابر جريان مجاز آرميچر يعني مقدار نامي نگه داشته مي شود. واضح است كه براي موتور شنت شار آرميچر كه برابر مقدار نامي است توليد مي شود . از آنجائيكه شار ميدان در هر دو نوع موتور ثابت باقي مي ماند روش كنترل مقاومت مدار آرميچر به روش گشتاور ثابت (شار ميدان ثابت) (جريان نامي آرميچر) ناميده مي شود.
2- كنترل سرعت توسط تغيير :
نام ديگر اين روش روش تضعيف ميدان است و بر عكس حالات قبل فقط سرعت هاي بالاتر از سرعت پايه را ايجاد مي كند.

الف: موتور شنت:
شار ميدان و از اينرو سرعت موتور شنت مي تواند با تغيير مقاومت تنظيم ميدان به راحتي كنترل شود. اين يكي از ساده ترين و اقتصادي ترين روش ها مي باشد و بنابراين بطور گسترده در محركه هاي الكتريكي ميدان استفاده مي‌شود.
تحت شرايط كار دائمي اگر مقاومت مدار ميدان افزايش يابد جريان ميدان If و شار ميدان كاهش مي يابد . از آنجائيكه به واسطه لختي روتور سرعت نمي تواند ناگهان تغيير كند، كاهش در شار ميدان سبب كاهش نيروي ضد محركه الكتريكي مي گردد و در نتيجة آن جريان بيشتري در آرميچر جاري مي شود. درصد افزايش Ia خيلي بيشتر از درصد كاهش شار ميدان است. بدين ترتيب گشتاور الكترومغناطيسي افزايش مي يابد و بيش از گشتاور بار شده و موتور شتاب مي گيرد. سپس نيروي ضد محركه الكتريكي افزايش مي يابد و Ia شروع به كاهش پيدا مي كند تا گشتاور الكترومغناطيسي برابر گشتاور بار ثابت گردد. اگر جريان آرميچر برابر Ia1 برابر شار و برابر Ia2 هنگامي كه شار به تغيير مي يابد باشد براي گشتاور بار ثابت داريم:


پديده بالا كه تغييرات سرعت و جريان آرميچر در برابر تغييرات شار ميدان را تشريح مي كند.
در ادامه به بررسي معايب اين روش مي پردازيم كه نسبتاً مفصل است.

سرعت بالا با ميدان خيلي ضعيفي فراهم مي شود . اين ميدان ضعيف درحداكثر سرعت باعث مي شود كه جريان آرميچر براي ايجاد گشتاور بار مشخص افزايش يابد. با افزايش جريان آرميچر در حالي كه ميدان اصلي ضعيف است منتجه شكل موج ميدان بطور نامطلوبي معوج مي شود كه در شكل نشان داده شده است. حال پيچك كه بازوهايش در معرض چگالي شار حداكثر قرار دارد را

در نظر بگيريد. اگر ولتاژ گردشي القاء شده در پيچك از 30 ولت تجاوز كند، در هواي بين تيغه هاي مجاور كه به پيچك وصل شده اند ممكن است شكست رخ داده و باعث ايجاد قوس يا جرقه شود . اين قوس الكتريكي تا حدي بر روي سطح كموتاتور توسعه پيدا مي كند كه منجر به ايجاد جرقه بين جارويك مثبت و منفي و در نتيجه باعث بروز اتصال كوتاه در خط تغذيه موتور مي گردد . اين نشان مي دهد در هنگامي كه سرعت بالا با شار ميدان خيلي ضعيف ايجاد مي شود كموتاسيون خيلي بد مي باشد.

آرميچر ممكن است در اثر اين سرعت بالا گرماي بيش از حد پيدا كند زيرا افزايش جريان آرميچر باعث افزايش تلفات اهمي مي گردد در حاليكه خنك كردن با تهويه متناسباً بهبودي نخواهد داشت.
اگر شار ميدان به طور قابل ملاحظه ضعيف گردد، سرعت افزايش مي يابد و در اثر اين تغييرات كار موتور ناپايدار مي گردد. براي مثال هنگامي كه شار ميدان خيلي ضعيف شود گشتاور بار ثابت به افزايش جريان آرميچر احتياج دارد. نيروي محركه مغناطيسي مربوط به واكنش ضدمغناطيسي آرميچر مي تواند شار ميدان ضعيف قبلي را كاهش دهد تا حدي كه گشتاور الكترومغناطيسي كمتر از گشتاور بار گردد و علي رغم افزايش Ia سرعت موتور آهسته كم مي‌شود.
گشتاور ثابت در سرعت كاهش يافته به Ia كم نياز دارد زيرا Ea اساساً ثابت باقي مي ماند. كاهش در Ia و بنابراين كاهش در واكنش ضد مغناطيسي آرميچر، سبب افزايش شار ميدان از مقدار ضعيف شده آن مي گردد . در نتيجة آن گشتاور الكترومغناطيسي (متناسب با ) شروع با افزايش پيدا مي كند هر چند كه Ia كمتر شده باشد . اگر گشتاور موتور بيشتر از گشتاور بار شود موتور شتاب مي گيرد و ممكن است دوباره سرعت خيلي زياد مي شود كه در اثر آن اتفاقات بالا ممكن است دوباره روي دهد و باعث بروز نوسانات دوره اي در سرعت موتور يعني ايجاد پديده نوسان يكنواخت در موتور شود. اگر ميدان سري ضعيفي (مشهور به سيم پيچي پايدار ساز) به ميدان شنت اضافه شود، مي تواند از اين عملكرد ناپايدار جلوگيري كند. سيم پيچي پايدار كننده اجازه مي دهد كه بازه وسيعي از سرعت در تمام موتورهائي كه براي تنظيم سرعت در نظر گرفته مي شوند بدست آيد. براي افزايش بيشتر اين بازه سرعت از سيم پيچي جبرانگير استفاده مي شود.

ب: موتورسري: براي تغيير شار ميدان و در نتيجه سرعت موتور سري ، سه عامل مي تواند مؤثر باشد و بدين ترتيب سه روش وجود دارد.
روش اول: در اين روش يك مقاومت به نام مقسم قرار مي دهيم به طوريكه با سيم پيچ ميدان سري قرار بگيرد، هنگامي كه مقاومت مقسم تغيير مي كند . جريان نيز در سيم پيچ ميدان سري تغيير خواهد كرد و به اين ترتيب شار ميدان و درنتيجه سرعت موتور نيز تغيير خواهد كرد.

روش دوم: اين روش از سيم پيچ ميدان سري انشعاب مي گيريم و به اين ترتيب تعداد دورهاي سيم پيچ ميدان تغيير خواهد كرد و نيروي محركة مغناطيسي ميدان سري و سرعت تغيير مي كند.
با توجه به توضيح زير در مي يابيم كه براي موتورهاي سري در حمل و نقل اين روش بسيار مفيد است:
اگر موتور سري اجباراً با بارهاي متغير كار كند آنگاه مقاومت مقسم بايد خيلي اندوكتيو (القائي) باشد. براي مثال هنگاميكه موتور سري براي حمل و نقل استفاده مي شود ممكن است كه جمع كننده جريان، اتصالش را با سيم هوايي از دست بدهد. بعد از آن موتور در اثر انرژي جنبشي

موجود در محور خود (لختي) به حركت ادامه مي دهد. اما جريان و بنابراين شار ميدان سري ممكن است از بين برود. بعد از مدت كوتاه هنگامي كه دوباره اتصال بين جمع كننده و سيم هوايي برقرار شد بواسطة اندوكتانس زياد سيم پيچ ميدان سري ممكن است تمامي جريان از مقاومت مقسم عبور كند. از آنجائيكه جريان در ميدان سري در اثر اندوكتانس بالا تقريباً صفر است نيروي ضد محركه الكتريكي ايجاد شده توسط موتور صفر بوده و باعث مي شود هنگامي كه اتصال دوباره برقرار شد، جريان آرميچر ناگهان زياد شود. همچنانكه قبلاً توضيح داده شد خود مقاومت مقسم نيز بايد بيشتر القائي باشد. اين مشكل در روش كنترل انشعابات سيم پيچ ميدان وجود ندارد و به همين دليل براي موتورهاي سري در حمل و نقل اين روش ترجيح داده مي شود.
روش سوم: در اين روش اتصال سيم پيچ ميدان را از سري به موازي تغيير مي دهيم يعني سيم پيچ ميدان سري را به دو قسمت مساوي تقسيم مي كنيم؛ زماني كه اين دو قسمت به صورت سري وصل مي شوند مي توان كل نيروي محركه مغناطيسي را به صورت زير نوشت

نيروي ضد محركه الكتريكي وقتي دو قسمت سيم پيچي تحريك طبق شكل (cii) موازي وصل شوند براي همان جريان Ia از هر مسير موازي عبور مي كند و نيروي محركه مغناطيسي كل برابر است با:

نيروي ضد محركه الكتريكي
: در حالت بدون اشباع مغناطيسي
يا
اين نشان مي دهد كه اتصال موازي سيم پيچ هاي ميدان سرعت هاي بالا را براي موتور نتيجه مي دهد . براي گشتاور بار ثابت كاهش در شار ميدان باعث افزايش Ia و افزايش سرعت مي شود. بدينگونه قدرت ورودي VtIa و قدرت خروجي (=گشتاور بار ثابت * سرعت) افزايش مي يابد و بنابراين بازده تقريباً بدون تغيير مي ماند.
براي كنترل موتور سري و شنت، نيروي ضد محركه الكتريكي Ea اساساً ثابت مي ماند. زيرا كاهش در شار ميدان با افزايش سرعت متناظر جبران مي شود. اگر جريان آرميچر Ia برابر جريان نامي موتور (مقدار پلاك موتور) نظير استفاده كامل از ظرفيت موتور باشد قدرت خروجي Ia Ea تقريباً

ثابت مي ماند و به اين دليل كنترل سرعت با روش تغيير شار ميدان را روش قدرت ثابت مي‌ماند.
از آنجائيكه EaIa تقريباً ثابت مي ماند، حداكثر گشتاور هنگاميكه موتور با پائين ترين سرعت كار مي كند ايجاد مي شود. از اين نظر روش كنترل شار ميدان براي بارهايي كه به گشتاورهاي بزرگ در سرعت هاي پايين احتياج دارند مناسب مي باشد. در حالتي كه گشتاور بار ثابتي در حدود وسيعي از تغييرات سرعت مورد نياز باشد ظرفيت و اندازه موتور بر اساس بالاترين سرعت ممكنه انتخاب مي شود واضح است از چنين موتوري در سرعتهاي كم كار كم با ظرفيت كم استفاده مي شود.
3- كنترل سرعت توسط تغيير vt : اگر ولتاژ ترمينال (vt) تغيير كند، تقريباً متناسب

با آن نيروي ضد محركه الكتريكي (Ea) نيز تغيير مي كند، زيرا داريم:

و براي حالاتي كه شار ثابت است ، مثلاً موتور شنت DC سرعت نيز تقريباً متناسب با vt تغيير مي كند. براي كار موتور DC ابتدا بايد ac به DC تبديل شود و بعد از آن به آرميچر اعمال شود و روش براي تغيير سرعت با تغيير ولتاژ ترمينال وجود دارد .