Metody řízení rychlosti stejnosměrného motoru

Řízení rychlosti je jednou z nejdůležitějších výkonnostních charakteristik a DC motor a to je klíčový důvod, proč stejnosměrné motory zůstávají široce používány v aplikacích, které vyžadují přesný, nastavitelný a citlivý pohyb. Na rozdíl od střídavých motorů, jejichž rychlost je úzce svázána s frekvencí napájecího zdroje, lze rychlost stejnosměrného motoru plynule a ekonomicky nastavit pomocí několika dobře zavedených metod. Pochopení těchto metod umožňuje inženýrům a produktovým konstruktérům vybrat nejvhodnější přístup pro danou aplikaci, vyvažovat faktory, jako jsou náklady, účinnost, požadavky na krouticí moment a složitost řízení.

Rychlost stejnosměrného motoru se řídí vztahem mezi napětím kotvy, zpětnou elektromotorickou silou, odporem kotvy a magnetickým tokem vytvářeným polem. Manipulací s kterýmkoli z těchto faktorů lze zvýšit nebo snížit rychlost otáčení motoru. V praxi je toho dosaženo především prostřednictvím tří způsobů elektrického ovládání, zatímco čtvrtý, čistě mechanický přístup využívající reduktor převodovky – který je nyní hlavním proudem a kritickým způsobem při návrhu řešení motoru – poskytuje regulaci rychlosti bez jakýchkoliv úprav elektrického systému motoru.

Ovládání napětí kotvy

Regulace napětí kotvy je nejběžnější a nejrozšířenější metodou úpravy rychlosti stejnosměrného motoru. Protože rychlost motoru je přibližně úměrná napětí aplikovanému na vinutí kotvy, zvýšení napájecího napětí způsobí, že se motor bude otáčet rychleji, zatímco snížení zpomalí motor. Díky tomuto vztahu je ovládání napětí kotvy intuitivním a vysoce účinným prostředkem k dosažení hladkého a plynulého nastavení rychlosti.

V moderních aplikacích je napětí kotvy typicky regulováno pomocí modulace šířky pulzu (PWM), kde se průměrné napětí dodávané do motoru mění rychlým zapínáním a vypínáním napájení při řízeném pracovním cyklu. Tento přístup nabízí vynikající účinnost, rychlou odezvu a široký rozsah nastavení rychlosti, přičemž generuje relativně málo tepla ve srovnání s odporovými metodami. Regulace napětí kotvy je zvláště vhodná pro aplikace pod jmenovitými otáčkami motoru, kde udržuje relativně konstantní točivý moment v celém rozsahu nastavitelných otáček, což z něj činí preferovanou volbu pro přesné pohony, automatizovaná zařízení a zařízení napájená bateriemi.

Řízení toku pole

U stejnosměrných kartáčovaných motorů je zpětná elektromotorická síla určena magnetickým tokem a rychlostí otáčení. Napětí kotvy je součtem zpětné elektromotorické síly a úbytku napětí na vinutí kotvy. Protože úbytek napětí vinutí je při běžném provozu velmi malý, je napětí kotvy zhruba ekvivalentní zpětné elektromotorické síle.

Když jsou napětí kotvy a zatěžovací moment udržovány konstantní, otáčky motoru jsou nepřímo úměrné magnetickému toku. Snížení magnetického toku sníží zpět elektromotorickou sílu, zvýší rozdíl napětí v obvodu kotvy a zvýší proud kotvy. Vyšší proud kompenzuje ztrátu točivého momentu ze oslabeného magnetického toku a udržuje stabilní výstupní točivý moment. Nakonec motor běží rychleji s menším magnetickým tokem a pomaleji s větším magnetickým tokem.

U stejnosměrných motorů s budicím vinutím lze magnetický tok upravit změnou budícího proudu. Variabilní rezistor zapojený do série v napájecím obvodu budicí cívky umožňuje regulaci: snížení odporu zvýší budicí proud, posílí magnetické pole a zvýší magnetický tok.

Stejnosměrné motory s permanentními magnety nejsou vybaveny budicími vinutími a jejich magnetické pole je zásobováno permanentními magnety. Pro zvýšení magnetického toku lze použít magnety s vyšším magnetickým výkonem. Kromě toho je magnetický přídržný kroužek součástí s vysokou magnetickou permeabilitou. Omezuje rozptylový magnetický tok z magnetů a optimalizuje vnitřní magnetický obvod. Instalace magnetického pojistného kroužku snižuje magnetické ztráty a zvyšuje efektivní magnetický tok pro elektromechanickou přeměnu energie.

Kontrola odporu kotvy

Řízení odporu kotvy dosahuje snížení rychlosti vložením proměnného odporu do série s obvodem kotvy. S rostoucím odporem se zvyšuje úbytek napětí na rezistoru, takže je k dispozici méně napětí pro pohon motoru, což má za následek nižší rychlost. Naopak snížení odporu umožňuje, aby se na kotvu dostalo větší napětí, čímž se zvýší rychlost až na jmenovitou hodnotu motoru.

I když je tato metoda jednoduchá, levná a snadno implementovatelná, má značné nevýhody. Významná část vstupní energie je rozptýlena jako teplo v rezistoru, což má za následek nižší celkovou účinnost, zejména při snížených rychlostech. Navíc tato metoda umožňuje pouze snížení rychlosti pod jmenovitou rychlost a poskytuje relativně hrubé řízení ve srovnání s elektronickými metodami. V důsledku toho je regulace odporu kotvy obecně omezena na aplikace s nižším výkonem, základní řídicí systémy nebo situace, kde stačí příležitostné, nekritické nastavení rychlosti a řešení elektronického pohonu nejsou odůvodněna cenou.

Přidání reduktoru převodovky

Kromě výše popsaných způsobů elektrického ovládání lze výstupní rychlost nastavit také mechanicky připojením stejnosměrného motoru k reduktoru převodovky. Převodovka snižuje rychlost otáčení dodávanou hřídelí motoru a zároveň úměrně zvyšuje dostupný točivý moment na výstupním hřídeli podle převodového poměru zvoleného pro danou aplikaci.

Tento přístup je zvláště cenný, když aplikace vyžaduje pevnou, předvídatelnou výstupní rychlost, která je výrazně nižší, než je přirozený provozní rozsah motoru, nebo když je potřeba vysoký točivý moment při nízkých otáčkách, aniž by byly kladeny nadměrné elektrické požadavky na samotný motor. Vzhledem k tomu, že motor může pokračovat v provozu v blízkosti svého optimálního rozsahu otáček a účinnosti, zatímco převodovka zvládne snížení rychlosti, tato kombinace často poskytuje lepší celkovou účinnost a životnost, než kdybychom se při dosažení velmi nízkých výstupních otáček spoléhali pouze na elektrické metody. Reduktory převodovky jsou široce používány ve spojení s kartáčovanými stejnosměrnými motory v robotice, průmyslové automatizaci, domácích spotřebičích a aplikacích elektrického nářadí a lze je kombinovat s jakoukoli z výše uvedených metod elektrického řízení rychlosti pro další jemné doladění konečné výstupní rychlosti.

Závěr

Řízení otáček stejnosměrných motorů je rozhodující pro optimalizaci výkonu systému, zvýšení energetické účinnosti a dosažení navržených funkcí. Při výběru vhodného řešení je nezbytné plně zohlednit skutečné požadavky aplikace, cíle energetické účinnosti a rozpočty nákladů. Kartáčované stejnosměrné motory Hongyang Motor se vyznačují flexibilním designem a jsou kompatibilní s různými řešeními řízení rychlosti, aby uspokojily různé potřeby zákazníků. Nabízíme komplexní konfigurace produktů a profesionální technickou podporu, abychom pomohli zařízení dosáhnout nejlepšího provozního stavu.