DC-moottorin nopeudensäätö: miten se toimii ja mitä laitteen suunnittelussa on määritettävä

Moottoritekniikka — laitesuunnittelu

Tasavirtamoottorin muuttuva nopeus: Työopas suunnittelijoille ja ostajille

Säädettävänopeuksiset tasavirtamoottorit tarjoavat leveämmän nopeusikkunan, hiljaisemman alhaisen nopeuden käytön ja paremman osittaisen kuormituksen hyötysuhteen – kun moottori, ohjain ja lämpörakenne määritetään yhdeksi järjestelmäksi.

Liesituulettimen valmistaja testaa 120 V DC moottoria uuteen keittiölinjaan. Se vaatii kolmea poistonopeutta, tiukan matalan nopeuden melurajoituksen ja säätimen, joka pitää nopeuden suodattimen latautuessa. Toisessa laboratoriossa ilmanjäähdyttimen valmistaja haluaa moottorin, joka voi laskea kolmannekseen nimellisnopeudesta yöajoa varten ilman ylikuumenemista.

Molemmat ryhmät kysyvät saman kysymyksen: kuinka tasavirtamoottorin nopeussäädettävä nopeus todella toimii, ja mitä kuuluu spesifikaatioon ennen kuin ensimmäinen näyte lähetetään? Lyhyesti sanottuna vastaus on, että nopeus seuraa jännitettä, vääntömomentti virtaa ja ohjain päättää, kuinka tiukasti näitä kahta pidetään. Tehokkuus, melu ja käyttöikä riippuvat kaikki siitä, kuinka hyvin nämä kolme sopivat yhteen.

Mikä tekee tasavirtamoottorista vaihtuvanopeuksisen

Kestomagneettisessa tasavirtamoottorissa nopeus on verrannollinen ankkuriin syötettyyn jännitteeseen, kun taas vääntömomentti on verrannollinen ankkurivirtaan. Pienennä keskimääräistä jännitettä ja moottori hidastuu; nosta sitä ja moottori nousee kohti nimellisnopeutta. Tämä lähes lineaarinen käyttäytyminen on syy siihen, miksi tasavirtamoottorit ovat luonnollinen perusta säädettävänopeuksisille laitteille – piirissä ei ole pyörivää kenttää synkronoitavaksi eikä taajuusmuuttajaa.

Kuvassa on toinen puolisko. Kuormituksen alaisena jokainen todellinen moottori hidastuu hieman käämivastuksen ja harjatuissa malleissa harjahäviöiden vuoksi. Avoimen silmukan ohjain, joka asettaa vain jännitetason, ei voi korjata sitä. Tuulettimille ja puhaltimille, joissa muutama prosentti ajautumisesta on näkymätöntä, avoimen silmukan käyttö on hyväksyttävää. Liesituulettimelle, jonka on pidettävä vähimmäisilmamäärä, tai ilmanjäähdyttimessä, joka työntää ilmaa kosteiden tyynyjen läpi, suljetun silmukan ohjaus on lisäkustannusten arvoinen.

Kolme termiä kehystävät jokaista keskustelua moottoritoimittajan kanssa:

• Nopeusalue — pienimmän käytettävissä olevan nopeuden suhde nimellisnopeuteen, usein 5:1 tai 20:1. Laajempi suhde vaatii ajurin, joka on suunniteltu vakauttamaan hitaissa nopeuksissa.
• Käyttömäärä — käykö moottori jatkuvasti miniminopeudella vai vain lyhyin väliajoin. Tämä määrittää lämpösuunnittelun.
• asetuksessa — nopeuden pudotus kuormittamattomasta täyskuormitukseen kiinteällä asetuksella ilmaistuna prosentteina. Suljetun silmukan järjestelmät säätelevät paljon vähemmän kuin avoimen silmukan järjestelmät.

Tärkeimmät tavat hallita tasavirtamoottorin nopeutta

Tuotantolaitteissa esiintyy kolme ohjausmenetelmää. Ne eroavat kustannuksiltaan, teholtaan, melulta ja vääntömomentilta.

Lineaarinen jännitteensäätö

Muuttuva vastus tai lineaarinen säädin alentaa ankkurin näkemää jännitettä. Konsepti on yksinkertainen ja halpa, mutta hukkaan heitetystä energiasta tulee lämpöä laitteessa ja tehokkuus romahtaa pienemmällä nopeudella. Se sopii erittäin edullisille faneille, harvoin tuote, joka toimii tuntikausia.

Pulssin leveysmodulaatio

Pulssinleveysmodulaatio kytkee virran täysin päälle ja pois kiinteällä taajuudella – tyypillisesti 8 kHz - 25 kHz – ja muuttaa käyttösuhdetta. Moottori näkee pienemmän keskijännitteen, kun kytkinlaite on joko täysin päällä tai kokonaan pois päältä, joten ajurin häviöt pysyvät pieninä. PWM on nyt vakiomenetelmä DC-moottoreiden muuttuvanopeuksisille, mukaan lukien harjattomille DC-moottoreille, koska siinä yhdistyy tehokkuus ja laaja säätöalue.

Suljetun silmukan palauteohjaus

Suljetun silmukan ohjaus lisää nopeusanturin – Hall-anturin, kooderin tai back-EMF-tunnistuspiirin – joten kuljettaja vertaa todellista nopeutta annettuun arvoon ja säätää PWM:ää reaaliajassa. Moottori ylläpitää nopeutta, kun juoksupyörä kuormittaa sitä, kun suodatin tukkeutuu tai kun syöttöjännite laskee. Harjattomat DC-moottorit luottavat joka tapauksessa tähän elektroniseen kommutaatioon, minkä vuoksi ne tarjoavat tasaisen vääntömomenttikäyrän laajalla nopeusalueella.

Useimmissa laitteissa PWM-ohjain, jossa on suljetun silmukan palaute, antaa parhaan tasapainon käyttäytymisen ja kustannusten välillä. Moottorin ja ajurin tilaaminen yhdeksi yhteensopivaksi sarjaksi yhdeltä toimittajalta välttää yhteensopimattomuudet, jotka aiheuttavat melua, hankausta ja ennenaikaista vikaa.

DC Variable Speed vs. AC Variable Speed

AC-oikosulkumoottorit voivat myös toimia vaihtelevalla nopeudella, mutta laitteisto on raskaampaa. Yksivaiheinen kondensaattorikäyttöinen moottori tarvitsee vaiheohjauksen; kolmivaihemoottori tarvitsee taajuusmuuttajan. Molemmissa tapauksissa vääntömomentti laskee alhaisella nopeudella, ellei moottoria ole erityisesti suunniteltu, ja klassisilla yksivaiheisilla malleilla on taipumus huminaa, kun niitä pyydetään ajamaan huomattavasti alle nimellisnopeuden.

Vaihtoehto ei ole ehdoton. AC-moottorit ovat edelleen vahva valinta kiinteänopeuksisiin ja suuritehoisiin sovelluksiin. Mutta kun lyijykynä vaatii mitä tahansa nopeutta X:n ja Y:n välillä, hiljaista hidasta käyntiä ja tiukkaa energiabudjettia, DC-säädettävästä nopeudesta tulee käytännön ratkaisu.

Mitä on tarkistettava ennen kuin määrität muuttuvanopeuksisen tasavirtamoottorin

Tietolomake kaappaa vakaan tilan käyttäytymisen, ei kenttäkäyttäytymistä. Alla olevat tarkistukset erottavat tuotannossa toimivan moottorin ensimmäisten kuukausien jälkeen vikaantuneesta moottorista.

1. Pienin jatkuva nopeus itsejäähdytyksellä. Omalla tuulettimellaan jäähdytetty moottori käy kuumana ilmavirran laskeessa. Ilmoita vähimmäisnopeus teknisissä tiedoissa ja testaa siinä kohdassa oikea juoksupyörä asennettuna.
2. Ohjainten yhteensopivuus. PWM-taajuuden, virtarajan ja pehmeäkäynnistyskäyttäytymisen on vastattava moottoria. Eri lähteistä peräisin olevien komponenttien sekoittaminen on yleisin syy vaihtelevan nopeuden vioihin pienissä kodinkoneissa.
3. Vääntömomentti työpisteessä. Moottori, joka käynnistyy hyvin nimellisnopeudella, saattaa tuottaa liian vähän vääntöä kolmanneksen nopeudella. Vertaa juoksupyörän kuormituskäyrää moottorin vääntömomenttikäyrään ennen rakenteen jäädyttämistä.
4. Melua jokaisella nopeudella. Sähkömagneettinen kohina muuttuu PWM-taajuuden ja -nopeuden mukaan. Jos tuotteella on meluraja, mittaa se tuotannonohjaimella, ei laboratoriovirtalähteellä.
5. Sertifiointi ohjaustilassa. CE-, UL-, CQC- tai muut merkit ovat merkityksellisiä vain, jos ne kattavat nopeudensäätötilan ja aiotun käyttöjakson. Pyydä testiraporttia, ei vain todistusta.

DC-moottorin nopeus ei ole yksikomponenttinen päätös. Moottori, PWM-ajuri ja lämpökäyttäytyminen miniminopeudella toimivat yhtenä järjestelmänä, joten spesifikaation tulee käsitellä niitä tällä tavalla. Määritä ensin nopeusalue, tarkista vääntömomentti todellista juoksupyörää vasten, valitse ohjain samalta toimittajalta ja testaa todellisen käyttöjakson mukaisesti. Tämä kurinalaisuus tekee lupaavasta moottorista paperilla luotettavan tuotteen kentällä.