موتور DC نوعی ماشین الکتریکی است که جریان مستقیم الکتریکی را به انرژی مکانیکی چرخشی تبدیل می‌کند. از این نوع الکتروموتور در کاربردهای مختلفی نظیر روباتیک صنعتی، خودروسازی، صنایع سیمان، پتروشیمی، نورد فلزات، آسانسورها، قطارها و … استفاده می‌شود.
موتورهای DC، به‌خصوص موتورهایی که توان بالاتری دارند در هنگام راه‌اندازی شوک اولیه بسیار زیادی دارند و حجم بسیار زیادی از جریان شبکه را مصرف می‌کنند؛ بنابراین ممکن است در هنگام راه‌اندازی موتور، به شبکه برق و سایر دستگاه‌ها آسیب برسد. همچنین باتوجه‌به اینکه از موتورهای DC اغلب در کاربردهای دقیق صنعتی مانند دستگاه CNC استفاده می‌شود، مصرف جریان هجومی در هنگام راه‌اندازی موتور می‌تواند باعث واردشدن شوک به سایر تجهیزات شود و دقت آن‌ها را کاهش دهد.
تقریباً در تمامی کاربردها برای دستیابی به عملکرد بهینه و صحیح، نیاز به کنترل دور موتور DC داریم. کنترل دور موتور با نوسانات سرعت که در اثر تغییر بار رخ می‌دهد، تفاوت دارد. از روش‌های کنترل دور موتور DC برای دستیابی به‌سرعت دقیق، کنترل گشتاور، حفظ سرعت ثابت تحت بارهای متغیر و محافظت از موتور در برابر آسیب‌های ناشی از نوسانات جریان الکتریکی استفاده می‌شود.
روش‌های مختلفی برای کنترل دور الکتروموتور در هر یک از انواع موتور DC وجود دارد؛ بهترین و بهینه‌ترین روش برای کنترل سرعت موتور DC استفاده از درایوهای مخصوص است که در برخی موارد با نام اینورتر نیز شناخته می‌شود. اما روش‌های قدیمی‌تری نیز وجود دارد که در ادامه به آن‌ها می‌پردازیم.
برای آشنایی با این روش‌ها، ابتدا باید با انواع موتور DC آشنا شویم. در حالت کلی انواع موتور DC را به دو دسته موتور DC با شار ثابت و موتور DC با شار قابل‌کنترل تقسیم‌بندی می‌کنند.
- در موتور DC با شار ثابت، از یک آهنربای دائمی برای ایجاد شار مغناطیسی ثابت استفاده می‌شود.
- در موتورهای DC با شار قابل‌کنترل می‌توان شار مغناطیسی زیر هر قطب را با استفاده از محرک‌های خاصی تغییر داد.
براین‌اساس می‌توان دسته‌بندی دقیق‌تری از موتورهای DC ارائه داد:
- موتور جریان مستقیم با آهنربای دائمی (PMDCM)
- موتور جریان مستقیم تحریک مستقل
- موتور جریان مستقیم شنت (Shunt)
- موتور جریان مستقیم سری
- موتور جریان مستقیم ترکیبی (Compound)
در کاربردهای صنعتی اغلب از موتورهای DC شنت، سری و ترکیبی استفاده می‌شود.
روش‌های کنترل دور موتور DC
بهینه‌ترین و ایمن‌ترین روش کنترل دور موتور DC به‌وسیله درایوهای مخصوص است. برخی از شرکت‌ها، درایو اینورترهای دوکاره‌ای طراحی می‌کنند که برای هر دو نوع موتور AC و DC به کار می‌رود. روش‌های دیگری نیز برای تغییر دور موتور DC وجود دارد. فرمول محاسبه سرعت موتورهای DC عبارت است از:
در این معادله:
- V = ولتاژ ترمینال آرمیچر
- Ia= جریان آرمیچر
- Ra= مقاومت آرمیچر
- K= ثابت موتور
- φ= شار مغناطیسی هر قطب
باتوجه‌به معادله فوق، با اعمال تغییر در ولتاژ ورودی سیم‌پیچ موتور (ولتاژ ترمینال آرمیچر)، اضافه‌کردن مقاومت در مدار سیم‌پیچ و تغییر شار مغناطیسی هر قطب می‌توان سرعت موتورهای DC را کنترل کرد. تغییر ولتاژ و مقاومت خارجی بر مدار آرمیچر اثر می‌گذارند و تغییر شار مغناطیسی بر اثر تغییر در میدان مغناطیسی ایجاد می‌شود؛ بنابراین روش‌های کنترل دور موتور DC را می‌توان به دو دسته روش‌های کنترل آرمیچر و روش‌های کنترل میدان تقسیم‌بندی کرد.
کنترل دور موتور DC با آرمیچر
تغییر دور موتور DC با کنترل آرمیچر به روش‌های زیر انجام می‌گیرد:
1) روش کنترل دور موتور با مقاومت آرمیچر: در این روش یک مقاومت متغیر را به‌صورت سری با منبع تغذیه موتور متصل می‌کنند؛ با افزایش مقاومت آرمیچر، جریان الکتریکی و در نتیجه سرعت موتور کاهش می‌یابد.
در این روش از پتانسیومتر به‌عنوان مقاومت متغیر استفاده می‌شود. مزایا و معایب این روش عبارت‌اند از:
مزایا:
- ساده و ارزان
- گشتاور را در سرعت‌های پایین ثابت نگه می‌دارد.
معایب:
- اتلاف توان بالا در مقاومت آرمیچر
- سرعت در بازه محدودی قابل‌تنظیم است.
- برای کاربردهای حساس به راندمان مناسب نیست.
2) کنترل جریان آرمیچر با اتصال موازی (شنت): این روش کنترل دور موتور DC به‌وسیله دو مقاومت متغیر یا رئوستا در مدار آرمیچر انجام می‌شود؛ یکی از مقاومت‌ها به‌صورت موازی و مقاومت دیگر به‌صورت سری در مدار آرمیچر قرار می‌گیرد. ولتاژ اعمال شده به آرمیچر با تغییر رئوستات سری (R1) کنترل شده و جریان تحریک را با مقاومت شنت آرمیچر (R2) تغییر می‌دهند.
مزایای این روش عبارت‌اند از:
- محدوده تنظیم سرعت گسترده‌تر نسبت به روش قبلی
- راندمان بالاتر نسبت به روش کنترل دور موتور با مقاومت
- و اما معایب آن عبارت‌اند از:
- پیچیدگی بالا
- اتلاف توان در مقاومت‌ها
- گشتاور در سرعت‌های پایین ثابت نیست.
روش‌های مقاومت آرمیچر و شنت، جزو کم‌هزینه‌ترین راه‌های کنترل دور موتور DC به شمار می‌روند؛ اما بازدهی آن‌ها نسبت به سایر روش‌ها پایین‌تر است و مقدار زیادی از توان موتور در مقاومت‌های متغیر تلف می‌شود. در این روش‌ها ممکن است موتور در سرعت‌های پایین دچار افت توان شده و از کار بیفتد. همچنین نسبت مشخصی بین تغییرات مقاومت و سرعت وجود ندارد؛ یعنی با تغییر مقدار مشخصی در توان، سرعت به میزان ثابتی کاهش نمی‌یابد و تغییرات بار بر کاهش سرعت اثرگذار است.
از روش‌های کنترل سرعت موتور DC با مقاومت و شنت، برای کاربردهای ساده و موتورهایی با توان کم استفاده می‌کنند و برای کاربردهای صنعتی و پیشرفته‌تر، باید از روش‌های دیگر استفاده شود.
3) کنترل ولتاژ ترمینال آرمیچر: یکی دیگر از روش‌های تغییر دور موتور DC، کنترل ولتاژ اعمال شده به موتور است. در این روش به‌جای استفاده از منبع تغذیه ثابت، از یک منبع تغذیه با ولتاژ قابل‌تنظیم برای تأمین انرژی موتور استفاده می‌شود و با کاهش یا افزایش ولتاژ، سرعت موتور را تغییر می‌دهند.
مزایای این روش عبارت‌اند از:
- بازدهی بیشتر نسبت به روش‌های قبلی
- تنظیم سرعت دقیق
- گشتاور در سرعت‌های مختلف ثابت می‌ماند.
معایب آن:
- هزینه بالا
- کنترل سرعت موتور DC با کنترل میدان
- کنترل سرعت موتور DC از طریق میدان مغناطیسی به روش‌های زیر انجام می‌شود:
4) روش منحرف‌کننده میدان (Field Diverter): در این روش برای کنترل سرعت موتور DC از یک منحرف‌کننده یا دایورتر استفاده می‌شود؛ برای این روش، شار میدان مغناطیسی را با منحرف‌کردن بخشی از جریان اطراف سیم‌پیچ‌های میدان کاهش می‌دهیم. هرچه مقاومت دایورتر کمتر باشد، سرعت موتور بالاتر خواهد بود. در این روش موتور می‌تواند به سرعتی بالاتر از حد عادی برسد؛ از این روش کنترل سرعت موتور DC در درایوهایی استفاده می‌شود که با کاهش بار، سرعت باید بلافاصله افزایش یابد.
5) کنترل میدان با اتصالات (Tapped Field Control): این روش یکی دیگر از راه های افزایش سرعت با کاهش شار میدان است و به وسیله کاهش تعداد دورهای سیم پیچ میدان که جریان از آن ها عبور می کند، انجام می گیرد. در این روش کنترل سرعت موتور DC، چندین اتصال از سیم پیچی میدان به بیرون از موتور منتقل می شود؛ این اتصالات می توانند بخشی از سیم پیچی را از مدار خارج کنند و در نتیجه سرعت موتور را تغییر دهند.
کنترل سرعت موتور DC با PWM
یکی از پرکاربردترین شیوه های کنترل سرعت موتور DC، روش کنترل سرعت موتور DC با PWM یا مدولاسیون پالس می باشد. در این روش با ارسال پالس های ON و OFF به موتور و تغییر چرخه کار آن، می توان ولتاژ متوسط DC که به ترمینال های موتور اعمال می شود را کنترل نموده و در نهایت با ایجاد تغییر یا تعدیل در زمان پالس ها، می توان دور موتور را کنترل کرده و به سرعت مورد نظر دست یافت. به زبان ساده تر، هرچه پالس ON طولانی تر باشد، موتور سریع تر چرخیده و هرچه این پالس کوتاه تر باشد، سرعت موتور کم تر خواهد شد. برای آگاهی از نحوه راه اندازی موتور، مقاله انواع روش های راه اندازی الکتروموتور را مطالعه فرمایید.
مزایای کنترل سرعت موتور DC با PWM
از جمله مزایای کنترل سرعت موتور DC باPWM می توان به موارد زیر اشاره نمود:
- افت توان بسیار کم در ترانزیستور سوییچینگ
- کنترل خطی سرعت و پایداری بهتر آن
- کنترل میزان انرژی تحویل شده به بار
- دامنه ولتاژ ثابت و کارکرد موتور در قدرت کامل
- توانایی کنترل جهت چرخش موتور
- عدم افت گشتاور در دور های مختلف
کنترل دور موتور DC توان بالا
برای کنترل دور موتور DC توان بالا مانند الکتروموتور سه فاز از ابزاری به نام درایور DC استفاده می کنند. درایور DC قطعه ای الکترونیکی است که برای کنترل سرعت موتورهای DC استفاده می شود. این قطعه وظیفه تغییر ولتاژ و جریان ورودی را بر عهده دارد. کنترل دور موتور DC توان بالا با درایور مزایای بسیاری دارد که مهمترین آن ها دقت و ایمنی بسیار بالای این روش است؛ در این روش کنترل سرعت موتور با دقت بسیار بالایی انجام می شود و این ویژگی برای صنایعی مانند خودروسازی، الکترونیک و صنایع فلزی بسیار حائز اهمیت است. همچنین ایمنی بالای درایور باعث می شود که موتور با خطر کمتری روبرو شود و در صورت بروز خطا، سیستم کنترل به صورت خودکار مشکل را تشخیص دهد و اقدامات لازم برای جلوگیری از آن ایجاد شود.
جمع بندی
در این مقاله به تفضیل درباره موتورهای DC و روش های کنترل سرعت و دور موتور آن ها صحبت کردیم. این روش ها شامل شیوه های نوین و استفاده از ابزارهای به روز و دقیق و همینطور روش های سنتی و کمی آسان تر و ارزان تر بود. انتخاب اینکه چه روشی برای موتور و کاربرد شما مناسب است، بحثی کاملاً تخصصی است و پیشنهاد می کنیم از کارشناسان بخش الکتروموتور وبسایت کالا صنعتی به صورت رایگان مشورت بگیرید. ضمناً اگر تجربه ای در زمینه کنترل دور موتور DC داشته اید که ممکن است برای دیگران هم مفید باشد، در بخش کامنت همین مقاله آن را به اشتراک بگذارید. سپاس از همراهی شما.