Điều khiển tốc độ biến đổi của động cơ DC: Cách thức hoạt động và những gì cần chỉ định cho thiết kế thiết bị

Kỹ thuật động cơ - Thiết kế thiết bị

Tốc độ thay đổi của động cơ DC: Hướng dẫn làm việc dành cho nhà thiết kế và người mua

Động cơ DC có tốc độ thay đổi mang lại khoảng tốc độ rộng hơn, vận hành ở tốc độ thấp yên tĩnh hơn và hiệu suất tải từng phần tốt hơn — khi động cơ, bộ điều khiển và thiết kế nhiệt được chỉ định làm một hệ thống.

Một nhà sản xuất máy hút mùi đang thử nghiệm động cơ 120 V DC cho dòng bếp mới. Bản tóm tắt yêu cầu ba tốc độ trích xuất, giới hạn tiếng ồn tốc độ thấp nghiêm ngặt và bộ điều khiển giữ tốc độ khi bộ lọc tải lên. Trong một phòng thí nghiệm khác, một nhà sản xuất máy làm mát không khí muốn một động cơ có thể giảm xuống 1/3 tốc độ định mức để chạy ban đêm mà không quá nóng.

Cả hai đội đều đặt ra cùng một câu hỏi: tốc độ biến thiên của động cơ DC thực sự hoạt động như thế nào và những gì thuộc về thông số kỹ thuật trước khi mẫu đầu tiên được xuất xưởng? Tóm lại, câu trả lời là tốc độ tuân theo điện áp, mô-men xoắn tuân theo dòng điện và bộ điều khiển quyết định mức độ giữ chặt của cả hai. Hiệu quả, tiếng ồn và tuổi thọ sử dụng đều phụ thuộc vào mức độ kết hợp của ba yếu tố này.

Điều gì tạo nên tốc độ thay đổi của động cơ DC

Trong động cơ DC nam châm vĩnh cửu, tốc độ tỷ lệ thuận với điện áp đặt vào phần ứng, trong khi mô-men xoắn tỷ lệ thuận với dòng điện phần ứng. Giảm điện áp trung bình và động cơ chạy chậm lại; nâng nó lên và động cơ tăng dần về tốc độ định mức. Hành vi gần tuyến tính đó là lý do tại sao động cơ DC là cơ sở tự nhiên cho các thiết bị có tốc độ thay đổi - không có trường quay để đồng bộ hóa và không có bộ biến tần trong mạch.

Có một nửa thứ hai của bức tranh. Khi có tải, mọi động cơ thực tế sẽ chậm lại một chút do điện trở cuộn dây và, trong các thiết kế có chổi than, tổn hao chổi than. Bộ điều khiển vòng hở chỉ đặt mức điện áp không thể khắc phục được hiện tượng sụt giảm đó. Đối với quạt và máy thổi, trong đó không nhìn thấy được một vài phần trăm độ lệch thì có thể chấp nhận vận hành vòng hở. Đối với máy hút mùi phải duy trì lượng không khí tối thiểu hoặc bộ làm mát không khí đẩy không khí qua các miếng đệm ướt, việc điều khiển vòng kín sẽ đáng giá hơn.

Ba thuật ngữ định hình mọi cuộc trò chuyện với nhà cung cấp động cơ:

• Phạm vi tốc độ - tỷ số giữa tốc độ khả dụng thấp nhất và tốc độ danh định, thường được nêu là 5:1 hoặc 20:1. Tỷ lệ rộng hơn yêu cầu trình điều khiển được thiết kế để ổn định ở tốc độ thấp.
• Chu kỳ nhiệm vụ - động cơ chạy liên tục ở tốc độ tối thiểu hay chỉ chạy trong khoảng thời gian ngắn. Điều này quyết định thiết kế nhiệt.
• quy định - tốc độ giảm từ không tải đến đầy tải ở một cài đặt cố định, được biểu thị bằng phần trăm. Các hệ thống vòng kín có mức độ điều tiết thấp hơn nhiều so với các hệ thống vòng hở.

Những cách chính để kiểm soát tốc độ động cơ DC

Ba phương pháp điều khiển xuất hiện trong các thiết bị sản xuất. Chúng khác nhau về chi phí, hiệu quả, tiếng ồn và mô-men xoắn.

Điều khiển điện áp tuyến tính

Một điện trở thay đổi hoặc bộ điều chỉnh tuyến tính làm giảm điện áp mà phần ứng nhìn thấy. Ý tưởng này đơn giản và rẻ tiền, nhưng năng lượng thải ra sẽ trở thành nhiệt trong thiết bị và hiệu suất sẽ giảm khi tốc độ giảm. Nó phù hợp với những chiếc quạt giá cực rẻ, hiếm có sản phẩm nào chạy được hàng giờ đồng hồ.

Điều chế độ rộng xung

Điều chế độ rộng xung sẽ bật và tắt hoàn toàn nguồn cung cấp ở tần số cố định — thường là 8 kHz đến 25 kHz — và thay đổi chu kỳ nhiệm vụ. Động cơ nhận thấy điện áp trung bình thấp hơn trong khi thiết bị chuyển mạch bật hoàn toàn hoặc tắt hoàn toàn, do đó tổn thất của bộ điều khiển vẫn ở mức nhỏ. Hiện nay,PWM là phương pháp tiêu chuẩn cho tốc độ biến thiên của động cơ DC, bao gồm cả động cơ DC không chổi than, vì nó kết hợp hiệu quả với phạm vi điều khiển rộng.

Kiểm soát phản hồi vòng kín

Điều khiển vòng kín bổ sung cảm biến tốc độ — cảm biến Hall, bộ mã hóa hoặc mạch phát hiện EMF ngược — để trình điều khiển so sánh tốc độ thực tế với giá trị được lệnh và điều chỉnh độ rộng xung trong thời gian thực. Động cơ giữ tốc độ khi bánh công tác tải nó, khi bộ lọc bị tắc hoặc khi điện áp nguồn bị sụt giảm. Động cơ DC không chổi than dù sao cũng dựa vào chuyển mạch điện tử này, đó là lý do tại sao chúng cung cấp đường cong mô-men xoắn phẳng trên dải tốc độ rộng.

Đối với hầu hết các thiết bị, trình điều khiển PLC có phản hồi vòng kín mang lại sự cân bằng tốt nhất về hành vi và chi phí. Việc đặt hàng động cơ và bộ điều khiển như một bộ khớp từ một nhà cung cấp duy nhất sẽ tránh được sự không khớp gây ra tiếng ồn, tắc nghẽn và hỏng hóc sớm.

Tốc độ biến DC so với tốc độ biến AC

Động cơ cảm ứng xoay chiều cũng có thể chạy ở tốc độ thay đổi nhưng phần cứng nặng hơn. Động cơ chạy bằng tụ điện một pha cần điều khiển pha; động cơ ba pha cần một bộ điều khiển tần số thay đổi. Trong cả hai trường hợp, mô-men xoắn giảm ở tốc độ thấp trừ khi động cơ được thiết kế đặc biệt và các thiết kế một pha cổ điển có xu hướng kêu vo vo hoặc răng cưa khi được yêu cầu chạy dưới tốc độ định mức.

Sự đánh đổi không phải là tuyệt đối. Động cơ AC vẫn là sự lựa chọn mạnh mẽ cho các ứng dụng công suất cao và tốc độ cố định. Nhưng khi bản tóm tắt yêu cầu bất kỳ tốc độ nào giữa X và Y, chạy ở tốc độ thấp yên tĩnh và ngân sách năng lượng eo hẹp thì tốc độ biến đổi DC sẽ trở thành câu trả lời kỹ thuật thực tế.

Những điều cần kiểm tra trước khi bạn chỉ định động cơ DC có tốc độ thay đổi

Biểu dữ liệu ghi lại hành vi ở trạng thái ổn định, không phải hành vi tại hiện trường. Các bước kiểm tra dưới đây sẽ phân biệt một động cơ đang hoạt động trong quá trình sản xuất với một động cơ bị hỏng sau những tháng đầu tiên.

1. Tốc độ liên tục thấp nhất với khả năng tự làm mát. Động cơ được làm mát bằng quạt riêng sẽ nóng hơn khi luồng khí giảm xuống. Nêu rõ tốc độ tối thiểu trong thông số kỹ thuật và thử nghiệm tại thời điểm đó với cánh quạt thực được lắp.
2. Khả năng tương thích của trình điều khiển. Tần sốPWM, giới hạn dòng điện và hoạt động khởi động mềm phải phù hợp với động cơ. Trộn lẫn các thành phần từ các nguồn khác nhau là nguyên nhân phổ biến nhất gây ra lỗi tốc độ thay đổi trong các thiết bị nhỏ.
3. Mô-men xoắn tại điểm làm việc. Động cơ khởi động tốt ở tốc độ định mức có thể tạo ra mô-men xoắn quá ít ở tốc độ một phần ba. So sánh đường cong tải của bánh công tác với đường cong mômen động cơ trước khi đóng băng thiết kế.
4. Tiếng ồn ở mỗi bước tốc độ. Nhiễu điện từ thay đổi theo tần số và tốc độ của xung. Nếu sản phẩm có giới hạn tiếng ồn, hãy đo bằng bộ điều khiển sản xuất chứ không phải bằng nguồn điện trong phòng thí nghiệm.
5. Chứng nhận theo chế độ kiểm soát. CE, UL, CQC hoặc các nhãn hiệu khác chỉ có ý nghĩa nếu chúng bao gồm chế độ kiểm soát tốc độ và chu kỳ làm việc dự kiến. Yêu cầu báo cáo kiểm tra, không chỉ giấy chứng nhận.

Tốc độ thay đổi của động cơ DC không phải là một quyết định đơn lẻ. Động cơ, trình điều khiểnPWM và hoạt động nhiệt ở tốc độ tối thiểu hoạt động như một hệ thống, vì vậy thông số kỹ thuật phải xử lý chúng theo cách đó. Trước tiên, hãy xác định phạm vi tốc độ, xác minh mô-men xoắn so với bánh công tác thực, chọn bộ điều khiển từ cùng một nhà cung cấp và kiểm tra theo chu kỳ hoạt động thực. Kỷ luật đó là thứ biến một động cơ đầy triển vọng trên giấy thành một sản phẩm đáng tin cậy trong lĩnh vực này.