التحكم في السرعة المتغيرة لمحرك التيار المستمر: كيف يعمل وما الذي يجب تحديده لتصميم الأجهزة

هندسة المحركات - تصميم الأجهزة

السرعة المتغيرة لمحرك التيار المستمر: دليل عمل للمصممين والمشترين

توفر محركات DC ذات السرعة المتغيرة نافذة سرعة أوسع، وتشغيل أكثر هدوءًا بسرعة منخفضة، وكفاءة تحميل جزئي أفضل - عندما يتم تحديد المحرك والسائق والتصميم الحراري كنظام واحد.

تقوم إحدى الشركات المصنعة لشفاط المطبخ باختبار محرك تيار مستمر بجهد 120 فولت لخط مطبخ جديد. يتطلب الموجز ثلاث سرعات استخراج، وحدًا صارمًا للضوضاء منخفضة السرعة، ووحدة تحكم تحافظ على السرعة أثناء تحميل الفلتر. وفي معمل آخر، يريد أحد منتجي مبردات الهواء محركًا يمكن أن ينخفض ​​إلى ثلث السرعة المقدرة للتشغيل ليلاً دون ارتفاع درجة الحرارة.

يطرح كلا الفريقين نفس السؤال: كيف تعمل السرعة المتغيرة لمحرك التيار المستمر فعليًا، وما الذي ينتمي إلى المواصفات قبل سفن العينة الأولى؟ الجواب باختصار هو أن السرعة تتبع الجهد، وعزم الدوران يتبع التيار، ووحدة التحكم هي التي تقرر مدى إحكام تماسك الاثنين. تعتمد الكفاءة والضوضاء وعمر الخدمة على مدى توافق هذه العناصر الثلاثة.

ما الذي يجعل محرك DC متغير السرعة؟

في محرك التيار المستمر ذي المغناطيس الدائم، تتناسب السرعة مع الجهد المطبق على عضو الإنتاج، بينما يتناسب عزم الدوران مع تيار عضو الإنتاج. خفض متوسط ​​الجهد ويبطئ المحرك. ارفعه ويصعد المحرك نحو سرعته المقدرة. هذا السلوك شبه الخطي هو السبب في أن محركات التيار المستمر هي القاعدة الطبيعية للأجهزة ذات السرعات المتغيرة - لا يوجد مجال دوران للمزامنة ولا يوجد عاكس تردد في الدائرة.

هناك النصف الثاني للصورة. تحت الحمل، يتباطأ كل محرك حقيقي قليلاً بسبب مقاومة اللف، وفي التصميمات المصقولة، بسبب فقدان الفرشاة. لا يمكن لوحدة التحكم ذات الحلقة المفتوحة التي تحدد مستوى الجهد فقط تصحيح هذا التدلي. بالنسبة للمراوح والمنافيخ، حيث تكون نسبة قليلة من الانجراف غير مرئية، فإن عملية الحلقة المفتوحة تكون مقبولة. بالنسبة لشفاط المطبخ الذي يجب أن يحافظ على الحد الأدنى من حجم الهواء، أو مبرد الهواء الذي يدفع الهواء عبر منصات مبللة، فإن التحكم في الحلقة المغلقة يستحق التكلفة الإضافية.

هناك ثلاثة مصطلحات تؤطر كل محادثة مع مورد السيارات:

• نطاق السرعة — نسبة أقل سرعة قابلة للاستخدام إلى السرعة المقدرة، والتي يُشار إليها غالبًا بـ 5:1 أو 20:1. تتطلب النسبة الأوسع سائقًا مصممًا لتحقيق الاستقرار عند السرعة المنخفضة.
• دورة العمل — ما إذا كان المحرك يعمل بشكل مستمر بأدنى سرعة أو على فترات زمنية قصيرة فقط. هذا يحدد التصميم الحراري.
• التنظيم — انخفاض السرعة من عدم التحميل إلى التحميل الكامل عند إعداد ثابت، معبرًا عنه كنسبة مئوية. تُظهر أنظمة الحلقة المغلقة تنظيمًا أقل بكثير من أنظمة الحلقة المفتوحة.

الطرق الرئيسية للتحكم في سرعة محرك التيار المستمر

تظهر ثلاث طرق للتحكم في أجهزة الإنتاج. وهي تختلف في التكلفة والكفاءة والضوضاء وسلوك عزم الدوران.

التحكم في الجهد الخطي

يقوم المقاوم المتغير أو المنظم الخطي بخفض الجهد الذي يراه عضو الإنتاج. المفهوم بسيط ورخيص، لكن الطاقة المهملة تتحول إلى حرارة في الجهاز وتنهار الكفاءة عند انخفاض السرعة. إنه يناسب المعجبين ذوي التكلفة المنخفضة جدًا، ونادرًا ما يكون منتجًا يعمل لساعات.

تعديل عرض النبض

يعمل تعديل عرض النبض على تشغيل وإيقاف مصدر الإمداد بالكامل بتردد ثابت - عادة من 8 كيلو هرتز إلى 25 كيلو هرتز - ويغير دورة التشغيل. يرى المحرك متوسط ​​جهد أقل أثناء تشغيل جهاز التبديل أو إيقاف تشغيله بالكامل، لذلك تظل خسائر السائق صغيرة. يعد PWM الآن الطريقة القياسية للسرعات المتغيرة لمحرك التيار المستمر، بما في ذلك محركات التيار المستمر بدون فرش، لأنه يجمع بين الكفاءة ونطاق واسع يمكن التحكم فيه.

التحكم في ردود الفعل ذات الحلقة المغلقة

يضيف التحكم في الحلقة المغلقة مستشعرًا للسرعة - مستشعر Hall، أو جهاز تشفير، أو دائرة اكتشاف EMF الخلفية - بحيث يقارن السائق السرعة الفعلية مع القيمة المطلوبة ويضبط PWM في الوقت الفعلي. يحافظ المحرك على سرعته عندما تقوم المكره بتحميله، أو عندما ينسد المرشح، أو عندما ينخفض ​​جهد الإمداد. تعتمد محركات التيار المستمر بدون فرش على هذا التبديل الإلكتروني على أية حال، ولهذا السبب تقدم منحنى عزم دوران مسطحًا عبر نطاق سرعة واسع.

بالنسبة لمعظم الأجهزة، يوفر برنامج تشغيل PWM المزود بتعليقات الحلقة المغلقة أفضل توازن بين السلوك والتكلفة. يؤدي طلب المحرك والسائق كمجموعة واحدة متطابقة من مورد واحد إلى تجنب حالات عدم التطابق التي تسبب الضوضاء والتسنن والفشل المبكر.

السرعة المتغيرة للتيار المستمر مقابل السرعة المتغيرة للتيار المتردد

يمكن للمحركات الحثية ذات التيار المتردد أيضًا أن تعمل بسرعات متغيرة، لكن الأجهزة تكون أثقل. يحتاج المحرك الذي يعمل بمكثف أحادي الطور إلى التحكم في الطور؛ يحتاج المحرك ثلاثي الطور إلى محرك متغير التردد. في كلتا الحالتين، ينخفض ​​عزم الدوران عند السرعة المنخفضة ما لم يتم تصميم المحرك خصيصًا، وتميل التصميمات الكلاسيكية أحادية الطور إلى الهمهمة أو الترس عندما يُطلب منها العمل بأقل بكثير من السرعة المقدرة.

المقايضة ليست مطلقة. تظل محركات التيار المتردد خيارًا قويًا للتطبيقات ذات السرعة الثابتة والطاقة العالية. ولكن عندما يطلب الموجز أي سرعة بين X وY، وتشغيل هادئ منخفض السرعة، وميزانية طاقة محدودة، تصبح السرعة المتغيرة للتيار المستمر هي الحل الهندسي العملي.

ما الذي يجب التحقق منه قبل تحديد محرك DC متغير السرعة

تلتقط ورقة البيانات سلوك الحالة الثابتة، وليس السلوك الميداني. تفصل الفحوصات أدناه بين المحرك الذي يعمل في الإنتاج والمحرك الذي يتعطل بعد الأشهر الأولى.

1. أدنى سرعة مستمرة مع التبريد الذاتي. المحرك الذي يتم تبريده بواسطة مروحته الخاصة يصبح أكثر سخونة مع انخفاض تدفق الهواء. حدد الحد الأدنى للسرعة في المواصفات واختبرها عند تلك النقطة باستخدام المكره الحقيقي المجهز.
2. توافق السائق. يجب أن يتطابق تردد PWM والحد الحالي وسلوك التشغيل الناعم مع المحرك. يعد خلط المكونات من مصادر مختلفة هو السبب الأكثر شيوعًا لفشل السرعات المتغيرة في الأجهزة الصغيرة.
3. عزم الدوران عند نقطة العمل. إن المحرك الذي يبدأ بشكل جيد بالسرعة المقدرة قد ينتج عزم دوران قليل جدًا عند سرعة الثلث. قارن منحنى حمل المكره مع منحنى عزم دوران المحرك قبل تجميد التصميم.
4. الضوضاء في كل خطوة السرعة. تتغير الضوضاء الكهرومغناطيسية مع تردد وسرعة PWM. إذا كان المنتج به حد للضوضاء، فقم بقياسه باستخدام وحدة التحكم في الإنتاج، وليس باستخدام مصدر طاقة المختبر.
5. شهادة تحت وضع التحكم. تكون علامات CE أو UL أو CQC أو العلامات الأخرى ذات معنى فقط إذا كانت تغطي وضع التحكم في السرعة ودورة العمل المقصودة. اطلب تقرير الاختبار وليس الشهادة فقط.

إن السرعة المتغيرة لمحرك التيار المستمر ليست قرارًا أحادي المكون. يعمل المحرك ومحرك PWM والسلوك الحراري عند أدنى سرعة كنظام واحد، لذلك يجب أن تعاملهم المواصفات بهذه الطريقة. حدد نطاق السرعة أولاً، وتحقق من عزم الدوران مقابل المكره الحقيقي، واختر وحدة التحكم من نفس المورد، واختبرها في إطار دورة العمل الحقيقية. هذا الانضباط هو ما يحول المحرك الواعد على الورق إلى منتج موثوق به في هذا المجال.