Változtatható fordulatszámú egyenáramú motor: Hogyan működik, és mit kell megadni a készülék tervezésénél

Motormérnökség – készüléktervezés

Változó fordulatszámú egyenáramú motor: Útmutató tervezőknek és vásárlóknak

A változtatható sebességű egyenáramú motorok szélesebb fordulatszám-ablakot, csendesebb, alacsony fordulatszámú működést és jobb részterhelési hatásfokot biztosítanak – ha a motor, a meghajtó és a termikus kialakítás egy rendszerként van megadva.

Egy páraelszívó-gyártó egy 120 V-os egyenáramú motort tesztel egy új konyhai vezetékhez. A rövidzár három elszívási sebességet, szigorú alacsony fordulatszámú zajkorlátozást és egy olyan vezérlőt igényel, amely megtartja a sebességet a szűrő betöltésekor. Egy másik laboratóriumban egy léghűtő gyártó olyan motort szeretne, amely a névleges fordulatszám egyharmadára tud csökkenni éjszakai működéshez, túlmelegedés nélkül.

Mindkét csapat ugyanazt a kérdést teszi fel: hogyan működik valójában az egyenáramú motor sebességváltója, és mi tartozik az első minta szállítása előtti specifikációhoz? A válasz röviden az, hogy a fordulatszám követi a feszültséget, a nyomaték az áramot, és a vezérlő dönti el, hogy a kettőt mennyire tartják szorosan. A hatékonyság, a zaj és az élettartam mind attól függ, hogy ez a három mennyire illeszkedik egymáshoz.

Mitől változtatható sebességű egyenáramú motor?

Az állandó mágneses egyenáramú motorban a fordulatszám arányos az armatúrára adott feszültséggel, míg a nyomaték arányos az armatúra áramával. Csökkentse az átlagos feszültséget, és a motor lelassul; emelje fel, és a motor a névleges fordulatszáma felé emelkedik. Ez a közel lineáris viselkedés az oka annak, hogy az egyenáramú motorok természetes alapjai a változtatható sebességű készülékeknek – nincs szinkronizálandó forgó mező, és nincs frekvenciaváltó az áramkörben.

A képnek van egy második fele. Terhelés alatt minden valódi motor enyhén lelassul a tekercsellenállás és a kefés kivitelben a kefeveszteség miatt. Egy nyílt hurkú vezérlő, amely csak a feszültségszintet állítja be, nem tudja korrigálni ezt a leesést. Azoknál a ventilátoroknál és fúvóknál, ahol a sodródás néhány százaléka láthatatlan, a nyitott hurkú működés elfogadható. Egy olyan páraelszívó esetében, amelynek minimális levegőmennyiséget kell tartania, vagy egy léghűtőnél, amely a levegőt a nedves párnákon nyomja, a zárt hurkú szabályozás megéri a többletköltséget.

Három kifejezés keretez minden motorszállítóval folytatott beszélgetést:

• Sebesség tartomány — a legalacsonyabb használható fordulatszám és a névleges fordulatszám aránya, gyakran 5:1 vagy 20:1. A szélesebb áttételhez alacsony sebességű stabilitásra tervezett meghajtóra van szükség.
• Üzemi ciklus — a motor folyamatosan minimális fordulatszámon jár-e vagy csak rövid időközönként. Ez határozza meg a termikus tervezést.
• rendelet — a fordulatszám-csökkenés terhelés nélküli állapotról teljes terhelésre rögzített beállítás mellett, százalékban kifejezve. A zárt hurkú rendszerek sokkal alacsonyabb szabályozást mutatnak, mint a nyílt hurkú rendszerek.

Az egyenáramú motor fordulatszámának szabályozásának főbb módjai

Három szabályozási mód jelenik meg a gyártóberendezésekben. Eltérnek a költségekben, a hatékonyságban, a zajban és a nyomaték viselkedésében.

Lineáris feszültségszabályozás

Változó ellenállás vagy lineáris szabályozó csökkenti az armatúra által látott feszültséget. A koncepció egyszerű és olcsó, de a kidobott energia hővé válik a készülékben, és csökkentett sebességgel a hatékonyság összeomlik. Az ultra alacsony költségű rajongóknak megfelel, ritkán olyan termék, amely órákig üzemel.

Impulzus szélesség moduláció

Az impulzusszélesség-moduláció rögzített frekvencián – jellemzően 8 kHz és 25 kHz között – teljesen be- és kikapcsolja a tápellátást, és változtatja a munkaciklust. A motor alacsonyabb átlagos feszültséget lát, miközben a kapcsolókészülék teljesen be van kapcsolva vagy teljesen ki van kapcsolva, így a meghajtó veszteségei kicsik maradnak. A PWM ma már a standard módszer a változtatható fordulatszámú egyenáramú motorokhoz, beleértve a kefe nélküli egyenáramú motorokat is, mivel a hatékonyságot széles szabályozhatósági tartományban kombinálja.

Zárt hurkú visszacsatolásvezérlés

A zárt hurkú vezérlés sebességérzékelőt – Hall-érzékelőt, kódolót vagy visszacsatoló EMF-érzékelő áramkört – ad hozzá, így a vezető összehasonlítja a tényleges sebességet a parancsolt értékkel, és valós időben állítja be a PWM-et. A motor megtartja a fordulatszámát, amikor a járókerék megterheli, ha egy szűrő eltömődik, vagy ha a tápfeszültség csökken. A kefe nélküli egyenáramú motorok egyébként is erre az elektronikus kommutációra támaszkodnak, ezért lapos nyomatékgörbét kínálnak széles fordulatszám-tartományban.

A legtöbb készülék esetében a zárt hurkú visszacsatolású PWM-illesztőprogram biztosítja a viselkedés és a költségek legjobb egyensúlyát. Ha egyetlen szállítótól rendeli meg a motort és a meghajtót egy összeillesztett készletként, elkerülheti a zajt, fogasodást és idő előtti meghibásodást okozó eltéréseket.

Változó sebességű DC vs. AC változó sebesség

A váltakozó áramú indukciós motorok változtatható sebességgel is működhetnek, de a hardver nehezebb. Az egyfázisú, kondenzátorral működő motornak fázisszabályozásra van szüksége; egy háromfázisú motorhoz változtatható frekvenciájú hajtás szükséges. Mindkét esetben a nyomaték alacsony fordulatszámon csökken, kivéve, ha a motort speciálisan tervezték, és a klasszikus egyfázisú kialakítások hajlamosak zümmögni vagy koccanni, amikor arra kérik, hogy jóval a névleges fordulatszám alatt működjenek.

A kompromisszum nem abszolút. A váltóáramú motorok továbbra is jó választás a fix fordulatszámú és nagy teljesítményű alkalmazásokhoz. De amikor a rövidke bármilyen sebességet kér X és Y között, csendes, alacsony fordulatszámú futást és szűkös energiaköltségvetést, az egyenáramú változó sebesség lesz a gyakorlati mérnöki válasz.

Mit kell ellenőrizni, mielőtt változtatható sebességű egyenáramú motort határoz meg?

Az adatlap az állandósult állapotú viselkedést rögzíti, nem a terepi viselkedést. Az alábbi ellenőrzések elválasztják a gyártásban működő motort az első hónapok után meghibásodott motortól.

1. A legalacsonyabb folyamatos fordulatszám önhűtéssel. A saját ventilátorral hűtött motor a levegőáramlás csökkenésével felmelegszik. Adja meg a minimális sebességet a specifikációban, és azon a ponton tesztelje a valódi járókerékkel.
2. Illesztőprogram kompatibilitás. A PWM frekvenciának, az áramkorlátnak és a lágyindítási viselkedésnek meg kell egyeznie a motorral. A kisméretű készülékek változó sebességű meghibásodásának leggyakoribb oka a különböző forrásokból származó alkatrészek keverése.
3. Nyomaték a munkaponton. A névleges fordulatszámon jól induló motor túl kicsi nyomatékot ad le egyharmad sebességnél. Hasonlítsa össze a járókerék terhelési görbéjét a motor nyomatékgörbéjével, mielőtt lefagyasztja a konstrukciót.
4. Zaj minden sebességlépésnél. Az elektromágneses zaj a PWM frekvenciájával és sebességével változik. Ha a terméknek van zajhatára, akkor azt a gyártásvezérlővel mérje, ne laboratóriumi tápegységgel.
5. Tanúsítvány vezérlési módban. A CE, UL, CQC vagy más jelölések csak akkor értelmesek, ha lefedik a sebességszabályozási módot és a tervezett munkaciklust. Kérje a vizsgálati jegyzőkönyvet, ne csak a tanúsítványt.

Az egyenáramú motor fordulatszáma nem egykomponensű döntés. A motor, a PWM meghajtó és a minimális fordulatszámon a termikus viselkedés egy rendszerként működik, ezért a specifikációnak így kell kezelnie őket. Először határozza meg a fordulatszám-tartományt, ellenőrizze a nyomatékot a valódi járókerékhez képest, válassza ki a vezérlőt ugyanattól a szállítótól, és tesztelje a valós munkaciklus szerint. Ez a fegyelem az, ami egy papíron ígéretes motort megbízható termékké változtat ezen a területen.