دانلود تحقیق کنترل سرعت در ماشین های الکتریکی

کنترل سرعت در موتور های DC, ac  به منظور تغییر دادن سرعت برای هدفی خاص صورت می گیرد، تغییر سرعت به طور طبیعی می تواند توسط تغییر بار صورت گیرد که در این بخش منظور ا زکنترل سرعت شامل مواردی که در آن سرعت به طور طبیعی تغییر می کند، نیست بلکه این تغییر باید به صورت عمدی رخ دهد.

(فرمول ها در فایل اصلی موجود است.)

با توجه به رابطه 1 در بالا به سه روش می توان سرعت را کنترل کرد: تغییر Ra ، تغییر  و تغییر vt

کنترل سرعت با تغییر Ra:

الف: در موتور شنت : در این روش ، رئوستای و R را به طور سری با مدار آرمیچر قرار می دهیم: به R, رئوستای کنترل کننده گویند.

زمانی که Rg در مدار موجود نیست داریم

و زمان که Rg را در مدار آرمیچر قرار می دهیم اگر فرض کنیم تغییر سرعت رخ ندهد خواهیم داشت:

(فرمول ها در فایل اصلی موجود است.)

در یک موتور شنت شار میدان  بدون تغییر باقی می ماند بنابارین با کاهش جریان آرمیچر به  گشتاور الکترومغناطیسی از  به  کاهش می یابد.

و در نتیجه جریان آرمیچر Ia  افزایش می یابد .

در نتیجه جریان آرمیچر Ia1 بطوری که گشتاور الکترومغناطیسی اولیه  دوباره ایجاد گردد.

هنگامی که با شرایط پایدار جدیدی با  در مدار آرمیچر می رسیم داریم:

رابطه بالا نشان می دهد که  کمتر از  می باشد.

در این روش کنترل سرعت Ia ثابت باقی می ماند توانی که منبع به موتور می دهد ثابت است یعنی مقدار ثابت بوده و ربطی به این ندارد که Rg در مدار باشد یا نباشد ودر مورد قدرت تحویلی به بار می توان گفت که

پس قدرت تحویلی به بار متناسب با سرعت است.

در این روش بازده برابر است با

(فرمول ها در فایل اصلی موجود است.)

پس هر چه Rg بیشتر باشد بازده ما کمتر خواهد شد، در نتیجه در مورد معایب این روش می توان گفت: بازده بسیار کم است و تنظیم سرعت با مقاومت کنترل کننده Rg ضعیف است.

مزیت این روش نیز این است که امکان رسیدن به سرعت های زیر سرعت پایه را نیز میسر می سازد.

در آخر می توان گفت که این روش تنها موقعی به کار می رود که کار موتور کوتاه مدت یا با سرعت کم باشد

ب) موتور سری:

اگر بازه وسیع کنترل سرعت مورد نیاز باشد معمولاً از موتورهای DC سری استفاده می شود.

قبل از وارد کردن رئوستای Rg داریم:

اگر از اشباع مغناطیسی صرفنظر شود شار میدان متناسب با جریان آرمیچر می باشد.

اگر  باشد  خواهد بود و

بعد از اینکه رئوستای Rg بطور سری با مدار آرمیچر قرار گرفت،

برای گشتاور بار ثابت:

(فرمول ها در فایل اصلی موجود است.)

یا

(فرمول ها در فایل اصلی موجود است.)

 و

(فرمول ها در فایل اصلی موجود است.)

رابطه بالا نشان می دهد که کمتر از  است.

تنظیم ضعیف سرعت در موتورهای سری چندان مهم نیست.

این روش کنترل سرعت برای کنترل سرعت محرکهایی نظیر جرثقیل، بالابرها، قطارها و غیره کاربردهای مهمی دارند.

از رئوستای بکار رفته برای محدود کردن جریان راه اندازی آرمیچر نیز ممکن است برای کنترل سرعت استفاده کرد.

به منظور استفاده از ظرفیت کامل موتور در همه سرعتها جریان آرمیچر برابر جریان مجاز آرمیچر یعنی مقدار نامی نگه داشته می شود.

واضح است که برای موتور شنت شار آرمیچر که برابر مقدار نامی است تولید می شود .

از آنجائیکه شار میدان در هر دو نوع موتور ثابت باقی می ماند روش کنترل مقاومت مدار آرمیچر به روش گشتاور ثابت (شار میدان ثابت) (جریان نامی آرمیچر) نامیده می شود.

2- کنترل سرعت توسط تغییر :

نام دیگر این روش روش تضعیف میدان است و بر عکس حالات قبل فقط سرعت های بالاتر از سرعت پایه را ایجاد می کند.

الف: موتور شنت:

شار میدان و از اینرو سرعت موتور شنت می تواند با تغییر مقاومت تنظیم میدان به راحتی کنترل شود.

این یکی از ساده ترین و اقتصادی ترین روش ها می باشد و بنابراین بطور گسترده در محرکه های الکتریکی میدان استفاده می‌شود.

تحت شرایط کار دائمی اگر مقاومت مدار میدان افزایش یابد جریان میدان If و شار میدان  کاهش می یابد .

از آنجائیکه به واسطه لختی روتور سرعت نمی تواند ناگهان تغییر کند، کاهش در شار میدان سبب کاهش نیروی ضد محرکه الکتریکی می گردد و در نتیجه آن جریان بیشتری در آرمیچر جاری می شود.

 درصد افزایش Ia خیلی بیشتر از درصد کاهش شار میدان است.

بدین ترتیب گشتاور الکترومغناطیسی افزایش می یابد و بیش از گشتاور بار شده و موتور شتاب می گیرد.

سپس نیروی ضد محرکه الکتریکی افزایش می یابد و Ia شروع به کاهش پیدا می کند تا گشتاور الکترومغناطیسی برابر گشتاور بار ثابت گردد.

اگر جریان آرمیچر برابر Ia1 برابر شار  و برابر Ia2 هنگامی که شار به   تغییر می یابد باشد برای گشتاور بار ثابت داریم:

پدیده بالا که تغییرات سرعت و جریان آرمیچر در برابر تغییرات شار میدان را تشریح می کند.

در ادامه به بررسی معایب این روش می پردازیم که نسبتاً مفصل است.

سرعت بالا با میدان خیلی ضعیفی فراهم می شود .

این میدان ضعیف درحداکثر سرعت باعث می شود که جریان آرمیچر برای ایجاد گشتاور بار مشخص افزایش یابد.

با افزایش جریان آرمیچر در حالی که میدان اصلی ضعیف است منتجه شکل موج میدان بطور نامطلوبی معوج می شود که در شکل نشان داده شده است.

حال پیچک  که بازوهایش در معرض چگالی شار حداکثر قرار دارد را در نظر بگیرید.

اگر ولتاژ گردشی القاء شده در پیچک  از 30 ولت تجاوز کند، در هوای بین تیغه های مجاور که به پیچک  وصل شده اند ممکن است شکست رخ داده و باعث ایجاد قوس یا جرقه شود .

این قوس الکتریکی تا حدی بر روی سطح کموتاتور توسعه پیدا می کند که منجر به ایجاد جرقه بین جارویک مثبت و منفی و در نتیجه باعث بروز اتصال کوتاه در خط تغذیه موتور می گردد .

این نشان می دهد در هنگامی که سرعت بالا با شار میدان خیلی ضعیف ایجاد می شود کموتاسیون خیلی بد می باشد.

حال پیچک که بازوهایش در معرض چگالی شار حداکثر قرار دارد را در نظر بگیرید.

اگر ولتاژ گردشی القاء شده در پیچک از 30 ولت تجاوز کند، در هوای بین تیغه های مجاور که به پیچک وصل شده اند ممکن است شکست رخ داده و باعث ایجاد قوس یا جرقه شود .

این نشان می دهد در هنگامی که سرعت بالا با شار میدان خیلی ضعیف ایجاد می شود کموتاسیون خیلی بد می باشد.

آرمیچر ممکن است در اثر این سرعت بالا گرمای بیش از حد پیدا کند زیرا افزایش جریان آرمیچر باعث افزایش تلفات اهمی می گردد در حالیکه خنک کردن با تهویه متناسباً بهبودی نخواهد داشت.

اگر شار میدان به طور قابل ملاحظه ضعیف گردد، سرعت افزایش می یابد و در اثر این تغییرات کار موتور ناپایدار می گردد.

برای مثال هنگامی که شار میدان خیلی ضعیف شود گشتاور بار ثابت به افزایش جریان آرمیچر احتیاج دارد.

نیروی محرکه مغناطیسی مربوط به واکنش ضدمغناطیسی آرمیچر می تواند شار میدان ضعیف قبلی را کاهش دهد تا حدی که گشتاور الکترومغناطیسی کمتر از گشتاور بار گردد و علی رغم افزایش Ia سرعت موتور آهسته کم می‌شود.

گشتاور ثابت در سرعت کاهش یافته به Ia کم نیاز دارد زیرا Ea اساساً ثابت باقی می ماند.

کاهش در Ia و بنابراین کاهش در واکنش ضد مغناطیسی آرمیچر، سبب افزایش شار میدان از مقدار ضعیف شده آن می گردد .

در نتیجه آن گشتاور الکترومغناطیسی (متناسب با ) شروع با افزایش پیدا می کند هر چند که Ia کمتر شده باشد .

اگر گشتاور موتور بیشتر از گشتاور بار شود موتور شتاب می گیرد و ممکن است دوباره سرعت خیلی زیاد می شود که در اثر آن اتفاقات بالا ممکن است دوباره روی دهد و باعث بروز نوسانات دوره ای در سرعت موتور یعنی ایجاد پدیده نوسان یکنواخت در موتور شود.

اگر میدان سری ضعیفی (مشهور به سیم پیچی پایدار ساز) به میدان شنت اضافه شود، می تواند از این عملکرد ناپایدار جلوگیری کند.

سیم پیچی پایدار کننده اجازه می دهد که بازه وسیعی از سرعت در تمام موتورهائی که برای تنظیم سرعت در نظر گرفته می شوند بدست آید.

برای افزایش بیشتر این بازه سرعت از سیم پیچی جبرانگیر استفاده می شود.

ب: موتورسری: برای تغییر شار میدان و در نتیجه سرعت موتور سری ، سه عامل می تواند مؤثر باشد و بدین ترتیب سه روش وجود دارد.

روش اول: در این روش یک مقاومت به نام مقسم قرار می دهیم به طوریکه با سیم پیچ میدان سری قرار بگیرد، هنگامی که مقاومت مقسم تغییر می کند .

جریان نیز در سیم پیچ میدان سری تغییر خواهد کرد و به این ترتیب شار میدان و درنتیجه سرعت موتور نیز تغییر خواهد کرد.

روش دوم: این روش از سیم پیچ میدان سری انشعاب می گیریم و به این ترتیب تعداد دورهای سیم پیچ میدان تغییر خواهد کرد و نیروی محرکه مغناطیسی میدان سری و سرعت تغییر می کند.

با توجه به توضیح زیر در می یابیم که برای موتورهای سری در حمل و نقل این روش بسیار مفید است: اگر موتور سری اجباراً با بارهای متغیر کار کند آنگاه مقاومت مقسم باید خیلی اندوکتیو (القائی) باشد.

برای مثال هنگامیکه موتور سری برای حمل و نقل استفاده می شود ممکن است که جمع کننده جریان، اتصالش را با سیم هوایی از دست بدهد.

بعد از آن موتور در اثر انرژی جنبشی موجود در محور خود (لختی) به حرکت ادامه می دهد.

اما جریان و بنابراین شار میدان سری ممکن است از بین برود.

بعد از مدت کوتاه هنگامی که دوباره اتصال بین جمع کننده و سیم هوایی برقرار شد بواسطه اندوکتانس زیاد سیم پیچ میدان سری ممکن است تمامی جریان از مقاومت مقسم عبور کند.

از آنجائیکه جریان در میدان سری در اثر اندوکتانس بالا تقریباً صفر است نیروی ضد محرکه الکتریکی ایجاد شده توسط موتور صفر بوده و باعث می شود هنگامی که اتصال دوباره برقرار شد، جریان آرمیچر ناگهان زیاد شود.

همچنانکه قبلاً توضیح داده شد خود مقاومت مقسم نیز باید بیشتر القائی باشد.

این مشکل در روش کنترل انشعابات سیم پیچ میدان وجود ندارد و به همین دلیل برای موتورهای سری در حمل و نقل این روش ترجیح داده می شود.

روش سوم: در این روش اتصال سیم پیچ میدان را از سری به موازی تغییر می دهیم یعنی سیم پیچ میدان سری را به دو قسمت مساوی تقسیم می کنیم؛ زمانی که این دو قسمت به صورت سری وصل می شوند می توان کل نیروی محرکه مغناطیسی را به صورت زیر نوشت نیروی ضد محرکه الکتریکی وقتی دو قسمت سیم پیچی تحریک طبق شکل (cii) موازی وصل شوند برای همان جریان Ia از هر مسیر موازی عبور می کند و نیروی محرکه مغناطیسی کل برابر است با: نیروی ضد محرکه الکتریکی : در حالت بدون اشباع مغناطیسی یا این نشان می دهد که اتصال موازی سیم پیچ های میدان سرعت های بالا را برای موتور نتیجه می دهد .

برای گشتاور بار ثابت کاهش در شار میدان باعث افزایش Ia و افزایش سرعت می شود.

بدینگونه قدرت ورودی VtIa و قدرت خروجی (=گشتاور بار ثابت * سرعت) افزایش می یابد و بنابراین بازده تقریباً بدون تغییر می ماند.

برای کنترل موتور سری و شنت، نیروی ضد محرکه الکتریکی Ea اساساً ثابت می ماند.

زیرا کاهش در شار میدان با افزایش سرعت متناظر جبران می شود.

اگر جریان آرمیچر Ia برابر جریان نامی موتور (مقدار پلاک موتور) نظیر استفاده کامل از ظرفیت موتور باشد قدرت خروجی Ia Ea تقریباً ثابت می ماند و به این دلیل کنترل سرعت با روش تغییر شار میدان را روش قدرت ثابت می‌ماند.

از آنجائیکه EaIa تقریباً ثابت می ماند، حداکثر گشتاور هنگامیکه موتور با پائین ترین سرعت کار می کند ایجاد می شود.

از این نظر روش کنترل شار میدان برای بارهایی که به گشتاورهای بزرگ در سرعت های پایین احتیاج دارند مناسب می باشد.

در حالتی که گشتاور بار ثابتی در حدود وسیعی از تغییرات سرعت مورد نیاز باشد ظرفیت و اندازه موتور بر اساس بالاترین سرعت ممکنه انتخاب می شود واضح است از چنین موتوری در سرعتهای کم کار کم با ظرفیت کم استفاده می شود.

3- کنترل سرعت توسط تغییر vt : اگر ولتاژ ترمینال (vt) تغییر کند، تقریباً متناسب با آن نیروی ضد محرکه الکتریکی (Ea) نیز تغییر می کند، زیرا داریم: و برای حالاتی که شار ثابت است ، مثلاً موتور شنت DC سرعت نیز تقریباً متناسب با vt تغییر می کند.

برای کار موتور DC ابتدا باید ac به DC تبدیل شود و بعد از آن به آرمیچر