Sterowanie zmienną prędkością silnika prądu stałego: jak to działa i co należy określić przy projektowaniu urządzenia

Inżynieria silnikowa — projektowanie urządzeń

Zmienna prędkość silnika prądu stałego: przewodnik roboczy dla projektantów i kupujących

Silniki prądu stałego o zmiennej prędkości zapewniają szersze okno prędkości, cichszą pracę przy niskich prędkościach i lepszą wydajność przy częściowym obciążeniu — gdy silnik, sterownik i konstrukcja termiczna są określone jako jeden system.

Producent okapów kuchennych testuje silnik 120 V prądu stałego do nowej linii kuchennej. Wymagania wymagają trzech prędkości ekstrakcji, rygorystycznego limitu hałasu przy niskiej prędkości oraz sterownika utrzymującego prędkość w miarę ładowania filtra. W innym laboratorium producent chłodnic powietrza potrzebuje silnika, który może spaść do jednej trzeciej prędkości znamionowej podczas pracy w nocy bez przegrzania.

Obydwa zespoły zadają to samo pytanie: jak w rzeczywistości działa zmienna prędkość silnika prądu stałego i co należy uwzględnić w specyfikacji przed pierwszymi próbnymi statkami? Krótko mówiąc, prędkość jest zgodna z napięciem, moment obrotowy z prądem, a sterownik decyduje, jak mocno te dwa elementy są utrzymywane. Wydajność, hałas i żywotność zależą od tego, jak dobrze te trzy elementy zostaną dopasowane.

Co sprawia, że ​​silnik prądu stałego ma zmienną prędkość

W silniku prądu stałego z magnesami trwałymi prędkość jest proporcjonalna do napięcia przyłożonego do twornika, natomiast moment obrotowy jest proporcjonalny do prądu twornika. Zmniejsz średnie napięcie, a silnik zwolni; podnieś go, a silnik osiągnie prędkość znamionową. To niemal liniowe zachowanie powoduje, że silniki prądu stałego są naturalną podstawą urządzeń o zmiennej prędkości — nie ma pola wirującego do synchronizacji ani przetwornicy częstotliwości w obwodzie.

Obraz ma drugą połowę. Pod obciążeniem każdy prawdziwy silnik nieco zwalnia z powodu oporu uzwojenia, a w konstrukcjach szczotkowych – strat szczotek. Sterownik z otwartą pętlą, który ustawia jedynie poziom napięcia, nie jest w stanie skorygować tego spadku. W przypadku wentylatorów i dmuchaw, gdzie kilkuprocentowy dryft jest niewidoczny, dopuszczalna jest praca w pętli otwartej. W przypadku okapu kuchennego, który musi utrzymywać minimalną ilość powietrza, lub chłodnicy powietrza przepychającej powietrze przez mokre poduszki, sterowanie w pętli zamkniętej jest warte dodatkowych kosztów.

Każdą rozmowę z dostawcą silników określają trzy terminy:

• Zakres prędkości — stosunek najniższej prędkości użytkowej do prędkości znamionowej, często podawany jako 5:1 lub 20:1. Szersze przełożenie wymaga sterownika zaprojektowanego z myślą o stabilności przy niskich prędkościach.
• Cykl pracy — czy silnik pracuje w sposób ciągły z prędkością minimalną, czy tylko w krótkich odstępach czasu. To określa projekt termiczny.
• Rozporządzenie — spadek prędkości od stanu bez obciążenia do pełnego obciążenia przy stałym ustawieniu, wyrażony w procentach. Systemy z pętlą zamkniętą wykazują znacznie słabszą regulację niż systemy z pętlą otwartą.

Główne sposoby kontrolowania prędkości silnika prądu stałego

W urządzeniach produkcyjnych występują trzy metody kontroli. Różnią się kosztem, wydajnością, poziomem hałasu i momentem obrotowym.

Liniowa kontrola napięcia

Rezystor zmienny lub regulator liniowy obniża napięcie widziane przez twornik. Koncepcja jest prosta i tania, ale wyrzucona energia zamienia się w ciepło w urządzeniu, a wydajność spada przy zmniejszonej prędkości. Pasuje do bardzo tanich fanów, rzadko produktów, które działają godzinami.

Modulacja szerokości impulsu

Modulacja szerokości impulsu całkowicie włącza i wyłącza zasilanie przy stałej częstotliwości — zwykle od 8 kHz do 25 kHz — i zmienia cykl pracy. Silnik otrzymuje niższe średnie napięcie, gdy urządzenie przełączające jest albo całkowicie włączone, albo całkowicie wyłączone, więc straty sterownika pozostają niewielkie. PWM jest obecnie standardową metodą w przypadku silników prądu stałego o zmiennej prędkości, w tym bezszczotkowych silników prądu stałego, ponieważ łączy w sobie wydajność z szerokim zakresem regulacji.

Kontrola sprzężenia zwrotnego w pętli zamkniętej

Sterowanie w pętli zamkniętej dodaje czujnik prędkości — czujnik Halla, enkoder lub obwód detekcji tylnego pola elektromagnetycznego — dzięki czemu sterownik porównuje rzeczywistą prędkość z wartością zadaną i dostosowuje PWM w czasie rzeczywistym. Silnik utrzymuje prędkość obrotową, gdy wirnik go obciąża, gdy filtr się zatyka lub gdy spada napięcie zasilania. Bezszczotkowe silniki prądu stałego i tak opierają się na tej elektronicznej komutacji, dlatego oferują płaską krzywą momentu obrotowego w szerokim paśmie prędkości.

W przypadku większości urządzeń sterownik PWM ze sprzężeniem zwrotnym w pętli zamkniętej zapewnia najlepszą równowagę między zachowaniem i kosztami. Zamawianie silnika i sterownika jako jednego dopasowanego zestawu od jednego dostawcy pozwala uniknąć niedopasowań powodujących hałas, zazębienie i przedwczesną awarię.

Zmienna prędkość DC a zmienna prędkość AC

Silniki indukcyjne prądu przemiennego mogą również pracować ze zmienną prędkością, ale sprzęt jest cięższy. Jednofazowy silnik zasilany kondensatorem wymaga kontroli fazy; silnik trójfazowy wymaga przetwornicy częstotliwości. W obu przypadkach moment obrotowy spada przy niskiej prędkości, chyba że silnik jest specjalnie zaprojektowany, a klasyczne konstrukcje jednofazowe mają tendencję do buczenia lub pracy zębatej, gdy wymagane jest działanie znacznie poniżej prędkości znamionowej.

Kompromis nie jest absolutny. Silniki prądu przemiennego pozostają dobrym wyborem w zastosowaniach o stałej prędkości i dużej mocy. Kiedy jednak w projekcie wymagana jest dowolna prędkość pomiędzy X a Y, cicha praca przy niskich prędkościach i napięty budżet energetyczny, praktyczną odpowiedzią inżynierską staje się zmienna prędkość prądu stałego.

Co sprawdzić przed wyborem silnika prądu stałego o zmiennej prędkości

Arkusz danych rejestruje zachowanie w stanie ustalonym, a nie zachowanie w terenie. Poniższe kontrole pozwalają odróżnić silnik pracujący w produkcji od silnika, który ulegnie awarii po pierwszych miesiącach.

1. Najniższa prędkość ciągła z chłodzeniem własnym. Silnik chłodzony własnym wentylatorem nagrzewa się wraz ze spadkiem przepływu powietrza. Podaj minimalną prędkość w specyfikacji i przetestuj w tym punkcie z zamontowanym prawdziwym wirnikiem.
2. Kompatybilność sterowników. Częstotliwość PWM, ograniczenie prądu i zachowanie miękkiego startu muszą odpowiadać silnikowi. Mieszanie komponentów pochodzących z różnych źródeł jest najczęstszą przyczyną awarii urządzeń o zmiennej prędkości w małych urządzeniach.
3. Moment obrotowy w punkcie pracy. Silnik, który dobrze uruchamia się przy prędkości znamionowej, może dostarczać zbyt mały moment obrotowy przy jednej trzeciej prędkości. Porównaj krzywą obciążenia wirnika z krzywą momentu obrotowego silnika przed zamrożeniem projektu.
4. Hałas na każdym kroku prędkości. Szum elektromagnetyczny zmienia się wraz z częstotliwością i prędkością PWM. Jeśli produkt ma granicę hałasu, zmierz ją za pomocą sterownika produkcyjnego, a nie zasilacza laboratoryjnego.
5. Certyfikacja w trybie kontrolnym. CE, UL, CQC lub inne znaki mają znaczenie tylko wtedy, gdy obejmują tryb kontroli prędkości i zamierzony cykl pracy. Poproś o raport z testu, a nie tylko o certyfikat.

Zmienna prędkość silnika prądu stałego nie jest decyzją jednoelementową. Silnik, sterownik PWM i zachowanie termiczne przy minimalnej prędkości działają jak jeden system, więc specyfikacja musi je traktować w ten sposób. Najpierw zdefiniuj zakres prędkości, sprawdź moment obrotowy w stosunku do rzeczywistego wirnika, wybierz sterownik od tego samego dostawcy i przetestuj w rzeczywistym cyklu pracy. To właśnie ta dyscyplina sprawia, że ​​obiecujący silnik na papierze staje się niezawodnym produktem w terenie.