การควบคุมความเร็วตัวแปรมอเตอร์กระแสตรง: วิธีการทำงานและสิ่งที่ต้องระบุสำหรับการออกแบบเครื่องใช้ไฟฟ้า

วิศวกรรมมอเตอร์ — การออกแบบเครื่องใช้ไฟฟ้า

ความเร็วตัวแปรมอเตอร์กระแสตรง: คู่มือการทำงานสำหรับนักออกแบบและผู้ซื้อ

มอเตอร์กระแสตรงแบบปรับความเร็วได้ให้ช่วงความเร็วที่กว้างขึ้น การทำงานที่ความเร็วต่ำเงียบกว่า และประสิทธิภาพการโหลดบางส่วนดีขึ้น เมื่อมอเตอร์ ไดรเวอร์ และการออกแบบระบบระบายความร้อนถูกระบุเป็นระบบเดียว

ผู้ผลิตเครื่องดูดควันกำลังทดสอบมอเตอร์ 120 V DC สำหรับสายการผลิตใหม่ในครัว บรีฟต้องการความเร็วในการสกัดสามระดับ ขีดจำกัดสัญญาณรบกวนความเร็วต่ำที่เข้มงวด และตัวควบคุมที่รักษาความเร็วในขณะที่ตัวกรองโหลดขึ้น ในห้องปฏิบัติการอื่น ผู้ผลิตเครื่องทำความเย็นด้วยอากาศต้องการมอเตอร์ที่สามารถลดความเร็วลงเหลือหนึ่งในสามของความเร็วที่กำหนดสำหรับการทำงานตอนกลางคืนโดยไม่ร้อนเกินไป

ทั้งสองทีมถามคำถามเดียวกัน: ความเร็วตัวแปรของมอเตอร์กระแสตรงทำงานอย่างไรจริง ๆ และอะไรอยู่ในข้อมูลจำเพาะก่อนจัดส่งตัวอย่างแรก คำตอบโดยย่อก็คือ ความเร็วตามแรงดัน แรงบิดตามกระแส และผู้ควบคุมจะตัดสินใจว่าทั้งสองจับแน่นแค่ไหน ประสิทธิภาพ เสียง และอายุการใช้งานทั้งหมดขึ้นอยู่กับว่าทั้งสามสิ่งนี้เข้ากันได้ดีเพียงใด

อะไรทำให้ความเร็วตัวแปรของมอเตอร์กระแสตรง

ในมอเตอร์กระแสตรงแม่เหล็กถาวร ความเร็วจะเป็นสัดส่วนกับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับกระดอง ในขณะที่แรงบิดจะเป็นสัดส่วนกับกระแสไฟฟ้าของกระดอง ลดแรงดันไฟฟ้าเฉลี่ยและมอเตอร์ทำงานช้าลง ยกมันขึ้นและมอเตอร์จะไต่ตามความเร็วที่กำหนด พฤติกรรมใกล้เชิงเส้นดังกล่าวเป็นสาเหตุที่มอเตอร์กระแสตรงเป็นพื้นฐานตามธรรมชาติสำหรับอุปกรณ์ที่มีความเร็วหลายระดับ เนื่องจากไม่มีสนามหมุนที่จะซิงโครไนซ์ และไม่มีอินเวอร์เตอร์ความถี่ในวงจร

มีครึ่งหลังตามภาพครับ ภายใต้ภาระ มอเตอร์จริงทุกตัวจะช้าลงเล็กน้อยเนื่องจากความต้านทานของขดลวด และในการออกแบบแบบมีแปรงถ่าน จะทำให้แปรงสูญเสีย ตัวควบคุมแบบวงเปิดที่ตั้งค่าเฉพาะระดับแรงดันไฟฟ้าไม่สามารถแก้ไขการตกหล่นได้ สำหรับพัดลมและเครื่องเป่าลม ซึ่งมองไม่เห็นการเบี่ยงเบนเพียงไม่กี่เปอร์เซ็นต์ การทำงานแบบวงรอบเปิดก็ยอมรับได้ สำหรับเครื่องดูดควันที่ต้องรักษาปริมาตรลมให้น้อยที่สุด หรือเครื่องทำความเย็นแบบเป่าลมที่ดันอากาศผ่านแผ่นเปียก การควบคุมแบบวงปิดจะคุ้มค่ากับค่าใช้จ่ายเพิ่มเติม

ข้อกำหนดสามข้อกำหนดกรอบการสนทนากับซัพพลายเออร์มอเตอร์ทุกครั้ง:

• ช่วงความเร็ว — อัตราส่วนของความเร็วที่ใช้งานได้ต่ำสุดต่อความเร็วที่กำหนด ซึ่งมักระบุเป็น 5:1 หรือ 20:1 อัตราส่วนที่กว้างขึ้นต้องใช้ไดรเวอร์ที่ออกแบบมาเพื่อความเสถียรที่ความเร็วต่ำ
• รอบหน้าที่ — ไม่ว่ามอเตอร์จะทำงานอย่างต่อเนื่องที่ความเร็วต่ำสุดหรือเฉพาะในช่วงเวลาสั้นๆ เท่านั้น สิ่งนี้จะกำหนดการออกแบบการระบายความร้อน
• กฎระเบียบ — ความเร็วลดลงจากไม่มีโหลดไปจนถึงโหลดเต็มที่ด้วยการตั้งค่าคงที่ แสดงเป็นเปอร์เซ็นต์ ระบบวงปิดแสดงการควบคุมที่ต่ำกว่าระบบวงรอบเปิดมาก

วิธีหลักในการควบคุมความเร็วมอเตอร์กระแสตรง

วิธีการควบคุมสามวิธีปรากฏในอุปกรณ์การผลิต ต่างกันในด้านต้นทุน ประสิทธิภาพ เสียง และพฤติกรรมของแรงบิด

การควบคุมแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้น

ตัวต้านทานแบบแปรผันหรือตัวควบคุมเชิงเส้นจะลดแรงดันไฟฟ้าที่มองเห็นได้จากกระดอง แนวคิดนี้เรียบง่ายและราคาถูก แต่พลังงานที่ถูกทิ้งไปจะกลายเป็นความร้อนในเครื่องใช้ไฟฟ้า และประสิทธิภาพจะลดลงเมื่อความเร็วลดลง เหมาะกับพัดลมที่มีราคาต่ำเป็นพิเศษ ซึ่งแทบจะไม่ใช่ผลิตภัณฑ์ที่ใช้งานได้นานหลายชั่วโมง

การปรับความกว้างพัลส์

การมอดูเลตความกว้างพัลส์จะเปิดและปิดแหล่งจ่ายเต็มที่ด้วยความถี่คงที่ — โดยทั่วไปคือ 8 kHz ถึง 25 kHz — และรอบการทำงานจะแตกต่างกันไป มอเตอร์มองเห็นแรงดันไฟฟ้าเฉลี่ยที่ต่ำกว่าในขณะที่อุปกรณ์สวิตชิ่งเปิดหรือปิดเต็มที่ ดังนั้นการสูญเสียของไดรเวอร์จึงมีเพียงเล็กน้อย ปัจจุบัน PWM เป็นวิธีมาตรฐานสำหรับความเร็วตัวแปรของมอเตอร์กระแสตรง รวมถึงมอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่านด้วย เนื่องจากเป็นการรวมประสิทธิภาพเข้ากับช่วงที่ควบคุมได้กว้าง

การควบคุมผลตอบรับแบบวงปิด

การควบคุมแบบวงปิดจะเพิ่มเซ็นเซอร์ความเร็ว — เซ็นเซอร์ฮอลล์ ตัวเข้ารหัส หรือวงจรตรวจจับ back-EMF — เพื่อให้ผู้ขับขี่เปรียบเทียบความเร็วจริงกับค่าที่ได้รับคำสั่งและปรับ PWM แบบเรียลไทม์ มอเตอร์จะรักษาความเร็วไว้เมื่อใบพัดโหลด เมื่อตัวกรองอุดตัน หรือเมื่อแรงดันไฟฟ้าตก มอเตอร์กระแสตรงแบบไร้แปรงถ่านต้องอาศัยการสับเปลี่ยนทางอิเล็กทรอนิกส์นี้อยู่แล้ว ซึ่งเป็นสาเหตุที่ทำให้มอเตอร์เหล่านี้มีกราฟแรงบิดแบนตลอดช่วงความเร็วที่กว้าง

สำหรับเครื่องใช้ไฟฟ้าส่วนใหญ่ ไดรเวอร์ PWM ที่มีการตอบสนองแบบลูปปิดจะให้ความสมดุลระหว่างพฤติกรรมและราคาที่ดีที่สุด การสั่งซื้อมอเตอร์และตัวขับเป็นชุดเดียวกันจากซัพพลายเออร์รายเดียว จะช่วยหลีกเลี่ยงปัญหาที่ไม่ตรงกันซึ่งทำให้เกิดเสียงดัง การฟันเฟือง และความล้มเหลวก่อนเวลาอันควร

ความเร็วตัวแปร DC เทียบกับความเร็วตัวแปร AC

มอเตอร์เหนี่ยวนำกระแสสลับยังสามารถทำงานด้วยความเร็วหลายระดับได้ แต่ฮาร์ดแวร์จะหนักกว่า มอเตอร์ที่ทำงานด้วยตัวเก็บประจุแบบเฟสเดียวจำเป็นต้องมีการควบคุมเฟส มอเตอร์สามเฟสจำเป็นต้องมีไดรฟ์ความถี่แบบแปรผัน ในทั้งสองกรณี แรงบิดจะลดลงที่ความเร็วต่ำ เว้นแต่ว่ามอเตอร์ได้รับการออกแบบมาเป็นพิเศษ และการออกแบบเฟสเดียวแบบคลาสสิกมักจะส่งเสียงครวญครางหรือฟันเฟืองเมื่อถูกขอให้ทำงานต่ำกว่าความเร็วที่กำหนดมาก

การแลกเปลี่ยนไม่สมบูรณ์ มอเตอร์กระแสสลับยังคงเป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับการใช้งานที่มีความเร็วคงที่และกำลังสูง แต่เมื่อบรีฟถามความเร็วระหว่าง X และ Y การวิ่งด้วยความเร็วต่ำอย่างเงียบๆ และงบประมาณด้านพลังงานที่จำกัด ความเร็วแปรผัน DC จะกลายเป็นคำตอบทางวิศวกรรมที่ใช้งานได้จริง

สิ่งที่ต้องตรวจสอบก่อนที่คุณจะระบุมอเตอร์กระแสตรงแบบปรับความเร็วได้

แผ่นข้อมูลจะบันทึกพฤติกรรมในสภาวะคงตัว ไม่ใช่พฤติกรรมของฟิลด์ การตรวจสอบด้านล่างจะแยกมอเตอร์ที่ทำงานในการผลิตออกจากมอเตอร์ที่ใช้งานไม่ได้หลังจากเดือนแรก

1. ความเร็วต่อเนื่องต่ำสุดพร้อมระบบระบายความร้อนด้วยตัวเอง มอเตอร์ที่ระบายความร้อนด้วยพัดลมของตัวเองจะร้อนขึ้นเมื่อกระแสลมลดลง ระบุความเร็วขั้นต่ำในข้อกำหนดและทดสอบ ณ จุดนั้นด้วยการติดตั้งใบพัดจริง
2. ความเข้ากันได้ของไดรเวอร์ ความถี่ PWM ขีดจำกัดกระแส และพฤติกรรมการสตาร์ทแบบนุ่มนวลต้องตรงกับมอเตอร์ การผสมส่วนประกอบจากแหล่งต่างๆ เป็นสาเหตุที่พบบ่อยที่สุดของความล้มเหลวด้านความเร็วตัวแปรในเครื่องใช้ไฟฟ้าขนาดเล็ก
3. แรงบิดที่จุดทำงาน มอเตอร์ที่สตาร์ทได้ดีที่ความเร็วที่กำหนดอาจส่งแรงบิดน้อยเกินไปที่ความเร็วหนึ่งในสาม เปรียบเทียบกราฟโหลดของใบพัดกับกราฟแรงบิดของมอเตอร์ก่อนที่จะหยุดการออกแบบ
4. เสียงรบกวนในทุกย่างก้าว สัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงด้วยความถี่และความเร็ว PWM หากผลิตภัณฑ์มีขีดจำกัดของสัญญาณรบกวน ให้วัดด้วยตัวควบคุมการผลิต ไม่ใช่ด้วยแหล่งจ่ายไฟในห้องปฏิบัติการ
5. การรับรองภายใต้โหมดควบคุม CE, UL, CQC หรือเครื่องหมายอื่นๆ จะมีความหมายเฉพาะเมื่อครอบคลุมโหมดควบคุมความเร็วและรอบการทำงานที่ต้องการเท่านั้น ขอรายงานผลการทดสอบ ไม่ใช่แค่ใบรับรอง

ความเร็วตัวแปรของมอเตอร์กระแสตรงไม่ใช่การตัดสินใจโดยใช้องค์ประกอบเดียว มอเตอร์ ไดรเวอร์ PWM และพฤติกรรมทางความร้อนที่ความเร็วต่ำสุดทำหน้าที่เป็นระบบเดียวกัน ดังนั้น ข้อมูลจำเพาะจึงต้องปฏิบัติต่อพวกมันในลักษณะนั้น กำหนดช่วงความเร็วก่อน ตรวจสอบแรงบิดกับใบพัดจริง เลือกตัวควบคุมจากซัพพลายเออร์รายเดียวกัน และทดสอบภายใต้รอบการทำงานจริง วินัยนั้นคือสิ่งที่เปลี่ยนมอเตอร์ที่มีอนาคตบนกระดาษให้เป็นผลิตภัณฑ์ที่เชื่อถือได้ในภาคสนาม