Dobór obwodu sterowania prędkością silnika prądu stałego zależy od mocy napędu, wymaganego zakresu regulacji, sprawności, kosztu oraz tego, czy układ ma pracować w prototypie, czy w urządzeniu produkowanym seryjnie. Inaczej projektuje się prosty regulator do małego silnika, inaczej napęd pompy, wiertarki, przenośnika albo maszyny przemysłowej. Poniżej porządkujemy najważniejsze metody regulacji prędkości silników DC i pokazujemy, gdzie każda z nich ma sens.
Obwód sterowania prędkością prądu stałego - czym jest silnik DC?
Silnik prądu stałego (DC) przekształca energię elektryczną w ruch obrotowy. Wykorzystuje oddziaływanie pola magnetycznego i prądu płynącego w uzwojeniach, a jego prędkość oraz moment zależą od konstrukcji silnika, napięcia zasilania, prądu twornika, strumienia wzbudzenia i obciążenia mechanicznego. Przy małym obciążeniu silnik może obracać się szybko, natomiast przy większym obciążeniu prąd rośnie, a prędkość bez odpowiedniego sterowania spada.
Dlaczego kontrola prędkości silnika prądu stałego jest ważna?
Regulacja prędkości decyduje o jakości pracy całego urządzenia. W wiertarce inna prędkość jest potrzebna dla stali, tworzywa i drewna, a średnica wiertła dodatkowo zmienia wymagany moment. W pompie zbyt duża prędkość może powodować nadmierny przepływ, hałas lub zużycie mechaniczne, a zbyt mała - niewystarczającą wydajność.
Podobnie w przenośnikach taśmowych prędkość napędu musi być zsynchronizowana z resztą linii. Zbyt gwałtowne rozpędzanie może uszkodzić produkt lub mechanikę, a niestabilna regulacja powoduje nierówną pracę procesu. Dlatego przy projektowaniu obwodu sterowania trzeba uwzględnić nie tylko maksymalną prędkość, ale też rozruch, hamowanie, zakres obciążeń i sposób odprowadzania ciepła z elementów mocy.
Metody sterowania prędkością obwodu prądu stałego
W praktyce stosuje się kilka grup metod. Historyczne układy bazowały na rezystorach, zmianie napięcia twornika albo regulacji pola wzbudzenia. W nowoczesnej elektronice najczęściej spotyka się sterowanie tranzystorowe PWM, ale zrozumienie klasycznych metod nadal pomaga dobrać właściwy układ do silnika i obciążenia.
Obwód sterowania prędkością prądu stałego - metoda sterowania twornikiem.
Metoda kontroli pola wzbudzenia.
Metoda sterowania twornikiem
Regulacja rezystancją w obwodzie twornika
Najprostsza metoda polega na włączeniu regulowanej rezystancji szeregowo z twornikiem. Część napięcia odkłada się wtedy na rezystorze, a na silnik trafia niższe napięcie, więc jego prędkość maleje. Rozwiązanie jest proste i tanie, ale ma dużą wadę: energia tracona na rezystorze zamienia się w ciepło. Z tego powodu metoda nadaje się głównie do prostych układów, rozruchu lub zastosowań, w których niska sprawność nie jest krytyczna.
Obwód sterowania prędkością prądu stałego - sterowanie napięciem twornika
Regulacja napięcia twornika
W tej metodzie prędkość zmienia się przez zmianę napięcia doprowadzanego do twornika. Dla silnika z niezależnym wzbudzeniem albo silnika bocznikowego, przy stałym strumieniu pola, obniżenie napięcia twornika obniża prędkość, a zwiększenie napięcia ją podnosi aż do prędkości bazowej.
W porównaniu z rezystorem szeregowym jest to metoda znacznie sprawniejsza, jeśli napięcie jest regulowane elektronicznie, na przykład przez przekształtnik DC/DC lub sterownik PWM. Daje płynną regulację poniżej prędkości znamionowej i pozwala utrzymać dobry moment przy małych obrotach.
Metoda regulacji napięcia zasilania
Prędkość można regulować także przez osobne źródło napięcia o regulowanej wartości. Dawniej oznaczało to duże układy elektromechaniczne, a dziś zwykle sterownik półprzewodnikowy. W prostych aplikacjach wystarcza regulator PWM oparty na tranzystorze MOSFET; w napędach większej mocy stosuje się bardziej rozbudowane układy z pomiarem prądu, zabezpieczeniem termicznym i kontrolą kierunku obrotów.
Obwód sterowania prędkością prądu stałego - metoda kontroli pola
Metoda bocznikowania pola
Bocznikowanie uzwojenia wzbudzenia
W silniku szeregowym część prądu można skierować przez rezystor bocznikujący uzwojenie pola. Gdy przez uzwojenie wzbudzenia płynie mniejszy prąd, strumień magnetyczny słabnie, a prędkość silnika rośnie. Taką regulację trzeba stosować ostrożnie, ponieważ zbyt słabe pole i małe obciążenie mogą doprowadzić do nadmiernego wzrostu prędkości.
Obwód sterowania prędkością prądu stałego - regulacja strumienia pola
Regulacja strumienia magnetycznego
Zależność jest prosta: przy tym samym napięciu twornika osłabienie strumienia pola powoduje wzrost prędkości. Można to uzyskać przez regulację prądu wzbudzenia albo przez zmianę liczby czynnych zwojów w uzwojeniu. Metoda jest używana głównie powyżej prędkości bazowej, gdy napęd przechodzi z zakresu stałego momentu do zakresu w przybliżeniu stałej mocy.
Sterowanie prędkością silnika DC bocznikowego
Dla silnika bocznikowego najczęściej rozpatruje się dwie kategorie regulacji.
Metoda kontroli pola.
Obwód sterowania prędkością prądu stałego - metoda sterowania twornikiem.
Technologia kontroli pola silnika DC bocznikowego
Strumień magnetyczny w silniku bocznikowym
W silniku bocznikowym prąd wzbudzenia można regulować rezystorem włączonym w obwód pola. Zmiana prądu pola zmienia strumień magnetyczny, a tym samym prędkość obrotową silnika.
Gdy rezystancja w obwodzie pola jest mała, przez uzwojenie płynie prąd zbliżony do znamionowego, strumień jest wysoki, a silnik pracuje w pobliżu prędkości znamionowej. Zwiększenie rezystancji zmniejsza prąd wzbudzenia, osłabia pole i podnosi prędkość. Taka regulacja pozwala uzyskać prędkość powyżej znamionowej, ale kosztem mniejszego dostępnego momentu i z koniecznością kontroli dopuszczalnych obrotów.
Regulator rezystancji twornika ze zmiennym rezystorem
Regulacja rezystancji twornika
Ta metoda wykorzystuje zmienny rezystor w obwodzie twornika do obniżenia napięcia dostępnego dla silnika. Im większa rezystancja, tym większy spadek napięcia na elemencie regulacyjnym i tym niższa prędkość obrotowa.
Przy minimalnej rezystancji twornik otrzymuje prawie pełne napięcie zasilania, więc silnik osiąga prędkość zbliżoną do naturalnej dla danego obciążenia. Stopniowe zwiększanie rezystancji obniża napięcie twornika i zmniejsza prędkość. W układach produkcyjnych rozwiązanie jest dziś rzadziej wybierane, bo straty mocy i grzanie rezystora są znaczące.
Obwód sterowania prędkością prądu stałego - technologia regulatora napięcia twornika
Układ Ward-Leonarda
Układ Ward-Leonarda to klasyczna metoda płynnej regulacji prędkości silnika prądu stałego. W takim systemie silnik napędowy, często trójfazowy silnik indukcyjny, porusza generator prądu stałego. Napięcie z generatora zasila twornik głównego silnika DC, którego prędkość jest regulowana przez zmianę wzbudzenia generatora.
Zmiana prądu wzbudzenia generatora zmienia jego napięcie wyjściowe, a więc także napięcie twornika silnika. Pole głównego silnika utrzymuje się zwykle na stałym poziomie, dzięki czemu prędkość można regulować płynnie od zera do prędkości bazowej przy zachowaniu dobrych właściwości momentowych.
Zakres regulacji napięcia może obejmować wartości od bliskich zeru do napięcia znamionowego. Przy stałym polu silnika oznacza to regulację w obszarze stałego momentu. Po osiągnięciu prędkości bazowej dalsze zwiększanie prędkości wymaga osłabienia pola, co przenosi napęd do obszaru stałej mocy, w którym dostępny moment maleje wraz ze wzrostem obrotów.
Układ Ward-Leonarda był stosowany w windach, walcarkach, dźwigach i innych napędach wymagających płynnego rozruchu, zmiany kierunku oraz hamowania odzyskowego. Dziś w nowych projektach jego rolę przejęły przekształtniki energoelektroniczne, ale zasada regulacji napięcia twornika pozostaje ważna przy analizie napędów DC.
Obwód sterowania prędkością prądu stałego - zalety
Po pierwsze, układ zapewnia bardzo płynną regulację prędkości w szerokim zakresie, także od bardzo małych obrotów.
Po drugie, przy właściwym sterowaniu silnik może utrzymywać stabilną prędkość mimo zmian obciążenia.
Poza tym charakterystyka regulacji silnika prądu stałego jest przewidywalna i dobrze nadaje się do aplikacji wymagających precyzyjnego napędu.
Ponadto możliwa jest wygodna zmiana kierunku obrotów oraz kontrola pracy w obu kierunkach.
Wreszcie układ może realizować hamowanie regeneracyjne, czyli odzysk części energii podczas hamowania.
Wady
Po pierwsze, przy małym obciążeniu sprawność całego zespołu maszyn wirujących jest ograniczona.
Po drugie, układ jest duży i wymaga znacznie więcej miejsca niż nowoczesny sterownik półprzewodnikowy.
Ponadto wymaga regularnej konserwacji, zwłaszcza elementów mechanicznych, szczotek i komutatorów.
Poza tym generuje hałas i drgania typowe dla maszyn wirujących.
W końcu jest drogi w zakupie, eksploatacji i utrzymaniu.
Podsumowanie
Nie ma jednej najlepszej metody sterowania prędkością silnika prądu stałego. Rezystor w obwodzie twornika jest prosty, ale mało sprawny. Regulacja napięcia twornika daje dobrą kontrolę i jest podstawą wielu współczesnych sterowników. Kontrola pola pozwala zwiększać prędkość powyżej wartości bazowej, lecz wymaga pilnowania momentu i dopuszczalnych obrotów. Przy projektowaniu płytki sterownika trzeba dobrać tranzystory, zabezpieczenia, ścieżki prądowe, chłodzenie i pomiar prądu do realnego obciążenia. OurPCB może pomóc w produkcji i montażu PCB dla takich układów - od prototypu po serię, z analizą DFM i wyceną w 12 godzin roboczych.