موتور DC و مدل آن

ماشین‌های DC برای ۱۰۰ سال برای درایو‌های سرعت قابل تنظیم (adjustable speed drive) مورد استفاده قرار می‌گرفتند و کنترل گشتاور متغیر بر روی این ماشین‌ها اجرا می‌شد. مهم‌ترین مشکل این ماشین‌ها هزینه تعمیر و نگهداری آن‌ها و همچنین بازده پایین‌تر نسبت به ماشین‌های AC می‌باشد و مهمترین مزیت این ماشین‌ها کنترل دقیق سرعت شان می‌باشد. اگرچه بعد از ۱۹۸۰ با پیشرفت الکترونیک قدرت و تکنولوژی کنترل ماشین‌های AC، ماشین‌های DC از رده خارج شدند، اما هنوز صنایع قدیمی و صنایعی که به کنترل خیلی دقیق نیاز دارند همچون جرثقیل‌های غول پیکر از ماشین DC استفاده می‌کنند.

ساختار موتور DC:

همان طور که از شکل زیر مشخص است موتور DC دارای یک سیم پیچی میدان برای تحریک شار و یک سیم پیچی آرمیچر برای تولید گشتاور می‌باشد:



موتور DC را بر اساس نحوه اتصال سیم پیچی‌های میدان و آرمیچر می‌توان به چهار دسته سری، موازی، کمپوند و تحریک مستقل تقسیم بندی کرد:



ماشین کمپوند که در اصل ترکیب سری و موازی می‌باشد به دو نوع اضافی و نقصانی تقسیم بندی می‌شود:



هر کدام از این ساختار‌ها دارای مشخصه گشتاور-سرعت متفاوتی می‌باشند که با توجه به پیشرفت تکنولوژی الکترونیک قدرت ساختار تحریک مستقل بطور گسترده مورد استفاده قرارگرفت. در ماشین DC سری و کمپوند جریان آرمیچر نیز برای تولید شار تحریک شرکت می‌کند. در ماشین DC سری جریان آرمیچر همان جریان میدان است. در ماشین کمپوند اضافی جهت شار تولید شده بوسیله جریان آرمیچر در جهت شار جریان سیم پیچی تحریک است، ولی در ماشین کمپوند نقصانی جهت شار تولید شده بوسیله جریان آرمیچر مخالف جهت شار جریان سیم پیچی تحریک است. برای اینکه گشتاور پیوسته داشته باشیم باید جهت جریان آرمیچر زمانی که از زیر قطب N. عبور کرده و می‌خواهد زیر قطب S. قرار گیرد عوض کرد بنابراین موتور DC به یک یکسو ساز نیاز دارد. وظیفه یکسوسازی بر عهده کموتاتور و براش‌ها است. این ساختار را می‌توانید در شکل زیر ببینید:



که شکل موج شار تولید شده بصورت زیر است:



توزیع فضایی شار فاصله هوایی از جمع شار‌های تولید شده بوسیله‌ی جریان آرمیچر و جریان میدان بوجود می‌آید. اعوجاج توزیع فضایی شار با بزرگ شدن اندازه جریان آرمیچر بدتر می‌شود. این اعوجاج شار به علت عکس العمل آرمیچر زمانی که از نقطه صفر (null) عبور می‌کند و جهت جریان عوض می‌شود بوجود می‌آید. در این زمان بدلیل اتصال کوتاه شدن سیم پیچی و جریان اتصال کوتاه زیاد ممکن است کموتاتور جرقه بزند و در طول زمان خراب شود. برای کاهش دادن این اثر مضر، می‌توان از سیم پیچی جبرانگر استفاده کرد که بصورت زیر قرار می‌گیرند:



در ماشین‌های DC بزرگ به علت بزرگ بودن جریان اتصال کوتاه حتماً باید از این سیم پیچی استفاده شود.

مدار معادل موتور DC:

با توجه به توضیحات بالا می‌توان مدار معادل موتور DC را بصورت زیر در نظر گرفت:



با توجه به مدل بالا معادلات حاکم بر موتور DC بصورت زیر است:



که e. نیروی ضد محرکه (EMF) است و اثر عکس العمل آرمیچر را نشان می‌دهد. Va ولتاژ ترمینال موتور، Te گشتاور الکتریکی تولیدی موتور، λf شار نشتی، Vf ولتاژ سیم پیچی میدان، Ke ثابت نیروی ضد محرکه، KT ثابت گشتاور، ωrm سرعت موتور، Ra مقاومت سیم پیچی آرمیچر، Rf مقاومت سیم پیچی میدان، La اندوکتانس سیم پیچی آرمیچر، Lf اندوکتانس سیم پیچی میدان و Vb افت ولتاژ روی براش‌ها است که به سرعت چرخش روتور و میزان سایش براش‌ها بستگی دارد. این افت ولتاژ دارای مشخصه غیر خطی است و معمولاً کمتر از ۱ درصد ولتاژ نامی ماشین DC می‌باشد بنابراین از آن صرف نظر می‌شود. توجه کنید که اگر از واحد MKS استفاده شود، Ke و KT یکی هستند.

معادله چرخش روتور نیز بصورت زیر است:



که TL گشتاور بار می‌باشد و معمولاً دارای مشخصه غیر خطی می‌باشد و تابعی از سرعت موتور می‌باشد. J. ممان اینرسی سیستم چرخان، B. ضریب اصطکاک می‌باشد که بصورت غیر خطی به سرعت و جهت آن وابسته است. با توجه به معادلات بالا بلوک دیاگرام ماشین DC برای شبیه سازی بصورت زیر می‌باشد: