Έλεγχος στροφών, ρύθμιση ταχύτητας θέσης και φοράς περιστροφής ηλεκτρικών κινητήρων
Εναλλασσόμενη τάση τροφοδοσίας
Σύγχρονος ηλεκτροκινητήρας εναλλασσομένου 220V 28Watt
Παλμοί PWM. Δηλαδή παλμοί τάσης μεταβλητής διάρκειας σε σχέση με την περίοδο. Εδώ είναι 5V και έχουν διάρκεια ίση με το 10% και με το 50% της περιόδου Τ.
Στους κινητήρες εφαρμοζεται η μέση τιμή της τάσης των παλμών PWM
Πλακέτα ρύθμισης φοράς και ταχύτητας ηλεκτρικού κινητήρα DC με παλμούς PWM. Η αλλαγή της φοράς περιστροφής επιτυγχάνεται εύκολα με τον 6πολικό διακόπτη ON-Off-ON
Ρυθμιζόμενο τροφοδοτικό με Display. Η ρύθμιση της ταχύτητας επιτυγχάνεται εύκολα ρυθμίζοντας την τάση τροφοδοσίας
Ηλεκτρικοί κινητήρες-ηλεκτρικά μοτέρ
Οι κινητήρες του εμπορίου χωρίζονται σε δύο βασικές κατηγορίες:
1. Ηλεκτροκινητήρες εναλλασσόμενου AC (Alternating Current).
Ονομάζονται έτσι, επειδή η τάση τροφοδοσίας τους εναλλάσσεται στο χρόνο όπως στο παράπλευρο σχήμα. Συνήθως η τάση τροφοδοσίας τους ανέρχεται στα 220V. Σε πολλές βιομηχανικές εφαρμογές με μεγάλα φορτία χρησιμοποιούνται κινητήρες 380V. Υπάρχουν δύο τύποι κινητήρων εναλλασσόμενου AC. Οι σύγχρονοι και οι ασύγχρονοι. Σε εμπορικές εφαρμογές μικράς ισχύος χρησιμοποιούνται οι σύγχρονοι κινητήρες των οποίων η αναστροφή φοράς κίνησης επιτυγχάνεται πολύ εύκολα χρησιμοποιώντας έναν πυκνωτή, ενώ ο έλεγχος ταχύτητας-στροφών επιτυγχάνεται δυσκολότερα μεταβάλλοντας τη συχνότητα της τάσης τροφοδοσίας τους. Οι στροφές ενός ασύγχρονου κινητήρα, μεταβάλλονται ανάλογα με την συχνότητα της τάσης από την οποία τροφοδοτούνται.
2. Ηλεκτροκινητήρες συνεχούς DC (Direct Current).
Ονομάζονται έτσι, επειδή η τάση τροφοδοσίας τους έχει μια σταθερή τιμή στο χρόνο, όπως είναι για παράδειγμα η τάση των μπαταριών. Συνήθως η τάση τροφοδοσίας τους ανέρχεται στα 12V ή στα 24V και σπανιότερα στα 5V, 36V, 48V, ή 180V. Οι κινητήρες συνεχούς DC είναι καταλληλότεροι για χρήσεις όπου απαιτoύνται ο έλεγχος της παραγόμενης ροπής, η ρύθμιση των στροφών και ταχύτητας. Στην ευκολία ελέγχου αυτών των παραμέτρων οφείλεται και η ευρύτατη χρήση τους στις περισσότερες εφαρμογές.
Ρύθμιση και έλεγχος στροφών ταχύτητας ροπής και φοράς περιστροφής κινητήρων DC
Η ρύθμιση και ο έλεγχος της ταχύτητας των ηλεκτρικών μοτέρ DC επιτυγχάνεται με δύο κυρίως τρόπους:
I. Με ρυθμιζόμενη τροφοδοσία. Επεμβαίνοντας άμεσα στο τροφοδοτικό και κατά συνέπεια στην τάση τροφοδοσίας του κινητήρα μεταβάλλεται η ταχύτητα περιστροφής, το ρεύμα που καταναλώνεται και η ροπή. Στο εμπόριο υπάρχουν ρυθμιζόμενα τροφοδοτικά ή έως 36V με δυνατότητα ρύθμισης της παραγόμενης από αυτά τάσης μέσω του κουμπιού ενός ποτενσιόμετρου. Η μέθοδος αυτή έχει το μειονέκτημα ότι είναι η πιο ενεργοβόρα καθώς εκλύεται μεγάλη ποσότητα ενέργειας ως θερμότητα. Η απαγωγή της θερμότητας αυτής είναι επίσης πρόβλημα.
II. Με παλμούς PWM (Pulse Width Modulation=Παλμών διαμορφωμένης διάρκειας). Χρησιμοποιώντας ειδικά ηλεκτρονικά κυκλώματα που παράγουν παλμούς PWM (διαμορφωμένους παλμούς ως προς τη συχνότητα) για την αυξομοίωση της τάσης τροφοδοσίας επιτυγχάνοντας έτσι τη ρύθμιση και έλεγχο της ταχύτητας των ηλεκτροκινητήρων. Με τους ρυθμιστές αυτούς επιτυγχάνεται λιγότερη σπατάλη ενέργειας και παραγωγή θερμότητας. Με άλλα λόγια, μπορούμε εύκολα να ελέγξουμε την ταχύτητα ηλεκτρικού κινητήρα DC τροφοδοτώντας τον παλμούς μεταβαλλόμενης διάρκειας PWM από ένα Arduino.
Σχεδόν όλοι οι μικροελεγκτές έχουν αυτή τη δυνατότητα παραγωγής παλμών PWM των οποίων εύκολα μπορεί να αλλάζει προγραμματιστικά το εύρος (η διάρκεια). Έτσι π.χ. παλμοί με πλάτος 5 Volt των οποίων το εύρος ανέρχεται στο 10% της περιόδου ισοδυναμούν με μια μέση τιμή της τάσης της τάξεως των 0,5 Volt, ενώ παλμοί των οποίων το εύρος ανέρχεται στο 50% της περιόδου ισοδυναμούν με μια μέση τιμή της τάσης της τάξεως των 2,5 Volt.
Οι βηματικοί κινητήρες και οι κινητήρες BLDC αν και είναι κινητήρες συνεχούς δεν μπορούν να κινηθούν απλά εφαρμοζοντας σε αυτούς την τάση τροφοδοσίας όπως στους κινητήρες DC. Αντίθετα για την κίνησή τους απαιτείται ένα προγραμματιζόμενο ψηφιακό κύκλωμα-υπολογιστής με το οποίο ρυθμίζεται η χρονική στιγμή αποστολής παλμών οδήγησης στα τυλίγματά τους. (βλέπε ηλεκτροκινητήρες BLDC και βηματικοί κινητήρες). Η χρονική καθυστέρηση ανάμεσα στους παλμούς αυτούς ελέγχει την ταχύτητα και ροπή των βηματικών κινητήρων και κινητήρων BLDC.
Aλλαγή φοράς περιστροφής δεξιόστροφα αριστερόστροφα. Αυτό επιτυγχάνεται στους κινητήρες DC αναστρέφοντας το θετικό με τον αρνητικό πόλο της τροφοδοσίας τους. Τροφοδοτώντας τον κινητήρα από έναν κατάλληλα συνδεδεμένο 6πολικό διακόπτη τύπου ON-Off-ON, ή από τον υπολογιστή με ειδικές γέφυρες δίνεται η δυνατότητα αναστροφής της φοράς της περιστροφικής κίνησης.
Στους βηματικούς κινητήρες και στους κινητήρες BLDC η αναστροφή επιτυγχάνεται αναστρέφοντας τη σειρά των παλμών οδήγησης
Παράδειγμα
Η σχέση που συνδέει την ηλεκτρική ισχύ που δέχεται από την τροφοδοσία με τη μηχανική ισχύ που παράγει ο περιστρεφόμενος άξονας του κινητήρα δίδεται από τις γνωστές σχέσεις της φυσικής:
.
Pηλ = V*I
Pμηχ = Τ*ω και επειδή v = ω*r --> Pηλ = Τ* v / r
όπου: Pηλ είναι η ηλεκτρική ισχύς, Pμηχ είναι η μηχανική ισχύς, V είναι η τάση τροφοδοσίας του κινητήρα, I είναι το ρεύμα του κινητήρα, Τ είναι η παραγόμενη ροπή, ω η γωνιακή ταχύτητα, v η γραμμική ταχύτητα και r η ακτίνα του τροχού.
Κατά κανόνα η ηλεκτρική ισχύς ενός κινητήρα είναι αδύνατο να είναι ίση με τη μηχανική ισχύ που λαμβάνουμε από αυτόν λόγω απωλειών τόσο ηλεκτρικών όσο και μηχανικών.
Έτσι έχουμε Pμηχ = η*Pηλ όπου η<1. Με άλλα λόγια, λόγω απωλειών (κυρίως θερμικών) λαμβάνουμε μικρότερο μέρος της ισχύος και ενέργειας από την προσφερόμενη. Για παράδειγμα από έναν κινητήρα 200W με η=0,80 μπορούμε να λάβουμε ισχύ 200*0,8=160 Watt κυρίως λόγω απωλειών στις αντιστάσεις των καλωδίων και στις τριβές των κινούμενων στοιχείων.
Συχνά εκφράζεται η μηχανική ισχύς σε ίππους (HP) όπου 753Watt=1HP.
Για παράδειγμα, ένα αυτοκίνητο ισχύος 100HP παράγει ισχύ 75,3KiloWatt
Οι κινητήρες του εμπορίου χωρίζονται σε δύο βασικές κατηγορίες:
1. Ηλεκτροκινητήρες εναλλασσόμενου AC (Alternating Current).
Ονομάζονται έτσι, επειδή η τάση τροφοδοσίας τους εναλλάσσεται στο χρόνο όπως στο παράπλευρο σχήμα. Συνήθως η τάση τροφοδοσίας τους ανέρχεται στα 220V. Σε πολλές βιομηχανικές εφαρμογές με μεγάλα φορτία χρησιμοποιούνται κινητήρες 380V. Υπάρχουν δύο τύποι κινητήρων εναλλασσόμενου AC. Οι σύγχρονοι και οι ασύγχρονοι. Σε εμπορικές εφαρμογές μικράς ισχύος χρησιμοποιούνται οι σύγχρονοι κινητήρες των οποίων η αναστροφή φοράς κίνησης επιτυγχάνεται πολύ εύκολα χρησιμοποιώντας έναν πυκνωτή, ενώ ο έλεγχος ταχύτητας-στροφών επιτυγχάνεται δυσκολότερα μεταβάλλοντας τη συχνότητα της τάσης τροφοδοσίας τους. Οι στροφές ενός ασύγχρονου κινητήρα, μεταβάλλονται ανάλογα με την συχνότητα της τάσης από την οποία τροφοδοτούνται.
2. Ηλεκτροκινητήρες συνεχούς DC (Direct Current).
Ονομάζονται έτσι, επειδή η τάση τροφοδοσίας τους έχει μια σταθερή τιμή στο χρόνο, όπως είναι για παράδειγμα η τάση των μπαταριών. Συνήθως η τάση τροφοδοσίας τους ανέρχεται στα 12V ή στα 24V και σπανιότερα στα 5V, 36V, 48V, ή 180V. Οι κινητήρες συνεχούς DC είναι καταλληλότεροι για χρήσεις όπου απαιτoύνται ο έλεγχος της παραγόμενης ροπής, η ρύθμιση των στροφών και ταχύτητας. Στην ευκολία ελέγχου αυτών των παραμέτρων οφείλεται και η ευρύτατη χρήση τους στις περισσότερες εφαρμογές.
Ρύθμιση και έλεγχος στροφών ταχύτητας ροπής και φοράς περιστροφής κινητήρων DC
Η ρύθμιση και ο έλεγχος της ταχύτητας των ηλεκτρικών μοτέρ DC επιτυγχάνεται με δύο κυρίως τρόπους:
I. Με ρυθμιζόμενη τροφοδοσία. Επεμβαίνοντας άμεσα στο τροφοδοτικό και κατά συνέπεια στην τάση τροφοδοσίας του κινητήρα μεταβάλλεται η ταχύτητα περιστροφής, το ρεύμα που καταναλώνεται και η ροπή. Στο εμπόριο υπάρχουν ρυθμιζόμενα τροφοδοτικά ή έως 36V με δυνατότητα ρύθμισης της παραγόμενης από αυτά τάσης μέσω του κουμπιού ενός ποτενσιόμετρου. Η μέθοδος αυτή έχει το μειονέκτημα ότι είναι η πιο ενεργοβόρα καθώς εκλύεται μεγάλη ποσότητα ενέργειας ως θερμότητα. Η απαγωγή της θερμότητας αυτής είναι επίσης πρόβλημα.
II. Με παλμούς PWM (Pulse Width Modulation=Παλμών διαμορφωμένης διάρκειας). Χρησιμοποιώντας ειδικά ηλεκτρονικά κυκλώματα που παράγουν παλμούς PWM (διαμορφωμένους παλμούς ως προς τη συχνότητα) για την αυξομοίωση της τάσης τροφοδοσίας επιτυγχάνοντας έτσι τη ρύθμιση και έλεγχο της ταχύτητας των ηλεκτροκινητήρων. Με τους ρυθμιστές αυτούς επιτυγχάνεται λιγότερη σπατάλη ενέργειας και παραγωγή θερμότητας. Με άλλα λόγια, μπορούμε εύκολα να ελέγξουμε την ταχύτητα ηλεκτρικού κινητήρα DC τροφοδοτώντας τον παλμούς μεταβαλλόμενης διάρκειας PWM από ένα Arduino.
Σχεδόν όλοι οι μικροελεγκτές έχουν αυτή τη δυνατότητα παραγωγής παλμών PWM των οποίων εύκολα μπορεί να αλλάζει προγραμματιστικά το εύρος (η διάρκεια). Έτσι π.χ. παλμοί με πλάτος 5 Volt των οποίων το εύρος ανέρχεται στο 10% της περιόδου ισοδυναμούν με μια μέση τιμή της τάσης της τάξεως των 0,5 Volt, ενώ παλμοί των οποίων το εύρος ανέρχεται στο 50% της περιόδου ισοδυναμούν με μια μέση τιμή της τάσης της τάξεως των 2,5 Volt.
Οι βηματικοί κινητήρες και οι κινητήρες BLDC αν και είναι κινητήρες συνεχούς δεν μπορούν να κινηθούν απλά εφαρμοζοντας σε αυτούς την τάση τροφοδοσίας όπως στους κινητήρες DC. Αντίθετα για την κίνησή τους απαιτείται ένα προγραμματιζόμενο ψηφιακό κύκλωμα-υπολογιστής με το οποίο ρυθμίζεται η χρονική στιγμή αποστολής παλμών οδήγησης στα τυλίγματά τους. (βλέπε ηλεκτροκινητήρες BLDC και βηματικοί κινητήρες). Η χρονική καθυστέρηση ανάμεσα στους παλμούς αυτούς ελέγχει την ταχύτητα και ροπή των βηματικών κινητήρων και κινητήρων BLDC.
Aλλαγή φοράς περιστροφής δεξιόστροφα αριστερόστροφα. Αυτό επιτυγχάνεται στους κινητήρες DC αναστρέφοντας το θετικό με τον αρνητικό πόλο της τροφοδοσίας τους. Τροφοδοτώντας τον κινητήρα από έναν κατάλληλα συνδεδεμένο 6πολικό διακόπτη τύπου ON-Off-ON, ή από τον υπολογιστή με ειδικές γέφυρες δίνεται η δυνατότητα αναστροφής της φοράς της περιστροφικής κίνησης.
Στους βηματικούς κινητήρες και στους κινητήρες BLDC η αναστροφή επιτυγχάνεται αναστρέφοντας τη σειρά των παλμών οδήγησης
Παράδειγμα
Η σχέση που συνδέει την ηλεκτρική ισχύ που δέχεται από την τροφοδοσία με τη μηχανική ισχύ που παράγει ο περιστρεφόμενος άξονας του κινητήρα δίδεται από τις γνωστές σχέσεις της φυσικής:
.
Pηλ = V*I
Pμηχ = Τ*ω και επειδή v = ω*r --> Pηλ = Τ* v / r
όπου: Pηλ είναι η ηλεκτρική ισχύς, Pμηχ είναι η μηχανική ισχύς, V είναι η τάση τροφοδοσίας του κινητήρα, I είναι το ρεύμα του κινητήρα, Τ είναι η παραγόμενη ροπή, ω η γωνιακή ταχύτητα, v η γραμμική ταχύτητα και r η ακτίνα του τροχού.
Κατά κανόνα η ηλεκτρική ισχύς ενός κινητήρα είναι αδύνατο να είναι ίση με τη μηχανική ισχύ που λαμβάνουμε από αυτόν λόγω απωλειών τόσο ηλεκτρικών όσο και μηχανικών.
Έτσι έχουμε Pμηχ = η*Pηλ όπου η<1. Με άλλα λόγια, λόγω απωλειών (κυρίως θερμικών) λαμβάνουμε μικρότερο μέρος της ισχύος και ενέργειας από την προσφερόμενη. Για παράδειγμα από έναν κινητήρα 200W με η=0,80 μπορούμε να λάβουμε ισχύ 200*0,8=160 Watt κυρίως λόγω απωλειών στις αντιστάσεις των καλωδίων και στις τριβές των κινούμενων στοιχείων.
Συχνά εκφράζεται η μηχανική ισχύς σε ίππους (HP) όπου 753Watt=1HP.
Για παράδειγμα, ένα αυτοκίνητο ισχύος 100HP παράγει ισχύ 75,3KiloWatt
Για δωρεάν παροχή τεχνικής βοήθειας
6942264553
6942264553