มอเตอร์กระแสตรงแบบมีแปรงถ่านยังคงพบได้ทั่วไปในเครื่องม้วน เครื่องอัดรีด สายพานลำเลียง แท่นทดสอบ เครื่องยก และเครื่องจักรการผลิตรุ่นเก่า แรงบิดของมอเตอร์เป็นไปตามกระแสอาร์เมเจอร์ ขณะที่ความเร็วได้รับอิทธิพลจากแรงดันอาร์เมเจอร์ที่จ่ายและฟลักซ์สนามแม่เหล็ก ความสัมพันธ์นี้ทำให้เข้าใจมอเตอร์ได้ง่าย แต่ไม่ได้หมายความว่าชุดควบคุมทุกชนิดจะใช้แทนกันได้

แนวทางอิเล็กทรอนิกส์ที่คุ้นเคยมีสองแบบ ได้แก่ การแปลงด้วยวงจรเรียงกระแสซิลิคอนคอนโทรลเรกติไฟเออร์ (SCR) ที่สับเปลี่ยนตามสายไฟ และการสวิตช์ด้วยทรานซิสเตอร์ร่วมกับการมอดูเลตความกว้างพัลส์ (PWM) ทั้งสองแบบสามารถควบคุมแรงดันอาร์เมเจอร์เฉลี่ยได้ แต่แตกต่างกันในด้านริปเปิลของกระแส การทำงานที่ความเร็วต่ำ ผลกระทบต่อแหล่งจ่าย ตัวเลือกการจ่ายพลังงานกลับ เสียงรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า และความเสี่ยงในการปรับปรุงระบบเดิม

การเลือกชุดขับต้องพิจารณาพิกัดอาร์เมเจอร์ การออกแบบสนามแม่เหล็ก ระบบป้อนกลับ รอบการทำงาน การกลับทิศทาง และเส้นทางพลังงานขณะหยุดทั้งหมด

เริ่มจากวงจรมอเตอร์

มอเตอร์แม่เหล็กถาวรไม่มีแหล่งจ่ายสนามแม่เหล็กแยกต่างหาก มอเตอร์แบบชันต์หรือแบบกระตุ้นแยกใช้ขดลวดสนามแม่เหล็ก ซึ่งกระแสในขดลวดจะเป็นตัวสร้างฟลักซ์ ส่วนมอเตอร์แบบอนุกรมมีพฤติกรรมแตกต่างออกไป และแทบไม่เหมาะสำหรับใช้แทนแบบเสียบใช้งานได้ทันทีร่วมกับชุดขับกระแสตรงทั่วไป ก่อนเลือกฮาร์ดแวร์ ให้ระบุชนิดมอเตอร์ แรงดันและกระแสอาร์เมเจอร์ แรงดันและกระแสสนามแม่เหล็ก ความเร็วฐาน ความเร็วสูงสุดที่อนุญาต สภาพฉนวน และวิธีระบายความร้อน

ที่ความเร็วต่ำกว่าความเร็วฐาน โดยทั่วไปชุดขับจะควบคุมแรงดันอาร์เมเจอร์พร้อมรักษาสนามแม่เหล็กตามพิกัด ที่ความเร็วสูงกว่าความเร็วฐาน บางระบบจะลดกระแสสนามแม่เหล็กเพื่อให้มอเตอร์ทำความเร็วสูงขึ้น โดยมีแรงบิดที่ใช้ได้ลดลง การลดทอนสนามแม่เหล็กต้องมีระบบป้องกันความเร็วเกินและต้องตรวจสอบขีดจำกัดทางกลที่ยืนยันแล้ว การสูญเสียสนามแม่เหล็กในมอเตอร์แบบกระตุ้นแยกอาจทำให้เกิดภาวะความเร็วเกินที่เป็นอันตราย ดังนั้นการตรวจจับการสูญเสียสนามแม่เหล็กจึงเป็นข้อกำหนดด้านการทำงาน ไม่ใช่เพียงสัญญาณเตือนเสริม

ชุดขับ SCR ควบคุมแรงดันอาร์เมเจอร์อย่างไร

SCR จะเริ่มนำกระแสหลังได้รับพัลส์ที่ขาเกต และโดยปกติจะยังคงทำงานจนกว่ากระแสจะลดลงต่ำกว่าค่ากระแสยึด ในวงจรแปลงที่รับไฟฟ้ากระแสสลับ ตัวควบคุมจะหน่วงมุมการจุดติดภายในแต่ละรอบของสายไฟ การเปลี่ยนมุมดังกล่าวจะเปลี่ยนแรงดันกระแสตรงเฉลี่ยที่จ่ายให้อาร์เมเจอร์

บริดจ์แบบควอดแรนต์เดียวรองรับการขับด้วยแรงบิดในทิศทางเดียว การกลับทิศทางและการทำงานแบบจ่ายพลังงานกลับต้องใช้โทโพโลยีที่เหมาะสม เช่น ดูอัลคอนเวอร์เตอร์ รวมถึงระบบควบคุมที่ป้องกันกระแสหมุนเวียนที่ไม่ต้องการ การจัดวางที่แน่นอนมีความสำคัญ เพราะการกลับทิศทางด้วยคอนแทคเตอร์ไม่เทียบเท่ากับการควบคุมแบบอิเล็กทรอนิกส์สี่ควอดแรนต์

การแปลงด้วย SCR เป็นเทคโนโลยีที่ผ่านการพิสูจน์และบำรุงรักษาได้ง่าย ข้อจำกัดของมันเกิดจากการสับเปลี่ยนที่ความถี่สายไฟ กระแสอาร์เมเจอร์มีริปเปิลความถี่ต่ำ โดยเฉพาะเมื่อโหลดเบาหรือความเร็วต่ำ ริปเปิลดังกล่าวอาจทำให้เกิดการกระเพื่อมของแรงบิดและเสียงที่ได้ยิน การจุดติดที่ล่าช้ายังลดเพาเวอร์แฟกเตอร์เชิงการกระจัดและทำให้กระแสขาเข้าผิดเพี้ยน แหล่งจ่ายสามเฟสโดยทั่วไปให้เอาต์พุตที่เรียบกว่าบริดจ์เฟสเดียว แต่ก็ยังต้องประเมินฮาร์มอนิกและสภาวะของสายไฟ

PWM เปลี่ยนปัญหาด้านการควบคุมอย่างไร

ชุดขับ PWM สับเปลี่ยนทรานซิสเตอร์อย่างรวดเร็วระหว่างบัสกระแสตรงกับอาร์เมเจอร์ การเปลี่ยนดิวตี้ไซเคิลจะเปลี่ยนแรงดันอาร์เมเจอร์เฉลี่ย ความเหนี่ยวนำของมอเตอร์ช่วยทำให้กระแสระหว่างพัลส์ส่วนใหญ่เรียบขึ้น จึงควบคุมกระแสได้กระชับกว่าและให้แรงบิดที่ความเร็วต่ำเรียบกว่าคอนเวอร์เตอร์จำนวนมากที่ทำงานตามความถี่สายไฟ

ตัวควบคุมกระแสเป็นลูปควบคุมด้านใน เนื่องจากกระแสอาร์เมเจอร์เป็นตัวแทนของแรงบิด ตัวควบคุมความเร็วที่อยู่ด้านนอกจะเปรียบเทียบความเร็วที่สั่งกับความเร็วที่วัดได้ จากนั้นจะร้องขอกระแสที่จำเป็นเพื่อแก้ไขค่าคลาดเคลื่อน การจำกัดกระแสช่วยปกป้องมอเตอร์และคอนเวอร์เตอร์ระหว่างการเร่งความเร็ว ภาวะติดขัด หรือการเปลี่ยนแปลงโหลดอย่างรวดเร็ว การปรับจูนต้องรักษาการแยกระหว่างลูปกระแสที่ตอบสนองเร็วกับลูปความเร็วที่ช้ากว่า

ดิวตี้ไซเคิลควบคุมแรงดันอาร์เมเจอร์เฉลี่ย ส่วนป้อนกลับกระแสจะควบคุมแรงบิดและจำกัดความเค้นทางไฟฟ้า

ต้องติดตามการจ่ายพลังงานกลับและการเบรกในฐานะพลังงาน

โหลดที่กำลังหมุนจะเก็บพลังงานจลน์ไว้ โหลดที่ขับย้อนกลับยังสามารถขับมอเตอร์ทางกลได้อีกด้วย ระหว่างการลดความเร็ว พลังงานดังกล่าวต้องถูกส่งไปที่ใดที่หนึ่ง ตัวควบคุมที่ไม่รองรับการจ่ายพลังงานกลับอาจใช้การเบรกแบบไดนามิก โดยเชื่อมต่ออาร์เมเจอร์เข้ากับตัวต้านทานหลังตัดกำลังขับออก ตัวควบคุมที่รองรับการจ่ายพลังงานกลับจะส่งพลังงานกลับไปยังแหล่งจ่ายกระแสสลับหรือบัสกระแสตรงร่วม เมื่อโทโพโลยีรองรับ

ควรตรวจสอบคำเรียกสี่ควอดแรนต์ให้สอดคล้องกับการใช้งานจริง เครื่องจักรอาจต้องการการขับด้วยแรงบิดไปข้างหน้า การเบรกไปข้างหน้า การขับย้อนกลับ และการเบรกย้อนกลับ แต่ไม่จำเป็นต้องจ่ายพลังงานกลับเข้าสายไฟในทุกควอดแรนต์ คำนวณกำลังเบรกสูงสุด พลังงานต่อพัลส์ อัตราการทำซ้ำ และความร้อนเฉลี่ย ตรวจสอบค่าความต้านทานของตัวต้านทาน หน้าที่การทำงานของคอนแทคเตอร์ พิกัดชอปเปอร์ และระบบป้องกันอุณหภูมิเกิน

ป้อนกลับเป็นตัวกำหนดสมรรถนะที่ความเร็วต่ำ

การป้อนกลับแรงดันอาร์เมเจอร์ช่วยให้ควบคุมความเร็วได้อย่างประหยัด แต่ต้องประมาณแรงดันที่สูญเสียไปกับความต้านทานอาร์เมเจอร์ ค่าประมาณนี้จะแม่นยำน้อยลงเมื่อแรงบิดสูงและความเร็วต่ำ ทาโคเจนเนอเรเตอร์หรือเอ็นโคเดอร์จะวัดความเร็วได้โดยตรงกว่าและช่วยเพิ่มความสามารถในการรักษาความเร็วเมื่อโหลดเปลี่ยนแปลง ต้องทดสอบขั้วของสัญญาณป้อนกลับด้วยคำสั่งระดับต่ำก่อนเปิดใช้งานลูป หากขั้วกลับด้าน ตัวควบคุมจะขับไปในทิศทางที่ผิด

สำหรับระบบควบคุมแรงตึง ความเร็วอาจไม่ใช่ตัวแปรที่ควบคุมเพียงอย่างเดียว การคำนวณเส้นผ่านศูนย์กลาง ขีดจำกัดแรงบิด ตำแหน่งแดนเซอร์ หรือการป้อนกลับจากโหลดเซลล์อาจเป็นปัจจัยหลักของการออกแบบ การเปลี่ยนชุดขับเก่าโดยไม่เข้าใจลูปด้านนอกเหล่านั้นอาจทำให้เครื่องจักรไม่เสถียร แม้มอเตอร์จะหมุนได้อย่างถูกต้องก็ตาม

ความเสี่ยงในการปรับปรุงระบบมีมากกว่าข้อมูลบนป้ายพิกัด

การปรับปรุงระบบจาก SCR เป็น PWM จะเปลี่ยนสภาพแวดล้อมทางไฟฟ้า การสวิตช์ความถี่สูงเพิ่มการแพร่สัญญาณรบกวนทั้งผ่านตัวนำและผ่านอากาศ และอาจทำให้กระแสไหลผ่านความจุแฝงของสายไฟ ตรวจสอบการเดินสายอาร์เมเจอร์และสายป้อนกลับ การต่อปลายชีลด์ การเชื่อมต่อศักย์ของตู้ การแยกแหล่งจ่ายควบคุม และการต่อลงดิน ห้ามเดินสายเอ็นโคเดอร์หรือทาโคมิเตอร์ขนานกับสายมอเตอร์ที่มีการสวิตช์

ตรวจสอบแปรงถ่าน ผิวคอมมิวเตเตอร์ ตลับลูกปืน ฉนวนสนามแม่เหล็ก และการระบายอากาศก่อนเริ่มเดินระบบ ตัวควบคุมที่ตอบสนองเร็วขึ้นอาจเผยให้เห็นระยะคลอนทางกล ชุดเฟืองที่สึกหรอ หรือคอมมิวเตเตอร์ที่อ่อนแอ ซึ่งระบบรุ่นเก่าที่ตอบสนองช้ากว่ายังรองรับได้ บันทึกร่ิปเปิลของกระแส ความคลาดเคลื่อนของความเร็ว การเกิดประกายที่แปรงถ่าน อุณหภูมิมอเตอร์ และการสั่นสะเทือนภายใต้โหลดที่เป็นตัวแทนการใช้งานจริง

สามารถดูตัวเลือกชุดขับได้ที่ ชุดขับและระบบควบคุมการเคลื่อนไหว ส่วนการจัดลำดับการทำงานของเครื่องจักรและเงื่อนไขอนุญาตยังอยู่ภายใน ระบบ PLC และ PAC

กรอบแนวทางการเลือกใช้งานจริง

เปรียบเทียบกระแสอาร์เมเจอร์ต่อเนื่องและกระแสสูงสุด ข้อกำหนดของสนามแม่เหล็ก ช่วงความเร็ว ความเรียบของแรงบิด ชนิดป้อนกลับ ความถี่ในการกลับทิศทาง พลังงานเบรก การจ่ายพลังงานกลับเข้าสายไฟ สภาพตู้ ฮาร์มอนิกขาเข้า ความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า ระบบวินิจฉัย และทักษะการให้บริการที่มีอยู่ นอกจากนี้ต้องคงพฤติกรรมการหยุดอย่างปลอดภัยและการทำงานของอินเตอร์ล็อกเดิมของเครื่องจักรไว้ด้วย

โดยทั่วไป PWM เป็นตัวเลือกที่ดีกว่าสำหรับการออกแบบแรงดันต่ำใหม่ที่ต้องการการควบคุมความเร็วต่ำอย่างราบรื่นและระบบวินิจฉัยสมัยใหม่ อย่างไรก็ตาม ระบบ SCR ที่ยังทำงานได้อาจเป็นการตัดสินใจด้านการบำรุงรักษาที่ดีกว่า หากสมรรถนะเพียงพอและยังมีอะไหล่กับการสนับสนุนอยู่ การปรับปรุงระบบที่ถูกต้องคือการปรับปรุงที่แก้ข้อจำกัดที่วัดได้ โดยไม่สร้างความเสี่ยงใหม่ให้กับมอเตอร์ ระบบป้อนกลับ การต่อลงดิน หรือระบบเบรก