Üniversal motor: seri sargılı motor AC ve DC ile neden çalışır?

Seri sargı: alan ve armatür tek devrede

DC seri motorda alan sargısı, komütatör ve fırçalar üzerinden armatürle seri bağlanır. Akıyı Φ alan akımı üretir ve tork, akı ile armatür akımının çarpımıdır:

T = k × Φ × I

Manyetik doyumun altında Φ, I ile orantılıdır; dolayısıyla

T ∝ I²

Yani tork akımın işaretine bağlı değildir. DC seri motorun besleme kutupluluğunu tersine çevirirseniz akı ve armatür akımı birlikte tersine döner, dönüş yönü değişmez. AC'de de aynı şey her yarım çevrimde olur.

AC ile neden de çalışır?

AC'de akım, 50 Hz'de saniyede 100 kez yön değiştirir. Akı ve armatür akımı aynı anda yön değiştirdiği için her yarım çevrim aynı yönde tork üretir. Ani tork i(t)² ile orantılıdır, bu yüzden hiçbir zaman negatif olmaz. Tork sıfır ile ortalama değerinin iki katı arasında 2f frekansında, yani 50 Hz'lik şebekede 100 Hz'de dalgalanır; bu motorların uğuldamasının nedeni budur. Rotorun eylemsizliği ortaya çıkan hız dalgalanmasını yumuşatır.

AC'de çalışabilmesi için makinenin, komütatörün yanında, alternatif akıdan doğan girdap akımı kayıplarını sınırlamak üzere lamine edilmiş bir alan nüvesi olması gerekir. Sargıların AC'de DC'de olmayan bir reaktansı da vardır; bu nedenle aynı etkin gerilimde zıt EMK'yı dengelemeye kalan gerilim azalır. Üniversal motor, aynı gerilimde AC'de DC'den daha yavaş döner ve güç faktörü 1'in altındadır. Birçok motorda bunu dengelemek için alan sargısına ara uç (tap) konur.

Hız: çok yüksek ve seri karakteristik

Zıt EMK E = k × Φ × ω'dır. Kararlı durumda E, kabaca besleme gerilimi eksi dirençsel düşümdür; yani

ω ≈ (V − I × R) / (k × Φ)

Yük arttığında akım artar, akı artar ve hız dik biçimde düşer: seri motor düşük hızda yüksek tork verir; kalkışta güç gereken aletlere uygun olmasının nedeni budur. Yüksüz durumda akım düşer, akı zayıflar ve aynı zıt EMK'yı üretmek için hızın artması gerekir. Makinede hızı sınırlayacak, sürtünme ve fan kayıpları dışında hiçbir şey yoktur; bu yüzden yüksüz bir seri motor yıkıcı hızlara kaçabilir.

Örnek. 230 V beslemede, tam yükte 15 000 dev/dk ile dönen bir motoru ele alalım: Φ = 1 ve E ≈ 200 V (30 V dirençsel düşüm). Yük torku bunun 1/16'sına düşerse akım 1/4'üne iner ve (doyumsuz kabulle) akı da 1/4'üne iner; dirençsel düşüm 7,5 V'a düşer ve E yaklaşık 222 V'a çıkar. Hız yaklaşık 15 000 × (222 / 200) / 0,25 ≈ 67 000 dev/dk olur. Pratikte küçük bir aletin rüzgâr sürtünmesi ve fanı hızı sınırlar; üniversal motorlar hiçbir zaman yüksüz ya da kayabilecek bir kayışla bağlı çalıştırılmaz.

Aynı özellik aletlerde 10 000 ile 30 000 dev/dk gibi çok yüksek hızların da nedenidir: belirli bir güç için hızlı motor daha küçük ve hafiftir; onu bir dişli kutusu ya da fan yükler.

Triyakla hız kontrolü

Hız etkin gerilimle arttığı için üniversal motorlar, ışık dimmerine benzer bir triyak devresiyle kolayca kontrol edilir. Triyak her sıfır geçişinden sonra α açısında tetiklenir ve motordaki etkin gerilim

V_eff = V × √(1 − α / π + sin 2α / (2π))

olur. α = 0'da motor tam gerilimi alır, α = 90°'de V'nin yaklaşık %71'ini (230 V beslemede 162 V) alır, α = 180°'de hiçbir şey almaz. Birçok devir ayarlı matkap, blender ve dikiş makinesi bu şekilde çalışır; yük altında hızı sabit tutmak için çoğu zaman takometre geri beslemesi eklenir. Bedeli düşük güç faktörü ve bir miktar elektriksel gürültüdür.

Fırçalar, kıvılcım ve kullanım alanları

Komütatör, her bobinin akımını fırçaların önünden geçerken tersine çevirir. Anahtarlanan bobinin indüktansı vardır, bu yüzden akım bir anda kesilmez ve fırça ile dilim arasında kıvılcım çıkar. Kıvılcım armatür akımı ve hızla artar; AC'de ayrıca komütasyondaki bobinde bir transformatör EMK'sı da oluşur. Sonuç fırça aşınması, komütatörün kararması, radyo parazitidir; en kötü durumda komütatör çevresinde bir ateş halkası oluşur. Cihazlarda parazit bastırıcılar (kondansatör ve şok bobinleri) standarttır.

Fırçalar üniversal motorun aşınan parçasıdır ve ömrünü belirler: yoğun kullanılan aletlerde birkaç yüz saat, cihazlarda birkaç bin saat. Maliyetin izin verdiği yerlerde yerlerini elektronik komütasyonlu fırçasız tasarımlar almaktadır.

• Elektrikli el aletleri: matkap, taşlama, daire testere, freze; kalkışta yüksek tork ve düşük ağırlığın önemli olduğu yerler
• Elektrikli süpürgeler: yüksek hız fanı sürer ve bir triyak emiş gücünü ayarlayabilir
• Mutfak aletleri: blender, mikser, mutfak robotu
• Saç kurutma makineleri, dikiş makineleri ve küçük bahçe aletleri

Tipik anma güçleri birkaç watt ile yaklaşık 1 kW arasındadır (bazıları bunun üzerindedir). Sürekli ve yüksek güçlü çalışmada asenkron ve fırçasız motorlar daha verimli ve daha sessizdir.

Simülatör üniversal motoru nasıl modeller?

Simülatör, tek bir etkin akım I ve onunla aynı fazda bir zıt EMK içeren seri devreyi çözer (komütatör motoru bir direnç gibi davrandırır). Sargı direnci R ve reaktansı X ile (DC'de sıfır, AC'de frekansla ölçeklenir) besleme gerilimi şunu sağlar:

V² = (R × I + E)² + (X × I)²

Akı, DC seri motor simülatöründekiyle aynı doyumlu fonksiyonu kullanır. Model, künye değerleri anma geriliminde ve anma yükünde tam olarak anma hızını ve akımını verecek biçimde kalibre edilmiştir. Verilen yük için akım arama yoluyla bulunur ve hız zıt EMK'dan çıkar. Kilitli rotor akımı V / √(R² + X²)'dir.

Triyak yukarıdaki V_eff formülünü kullanır. Tork dalgalanması grafiği T(t) = T_ortalama × (i(t) / I_etkin)² bağıntısını kullanır; fırça kıvılcımı göstergesi ise akım ve hızdan hesaplanan niteliksel bir sayıdır. Ham hız anma hızının 1,5 katını aşarsa model kaçışı bildirir ve gösterilen hız anma hızının 3 katıyla sınırlanır.

Sınırlar: ani akı akımı izlemez (etkin değer yaklaşımı kullanılır); komütasyon akımları ve hattaki harmonikler modellenmez.

Üniversal motor simülatöründe deneyin

Üniversal motor simülatöründe bir şablon seçin: matkap (600 W), elektrikli süpürge (1000 W) veya mutfak mikseri (300 W).

• Besleme türü'nü DC yapıp hızı not edin, sonra aynı gerilimde AC'ye geçin. Hız düşer ve güç faktörü 1'in altına iner; Hız–tork: aynı gerilimde AC ve DC grafiği iki eğriyi de çizer.
• İki besleme çevriminde akım ve tork grafiğine bakın: AC'de akım yön değiştirir, ancak tork (i² ile orantılı) pozitif kalır ve 2f'de dalgalanır. Tork dalgalanması (2f) göstergesi bu frekansı verir. DC'de iki çizgi de düzdür.
• Mekanik yük'ü %0'a doğru azaltın. Hız artar ve ardından kaçış uyarısı görünür; gösterilen hız sınırlanır.
• AC'de Triyak ateşleme açısı'nı 0°'den 180°'ye doğru artırın. İpucu metni motor gerilimini (etkin) ve bunun beslemeye oranını verir; hız düşer. Bu kontrol DC'de gizlidir.
• Yükü artırın ve Fırça kıvılcımı göstergesinin Düşük'ten Orta'ya, oradan Yoğun'a geçişini izleyin; 3B sahnede fırçalarda kıvılcımlar görünür.

Aynı makine, aynı tork yönüyle her iki beslemede de çalışır; yalnızca hız ve güç faktörü değişir.

Simülatörde deneyin