ماشین های DC برای 100سال برای درایوهای سرعت قابل تنظیم (adjustable speed drive) مورد استفاده قرار می گرفتند و کنترل گشتاور متغیر بر روی این ماشین ها اجرا می شد. مهم ترین مشکل این ماشین ها هزینه تعمیر و نگهداری آنها و همچنین بازده پایین تر نسبت به ماشین های AC می باشد و مهمترین مزیت این ماشین ها کنترل دقیق سرعت شان می باشد. اگرچه بعد از 1980 با پیشرفت الکترونیک قدرت و تکنولوژی کنترل ماشین های AC، ماشین های DC از رده خارج شدند اما هنوز صنایع قدیمی و صنایعی که به کنترل خیلی دقیق نیاز دارند همچون جرثقیل های غول پیکر از ماشین DC استفاده می کنند.

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 می باشد:

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

ماشین کمپوند که در اصل ترکیب سری و موازی می باشد به دو نوع اضافی و نقصانی تقسیم بندی می شود:

هر کدام از این ساختارها دارای مشخصه گشتاور-سرعت متفاوتی می باشند 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 می کند. 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 می خواهد زیر قطب S قرار گیرد عوض کرد بنابراین موتور DC به یک یکسو ساز نیاز دارد. وظیفه یکسوسازی بر عهده کموتاتور و براش ها است. این ساختار را می توانید در شکل زیر ببینید:

که شکل موج شار تولید شده بصورت زیر است:

توزیع فضایی شار فاصله هوایی از جمع شارهای تولید شده بوسیله ی جریان آرمیچر و جریان میدان بوجود می آید. اعوجاج توزیع فضایی شار با بزرگ شدن اندازه جریان آرمیچر بدتر می شود. این اعوجاج شار به علت عکس العمل آرمیچر زمانی که از نقطه صفر (null) عبور می کند و جهت جریان عوض می شود بوجود می آید. 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، می توان از سیم پیچی جبرانگر استفاده کرد که بصورت زیر قرار می گیرند:

در ماشین های 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 می توان 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 می دهد. V_a ولتاژ ترمینال موتور، T_e گشتاور الکتریکی تولیدی موتور، λ_f شار نشتی، V_f ولتاژ سیم پیچی میدان، K_e ثابت نیروی ضد محرکه، K_T ثابت گشتاور، ω_rm سرعت موتور، R_a مقاومت سیم پیچی آرمیچر، R_f مقاومت سیم پیچی میدان، L_a اندوکتانس سیم پیچی آرمیچر، L_f اندوکتانس سیم پیچی میدان و V_b افت ولتاژ روی براش ها است که به سرعت چرخش روتور و میزان سایش براش ها بستگی دارد. این افت ولتاژ دارای مشخصه غیر خطی است و معمولاً کمتر از 1 درصد ولتاژ نامی ماشین DC می باشد بنابراین از آن صرف نظر می شود. توجه کنید که اگر از واحد MKS استفاده شود، K_e و K_T یکی هستند.

معادله چرخش روتور نیز بصورت زیر است:

که T_L گشتاور بار می باشد و معمولاً دارای مشخصه غیر خطی می باشد و تابعی از سرعت موتور می باشد. J ممان اینرسی سیستم چرخان، B ضریب اصطکاک می باشد 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 می باشد:

برای دانلود این مدل بر روی عکس زیر کلیک کنید.