Какие отличия между двигателями переменного и постоянного тока
Противостояние двух видов тока, развернувшееся в мире в конце XIX — начале ХХ веков, привело к безоговорочной победе переменного тока и постепенной капитуляции постоянного.
Однако электродвигатели и переменного, и постоянного тока до сих пор используются на производстве и в быту, они совершенствуются, разрабатываются новые модели. Отсюда следует вывод, что от постоянного тока отказались не полностью.
Изобретение двигателей переменного тока не следует списывать на одного человека, как это делается сейчас, многие уверенны, что все, что касается переменного тока, а заодно и сам ток, изобрел один лишь Никола Тесла. Но это не так: несколько крупных ученых разработали и изготовили свою модель двигателя. Например, одним из первых изобретателей был Чарльз Уитстон в 40-х годах XIX века, а в 1889 году русский ученый М.О. Доливо-Добровольский изобрел трехфазный двигатель, который по своим характеристикам превосходит изобретение Теслы.
Основное отличие конструкции двигателей:
Переменного тока — обмотка на статоре, между ним и ротором воздушный зазор (его величина тоже несет в себе дополнительные свойства).
Постоянного тока — обмотка на ротора (он называется якорь, он вращается).
По способу возбуждения они подразделяются на двигатели независимого параллельного, последовательного и смешанного возбуждения.
Сейчас моторы переменного тока нашли широчайшее применение в быту, промышленности, сельском хозяйстве, также они активно эксплуатируются на электростанциях. Они получили распространение, благодаря простой технологичной конструкции, высоким энергетическим показателям, надежности и стабильности работы.
Двигатели переменного тока бывают однофазные и трехфазные.
Первый — однофазный — не имеет начального пускового момента и поэтому часто используется бытовых приборах, он вращается в ту сторону, в которую направляет внешняя сила.
Кроме того, его мощность несколько меньше чем у трехфазных.
Обмотка его статора расположена в пазах и занимает примерно 2/3. Если этому типу все-таки требуется пусковой момент, то двигатель снабжают дополнительной обмоткой (из провода меньшего сечения), сдвинутой на 90 градусов относительно рабочей.
Трехфазные асинхронные двигатели подразделяются на два основных типа: с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором (их еще называют «с контактными кольцами»). Статор у них одинаковый.
Асинхронные с короткозамкнутым ротором являются наиболее распространенными. На статоре — трехфазная обмотка, обмотка ротора — короткозамкнутая в виде «беличьей клетки», они размещаются в пазах, расположенных на внешней поверхности — у статора, и на внутренней — у ротора, простейший элемент обмотки — виток, состоящий из двух или нескольких параллельных проводников, которые размещены в пазах и расположены друг от друга на некотором расстоянии.
Вращающееся поле статора и пересекает проводящие обмотки ротора, создает напряжение, чем и вызывает появление тока в обмотках и вращение ротора. На силу тока влияет подключенное сопротивление, причем зависимость обратно пропорциональная, то есть, чем выше сопротивление, тем, соответственно, сила тока ниже и наоборот. В свою очередь, вращающий момент наоборот прямо пропорционален и увеличивается с ростом сопротивления.
В случае с фазным ротором его разомкнутая обмотка выводится на контактные кольца для соединения с внешней схемой. Его используют для регулярно работающих электроприводов, не изменяющих скорость (или — в небольших пределах).
Двигатели постоянного тока сейчас используются только в промышленности и в сложных приборах, где важно точное регулирование скорости работы (прокатные станы, мощные металлорежущие станки, тяга на транспорте).
Также в наукоемких точных отраслях используются шаговые двигатели и серводвигатели, в которых можно регулировать многие параметры.
Статью предоставила компания НПП «Сервомеханизмы» www.servomh.ru — производитель и поставщик устройств линейного перемещения, электродвигателей, муфт для валов и комплектующих.
11 мифов об электродвигателях
Назначение электродвигателя заключается в преобразовании электрической энергии в механическую энергию. Практически в любом механизме, где требуется механическое вращение, есть электродвигатель.
Электрические машины бывают разных типов, но главное отличие заключается в том, как работает двигатель (рисунок ниже). В двигателях переменного тока питание поступает от источника переменного напряжения (сеть переменного напряжения, частотный преобразователь) в то время как двигатели постоянного тока получают постоянный ток от других источников, таких как батареи или выпрямитель.
Помимо этих двух основных отличий, двигатели могут содержать щетки или быть бесщеточными, а также могут иметь различное количество фаз и механизмов охлаждения.
Универсальный двигатель — это особый тип электродвигателя, который может работать как от переменного, так и от постоянного тока.
Электродвигатели обречены, потому что они неэффективны
Этот миф стоит на вершине списка просто потому, что не является далеким от истины. По оценкам состояния на 2019 год во всем мире используется более 300 миллионов электрических машин — эта цифра по-прежнему растет примерно на 10% в год. К 2030 году это число практически удвоится. Чтобы удовлетворить растущий в мире спрос на электрические устройства, потребители и производители по-прежнему имеют высокий спрос на электродвигатели. Хотя большинство двигателей по-прежнему крайне неэффективны, ситуацию можно значительно улучшить с помощью драйверов двигателей и контроллеров.
Исследования показывают, что около 45% электроэнергии в мире и 69% всей промышленной энергии потребляется электродвигателями, что в сумме составляет почти 16 млрд.
кВтч. Для сравнения: энергосберегающее светодиодное освещение обеспечивает всего 19% мирового потребления электроэнергии. Работа по повышению эффективности электроприводов дает возможность сэкономить 1,8 млрд. кВт/ч, что эквивалентно выводу из эксплуатации около 250 ядерных реакторов.
Коллекторные (щеточные) двигатели постоянного тока будут заменены на бесколлекторные двигатели постоянного тока
Простая конструкция и простота использования щеточных машин постоянного тока затрудняют их полную замену. Для сравнения, недостатки бесколлекторных маиин постоянного тока (BLDC) заключаются в том, что они намного сложнее и требовательнее в управлении. Если учитывать более низкую стоимость проектирования, тестирования и изготовления внешнего интерфейса, а также их общую надежность, то двигатели постоянного тока часто оказываются более привлекательным вариантом. Однако в конструкциях, где электромагнитные помехи являются проблемой или точность важнее стоимости, двигатели BLDC имеют приоритет.
Все двигатели постоянного тока в основном одинаковы
На рынке представлено много разных типов двигателей постоянного тока. BLDC-двигатели и коеекторные двигатели постоянного тока обсуждались выше, но есть еще один основной тип: шаговый двигатель, который обеспечивает выходную мощность в зависимости от полученного импульса . Шаговые двигатели надежны и безопасны, но их крутящий момент уменьшается при повышении скорости. Кроме того, имеется реактивный двигатель, недорогой асинхронный двигатель, который может работать с постоянно высокой скоростью в течение длительных периодов времени после запуска.
Двигатели постоянного тока лучше, чем двигатели переменного тока
Правильный ответ, какой тип машины лучше, зависит от ряда факторов. В то время как двигатели постоянного тока обычно обеспечивают более высокий крутящий момент и выделяют меньше тепла, они имеют существенный недостаток — коллекторный узел (щетки необходимо периодически и менять, и они очень чувствительны к перегрузкам).
И если вы надеетесь устранить этот недостаток использованием разновидности BLDC, то это еще больше увеличивает сложность системы. С другой стороны, хотя машины переменного тока требуют минимального технического обслуживания и требуют меньше энергии при запуске, они, как правило, более шумные и более подвержены нагреву. Другие недостатки включают в себя плохое управление позиционированием и меньший пусковой момент.
Двигатели переменного и постоянного тока очень близки по цене
Процесс выбора электрической машины будет зависеть от таких переменных, как применение, стоимость, время выхода на рынок и операционная среда. Инженеру-проектировщику необходимо будет задать ряд вопросов, таких как то, как будет управляться машина, требуемая точность позиционирования, физический размер и монтажное положение (вертикальное или горизонтальное), требования к крутящему моменту, требования к скорости вращения и доступный источник питания. Все эти факторы определяют истинную стоимость двигателя — будь то машина переменного или постоянного тока — только один из них.
Высокоэффективные двигатели переменного и постоянного тока экономят больше денег
Как правило, чем дороже двигатель, тем он эффективнее, что снижает эксплуатационные расходы в долгосрочной перспективе. Но хотя наиболее энергоэффективными двигателями в настоящее время на рынке являются бесколлекторные машины постоянного тока, они также являются самыми дорогими в производстве и управлении. Одно из решений состоит в том, чтобы использовать тот же метод привода, как и для двигателей BLDC для машин переменного тока (преобразователи частоты), тем самым повышая эффективность, но сохраняя общую стоимость системы электропривода несколько ниже, чем у полной системы BLDC.
Бесколлекторные двигатели почти так же эффективны, как и коллекторные машины постоянного тока
У каждого щёточного электродвигателя постоянного тока есть коллекторный узел (щетки). Эти электрические контакты, соединенные с внутренним валом через коллектор, вращаются, тем самым меняя полярность на якоре электрической машины, что и приводит ее во вращение.
Как следует из названия, двигатель BLDC не содержит щеток. Катушки намотаны на постоянные магниты вокруг ротора, а вал вращается через электронный контроллер, который работает с датчиком положения ротора. Поэтому двигатель BLDC может быть на 90% более эффективным, поскольку он не требует питания для коммутатора или щеток.
Двигатели переменного тока лучше, потому что они не требуют преобразования в переменного тока в постоянный
Двигатели переменного тока, как правило, дешевле и проще, за исключением случаев, когда требуется более высокая мощность и напряжение. Несмотря на то, что рынок двигателей переменного тока больше, все еще непросто найти решения с номинальной мощностью в несколько лошадиных сил и более низким напряжением. В связи с растущей потребностью в электрических машинах с напряжением питания ниже 200 В постоянного тока, машины переменного тока не могут использоваться в этой области. В настоящее время есть место для технологий переменного и постоянного тока, поэтому обе технологии будут с нами в течение некоторого времени и будут фактически дополнять друг друга на рынке электроприводов.
Шаговыми электродвигателями легче управлять
Шаговые двигатели имеют больше обмоток и механических зубьев, которые делают их чрезвычайно точными, и они неоценимы для приложений, где точность позиционирования является главным приоритетом. Тем не менее, двигатели постоянного тока и BLDC по-прежнему проще и дешевле в управлении. Когда-то управление шаговым двигателем было одним из самых сложных аспектов теории и практики управления электрической машиной, но теперь, с улучшением скорости и мощности микропроцессора, в этом отношении их стало намного проще. Тем не менее, степперы все же сложнее управлять в целом.
Двигатели переменного и постоянного тока могут работать на любой скорости
Скоростные характеристики двигателей постоянного и переменного тока обычно основаны на простой формуле: число полюсов, частота линии и приложенное напряжение. Поэтому двигатели переменного тока имеют значительные ограничения скорости по сравнению с двигателями постоянного тока, так как их скорость зависит от частоты сети.
Однако для асинхронных двигателей переменного тока можно использовать частотно-регулируемые электроприводы для генерации диапазона различных частот. Для двигателей бесщеточных двигателей (BLDC) широтно-импульсная модуляция (ШИМ) может использоваться для управления напряжением двигателя.
Выбрать электродвигатель для любого приложения легко
В прошлом выбор электродвигателя регулировался главным образом напряжением, током, скоростью и температурой. В наши дни, однако, двигатели намного сложнее, и на рынке доступно множество вариантов. Важно помнить, что выбор двигателя, основанного исключительно на цене, упаковке или производительности, не позволит разработчику оптимизировать наиболее эффективный дизайн для приложения. И в случае сомнений всегда обращайтесь к представителю производителя двигателя с хорошей репутацией, чтобы выбрать машину, которая наилучшим образом соответствует требованиям.
В чем преимущество двигателей постоянного тока перед двигателями переменного тока?
В нише электроэнергетики более 70% используемых двигателей являются асинхронными.
Двигатели постоянного тока обладают многими преимуществами по сравнению с обычными конструкциями переменного тока. Вот более подробный обзор основных преимуществ, которые вы можете получить от использования двигателей постоянного тока по сравнению с двигателями переменного тока.
Двигатели постоянного тока имеют более высокий пусковой крутящий момент
Поскольку двигатели постоянного тока имеют более высокий пусковой крутящий момент по сравнению с двигателями переменного тока, они предпочтительнее для таких применений, как электрическая тяга. Они считаются идеальными для работы с большими нагрузками в условиях запуска таких машин, как локомотивы и краны. Обратите внимание, что существует широкий ассортимент двигателей постоянного тока с более высоким пусковым крутящим моментом, подходящих для ваших задач.
Они могут легко контролировать скорость
В отличие от большинства двигателей переменного тока на рынке, двигатели постоянного тока способны регулировать скорость выше или ниже номинального уровня.
Например, шунтирующие двигатели постоянного тока легко и безопасно изменяют скорость. Это означает, что их можно использовать в самых разных областях. Это делает их идеальными для производителей, которым необходимо варьировать производительность в разные смены или сезоны.
Двигатели постоянного тока не имеют гармонического эффекта
Одной из примечательных особенностей асинхронных двигателей является гармонический эффект. Гармоника — это напряжение, кратное первичной частоте двигательной системы, генерируемое индукцией нелинейных нагрузок, таких как газоразрядное освещение или насыщенные магнитные устройства. В большинстве электродвигателей гармонический эффект приводит к нагреву, шуму и гармоническим токам в роторе. Однако двигатели постоянного тока лучше, потому что они не создают никаких гармоник, и вы можете работать, не беспокоясь о связанных с этим проблемах.
Двигатели легко контролировать
Одним из фактов, касающихся большинства двигателей, является то, что управлять ими быстро и точно никогда не бывает просто.
Однако двигатели постоянного тока отошли от этой проблемы. Например, вы можете использовать двигатели постоянного тока для приложений, требующих немедленного запуска, обратного движения и остановки для оптимальной производительности.
Двигатели постоянного тока лучше подходят для экономичных операций
Многие люди выбирают двигатели постоянного тока, а не другие, потому что они дешевле. Это особенно верно при работе с дробными приложениями HP. Поскольку двигатели постоянного тока существуют уже более 130 лет, установленная база также велика, а удобство обслуживания впечатляет. Таким образом, вы можете быть уверены, что легко найдёте специалиста для диагностики и ремонта вашего двигателя постоянного тока по низкой цене.
Двигатели постоянного тока требуют меньше выпрямления и электроники
При установке двигателя постоянного тока требуется меньше электронных компонентов и выпрямителей в цепи системы силовой электроники по сравнению с инверторами переменного тока.
Это означает, что вы можете напрямую установить двигатель и начать использовать его, питаясь напрямую от источника питания.
Простое регулирование скорости
Одной из основных причин популярности двигателей постоянного тока в коммерческих и домашних условиях является простота регулирования скорости. Вам просто нужно отрегулировать клемму напряжения с помощью потенциометра. Поэтому, если вам нужно управление более высокой скоростью, рекомендуется использовать двигатель постоянного тока.
Приведенный выше пост демонстрирует превосходство двигателей постоянного тока над другими, такими как модели переменного тока, для ваших операций. Тем не менее, целесообразно работать со специалистом по двигателям, чтобы убедиться, что двигатель постоянного тока является идеальным вариантом для вашего предприятия.
Замена двигателей постоянного тока? Think AC
Двигатели переменного тока (AC) и постоянного тока (DC) традиционно использовались для совершенно разных применений из-за их конструкции и присущих им рабочих характеристик.
Двигатели постоянного тока являются промышленными рабочими лошадками во многих областях применения, где требуется работа с регулируемой скоростью. В этих приложениях двигатели постоянного тока надежны и обеспечивают точное регулирование скорости в различных условиях эксплуатации. Однако двигатели постоянного тока дороги в покупке и обслуживании. Кроме того, за последние 10 лет приводы переменного тока усовершенствовались до такой степени, что их управление скоростью стало намного более точным, чем у сервоприводов. Более того, двигатель переменного тока и привод вместе стоят примерно столько же, сколько и двигатель постоянного тока.
Разработка современных двигателей переменного тока и приводов стирает различия, которые когда-то определяли выбор между приводами переменного и постоянного тока.
Фото0 1. Типовой блок двигателя переменного тока и привода.
ПОВЫШЕНИЕ ПРИВОДОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В приводах переменного тока
используется твердотельный регулируемый преобразователь частоты, который регулирует частоту и напряжение для изменения скорости двигателя переменного тока с фиксированной скоростью. Это управление обычно осуществляется посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ) выхода привода на двигатель. Напряжение и частота поддерживаются в постоянном соотношении при любой скорости двигателя (известном как отношение напряжения к частоте).
Преобразователи частоты предпочтительнее использовать, если среда двигателя коррозионно-активна, потенциально взрывоопасна, опасна или влажна и требует специальных корпусов (взрывозащищенных, водонепроницаемых и т.
д.). Преобразователи переменного тока также являются хорошим выбором, когда двигатели требуют минимального обслуживания, либо из-за их недоступности, либо из-за плохой практики обслуживания предприятия.
Приводы переменного тока обычно меньше и легче приводов постоянного тока при заданном крутящем моменте и выходной скорости, и они способны развивать скорость до 10 000 об/мин. Кроме того, один привод переменного тока может управлять несколькими двигателями.
Современные двигатели и приводы переменного тока обеспечивают ряд дополнительных эксплуатационных преимуществ, которые могут конкурировать с теми, которые традиционно доступны только для приводов постоянного тока. Например, современные приводы теперь могут создавать полный крутящий момент при запуске, что раньше было невозможно. Они также могут работать в диапазоне скоростей 1000:1 по сравнению только с 10:1 у предыдущих приводов переменного тока.
Приводы переменного тока с регулируемой скоростью также могут приспосабливаться к быстро меняющимся нагрузкам и обеспечивают жесткое регулирование скорости.
Улучшенная технология управления является причиной значительного улучшения характеристик привода переменного тока. Сегодняшние инверторы меньше, дешевле и предоставляют больше возможностей, чем несколько лет назад.
Хотя двигатели переменного тока уже некоторое время способны работать в огромных диапазонах скоростей, имеющиеся приводы не могут соответствовать их производительности. Теперь приводы переменного тока могут обеспечивать производительность, близкую к сервоприводу, в компактном корпусе по разумной цене.
Фото 2. Двигатели переменного тока позволяют значительно сократить расходы по сравнению с двигателями постоянного тока.
ЭФФЕКТЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ
Двигатели переменного тока традиционно работали с фиксированной частотой и скоростью. На такой скорости встроенная система охлаждения удерживает мотор от перегрева. Работа асинхронного двигателя в качестве двигателя с регулируемой скоростью увеличивает рабочую температуру и создает повышенную нагрузку на систему изоляции. Более высокие температуры являются результатом увеличения потерь в двигателе и снижения теплопередачи. В результате многие стандартно-эффективные двигатели с фиксированной частотой не будут обеспечивать номинальные характеристики, указанные на паспортной табличке, при работе с регулятором частоты. Повышенные температуры могут не привести к немедленному повреждению изоляции; однако они значительно сократят жизнь.
В большинстве изоляционных систем увеличение рабочей температуры на 10 градусов Цельсия сокращает ожидаемый срок службы на 50 процентов. Это одна из причин, по которой для работы с преобразователями частоты часто рекомендуются энергоэффективные или высокоэффективные двигатели, которые работают при более низких температурах в тех же условиях эксплуатации. Другая причина того, что двигатели с регулируемой частотой, управляемые приводом и фиксированной частотой, работают при более высоких температурах, заключается в том, что охлаждающий вентилятор работает непосредственно с вала двигателя. Таким образом, при изменении скорости двигателя изменяется и скорость вращения вентилятора, что приводит к более низкому охлаждению на более низких скоростях.
При работе в качестве устройств с регулируемой скоростью охлаждение двигателя будет снижено на более низких скоростях. В таких случаях двигатель должен быть специально разработан для работы с переменной скоростью. Двигатели переменного тока с регулируемой скоростью обычно указывают свой диапазон скоростей.
Если вы используете двигатель в указанном диапазоне скоростей, перегрев не должен быть проблемой.
В этой таблице сравниваются возможности стандартных приводов постоянного тока с возможностями современных приводов переменного тока с регулируемой скоростью.
ДРУГИЕ СООБРАЖЕНИЯ
Когда требования к производительности системы минимальны, стандартный асинхронный двигатель переменного тока часто можно успешно применять в приложениях с регулируемой частотой и переменной скоростью. Однако, когда требования к производительности более строгие, необходимо использовать энергоэффективный, высокоэффективный двигатель или двигатель определенного назначения с инверторным номиналом. Это особенно верно, когда требуется максимальная производительность.
Хотя определение высокой производительности является неопределенным, такие приложения обычно характеризуются одним или несколькими из следующих факторов:
Непрерывный постоянный крутящий момент требуется ниже 50 процентов от базовой скорости.
Непрерывная, постоянная мощность, необходимая для скорости выше 150 процентов от базовой скорости.
Высокие пусковые нагрузки или перегрузки.
Высокие динамические характеристики.
Процесс, который невозможно запустить или запустить без управления переменной скоростью.
Некоторые двигатели переменного тока специально разработаны для работы от сети переменного тока и могут обеспечивать непрерывный постоянный крутящий момент вплоть до нулевой скорости (диапазон 1000:1). Эти конструкции доступны в традиционных полностью закрытых корпусах с вентиляторным охлаждением (TEFC) с рейтингом Национальной ассоциации производителей электрооборудования (NEMA) или в конструкциях с очень высокой плотностью мощности, которые похожи на традиционные блоки постоянного тока с квадратным корпусом. Эти конструкции с высокой плотностью мощности охлаждаются вспомогательным вентилятором (с принудительной вентиляцией или с воздушным охлаждением) или полностью закрытой конструкцией с вентиляторным охлаждением, в которой вентилятор отсутствует.
