Двигатель переменного тока и постоянного отличия

Электродвигатели постоянного и переменного тока: особенности и отличия

Электрический двигатель представляет собой аппарат, в котором энергия электрического тока преобразуется в механическое движение его выходного вала за счет физического явления индукции. Существует огромное разнообразие моделей этих устройств, различающихся размерами, конструктивными особенностями, областями применения, но неизменными остаются две основные части: неподвижный статор и вращающийся внутри него ротор. Он приводится в движение магнитным полем, возникающем при пропускании тока через обмотки агрегата. При нарушении их изоляции или возникновении межвиткового замыкания работоспособность прибора нарушается, стоимость перемотки электродвигателя зависит от степени изношенности его основных частей.

Существует два основных класса этих устройств, разделяемых по типу питания переменным или постоянным током. Первый вид получил наиболее широкое распространение, второй используется ограниченно вследствие более высокой стоимости.

Основные конструктивные отличия

  • В двигателях переменного тока-на статоре.
  • Постоянного-на роторе, который также называется якорем.

Моторы первого типа бывают по способу подключения одно и трехфазными. Наибольшее распространение получили асинхронные двигатели, в которых движение ротора осуществляется с меньшей скоростью, чем вращение переменного магнитного поля, создаваемого обмотками на статоре. Они отличаются надежностью, простотой конструкции и долгим сроком службы. При возникновении неисправностей ремонт асинхронного двигателя полностью восстанавливает его работоспособность.

В двигателях постоянного тока движение якоря осуществляется синхронно с магнитным полем. Их преимуществом является возможность регулирования скорости вращения выходного вала в зависимости от приложенного к обмоткам напряжения. Поэтому эти агрегаты используют в прокатных станах, металлорежущих станках и при создании тягового усилия на транспорте. Шаговые электродвигатели с возможностью регулировки многих параметров применяются в наукоемких отраслях производства.

Двигатель переменного тока и постоянного отличия

Машина постоянного тока — электрическая машина , предназначенная для преобразования механической энергии в электрическую постоянного тока (генератор) или для обратного преобразования (двигатель). Машина постоянного тока обратима .

Машина постоянного тока образуется из синхронной обращённой конструкции, если её якорь снабдить коллектором, который вгенераторном режиме играет роль выпрямителя, а в двигательном — преобразователя частоты. Благодаря наличию коллектора по обмотке якоря проходит переменный ток, а во внешней цепи, связанной с якорем, — постоянный.

Различают следующие виды машин постоянного тока:

  • по наличию коммутации:
    • с коммутацией (обычные);
    • без коммутации (униполярный генератор и униполярный электродвигатель);
  • по типу переключателей тока:
    • с коллекторными переключателями тока (с щёточно-коллекторным переключателем);
    • с бесколлекторными переключателями тока (с электронным переключателем (вентильный электродвигатель)).
  • по мощности:
    • микромашины — до 500 Вт;
    • малой мощности — 0,5-10 кВт;
    • средней мощности — 10-200 кВт;
    • большой мощности — более 200 кВт.
  • в зависимости от частоты вращения:
    • тихоходные — до 300 об./мин.;
    • средней быстроходности — 300—1500 об./мин.;
    • быстроходные — 1500-6000 об./мин.;
    • сверхбыстроходные — более 6000 об./мин.

Двигатель постоянного тока — электрический двигатель, питание которого осуществляется постоянным током. Данная группа двигателей в свою очередь по наличию щёточно-коллекторного узла подразделяется на:

Коллекторные двигатели;

Двигатели с самовозбуждением.

Двигатели с самовозбуждением делятся на:

Двигатели с параллельным возбуждением (обмотка якоря включается параллельно обмотке возбуждения);

Двигатели последовательного возбуждения (обмотка якоря включается последовательно обмотке возбуждения);

Двигатели смешанного возбуждения (часть обмотки возбуждения включается последовательно с якорем, а вторая часть — параллельно обмотке якоря или последовательно соединённым обмотке якоря и первой обмотки возбуждения, в зависимости от требуемой нагрузочной характеристики).

Бесколлекторные двигатели (вентильные двигатели). Принцип работы данных двигателей аналогичен принципу работы синхронных двигателей.

а) элемент Холла определяет северный полюс постоянного магнита ротора и подключает обмотку W2 таким образом, что на полюсном башмаке обмотки образуется южный полюс, вызывающий вращение ротора против часовой стрелки (так как разноименные полюса притягиваются);

б) элемент Холла выходит из-под действия магнитного поля, что приводит к запиранию обоих транзисторов и обесточиванию обмоток W1 и W2. Ротор продолжает по инерции вращаться против часовой стрелки;

в) элемент Холла определяет южный полюс ротора и подключает обмотку W1 таким образом, что на полюсном башмаке обмотки образуется южный полюс, притягивающий северный полюс ротора, и продолжая таким образом вращение ротора против часовой стрелки.


Принцип действия вентильного двигателя постоянного тока, использующего элемент Холла.

Двигатели переменного тока


Принцип действия трехфазного асинхронного электродвигателя

При включении в сеть в статоре возникает круговое вращающееся магнитное поле, которое пронизывает короткозамкнутую обмотку ротора и наводит в ней ток индукции. Отсюда, следуя закону Ампера (на проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует ЭДС), ротор приходит во вращение. Частота вращения ротора зависит от частоты питающего напряжения и от числа пар магнитных полюсов.

Разность между частотой вращения магнитного поля статора и частотой вращения ротора характеризуется скольжением. Двигатель называется асинхронным, так как частота вращения магнитного поля статора не совпадает с частотой вращения ротора.

Синхронный двигатель имеет отличие в конструкции ротора. Ротор выполняется либо постоянным магнитом, либо электромагнитом, либо имеет в себе часть беличьей клетки (для запуска) и постоянные магниты или электромагниты. В синхронном двигателе частота вращения магнитного поля статора и частота вращения ротора совпадают. Для запуска используют вспомогательные асинхронные электродвигатели, либо ротор с короткозамкнутой обмоткой.

Асинхронные двигатели нашли широкое применение во всех отраслях техники. Особенно это касается простых по конструкции и прочных трехфазных асинхронных двигателей с коротко-замкнутыми роторами, которые надежнее и дешевле всех электрических двигателей и практически не требуют никакого ухода. Название «асинхронный» обусловлено тем, что в таком двигателе ротор вращается не синхронно с вращающимся полем статора. Там, где нет трехфазной сети, асинхронный двигатель может включаться в сеть однофазного тока.

Статор асинхронного электродвигателя состоит, как и в синхронной машине, из пакета, набранного из лакированных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм, в пазах которого уложена обмотка. Три фазы обмотки статора асинхронного трехфазного двигателя, пространственно смещенные на 120°, соединяются друг с другом звездой или треугольником.

На рис.1. показана принципиальная схема двухполюсной машины — по четыре паза на каждую фазу. При питании обмоток статора от трехфазной сети получается вращающееся поле, так как токи в фазах обмотки, которые смещены в пространстве на 120° друг относительно друга сдвинуты по фазе друг относительно друга на 120°.

Для синхронной частоты вращения nc поля электродвигателя с р парами полюсов справедливо при частоте тока <\displaystyle f>: <\displaystyle n_=<\frac <60f>

>>

При частоте 50 Гц получаем для <\displaystyle p> = 1, 2, 3 (двух-, четырёх- и шести-полюсных машин) синхронные частоты вращения поля <\displaystyle n_> = 3000, 1500 и 1000 об/мин.

Ротор асинхронного электродвигателя также состоит из листов электротехнической стали и может быть выполнен в виде короткозамкнутого ротора (с «беличьей клеткой») или ротора с контактными кольцами (фазный ротор).

В короткозамкнутом роторе обмотка состоит из металлических стержней (медь, бронза или алюминий), которые расположены в пазах и соединяются на концах закорачивающими кольцами (рис. 1). Соединение осуществляется методом пайки твердым припоем или сваркой. В случае применения алюминия или алюминиевых сплавов стержни ротора и закорачивающие кольца, включая лопасти вентилятора, расположенные на них, изготавливаются методом литья под давлением.

У ротора электродвигателя с контактными кольцами в пазах находится трехфазная обмотка, похожая на обмотку статора, включенную, например, звездой; начала фаз соединяются с тремя контактными кольцами, закрепленными на валу. При пуске двигателя и для регулировки частоты вращения можно подключить к фазам обмотки ротора реостаты (через контактные кольца и щетки). После успешного разбега контактные кольца замыкаются накоротко, так что обмотка ротора двигателя выполняет те же самые функции, что и в случае короткозамкнутого ротора.

А синхронные электродвигатели по конструкции статора разделяют на двигатели с круговым, дуговым и линейным статором и по конструкции ротора — на двигатели с фазным и короткозамкнутым роторами.

Двигатели с дуговым статором имеют статор в виде части полого цилиндра. Такая конструкция позволяет получить низкую частоту вращения без применения специальных понижающих передач. Двигатели с линейным (плоским) статором используют для линейного перемещения рабочей машины.

Конструкции короткозамкнутых роторов могут быть с нормальным пазом и нормальным сопротивлением стержней, нормальным пазом и повышенным сопротивлением стержней, глубоким пазом, двойной обмоткой ротора.

Различие в конструкциях ротора вызвано стремлением получить различные, наиболее отвечающие поставленным требованиям механические характеристики двигателей.

Синхронные электродвигатели в связи со сложностью их пуска с недостаточной надежностью широкого распространения не получили. Коллекторные электродвигатели применяются главным образом для привода небольших рабочих машин (насосов, вентиляторов).

Синхронный электродвигатель — электродвигатель переменного тока, ротор которого вращается синхронно с магнитным полем питающего напряжения.

Синхронные электродвигатели подразделяются на[3]:

синхронный двигатель с обмотками возбуждения. Данные двигатели обычно используются при больших мощностях (от сотен киловатт и выше).[2]

синхронный двигатель с постоянными магнитами;

синхронный реактивный двигатель;

гибридный синхронный реактивный двигатель с постоянными магнитами;

Существуют синхронные двигатели с дискретным угловым перемещением ротора — шаговые двигатели. У них заданное положение ротора фиксируется подачей питания на соответствующие обмотки. Переход в другое положение осуществляется путём снятия напряжения питания с одних обмоток и передачи его на другие. Ещё один вид синхронных двигателей — вентильный реактивный электродвигатель, питание обмоток которого формируется при помощи полупроводниковых элементов.

Асинхронный электродвигатель — электродвигатель переменного тока, в котором частота вращения ротора отличается от частоты вращающего магнитного поля, создаваемого питающим напряжением. Эти двигатели наиболее распространены в настоящее время.

Смотрите так же:  Щиток с автоматами и счетчиком

По количеству фаз двигатели переменного тока подразделяются на:

В чем разница между двигателями с электронным управлением и машинами переменного и постоянного тока?

Инженеры в своих системах могут применять различные типы электродвигателей на выбор. Как правило, выбор происходит между машиной переменного или постоянного тока. Но последнее время на рынке начали появляться электрические машины способные контролировать выходную скорость и мощность, позволяя тем самым повысить энергоэффективность.

Это электродвигатели с электронным управлением (англ. electronically communicated (EC)), которые последнее время начали очень активно вытеснять с рынка традиционные машины переменного и постоянного напряжения, и особенно в области энергоэффективности.

Основные отличия между электрическими машинами постоянного и переменного тока

Электродвигатели постоянного тока используют графитовые щетки и коллекторный узел для смены направления тока и, соответственно, полярности магнитного поля во вращающемся роторе. Именно это взаимодействие между вращающимся ротором и неподвижным постоянным магнитным полем статора и приводит машину в движение.

По данным от maxon motors, электрические машины постоянного тока имеют ограничения по времени эксплуатации коллекторно-щеточного, срок службы которого составляет в среднем 1000 – 1500 часов. При перегрузке срок службы составляет менее 100 часов, а при нормальных (номинальных) условиях эксплуатации может достигать и 15 000 часов. Скорость вращения таких машин ограничена процессами коммутации в коллекторно-щеточном узле и не превышает 10 000 об/мин.

Электрические машины постоянного напряжения имеют хорошую надежность и легкую управляемость, но страдают довольно приличными потерями. КПД снижается из-за сопротивления в обмотках, вихревых токов, потерь в щеточно-коллекторном узле.

Асинхронные электродвигатели используют другой принцип – на катушки статора подается переменное напряжение, которое создает вращающееся магнитное поле, а магнитное поле ротора индуцируется магнитным полем статора. Таким образом получается, что ротор как – бы пытается «догнать статор» . Еще одним видом машин переменного напряжения являются синхронные электродвигатели. Они используют немного другой принцип работы – катушки статора все так же запитываются переменным напряжением, а в ротор через контактные кольца подается постоянный ток (или используют постоянные магниты). Таким образом, магнитные поля статора и ротора сцепляются и машина вращается. Синхронный электродвигатель имеет жесткую механическую характеристику и скорость вращения ротора соответствующую скорости вращения магнитного поля статора в отличии от асинхронных машин, в которых присутствует скольжение (разница между скоростью вращения магнитного поля статора и реальной скоростью ротора).

Электродвигатели переменного тока предназначены для работы с определенной точкой на механической характеристике. Эта точка соответствует максимальной производительности двигателя. При работе в другой точке механической характеристики КПД машины резко снизится. Асинхронные электродвигатели переменного тока потребляют дополнительную энергию для создания магнитного поля путем индукции тока в роторе. Следовательно, двигатели переменного тока менее эффективны, чем двигатели постоянного тока. Фактически, машина постоянного тока на 30% эффективнее машины переменного тока из-за того.

Эффективность электронных коммутируемых электродвигателей

Электродвигатели с электронным управлением ЕС — бесщеточные двигатели постоянного тока, управляемые внешней электроникой — либо электронная плата, либо преобразователь частоты. Ротор содержит постоянные магниты, а статор имеет набор неподвижных обмоток. Коммутация выполняется с помощью электронных схем. «Плата» переключает фазы в неподвижных обмотках, чтобы поддерживать вращение двигателя. Это позволяет поддерживать тока якоря. Когда подключается напряжение правильной полярности и в нужное время возрастает точность электрической машины. Поскольку скорость двигателя контролируется внешней электроникой, двигатели EC не имеют ограниченной синхронной скорости.

Двигатели EC имеют несколько преимуществ. Поскольку они не имеют щеток, они не искрят и срок их службы больше из-за отсутствия щеток, имеют меньше потери из-за «смарт управления» статором. Они обеспечивают лучшую производительность и управляемость, чем асинхронные двигатели. С точки зрения размеров — небольшие электродвигатели могут достигать таких же габаритов, что и традиционные электрические машины постоянного или переменного тока.

Распределение мощности намного лучше у машин с электронным управлением. Бесщеточные электродвигатели постоянного тока (BLDC) зависят от источника питания постоянного напряжения. При использовании машин переменного тока появляются дополнительные затраты и сложность системы в случае необходимости регулирования. ЕС электродвигатели могут напрямую подключаться к источникам переменного тока благодаря наличию электронной системы управления. Более того, они слабо подвержены влиянию изменений частоты и напряжения сети, из чего можно сделать вывод что небольшие просадки напряжения сети не окажут существенного влияния на мощность машины, в отличии от асинхронных электродвигателей.

Если сравнить эффективность ЕС машины с машиной переменного тока с расщепленным полюсом или с конденсаторным электродвигателем, то можно увидеть, что машина с расщепленным полюсом имеет КПД порядка 15% — 25%, конденсаторные электродвигатели 30% — 50%, а ЕС машины имеют КПД в пределах 60% — 75% и являются наиболее эффективными и энергосберегающими.

Диапазон изменения КПД для конденсаторных асинхронных машин довольно велик и лежит в пределах 30% — 50%, что особенно сильно ощутимо при неполной их загрузке, например при работе в системах вентиляции и кондиционирования. ЕС электродвигатели имеют меньший диапазон изменения КПД при работе на различных скоростях и с различной нагрузкой. Как правило, у таких машин КПД не ниже 70%, а в машинах, работающих с номинальными параметрами, он может превышать 80%.

Машины с электронным управлением имеют регулятор скорости в качестве встроенной опции. Электродвигатели переменного тока могут иметь данную опцию только с внешним контролером (преобразователь частоты). Преобразователь частоты изменяют амплитуду и частоту напряжения, поступающего на электродвигатель, генерируя тем самым высшие гармоники, которые отрицательно сказываются на электрической машине, способствуя ее перегреву, и, как следствие, снижению срока службы.

Коммутационные схемы принимают входы с широтно-импульсной модуляцией от 4 до 20 мА и от 0 до 10 В. Это позволяет управлять скоростью в диапазоне от 10% до 100%. Мониторинг двигателей EC с помощью интегральной схемы прост, и может быть легко доступен разработчику для обеспечения обратной связи. Наконец, двигатели EC обеспечивают плавный пуск, снижение шума и более низкую температуру двигателя.

Электрические машины с электронным управлением обычно используются для приложений малой мощности, таких как небольшие вентиляторы, сервомоторы и системы управления движением. Однако, благодаря последним достижениям в области электроники и химии, двигатели EC находят свой путь в более крупные производственных приложениях, до 12 кВт и выше.

Почему за двигателями постоянного тока закрепилась репутация ненадежных машин?

Если не вдаваться в подробности слишком глубоко, то представление об электродвигателях постоянного тока у большинства пользователей примерно следующее: это сложные и «капризные» машины, нуждающиеся в постоянном обслуживании и систематическом ремонте.

Тем не менее, двигатель переменного тока представляется простым и практически безотказным устройством, благодаря чему он и приобрел такую популярность в быту и промышленности.

Конечно, эти представления очень субъективны, но для их возникновения, конечно были свои причины. И причины эти кроются в конструктивных различиях между двигателями постоянного и переменного тока.

Если мы говорим о двигателе переменного тока, не уточняя его конструкцию, то, скорее всего, мы имеем в виду асинхронный, с короткозамкнутым ротором. Синхронные, коллекторные машины переменного тока, асинхронные с фазным ротором.

Все они имеют свои особенности, но сфера их применения узка и специфична, и по своей массовости они очень сильно уступают «асинхроннику» с короткозамкнутым ротором, являющемуся, к слову, первой электрической машиной, изобретенной человеком.

А если речь идет о рядовом двигателе постоянного тока, то чаще всего подразумевается коллекторный со щеточной траверсой. Схема его возбуждения может быть различной, но это оказывает влияние лишь на электромеханическую характеристику, а не на эксплуатационные показатели. В любом случае коллекторные двигатели наиболее распространены в приводах постоянного тока.

Итак, сравнивая машины переменного и постоянного тока, мы в большинстве случаев сравниваем асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором и электрическую машину с коллекторно-щеточным аппаратом.

И почему же «асинхронник» в этой ситуации смог заработать себе такую безупречную репутацию надежной машины? Все дело в разности направлений силовых векторов магнитных полей статора и ротора (для коллекторного двигателя – якоря). В асинхронном двигателе поле статора – вращающееся.

Направление его векторов циклически изменяется в каждой точке за счет сдвига между фазами. Этого уже достаточно, чтобы это поле могло увлечь за собой ротор и привести его во вращение, взаимодействуя с наведенным в нем электрическим током.

Таким образом, получается, что конструкция асинхронного двигателя чрезвычайно проста: в пазах статора укладывается его трехфазная обмотка, подключаемая к сети с переменным напряжением, а ротор содержит какое-то количество замкнутых проводящих контуров для создания и поддержания тока.

Есть, конечно, определенные тонкости, к примеру, токи Фуко, из-за которых сердечник статора асинхронного электромотора должен выполняться из шихтованной стали, но это уже не существенно. И неспроста уже упоминавшийся первый асинхронный двигатель переменного тока являл собой всего лишь стальной шарик, вращающийся в переменном электромагнитном поле.

В отличие от статора асинхронного двигателя, обмотка возбуждения коллекторной электрической машины постоянного тока не может создать вращающего поля. Поле, создаваемое этой обмоткой, «стоит на месте».

На месте стояло бы и поле, создаваемое током якоря, и тогда якорь повернулся бы лишь на небольшой угол до состояния равновесия между полями возбуждения и собственным магнитным полем. Но этого не происходит, потому что во время этого небольшого поворота смещается пара щеток на коллекторе якоря и его ток меняет направление, заставляя якорь вращаться дальше.

Говоря по-другому, ток якоря насильственно делается переменным. И для этого необходимо сложное устройство – коллекторно-щеточный аппарат, который и является причиной «капризности» коллекторных двигателей.

Смотрите так же:  Электрические схемы газового котла

Его щетки быстро изнашиваются, их надо менять, коллекторные пластины постепенно стачиваются, ограничивая ресурс двигателя. К тому же коллекторно-щеточный аппарат боится влаги, инея. Его щетки могут «зависнуть», потерять контакт с коллектором.

Все эти проблемы несколько «подпортили» репутацию коллекторных двигателей, а вслед за этим – и репутацию машин постоянного тока в сравнении с электродвигателями тока переменного.

Электропривод – переменного или постоянного тока?

Ежегодный темп роста продаж регулируемых электроприводов составляет, примерно, 6 %, в то время как темп роста приводов переменного тока — 8 %, а объем рынка приводов постоянного тока остается более или менее стабильным. Данная статья предназначена для конечных пользователей, OEM-производителей, системных интеграторов и прочих инженерно-технических работников, использующих приводную технику, чтобы в общих чертах обрисовать преимущества выбора для различных прикладных задач одного из двух основных типов регулируемого электропривода – постоянного или переменного тока.

Какое приводное решение выбрать — DC или AC?

Силовые статические преобразователи на базе микропроцессоров, применяемые как в приводах переменного, так и постоянного тока, в настоящее время достигли очень высокого технического уровня, который (в допустимых технологических пределах) в большинстве приложений позволяет использовать электропривод переменного тока, там где раньше применялся привод постоянного тока. Однако, традиционный привод постоянного тока (1-но и 4-х квадрантный) продолжает играть важную роль, особенно в тех приложениях, где нужно обеспечить высокодинамичные режимы с постоянным моментом вращения, жесткими требованиями по перегрузочной способности в широком диапазоне скоростей и рекуперацию энергии обратно в сеть.

Главные критерии выбора

Первое, что должен сделать пользователь, это объективно оценить варианты, предлагаемые на рынке регулируемых приводов, технически соответствующие требованиям прикладной задачи/процесса. Главными критериями этой оценки должны быть:
1. Совокупная стоимость закупки регулируемого привода и требуемого дополнительного оборудования
2. Текущие эксплуатационные расходы:

  • обслуживание;
  • производственные издержки, КПД, и т.д;
  • требуемая площадь размещения.

3. Технологические и инновационные аспекты:

  • динамический отклик, время разгона; 4-х квадрантные операции; аварийный стоп, и т.д.
  • массо-габаритные характеристики.

4. Эксплуатационная надежность, пригодность приводов:

  • соответствие международным требованиям и стандартам IEC, ГОСТ Р, EN, CE-EMC; CSA, UL, и т.д.;
  • условия окружающей среды; степень защиты корпуса; ремонт «по-месту»

5. Воздействие на внешнюю среду:

  • искажение сетевого напряжения
  • ЭМС

6. Требуемое пространство для преобразователя и двигателя
7. Отвод тепла

Сравнение основных характеристик приводов постоянного и переменного тока в промышленном применении

Сравнение проводится между 6-пульсными 3-фазными тиристорными приводами постоянного тока с независимым возбуждением [далее называемыми ППТ] и 3-фазными электроприводами переменного тока на базе преобразователя частоты с широтно-импульсной модуляцией и асинхронного двигателя [далее называемыми ЧРП – частотно регулируемый привод], в следующих типовых категориях:
ППТ — P = 11 kW . 5200 kW; U = 200 V . 1190 V
ЧРП — P = 0.75 kW . 2000 kW; U = 380 V . 690 V

Привод постоянного тока

Частотно-регулируемый привод

В первом приближении существенных отличий между этими приводами не так и много; однако, при более детальном рассмотрении, выявляются характерные особенности приводов и различие физических принципов функционирования. Дале в статье раскрываются аспекты отличия приводов по следующим пунктам:

  • характеристики двигателей, как электромеханических преобразователей
  • характеристики преобразователей электрической энергии
  • 4-х квадрантные приводы
  • влияние на внешнюю среду
  • модернизация приводов постоянного тока

Различия между двигателями постоянного и переменного тока

Большинство пользователей имеют такое общее представление об электродвигателях: «Двигатели постоянного тока сложные, требующие частого обслуживания, что делает их эксплуатацию дорогой; к тому же они имеют низкую степень защиты. Двигатели переменного тока (асинхронные двигатели) просты и надежны, не нуждаются в обслуживании, имеют более низкую цену, и кроме того более высокую степень защиты». Такая классификация может быть верной для многих простых применений; те не менее этот общий вердикт желательно подвергнуть более тщательному рассмотрению!

Механическая характеристика приводов постоянного тока

Обычно используемая независимая вентиляция (прим. в 85 % регулируемых приводов до 250 kW) гарантирует хороший отвод тепла от ротора двигателя постоянного тока во всем диапазоне скоростей.

Типичные применения, требующие обеспечение постоянного момента в широком диапазоне скоростей: волочильные станы, поршневые компрессоры, подъемные механизмы, канатные дороги, экструдеры, .

Механическая характеристика частотно-регулируемых приводов

Обычно используемая самовентиляция (прим. в 90 % регулируемых приводов до 250 kW) в стандартных асинхронных двигателях не является эффективной во всем диапазоне скоростей. На низких скоростях отвод тепла фактически не возможен.

Типичные применения с пониженным моментом на низкой скорости, соответствующие характеристике на рис. 4: насосы, вентиляторы, и др. с квадратичной зависимостью нагрузки от скорости .

Характеристики отношения мощности и скорости в режиме S1 двигателей постоянного и переменного тока:

(1) В отличии от стандартного асинхронного двигателя с фиксированной базовой (номинальной) частотой вращения (синхронные скорости 3000/1500/1000/. об/мин на 50 Гц), двигатель постоянного тока может быть спроектирован с базовой частота вращения в диапазоне примерно от 300 до 4000 об/мин для каждой рабочей точки.
(2) В зависимости от типоразмера двигатели постоянного тока (как скомпенсированные, так и не скомпенсированные) могут иметь область работы с ослаблением поля 1 : 3 или 1 : 5 .
(3) Ограничение мощности связано с максимальным моментом асинхронного двигателя, уменьшающимся обратно квадрату скорости (1/n2).
(4) Ограничение мощности связано с уменьшением коммутационной способности коллекторного двигателя постоянного тока.

Сравнение рабочих характеристик двигателей показывает, что двигатель постоянного тока выгоднее асинхронного при продолжительной работе на низких скоростях и для широкого диапазона скоростей при постоянной мощности. Перегрузочная способность в кратковременном режиме зависит не только от параметров двигателя, но в большой степени от характеристик преобразователя частоты / тиристорного преобразователя.
Чем шире диапазон скоростей, в котором двигатель может выдать максимальную мощность, тем он лучше может быть адаптирован к процессам, требующим обеспечения постоянного момента во всем диапазоне скоростей.
Типичное применение: намоточные устройства.

• Типоразмеры, моменты инерции и время разгона:
Основные технические различия двигателей постоянного и переменного тока, методы формирования магнитного потока и рассеивание потерь мощности также обуславливают различные размеры (высоту оси вращения вала H) и момент инерции ротора (Jrotor), при одном и том же номинальном моменте вращения двигателя.
Двигатели постоянного тока имеют значительно меньшую высоту оси вращения H и массу ротора, чем асинхронные двигатели, и следовательно обладаю более низким моментом инерции ротора Jrotor, что является существенным преимуществом в высокодинамичных применениях, таких как испытательные стенды, летучие ножницы, и реверсивные приводы, так как это влияет на время разгона и динамический отклик двигателя в 4-х квадрантных приложениях (в двигательных и тормозных режимах).

• Широкий диапазон скоростей при постоянной мощности (работа с ослаблением поля или диапазон регулировки возбуждения):
Для специализированных приводных приложений, как привод намотчика и размотчика, испытательный стенд, лебедка и т.д., требуется очень широкий диапазон скоростей при постоянной мощности. В этом случае, традиционный режим работы с ослаблением поля двигателя постоянного тока с независимым возбуждением является особенно экономически эффективным. Это означает: широкий диапазон скоростей, при котором двигатель может выдавать максимальную мощность (длина горизонтальной линии характеристики на рис.5 от nG до n1), требуется меньший запас по мощности двигателя Pmax(motor) / Pmax(load).

• Обслуживание двигателя:
В настоящее время, в зависимости от сложности приложения, ресурс щеток двигателя постоянного тока составляет, примерно, 7000 . 12000 часов, благодаря современному коллекторному узлу, углеродистым щеткам и оптимизированному полю возбуждения. В зависимости от механических условий эксплуатации, интервал замены смазки в двигателях постоянного/переменного тока может быть соизмерим, а зачастую и меньше, чем ресурс щеток коллекторного двигателя.

• Степень защиты двигателя:
Исторически сложилось так, что начиная с 20-х годов, двигатели постоянного тока разрабатывались в основном для регулируемых приводов, что обусловило применение в них внутренней форсированной независимой вентиляции (прим. в 85 % двигателей до 250 kW). Стандартные асинхронные двигатели активно начали применяться в 70-х/80-х годах и в большинстве своем (прим. 90 % до 250 kW) производились с поверхностной самовентиляцией, так как частотно-регулируемые приводы тогда не были широко распространены. Фактически все асинхронные двигатели мощностью, прим. до 1400 kW имеют степень защиты IP 54, как стандарт, благодаря их простой и прочной конструкции. Для эксплуатации в зонах с повышенной опасностью, практически исключительно используются взрывозащищенные асинхронные двигатели. Асинхронный двигатель отыграл для себя ведущую позицию и доказал свою эффективность в тех секторах промышленности, которые характеризуются агрессивными условиями окружающей среды, высокой степенью загрязненности и запыленности.

• Масса и место для установки двигателя:
Более низкие масса и габариты двигателей постоянного тока (стандартная степень защиты IP 23) по сравнению с асинхронными двигателями (стандартная степень защиты IP 54) особенно важны для приложений, где двигатель должен перемещаться вместе с грузом (напр., для крупных подъемных, мостовых кранов), или в системах, где важно компактное размещение (буровые установки, подъемники для горнолыжных трасс, морские применения, печатные машины, и т.д.).

Различия между тиристорными преобразователями постоянного тока и преобразователями частоты

• Коммутация и преобразование электрической энергии:

Структурная схема 1-квадрантного привода постоянного тока

Переход тока от одного тиристора к другому начинается с пускового импульса, и после этого продолжается в линейно взаимосвязанном режиме. Это значит, что напряжение между коммутируемыми фазами сети поляризуется таким образом, что ток вновь открываемого тиристора увеличивается, и запирает предшествующий тиристор, снижая его ток до ноля. Коммутация тиристоров производится естественным путем (напряжением сети) при переходе тока через ноль и запирание тиристоров происходит без каких-либо проблем даже при значительной перегрузке. Поэтому тиристоры могут выбираться не по пиковому току, а по среднедействующему номинальному току нагрузки.

Структурная схема преобразователя частоты

Смотрите так же:  Как подключается узо

Хотя входной выпрямительный мост преобразователя частоты работает подобно приводу постоянного тока, однако выпрямленный им ток должен быть преобразован обратно в 3-х фазный переменный с помощью инвертора. Так как у постоянного тока нет никаких переходов через ноль, то переключающие элементы (IGBT транзисторы) должны прерывать полный ток нагрузки. Когда IGBT транзистор закрывается, ток проходит через обратный диод на противоположный полюс напряжения постоянного тока. Переключение происходит без контроля напряжения, но оно возможно в любое время независимо от формы сетевого напряжения.

Результат:
Коммутация в преобразователях частоты происходит с большой частотой и в выходном напряжении появляется высокочастотная составляющая, и могут возникнуть проблемы с электромагнитной совместимостью.
В преобразователях постоянного тока есть только один контур преобразования энергии (AC → DC). В преобразователях частоты два контура преобразования энергии (AC → DC и DC → AC), т.е. потери мощности удваиваются по сравнению с приводами постоянного тока.
Потери мощности, полученные эмпирическим путем следующие: ППТ — 0.8 % . 1.5 % от номинальной мощности; ЧРП — 2 % . 3.5 % от номинальной мощности.
Место, требуемое для размещения шкафа преобразователя мощностью от 100 kW: ППТ — 100 %, ЧРП — 130 % . 300 %. Это преимущество приводов постоянного тока обуславливает уменьшение размера и стоимости электрошкафа и системы охлаждения.

• Выходные токи преобразователей переменного и постоянного тока; шум двигателя; нагрузка на изоляцию обмоток, электромагнитная совместимость (ЭМС):

• Ток двигателя / шум:
Напряжение, подаваемое на двигатель, состоит из сегментов от синусоидального сетевого напряжения. Ток двигателя является постоянным с наложенной переменной составляющей от мостового выпрямителя, поэтому проблем излучения шума в приводе постоянного тока не стоит.

• Пульсации момента вращения двигателя:
Пульсирующий момент (foscill = 6 x fline = 300 Гц или 360 Гц), появляющийся в результате пульсаций тока, накладывается на основной момент и по частоте значительно превышает механические резонансные частоты. По этой причине не будет никаких проблем для таких приложений, как намотчики/размотчики и др.

• Напряжение на двигателе/изоляция обмоток:
Максимальное напряжение, которое подается на клеммы двигателя постоянного тока эквивалентно пиковому значению сетевого напряжения (UN • √2 ).

• ЭМС:
По упомянутым выше причинам инсталляционные затраты, требуемые для уменьшения электромагнитной эмиссии (для обеспечения требований по ЭМС) являются сравнительно небольшими в приводах постоянного тока.

• Ток двигателя / шум:
Излучение шума в частотно-регулируемых приводах сильно зависит от выбранной тактовой частоты в каждом конкретном случае.

• Относительные гармонические составляющие в моменте вращения двигателя:
Пульсирующий вращающий момент, в результате гармонических составляющих тока и напряжения (отклонение от идеального синуса) по амплитуде и частоте очень зависит от рабочей точки и принципа функционирования преобразователя частоты. Вероятность индуцированных колебаний в приводной системе (двигатель, муфта сцепления, трансмиссия, механические компоненты, и т.д.) соответственно больше.

• Напряжение на двигателе/изоляция обмоток:
Выходной сигнал инвертора с ШИМ на IGBT транзисторах содержит крутые фронты напряжения, которые в случае длинного моторного кабеля (> 10 м) могут привести к 2-кратным пиковым перенапряжениям на двигателе. В результате этого увеличивается воздействие на изоляцию обмоток двигателя, что может привести к её старению и пробою. Эту ситуацию можно исправить, применив двигатель с повышенным классом изоляции, или поставив на выходе преобразователя частоты, дроссель.

• ЭМС:
Электромагнитная эмиссия в частотно-регулируемых приводах, особенно связанная с длинным кабелем, может потребовать применение дополнительных мер и оборудования.

• Влияние на напряжение сети:
Линейные токи приводов постоянного тока с 6-пульсным тиристорным мостом будут всегда содержать кроме основной гармоники еще 5-ю, 7-ю, 11-ю и 13-ю гармоники в соответственном процентном отношении: 22 %, 14 %, 9 %, 7.6 %. В случае работы нескольких приводов постоянного тока, подключенных у одному источнику сетевого напряжения, они немного уравновесят друг друга за счет различной фазовой последовательности, и общее искажение сетевого напряжения будет снижено. В преобразователях частоты переключение IGBT транзисторов практически не создает низкочастотных гармонических искажений, но существенными являются высокочастотные составляющие.

• Реактивная мощность:
Оба типа приводов (ППТ и ЧПП) потребляют реактивную мощность из сети. Её размер не значителен в частотно-регулируемых приводах, а в приводах постоянного тока более значителен и зависит от частоты вращения двигателя. Предпочтение в этом вопросе имеют частотные приводы.

Значения, полученные эмпирическим путем для приводов постоянного тока:
1-кварантные приложения — cos ≈ 0. 0.9
4-квадрантные приложения — cos ≈ 0. 0.85

Значения, полученные эмпирическим путем для частотно-регулируемых приводов:
1-кварантные приложения (с диодным входным мостом) — cos ≈ 0.99
4-квадрантные приложения (с тиристорным входным мостом и рекуперацией в сеть) — cos ≈ 0.9

Модернизация существующих приводов постоянного тока.

Когда возникает вопрос о том, стоит ли модернизировать существующий привод постоянного тока или дешевле его полностью заменить на электропривод переменного тока, надо подойти к этому вопросу взвешенно и рассмотреть все аргументы и «за» и «против».

В основном доступно несколько уровней модернизации:

  • Полная замена привода постоянного тока (преобразователя и двигателя) на новый современный привод постоянного тока.
  • Замена только преобразователя, если двигатель в хорошем состоянии.
  • Замена одного из модулей преобразователя на новый.
  • Замена аналоговой управляющей электроники на цифровую без изменения силовой части (рекомендуется только на мощностях более 1 МВт).
  • Полная замена всей приводной системы на частотно-регулируемый привод.

Отвечая на вопрос, о том какой подход выбрать в каждом конкретном случае, важно оценить ряд критериев:

  • Может ли появиться потребность в изменении привода в будущем (изменяться тип или характер нагрузки, условия эксплуатации, и т.д.)?
  • В каком состоянии находятся индивидуальные компоненты системы (надежность, возраст, эксплуатационные затраты)?
  • До принятия решения о замене привода постоянного тока на ЧРП учтите следующие пункты:
  • Издержки на прокладку новых кабелей.
  • Место для размещения преобразователя частоты.
  • Потребуется ли замена коммутационной аппаратуры?
  • Возможность и сложность механического монтажа нового двигателя
  • Продолжительность всех работ по замене приводов.

    Сравнение цен приводных систем постоянного и переменного тока

    (преобразователь + двигатель или полный шкаф управления + двигателя)
    На основании сегодняшних цен на приводы постоянного и переменного тока, с учетом указанных выше преимуществ и недостатков различных решений, можно руководствоваться следующей оценкой:
    1-квадрантные приводы 15 kW → ППТ менее дорогие

    Заключение

    Основным недостатком аналогового привода постоянного тока является низкая помехоустойчивость, сложность в настройке и нестабильность параметров. В качестве датчика обратной связи по скорости применяется тахогенератор, имеющий те же недостатки, что и коллекторный двигатель. Для реверсивных приводов после тахогенератора приходится устанавливать диодный мост, что ограничивает диапазон регулирования на малых скоростях из-за пропадания обратной связи. В случае синхронизации механизмов с различными приводами в режиме «ведущий – ведомый» частотный преобразователь намного предпочтительней, т.к. в качестве датчика скорости применяются цифровые датчики типа энкодера, резольвера или sin/cos преобразователи, что позволяет строить системы с электрическими валами. Наличие дополнительных устройств (опций) частотных преобразователей позволяют наращивать функции последних: увеличивать число входов выходов, использовать современные шины и протоколы обмена, применять привод в устройствах позиционирования, следить за температурным режимом двигателя и привода, использовать привод в режиме виртуального кулачка (переменная скорость вращения за один оборот вала) и многое другое.

    Современные микроконтроллеры, управляющие частотным преобразователем, позволяют обрабатывать данные за период в несколько десятков микросекунд, (десять лет назад это время составляло 200 мС), что позволило расширить диапазон регулирования с обратной связью до 1:1000 с точностью поддержания скорости 0,2 оборота во всем диапазоне, что приближает частотные приводы к сервоприводам.

    Однако, учитывая устойчивый рост рынка регулируемых приводов, ожидается, что объем рынка приводов постоянного тока останется более или менее устойчивым в течение некоторого периода. Это представление подтверждено последними исследованиями рынка.

    Сравнение двух типов приводных систем, сделанное в данном обзоре, показывает, что вопрос о том, является ли правильным выбор привода постоянного или переменного тока, целиком зависит от конкретного применения.

    • Должен быть обеспечен режим работы в 4-х квадрантах с рекуперацией?
    • Предполагается продолжительная работа на низкой скорости?
    • Требуется меньшее выделение тепла преобразователем?
    • Предполагаются частые динамичные разгоны и торможения?
    • Требуется широкий диапазон скоростей при постоянной мощности (>1:1.5)?
    • Устраивает степень защиты двигателя

    Похожие статьи:

    • Резисторы на 220 вольт Резистор металлокерамический 30W/R50K (0.5 OM) (9) INMIG150, 180 WESTER Самовывоз (8) Рязань г, Яблочкова проезд д.6, пункт выдачи «220 Вольт», оплата при получении Рязань г, Яблочкова проезд д.6, пункт выдачи «220 Вольт», по […]
    • Заземление в щитке частного дома Заземление в щитке частного дома Назначение защитного заземления При пробое изоляции питающего провода на металлическом корпусе незаземлённого прибора появляется потенциал. Если дотронуться к такому устройству, то можно получить удар […]
    • Можно ли подключить узо без заземления Подключение УЗО без заземления Специальные устройства защитного отключения (УЗО) рекомендуют устанавливать там, где существует высокая вероятность поражения током. Задачей устройства является оперативное отключение всего электрического […]
    • Электропроводка без гофры Кабель без гофры. Почему нельзя и когда можно. Каждый, кто сталкивается с монтажом электропроводки в доме, обязательно задается тремя вопросами: нужна ли гофра на потолке нужна ли гофра в стенах и третий, самый главный, а можно […]
    • Для чего нужно заземление компьютера Зачем нужно заземление в розетке Содержание статьи Зачем нужно заземление в розетке Где взять заземление в "хрущевке" Как определить фазу ноль Что происходит, если используется незаземленная розетка? Из школьного курса физики, […]
    • Компрессор 220 вольт москва Компрессоры Коаксиальные FIAC Компрессоры Fiac с прямым приводом Общая схема конструкции коаксиального поршневого компрессора с прямой передачей напоминает конструкцию обычного велосипедного насоса. Тот же поршень, привод и цилиндр, […]