Мототехника — Проектирование бытовой техники
Регулируемая скорость двигателя постоянного тока: рабочее руководство для проектировщиков и покупателей
Двигатели постоянного тока с регулируемой скоростью обеспечивают более широкий диапазон скоростей, более тихую работу на низких скоростях и лучшую эффективность при частичной нагрузке — когда двигатель, драйвер и тепловая конструкция указаны как одна система.
Производитель вытяжек тестирует двигатель постоянного тока на 120 В для новой кухонной линии. Краткое описание требует трех скоростей извлечения, строгого ограничения шума на низкой скорости и контроллера, который поддерживает скорость при загрузке фильтра. В другой лаборатории производитель воздухоохладителей хочет получить двигатель, скорость которого может снижаться до трети номинальной для работы в ночное время без перегрева.
Обе команды задаются одним и тем же вопросом: как на самом деле работает двигатель постоянного тока с регулируемой скоростью и что должно быть указано в спецификации до того, как будет выпущен первый образец? Короче говоря, ответ таков: скорость зависит от напряжения, крутящий момент следует за током, и контроллер решает, насколько сильно они удерживаются. Эффективность, шум и срок службы зависят от того, насколько хорошо эти три параметра согласованы.
Что делает двигатель постоянного тока с регулируемой скоростью
В двигателе постоянного тока с постоянными магнитами скорость пропорциональна напряжению, приложенному к якорю, а крутящий момент пропорционален току якоря. Уменьшите среднее напряжение, и двигатель замедлится; поднимите его, и двигатель наберет номинальную скорость. Именно это почти линейное поведение является причиной того, что двигатели постоянного тока являются естественной основой для приборов с регулируемой скоростью — в цепи нет вращающегося поля для синхронизации и преобразователя частоты.
У картины есть вторая половина. Под нагрузкой каждый настоящий двигатель слегка замедляется из-за сопротивления обмотки, а в щеточных конструкциях — из-за потерь в щетках. Контроллер с разомкнутым контуром, который только устанавливает уровень напряжения, не может исправить это падение. Для вентиляторов и воздуходувок, где несколько процентов дрейфа невидимы, приемлема работа с разомкнутым контуром. Для вытяжки, которая должна поддерживать минимальный объем воздуха, или для воздушного охладителя, пропускающего воздух через влажные подушки, управление с замкнутым контуром стоит дополнительных затрат.
Напряжение определяет окно скорости, ток определяет крутящий момент, а обратная связь решает, сдержит ли двигатель свои обещания при изменении нагрузки.
Каждый разговор с поставщиком двигателей определяется тремя терминами:
- Диапазон скоростей — отношение минимальной полезной скорости к номинальной скорости, часто указываемое как 5:1 или 20:1. Более широкое передаточное число требует драйвера, рассчитанного на устойчивость на низких скоростях.
- Рабочий цикл — работает ли двигатель постоянно на минимальной скорости или только через короткие промежутки времени. Это определяет тепловой расчет.
- Регулирование — падение скорости от холостого хода до полной нагрузки при фиксированной настройке, выраженное в процентах. Системы с замкнутым контуром демонстрируют гораздо более низкое регулирование, чем системы с открытым контуром.
Основные способы управления скоростью двигателя постоянного тока
В производственных приборах появляются три метода управления. Они различаются по стоимости, эффективности, уровню шума и крутящему моменту.
Линейное управление напряжением
Переменный резистор или линейный регулятор снижает напряжение, воспринимаемое якорем. Концепция проста и дешева, но отбрасываемая энергия превращается в тепло в приборе, и эффективность падает при снижении скорости. Он подходит любителям ультра-дешевизны и редко бывает продуктом, который работает часами.
Широтно-импульсная модуляция
Широтно-импульсная модуляция полностью включает и выключает источник питания на фиксированной частоте — обычно от 8 до 25 кГц — и изменяет рабочий цикл. Двигатель испытывает более низкое среднее напряжение, когда коммутационное устройство либо полностью включено, либо полностью выключено, поэтому потери драйвера остаются небольшими. ШИМ в настоящее время является стандартным методом регулирования скорости двигателей постоянного тока, включая бесщеточные двигатели постоянного тока, поскольку он сочетает в себе эффективность с широким диапазоном регулирования.
Управление с обратной связью по замкнутому контуру
В систему управления с обратной связью добавляется датчик скорости — датчик Холла, энкодер или схема обнаружения обратной ЭДС — поэтому водитель сравнивает фактическую скорость с заданным значением и регулирует ШИМ в реальном времени. Двигатель сохраняет скорость при нагрузке крыльчатки, при засорении фильтра или при просадке напряжения питания. Бесщеточные двигатели постоянного тока в любом случае полагаются на эту электронную коммутацию, поэтому они предлагают плоскую кривую крутящего момента в широком диапазоне скоростей.
| Метод | Эффективность | Удержание скорости | Типичное использование |
|---|---|---|---|
| Линейное напряжение | Низкий; тепло поднимается с низкой скоростью | Плохо работает под нагрузкой | Недорогие вентиляторы |
| ШИМ с открытым контуром | Высокий | Хорошо работает при постоянной нагрузке | Вентиляторы охлаждения, воздуходувки |
| ШИМ с обратной связью | Высокий | Отлично работает при различной нагрузке | Вытяжки, воздухоохладители |
Для большинства устройств ШИМ-драйвер с обратной связью с обратной связью обеспечивает наилучший баланс поведения и стоимости. Заказ двигателя и привода в виде одного согласованного комплекта у одного поставщика позволяет избежать несоответствий, которые вызывают шум, заедание и преждевременный выход из строя.
Риск превышения скорости: Двигатель постоянного тока, выходя за пределы номинального напряжения или номинальной скорости (даже на короткое время), приводит к резкому увеличению нагрузок на подшипники, износу щеток и центробежному напряжению. Прежде чем приступать к каким-либо испытаниям на выносливость, подтвердите ограничение тока и максимальную мощность драйвера.
Переменная скорость постоянного тока и переменная скорость переменного тока
Асинхронные двигатели переменного тока также могут работать с переменной скоростью, но оборудование тяжелее. Однофазный двигатель с конденсаторным питанием нуждается в регулировании фазы; трехфазному двигателю необходим преобразователь частоты. В обоих случаях крутящий момент падает на низкой скорости, если только двигатель не спроектирован специально, а классические однофазные конструкции имеют тенденцию гудеть или заедать, когда требуется работать на скорости намного ниже номинальной.
| Характеристика | Двигатель переменного тока с фазовым регулированием/ЧРП | Двигатель постоянного тока или бесщеточный двигатель постоянного тока |
|---|---|---|
| Диапазон скоростей | Более узкий в нижней части | Широкий, до 20:1 с драйвером |
| Низкоскоростной крутящий момент | Капли без специального дизайна | Поддерживается с учетом обратной связи BLDC |
| Низкоскоростной шум | Возможно гул или заедание | Снижение механического и электрического шума |
| Сложность драйвера | Высокийer for smooth control | Умеренный драйвер ШИМ |
| КПД при частичной нагрузке | Нижний | Высокийer |
Компромисс не является абсолютным. Двигатели переменного тока остаются хорошим выбором для приложений с фиксированной скоростью и высокой мощностью. Но когда в задании требуется любая скорость между X и Y, тихая работа на низкой скорости и ограниченный энергетический баланс, практическим инженерным ответом становится регулируемая скорость постоянного тока.
Что проверить, прежде чем выбрать двигатель постоянного тока с регулируемой скоростью
В таблице данных отражено стационарное поведение, а не поведение в полевых условиях. Приведенные ниже проверки отделяют мотор, работающий на производстве, от мотора, вышедшего из строя через первые месяцы эксплуатации.
- Самая низкая постоянная скорость с самоохлаждением. Двигатель, охлаждаемый собственным вентилятором, нагревается сильнее при уменьшении потока воздуха. Укажите минимальную скорость в спецификации и на этом этапе выполните испытание с установленным реальным рабочим колесом.
- Совместимость драйверов. Частота ШИМ, ограничение тока и режим плавного пуска должны соответствовать двигателю. Смешивание компонентов из разных источников является наиболее распространенной причиной отказов регулируемой скорости в небольших бытовых приборах.
- Крутящий момент в рабочей точке. Двигатель, который хорошо запускается на номинальной скорости, может развивать слишком малый крутящий момент на одной трети скорости. Прежде чем заморозить проект, сравните кривую нагрузки рабочего колеса с кривой крутящего момента двигателя.
- Шум на каждом шаге скорости. Электромагнитный шум меняется в зависимости от частоты и скорости ШИМ. Если изделие имеет предел шума, измеряйте его с помощью производственного контроллера, а не с помощью лабораторного источника питания.
- Сертификация в режиме контроля. Знаки CE, UL, CQC и другие имеют смысл только в том случае, если они охватывают режим управления скоростью и предполагаемый рабочий цикл. Попросите протокол испытаний, а не только сертификат.
Примечание по вентиляторной нагрузке: Требуемый крутящий момент крыльчатки возрастает примерно пропорционально квадрату скорости. Таким образом, при работе на низкой скорости легче контролировать крутящий момент и труднее охлаждать, поэтому термические испытания на минимальной скорости имеют большее значение, чем проверка статического крутящего момента.
Переменная скорость на практике: воздухоохладители и вытяжки
Двигатели воздушного охлаждения
Испарительный воздухоохладитель протягивает воздух через влажные подушки, поэтому весь продукт представляет собой вентилятор. Регулировка скорости позволяет использовать его круглосуточно: высокая для быстрого охлаждения, средняя для обычного использования, низкая для спален. Слишком маленькая скорость останавливает поток воздуха; слишком много создает шум и перенос воды.
Тепловое предупреждение: Прежде чем утверждать образец, подтвердите минимальную непрерывную скорость у поставщика. Двигатель, который работает в холодном состоянии при 1300 об/мин, может превысить температуру класса изоляции при 400 об/мин, когда поток воздуха в корпусе низкий.
Моторы капота
Вытяжке нужен противоположный акцент. Двигатель должен сохранять свою скорость, когда воздуховод длинный, фильтр загружен или другое устройство снижает напряжение в сети. Бесщеточный двигатель постоянного тока с замкнутым контуром поглощает эти изменения без механической регулировки и позволяет производителю назначать каждую ступень скорости определенному целевому уровню шума или воздушного потока.
Поставщик двигателей постоянного тока для небольших вытяжек для стабильного воздушного потока В этом списке поставщиков представлены бесщеточные двигатели постоянного тока, подходящие для вытяжек, где регулирование скорости с обратной связью помогает поддерживать поток воздуха при сопротивлении воздуховода, нагрузке фильтра и изменениях напряжения. Полезно для сравнения эффективности и вариантов привода двигателя. Посмотреть продукт → Преимущество в эффективности по сравнению с традиционным двигателем переменного тока увеличивается на частичной скорости, что важно для продукта, который работает часами. Сравнение эффективности двигателя постоянного тока вытяжки охватывает цифры при реальных нагрузках на приготовление пищи, а Каталог двигателей переменного и постоянного тока перечисляет проверенные пары двигатель-драйвер для этих приложений.
Измеренный результат: Согласованная пара двигатель-драйвер с ШИМ с замкнутым контуром потребляет меньше энергии на частичной скорости, чем двигатель переменного тока с фазовым управлением, выделяя при этом меньше тепла внутри устройства. Оба эффекта улучшают результаты энергетических испытаний и срок службы близлежащих компонентов.
Регулируемая скорость двигателя постоянного тока не является однокомпонентным решением. Двигатель, ШИМ-драйвер и тепловое поведение на минимальной скорости действуют как одна система, поэтому спецификация должна относиться к ним именно так. Сначала определите диапазон скоростей, проверьте крутящий момент на реальном рабочем колесе, выберите контроллер от того же поставщика и протестируйте его в реальном рабочем цикле. Именно эта дисциплина превращает многообещающий двигатель на бумаге в надежный продукт в полевых условиях.
++86 13524608688
