Каковы основные недостатки использования двигателя переменного тока по сравнению с двигателем постоянного тока в моем приложении?

Прямой ответ: где двигатели переменного тока уступают двигателям постоянного тока

В большинстве приложений двигатель переменного тока его труднее точно контролировать, он обеспечивает меньший пусковой момент на единицу размера и требует более дорогой управляющей электроники. чем аналогичный двигатель постоянного тока. Если ваше приложение требует точного регулирования скорости, мгновенного крутящего момента при нулевых оборотах или простого управления по напряжению от аккумулятора, двигатель постоянного тока обычно является более практичным выбором. Двигатели переменного тока по-прежнему выигрывают за счет надежности и длительного обслуживания, но это преимущество достигается за счет простоты управления, что является основным недостатком, с которым пользователи сталкиваются снова и снова.

В оставшейся части этой статьи подробно объясняется, почему двигатели переменного тока создают эти проблемы, используя конкретные технические причины, а не расплывчатые общие сведения, чтобы вы могли решить, имеют ли компромиссы смысл для вашей конкретной установки.

Контроль скорости существенно сложнее

Скорость двигателя переменного тока напрямую зависит от частоты источника питания и количества полюсов двигателя по формуле N = 120f/P. Это означает, что, если вы не измените частоту, скорость двигателя останется близкой к синхронному значению, лишь слегка падая под нагрузкой из-за скольжения. Двигатель постоянного тока, напротив, меняет скорость почти линейно в зависимости от приложенного напряжения, что упрощает замедление, ускорение или точную настройку с помощью простого потенциометра или базового контроллера.

двигатель переменного тока

Почему это важно на практике

Если вашему приложению необходимо работать на какой-либо другой скорости, кроме фиксированной, двигатель переменного тока не сможет сделать это сам по себе. Вам понадобится преобразователь частоты (ЧРП) для электронной регулировки частоты, а это добавляет уровень сложности, который просто не требуется системе постоянного тока. Даже при наличии частотно-регулируемого привода реакция управления редко бывает такой плавной и быстрой, как у двигателя постоянного тока.

• Скорость двигателя переменного тока квантуется количеством полюсов и частотой сети и не регулируется свободно.
• Скорость двигателя постоянного тока напрямую и предсказуемо реагирует на изменения напряжения.
• Достижение переменной скорости переменного тока обычно добавляет От 15% до 30% от общей стоимости системы как только VFD включен

Более слабый пусковой момент и менее предсказуемое управление крутящим моментом

Стандартные асинхронные двигатели переменного тока обычно создают пусковой момент всего лишь От 150% до 250% номинального крутящего момента , и этот крутящий момент не доступен в полной мере до тех пор, пока ротор не начнет проскальзывать против вращающегося магнитного поля. Двигатель постоянного тока, особенно с последовательной обмоткой, может развивать очень высокий крутящий момент прямо из состояния покоя, поэтому двигатели постоянного тока по-прежнему широко распространены в таких устройствах, как лифты, краны и электромобили, где важна мгновенная тяговая мощность.

Практическое влияние на тяжелые нагрузки

Если ваша нагрузка имеет высокое статическое трение или ей необходимо немедленно начать движение при полной нагрузке, двигатель переменного тока может заглохнуть или потреблять чрезмерный ток, пытаясь преодолеть это первоначальное сопротивление. Инженерам часто приходится увеличивать мощность двигателя переменного тока только для того, чтобы гарантировать достаточный пусковой момент, что увеличивает как физическую площадь, так и электрическую потребность системы по сравнению с альтернативой постоянного тока правильного размера.

Более высокие затраты из-за необходимой управляющей электроники

Базовый двигатель переменного тока сам по себе стоит недорого, но в тот момент, когда вашему приложению требуется регулирование скорости, плавный пуск или точное позиционирование, истинная стоимость проявляется в аппаратном обеспечении управления. ЧРП, устройства плавного пуска и энкодеры, необходимые для обеспечения предсказуемого поведения двигателя переменного тока, могут удвоить или утроить общую стоимость системы относительно базовой цены двигателя. Системы двигателей постоянного тока, особенно небольшие, часто не требуют ничего, кроме простого ШИМ-контроллера для достижения аналогичной функциональности.

Куда идут дополнительные расходы

1. Частотно-регулируемые приводы для регулировки скорости
2. Энкодеры или резольверы для обратной связи по положению
3. Фильтры гармоник для очистки шума, создаваемого приводом
4. Дополнительное пространство для шкафа и охлаждение приводной электроники

Ни одна из этих затрат не исчезает после установки — частотно-регулируемые приводы и приводы требуют собственного обслуживания, обновлений прошивки и периодической замены, что добавляет периодические расходы, которых позволяет избежать более простой контур управления двигателем постоянного тока.

Проблемы с качеством электроэнергии: пусковой ток, коэффициент мощности и гармоники

Двигатели переменного тока, особенно асинхронные, потребляют пусковой ток, который может достигать в шесть-восемь раз больше номинального рабочего тока . Этот пусковой ток может вызвать провалы напряжения в линии питания, срабатывание защитных выключателей или трансформаторов напряжения, если несколько двигателей запускаются одновременно. Двигатели постоянного тока обычно имеют более контролируемый пусковой ток, поскольку управляющее напряжение можно постепенно увеличивать.

Ухудшение коэффициента мощности

Асинхронные двигатели переменного тока также потребляют реактивную мощность, что снижает общий коэффициент мощности электрической системы, особенно когда двигатель работает при небольшой или частичной нагрузке. Плохой коэффициент мощности увеличивает расходы на коммунальные услуги во многих коммерческих условиях и может потребовать для коррекции конденсаторных батарей — еще одна затрата, которую обычно избегают системы двигателей постоянного тока.

Дополнительные проблемы при проектировании небольших электродвигателей переменного тока и мини-двигателей переменного тока

Недостатки двигателей переменного тока становятся еще более выраженными в небольших масштабах. Однофазный небольшой электродвигатель переменного тока не может генерировать вращающееся магнитное поле самостоятельно, как это может трехфазный двигатель, поэтому ему нужны вспомогательные компоненты, такие как пусковые конденсаторы, заштрихованные полюса или обмотки с расщепленной фазой, чтобы только начать вращаться. Эти дополнения увеличивают сложность производства и снижают надежность по сравнению с двигателем постоянного тока аналогичного размера, который надежно запускается от простого двухпроводного соединения.

A мини-двигатель переменного тока используемый в компактных приборах или портативном оборудовании, также имеет тенденцию работать менее эффективно при низких номинальных мощностях, поскольку фиксированные потери, такие как потери в сердечнике и трение, составляют большую долю общей входной мощности, когда сам двигатель небольшой. Проектировщики, работающие с мини-двигателями переменного тока, часто обнаруживают, что добиться плавной регулируемой скорости в компактном корпусе гораздо сложнее, чем с двигателем постоянного тока эквивалентного размера, что является одной из причин, по которой двигатели постоянного тока доминируют в портативных инструментах с батарейным питанием, дронах и небольшой робототехнике.

Совместимость с источниками питания постоянного тока

Двигатель переменного тока и двигатель постоянного тока: параллельное сравнение

Когда двигатель постоянного тока имеет больше смысла для вашего приложения

Учитывая недостатки, изложенные выше, двигатель постоянного тока, как правило, лучше подходит, когда ваше приложение предполагает любое из следующих условий:

• Вам нужна точная, бесступенчатая регулировка скорости без добавления частотно-регулируемого привода.
• Нагрузка требует сильного крутящего момента сразу при запуске.
• Ваш источник питания по своей природе является постоянным током, например, батареи или солнечные панели.
• Бюджетные ограничения исключают дорогую приводную электронику
• Приложение компактно, например, замена мини-двигателя переменного тока в портативном оборудовании, где вес инвертора является проблемой.