Двигатели переменного тока широко распространены в промышленности – они легко управляются частотно-регулируемым приводом и не требуют обслуживания, которое требуется для щеток постоянного тока. Так почему же двигатели постоянного тока все еще используются в определенных областях?
Двигатель постоянного тока
Все двигатели работают по принципу переключения сил магнита для вращения вала. Двигатель постоянного тока использует постоянный ток, подаваемый на коммутатор через фрикционные щетки, переключая подаваемый ток на обмотки с переменной полярностью, аналогично переменному току, а скорее прямоугольному сигналу положительного и отрицательного напряжения. Это создает переменный электромагнит, который взаимодействует с постоянными магнитами на роторе, постоянно притягивая, а затем отталкивая, чтобы обеспечить вращательное движение.
Таким образом, двигатель постоянного тока во многом похож на двигатель переменного тока с регулярно меняющейся полярностью питания, но для модели постоянного тока требуется несколько дополнительных компонентов. Таким образом, возникает вопрос: если двигатель постоянного тока выполняет ту же задачу, что и двигатель переменного тока, но с дополнительным оборудованием, которое производит тепло, трение и пыль, необходимые для технического обслуживания, зачем тогда вкладывать средства в сложную систему управления двигателем постоянного тока, когда вы можете легко купить двигатель переменного тока?
Существуют ли также недостатки у двигателей переменного тока?
Каждый двигатель занимает свое место в отрасли. Промышленные двигатели переменного тока обычно работают с трехфазным промышленным электрическим током и не требуют специального привода или схемы управления, достаточно контактора двигателя. Для двигателя постоянного тока требуется модифицированный электрический ток, который необходимо преобразовать из переменного тока, а также контроллер для изменения скорости и направления двигателя.
Двигатель переменного тока не обходится без своих недостатков. Если вам действительно необходимо контролировать скорость двигателя переменного тока, прямого контактора на линии (или через линию) будет недостаточно. Должна использоваться переменная частота, и это может быть дорого для моделей с большой мощностью. Частотно-регулируемый привод (ЧРП) изменит частоту подаваемого переменного тока, чтобы изменить скорость двигателя. Если скорость уменьшить слишком сильно, двигатель может перегреться, так как обычно вентилятор охлаждения напрямую соединен с выходным валом.
Поскольку затраты на проектирование и создание электроники с годами снизились, двигатель переменного тока, приводимый в движение частотно-регулируемым приводом, занял предпочтительное место во многих системах, что является показателем улучшенной управляемости и эффективности этих устройств.
Характеристики крутящего момента двигателя постоянного тока на низкой скорости
Одним из основных заявленных преимуществ двигателя постоянного тока является высокие рабочие характеристики на низких скоростях. Они, безусловно, могут работать и на высоких скоростях, но если нагрузка должна постоянно быстро регулировать скорость или требуется более высокий крутящий момент на низкой скорости (возможно, требуется много времени для разгона), двигатель постоянного тока может быть предпочтительным выбором.
Снижение скорости достигается либо за счет снижения напряжения, либо, чаще, за счет подачи импульсного сигнала полного напряжения, называемого широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Двигатели постоянного тока также легко переключаются из-за меньшей инерции вращения при перепутывании питающих проводов. Эта низкоскоростная характеристика крутящего момента обусловлена током, пропускаемым через якорь. При вращении на низкой скорости щетки будут находиться в контакте с якорем почти половину оборота двигателя, обеспечивая полный ток для половины оборота двигателя в каждом направлении. Сравните это с типичным сигналом переменного тока, где напряжение только на мгновение остается полностью положительным или полностью отрицательным, прежде чем снова уменьшиться до чередующегося. На высоких скоростях быстрое время перехода сигнала переменного тока более сравнимо с быстрым переходом очищенного сигнала постоянного тока.
По мере увеличения скорости двигателя постоянного тока катушки якоря действуют как индуктор, заряжаемый источником постоянного напряжения. Когда этот индуктор теряет напряжение источника постоянного тока при коммутации щеток, он создает обратное напряжение (иногда называемое обратноходовым), сводя на нет некоторое количество напряжения источника. По мере увеличения скорости увеличивается и обратное напряжение, что вызывает уменьшение тока и последующее уменьшение крутящего момента, которого не было на низких скоростях. Этот эффект можно увидеть, (безопасно) используя осциллограф для просмотра напряжений обмотки по сравнению с землей.
Управление двигателем постоянного тока
Эксплуатация и управление двигателем постоянного тока будет сильно зависеть от размера двигателя. В этой статье речь пойдет в основном о крупных промышленных двигателях, хотя некоторые двигатели постоянного тока для хобби могут использовать те же общие элементы управления. Как и в случае с другими типами промышленных двигателей, серводвигателей или двигателей переменного тока, на рынке существуют специальные приводы для питания и управления двигателями от разных производителей.
Siemens производит свою серию приводов Sinamics DCM, которые полностью интегрированы в свое программное обеспечение для программирования TIA Portal. Allen Bradley и Rockwell Automation предлагают приводы постоянного тока PowerFlex, которые также взаимодействуют с их программным обеспечением. С этими конкретными приводами вам нужно только подключить их к сети машины, и ПЛК сможет обмениваться данными по сети. Внутри программного обеспечения для программирования предоставляются простые структуры данных для пуска, останова и изменения скорости двигателя, а также многие другие параметры управления и обратной связи, как и в случае управления двигателем с ЧРП. Эти приводные устройства могут быть довольно большими и потребуют существенного охлаждения внутри шкафа для приложений с большими токами. Обычно они монтируются на объединительной плате электрического шкафа и подключаются к коммуникационной технологии Fieldbus поставщика. На рынке также есть более простые решения, которые предлагают несетевое управление скоростью и направлением с помощью переключателей и циферблатов, а некоторые могут даже принимать аналоговые и цифровые входы для скорости и направления.
Где используются двигатели постоянного тока?
Характеристики крутящего момента на низких скоростях делают двигатели постоянного тока идеальными для перемещения тяжелых грузов на относительно низких скоростях, таких как мостовые краны, лифты или любое технологическое оборудование с большой массой, для ускорения которого требуется огромное усилие. Для вентиляторов и насосов требуется возможность быстрой и простой регулировки скорости, как и для двигателей в электромобилях, и двигатель постоянного тока может легко выполнить это требование.
Следует также отметить, что конструкции оригинального оборудования также могут использовать преимущества характеристик двигателя. Для этих низкоскоростных приложений также можно использовать высокоскоростной двигатель в сочетании с цепным или зубчатым приводом для снижения выходной скорости и увеличения крутящего момента. По этой причине практически невозможно заявить, что какой-либо двигатель «должен» или «не должен» использоваться в определенных приложениях.
Итоги
Как видите, хотя принцип работы двигателя постоянного тока очень старый, он по-прежнему является очень эффективным инструментом во многих приложениях. Автоматизированные отрасли приняли и научились работать с недостатками двигателя постоянного тока и смогли сделать его таким же доступным и управляемым, как и его аналог переменного тока.
© digitrode.ru