Привод и двигатель в чем разница

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

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):

ППТ

• 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.

ЧРП

• 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. 1:1.5)?
• Устраивает степень защиты двигателя < IP54? Работа в незагрязненной среде?
• Есть возможность обеспечения периодического обслуживания двигателя?
• Требуются компактные размеры и небольшая масса преобразователя и двигателя?

Чем на большее количество вопросов Вы ответили «Да», тем актуальнее для Вас использование привода постоянного тока!

Применение частотных преобразователей Optidrive E2 в Modbus сетях

Электропривод – переменного или постоянного тока?

Выбор и применение частотно-регулируемого электропривода мощностью до 500 кВт на производственных объектах газовой промышленности.

© ИНТЕХНИКС. Все права защищены. Для копирования текстов и иллюстраций сайта необходимо предварительное согласие правообладателей.

Поставка электроприводной техники и средств промышленной автоматизации: частотные преобразователи, сервоприводы, приводы постоянного тока, устройства плавного пуска, контроллеры и датчики давления.

Какой привод в стиральной машине лучше: прямой или ремённый?

Вкратце расскажу о принципиальных отличиях этих видов привода барабана.

Прямой привод (технология Direct Drive): вал барабана соединён с ротором двигателя, то есть двигатель сразу начинает вращать барабан. Ремённый привод: двигатель закреплен на баке, вращение барабану передаётся через резиновый ремень с помощью шкивов. Чтобы не углубляться в технические тонкости, рассмотрим статистику ремонтов того и другого типов привода на примере корейского производителя LG.

Немного статистики

Компания постепенно отказалась от ременной передачи в пользу прямого привода. При этом нельзя сказать, что в результате машины стали надежнее. Моторы старой конструкции до первого ремонта (замена щёток) служат лет 13-16, в зависимости от нагрузки на них. В инверторных моторах (установленных в прямом приводе и имеющих 10-летнюю гарантию) проблемы с датчиком Холла (датчик оборотов) возникают уже годам к 8-10.

Возможно, производитель исправит этот дефект в дальнейшем. К достоинствам прямого привода можно отнести, безусловно, то, что он работает тише ремённого. Он не жужжит, не щёлкает, а лишь тихонько «мычит». Подшипники «летят» и в том, и в другом исполнении с одинаковой частотой.

Всё определяется наличием сильной накипи внутри бака: сначала сдаётся резиновый сальник, следом — подшипники. Как следствие, вода, просочившаяся из подшипникового узла, капает на мотор и на контакты ТЭНа, что приводит к короткому замыканию, возгоранию и прочим неприятностям. Другими словами, вода может легко погубить оба типа привода.

Поэтому не затягивайте с вызовом мастера, если слышите гул и прочий шум при отжиме!

А вот крестовины барабана ломаются на прямом приводе в разы чаще, чем на ремённом. Любопытно, что крупнейшие производители бытовой техники, такие как Bosch, Samsung, Hotpoint и другие не спешат отказываться от ремённой передачи, переходя на инверторные технологии.

Сравнительный анализ на основе опыта использования

Мне довелось попользоваться техникой LG как с прямым приводом, так и с ремнем. Существенных различий в стабильности работы у них я не заметил. Оба варианта были корейской сборки, немного б/у. При отжиме на 1000-1200 оборотах и та и другая машины были склонны к смещению, несмотря на то, что были выставлены по уровню на плитке. На 800 оборотах вели себя приличнее.

В заключение хотелось бы сказать, что тип привода не должен быть определяющим при выборе стиральной машины

Чем отличается редуктор от мотор-редуктора

Использование различных промышленных систем и узлов практически никогда не обходится без редукторной части. Подобный агрегат позволяет преобразовывать вращающий момент и тем самым обеспечивает высокую эффективность всего оборудования. Существуют редукторы и мотор-редукторы: подобные механизмы различаются принципом работы, конструкцией, сферами применения. Разберемся, чем отличается редуктор от мотор-редуктора и в каких случаях используется каждый из типов изделий.

Навигация по статье
Конструктивные особенности приводов
Отличия оборудования
Применение
Выбор механизма

Конструктивные особенности приводов

Оборудование, в котором движение узлов происходит за счет электродвигателя, называется приводной техникой. В стандартном варианте она состоит из привода, двигателя и редуктора. Если говорить о стандартном механизме, то он является полностью автономным механизмом. Это дает ряд преимуществ при использовании. Например, при выходе техники из строя не потребуется менять все целиком – потребуется замена только поврежденного узла. Однако конструкция получается довольно громоздкой, кроме этого, она требует длительного поэтапного монтажа. В мотор-редукторах в едином корпусе объединено сразу несколько компонентов, за счет чего агрегат более компактен и технологичен. Однако выход из строя одного из элементов грозит заменой всей системы. Связано это с тем, что редукторный механизм в составе такого механизма имеет нестандартную конструкцию, также присутствует сложное соединение двигателя и самого механизма.

Отличия оборудования

• Тип передачи.
• Размеры присоединительных элементов.
• Частота вращения выходного вала.
• Конструктивные особенности.
• Комплектация.
• Особенности нагрузки.
• Тип используемой смазки.

Редукторы применяются практически повсеместно – их можно встретить в различных станках, лентах, производственном оборудовании. Выступая как отдельное устройство, такой агрегат позволяет согласовать режимы работы целевого оборудования с источником вращательного момента.

Однако мотор-редукторы считают более эффективными. Системы обеспечивают небольшой крутящий момент и относительно высокую скорость вращения вала. Изделия нашли применение в различной промышленной технике, в которой требуется упростить конструкцию устройств и одновременно снизить их стоимость. Благодаря моноблочной конструкции подобный механизм более популярен на производственных объектах.

Как мы уже отметили, конструктивно мотор-редуктор представляет собой единый блок, в котором объединены электродвигатель и преобразователь скоростей. Это позволяет закладывать одно место установки и упростить процесс сборки. Нет необходимости в обеспечении соосности валов, а также установки муфты. При этом конструкция мотор-редуктора предполагает некоторые вариации. Корпус обычно производится с запасом прочности, что позволяет обеспечить надежное функционирование механизма.

Монтаж производится за счет подготовленных посадочных мест. Как правило, в конструкции редукторной части предусмотрены цилиндрические отверстия, которые служат для установки вала. Что касается электропривода устройства, то в его качестве подходят любые типы электрических двигателей. Чаще всего применяются стандартные асинхронные варианты.

Если говорить о принципе работы изделия, то он практически не отличается от классического агрегата. Вращающий момент двигателя передается на основную шестерню, которая устанавливается на моторном валу. Скорость вращения на выходе зависит от технических параметров самого двигателя, а также передаточного числа. Для получения повышающего коэффициента требуется применять многоступенчатые модели устройств. Для регулировки скорости работы устанавливаются системы с преобразователями, которые регулируют количество оборотов.

Применение

Двигатель с редуктором, или мотор-редуктор имеет практически такую же область применения, как и стандартный агрегат. Он полностью перекрывает все возможные варианты использования связки отдельного электрического двигателя с редукторной частью.

В большинстве случаев моноблочные конструкции оказываются более выгодными по стоимости, массе, размерам. Однако, в отличие от обычных механизмов, моноблочные системы более подвержены скачкам нагрузки. Поэтому их обязательно нужно выбирать с запасом по динамической прочности.

В ряде случаев незаменимым является использование именно моноблочного мотор-редуктора. Например, это может потребоваться в небольших устройствах автоматики или оборудовании, где использование отдельного преобразователя и мотора может усложнить конструкцию и снизить ее надежность.

Выбор механизма

Выбор агрегата лучше всего выполнять на основе режима работы всего оборудования, требуемой мощности, необходимого числа оборотов. Обязательно учитывается месторасположение валов и отдельных компонентов.

Расчет редуктора и мотор-редуктора проводится по стандартной схеме. Многие технические параметры подбираются по специальным таблицам, требуемая мощность и передача рассчитываются по формулам.

Установка и эксплуатация механизмов не представляют сложности, поэтому в большинстве случаев проходят без проблем. При корректном выборе оборудования удается добиться большого срока службы механизмов, а также минимизировать риски поломок.

Если у вас остались вопросы по выбору агрегата, то специалисты компании «ФиФ» готовы оказать нужную помощь. Звоните по указанным номерам или оставляйте заявку на нашем сайте!

Сравнение сервоприводов и шаговых двигателей

Электрические машины широко применяют на электрических станциях, в промышленности, на транспорте, в авиации, в системах автоматического регулирования и управления, в быту. Электрические машины преобразуют механическую энергию в электрическую и наоборот, электрическую энергию в механическую. Машина, преобразующая механическую энергию в электрическую, называется генератором. Преобразование электрической энергии в механическую осуществляется двигателями.Принцип действия электрических машин основан на использовании законов электромагнитной индукции и электромагнитных сил. Если в магнитном поле полюсов постоянных магнитов или электромагнитов поместить проводник и под действием какой-либо силы F1 перемещать его, то в нем возникает Э.Д.С. равная: E = B × I × v E= B times I times v где В — магнитная индукция в месте, где находится проводник,
l — активная длина проводника (та его часть, которая находится в магнитном поле),
v — скорость перемещения проводника в магнитном поле. Если этот проводник замкнуть на какой-либо приемник энергии, то в замкнутой цепи под действием Э.Д.С. будет протекать ток, совпадающий по направлению с Э.Д.С. в проводнике. В результате взаимодействия тока I в проводнике с магнитным полем полюсов создается электромагнитная сила Fэ, направление которой определяется по правилу левой руки; эта сила будет направлена навстречу силе, перемещающей проводник в магнитном поле. При равенстве сил F1 = Fэ проводник будет перемещаться с постоянной скоростью. Следовательно, в такой простейшей электрической машине механическая энергия, затрачиваемая на перемещение проводника, преобразуется в энергию электрическую, отдаваемую сопротивлению внешнего приемника энергии, т. е. машина работает генератором. Та же простейшая электрическая машина может работать двигателем. Если от постороннего источника электрической энергии через проводник пропустить ток, то в результате взаимодействия тока в проводнике с магнитным полем полюсов создается электромагнитная сила Рэ, под действием которой проводник начнет перемещаться в магнитном поле, преодолевая силу торможения какого-либо механического приемника энергии. Таким образом, рассмотренная машина так же, как и любая электрическая машина, обратима, т. е. может работать как генератором, так и двигателем. Для увеличения Э.Д.С. и электромеханических сил электрические машины снабжаются обмотками, состоящими из большого числа проводов, которые соединяются между собой так, чтобы Э.Д.С. в них имели одинаковое направление и складывались. Э.Д.С. в проводнике будет индуктирована также и в том случае, когда проводник неподвижен, а перемещается магнитное поле полюсов.

2. Асинхронные двигатели

Наиболее распространенные электрические машины. В основном они используются как электродвигатели и являются основными преобразователями электрической энергии в механическую.Асинхронный двигатель имеет статор (неподвижная часть) и ротор (подвижная часть), разделенные воздушным зазором, ротор крепится на подшипниках. Активными частями являются обмотки; все остальные части — конструктивные, обеспечивающие необходимую прочность, жесткость, охлаждение, возможность вращения и т. п. По конструкции ротора асинхронные машины подразделяют на два основных типа: с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором. Оба типа имеют одинаковую конструкцию статора и отличаются лишь исполнением обмотки ротора. Магнитопровод ротора выполняется аналогично магнитопроводу статора — из электротехнической стали и шихтованным. Фазный ротор используют когда необходимо создать большой пусковой момент. К ротору подводят ток и в результате уже возникает магнитный поток необходимый для создания момента. На обмотку статора подается напряжение, под действием которого по этим обмоткам протекает ток и создает вращающееся магнитное поле. Магнитное поле воздействует на стержни ротора и по закону магнитной индукции возникает электрический ток т. к. изменяется магнитный поток, проходящий через замкнутый контур ротора. Токи в стержнях ротора создают собственное магнитное поле стержней, которые вступают во взаимодействие с вращающимся магнитным полем статора. В результате на каждый стержень действует сила, которая складываясь по окружности создает вращающийся электромагнитный момент ротора из-за того, что индукционный ток, возникающий в замкнутом контуре ротора, имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым был вызван данный ток. Следовательно и возникает вращение.Частота вращения ротора не может достигнуть частоты вращения магнитного поля, так как в этом случае угловая скорость вращения магнитного поля относительно обмотки ротора станет равной нулю, магнитное поле перестанет индуцировать в обмотке ротора Э.Д.С. и, в свою очередь, создавать крутящий момент. На рисунке приведен вид асинхронной машины с короткозамкнутым ротором в разрезе: 1 — станина, 2 — сердечник статора, 3 — обмотка статора, 4 — сердечник ротора с короткозамкнутой обмоткой, 5 — вал.

3. Синхронные двигатели

Синхронный двигатель не имеет принципиальных конструктивных отличий от асинхронных. На статоре синхронного двигателя помещается трехфазная обмотка, при включении которой в сеть трехфазного переменного тока будет создано вращающееся магнитное поле, число оборотов в минуту которого n = 60f/p, где f — частота напряжения питания привода. На роторе двигателя помещена обмотка возбуждения, включаемая в сеть источника постоянного тока. Либо ротор выполнен из постоянного магнита. Ток возбуждения создает магнитный поток полюсов или в случае с постоянным магнитом, магнитный поток уже создан. Вращающееся магнитное поле, полученное токами обмотки статора, увлекает за собой полюса ротора. При этом ротор может вращаться только с синхронной скоростью, т. е. со скоростью, равной скорости вращения поля статора. Таким образом, скорость синхронного двигателя строго постоянна, если неизменна частота тока питающей сети. Достоинством синхронных двигателей является меньшая, чем у асинхронных, чувствительность к изменению напряжения питающей сети. У синхронных двигателей вращающий момент пропорционален напряжению сети в первой степени, тогда как у асинхронных — квадрату напряжения. Вращающий момент синхронного двигателя создается в результате взаимодействия магнитного поля статора с магнитным полем полюсов. От напряжения питающей сети зависит только магнитный поток поля статора.

4. Шаговые двигатели

Шаговые двигатели — это электромеханические устройства, преобразующие сигнал управления в угловое (или линейное) перемещение ротора с фиксацией его в заданном положении без устройств обратной связи. По сути шаговый двигатель является синхронным, но отличается подходом управления. Рассмотрим самые распространенные.

5. Двигатели с постоянными магнитами

Двигатели с постоянными магнитами состоят из статора, который имеет обмотки, и ротора, содержащего постоянные магниты. Чередующиеся полюса ротора имеют прямолинейную форму и расположены параллельно оси двигателя. Благодаря намагниченности ротора в таких двигателях обеспечивается больший магнитный поток и, как следствие, больший момент, чем у двигателей с переменным магнитным сопротивлением. Такой двигатель имеет величину шага 30°. При включении тока в одной из катушек, ротор стремится занять такое положение, когда разноименные полюса ротора и статора находятся друг напротив друга. Для осуществления непрерывного вращения нужно включать фазы попеременно. На практике двигатели с постоянными магнитами обычно имеют 48—24 шага на оборот (угол шага 7,5—15°). Двигатели с постоянными магнитами подвержены влиянию обратной Э.Д.С. со стороны ротора, котрая ограничивает максимальную скорость.

6. Гибридные двигатели

Являются более дорогими, чем двигатели с постоянными магнитами, зато они обеспечивают меньшую величину шага, больший момент и большую скорость. Типичное число шагов на оборот для гибридных двигателей составляет от 100 до 400 (угол шага 3,6…0,9°). Ротор гибридного двигателя имеет зубцы, расположенные в осевом направлении. Ротор разделен на две части, между которыми расположен цилиндрический постоянным магнит. Таким образом, зубцы верхней половинки ротора являются северными полюсами, а зубцы нижней половинки — южными. Кроме того, верхняя и нижняя половинки ротора повернуты друг относительно друга на половину угла шага зубцов. Число пар полюсов ротора равно количеству зубцов на одной из его половинок. Зубчатые полюсные наконечники ротора, как и статор, набраны из отдельных пластин для уменьшения потерь на вихревые токи. Статор гибридного двигателя также имеет зубцы, обеспечивая большое количество эквивалентных полюсов, в отличие от основных полюсов, на которых расположены обмотки. Обычно используются 4 основных полюса для 3,6° двигателей и 8 основных полюсов для 1,8…0,9° двигателей. Зубцы ротора обеспечивают меньшее сопротивление магнитной цепи в определенных положениях ротора, что улучшает статический и динамический момент. Это обеспечивается соответствующим расположением зубцов, когда часть зубцов ротора находится строго напротив зубцов статора, а часть между ними. Зависимость между числом полюсов ротора, числом эквивалентных полюсов статора и числом фаз определяет угол шага S двигателя: S = 360 / ( Nph × Ph ) = 360 / N S= 360 / ( Nph times Ph ) = 360 / N где Nph — число эквивалентных полюсов на фазу, равное числу полюсов ротора,
Ph — число фаз,
N — полное количество полюсов для всех фаз вместе.

7. Сервопривод

Сервопривод — общее название привода, синхронного, асинхронного либо любого другого, с отрицательной обратной связью по положению, моменту и др. параметрам, позволяющего точно управлять параметрами движения. Сервопривод – это комплекс технических средств. Состав сервопривода: привод – например, электромотор, датчик обратной связи – например, датчик угла поворота выходного вала редуктора (энкодер), блок питания и управления (он же преобразователь частоты \ сервоусилитель \ инвертор \ servodrive). Мощность двигателей: 0,05…15 кВт. Существует понятие «вентильный двигатель». Это всего лишь названия для двигателя, управление которым осуществляется через «вентили» – ключи, переключатели и т. п. коммутационные элементы. Современными «вентилями» являются IGBT-транзисторы использующиеся в блоках управления приводами. Никакого конструктивного отличия нет. Основным достоинством сервоприводов является наличие обратной связи, благодаря которой такая система может поддерживать точность позиционирования на высоких скоростях и высоких моментах. Также систему отличает низкоинерционность и высокие динамические характеристики, например время переключения от скорости –3 000 об/мин до достижения 3 000 об/мин составляет всего 0,1 с. Современные блоки управления являются высокотехнологическими изделиями со сложной системой управления и могут обеспечить выполнение практически любой задачи. Характеристики системы сервопривода рассмотрим основываясь на сервоприводах фирмы Delta elc. Серии блока управления ASDA-A и двигателем 400 Вт. Как видно поддержание момента линейное на всем диапазоне скоростей. Это достигается благодаря использованию синхронного двигателя в высококачественном исполнении. Величина шага перемещения определяется разрешающей способностью датчика обратной связи, энкодера, а так же блоком управления. Стандартные сервоприводы могут обеспечить шаг в 0,036° т. е. 1/10 000 от оборота, и это на скоростях до 5 000 об/мин. Самые современные сервоприводы отрабатывают шаг в 1/2 500 000.

• Высокая надежность
• Относительно низкая цена

• Высокие динамические характеристики
• Отсутствие эффекта потери шагов
• Высокая перегрузочная способность

• Падение крутящего момента на высокой скорости
• Низкая ремонтопригодность
• Возможность эффекта потери шагов

• Высокая цена, следствие использования сложной системы управления
• Низкая ремонтопригодность
• Требуется более бережное отношение к двигателю

* — Динамическая точность — максимальное отклонение реальной траектории перемещения инструмента от запрограммированной

8. Вывод

Сервопривод и шаговый двигатель не являются конкурентами, а каждый занимает свою определенную нишу. Сравним их на основе рынка станков с ЧПУ. Применение шаговых двигателей полностью оправданно для применения в недорогих станках с ЧПУ (в ценовой категории до 10—12 тыс. USD), предназначенных для обработки дерева, пластиков, ДСП, МДФ, легких металлов и других материалов средней скорости.Применение высококачественных сервоприводов необходимо в высокопроизводительном оборудовании, где главным критерием является производительность. Единственный «недостаток» хорошего сервопривода – это его высокая стоимость. К примеру, станок ATS-760 на шаговых приводах стоит 11 000 $, а эта же модель, но на сервоприводах стоит 17 500 $. Однако возможности получения высокостабильного или точного управления, широкий диапазон регулирования скорости, высокая помехоустойчивость, малые габариты и вес часто являются решающими факторами их применения. Добившись одинаковых качеств от сервопривода и шагового их стоимости станут соизмеримыми при однозначном лидерстве сервопривода.

Предыдущая статья Следующая статья

© КИП-Сервис, 2024

350000, Краснодарский край, г. Краснодар, ул. им. Митрофана Седина, 145/1
ИНН 2308073661, КПП 231001001