Jakie są główne wady stosowania silnika prądu przemiennego w porównaniu z silnikiem prądu stałego w moim zastosowaniu?

Bezpośrednia odpowiedź: gdzie silniki prądu przemiennego nie dorównują silnikom prądu stałego

W większości zastosowań an Silnik prądu przemiennego jest trudniejszy do precyzyjnego sterowania, wytwarza mniejszy moment rozruchowy na jednostkę wielkości i wymaga droższej elektroniki sterującej niż porównywalny silnik prądu stałego. Jeśli Twoje zastosowanie zależy od precyzyjnej regulacji prędkości, natychmiastowego momentu obrotowego przy zerowych obrotach lub prostego sterowania w oparciu o napięcie ze źródła akumulatora, silnik prądu stałego jest zwykle bardziej praktycznym wyborem. Silniki prądu przemiennego nadal wygrywają pod względem wytrzymałości i długoterminowej konserwacji, ale ta przewaga odbywa się kosztem prostoty sterowania, która jest główną wadą, z którą użytkownicy stale się spotykają.

W pozostałej części tego artykułu szczegółowo opisano, dlaczego silniki prądu przemiennego stwarzają takie wyzwania, opierając się na konkretnych przyczynach technicznych, a nie na niejasnych ogólnikach, dzięki czemu możesz zdecydować, czy kompromisy mają sens w przypadku Twojej konkretnej konfiguracji.

Kontrola prędkości jest zasadniczo bardziej skomplikowana

Prędkość silnika prądu przemiennego jest bezpośrednio powiązana z częstotliwością zasilania i liczbą biegunów silnika, zgodnie ze wzorem N = 120f/P. Oznacza to, że jeśli nie zmienisz częstotliwości, prędkość silnika pozostanie zablokowana blisko wartości synchronicznej i jedynie nieznacznie spadnie pod obciążeniem z powodu poślizgu. Z kolei silnik prądu stałego zmienia prędkość niemal liniowo wraz z przyłożonym napięciem, co sprawia, że ​​zwalnianie, przyspieszanie lub dostrajanie za pomocą prostego potencjometru lub podstawowego sterownika jest banalne.

Silnik prądu przemiennego

Dlaczego to ma znaczenie w praktyce

Jeśli aplikacja wymaga pracy z inną prędkością niż stała, silnik prądu przemiennego nie jest w stanie tego zrobić samodzielnie. Do elektronicznej regulacji częstotliwości potrzebny jest przemiennik częstotliwości (VFD), a to dodaje warstwę złożoności, której system prądu stałego po prostu nie wymaga. Nawet po zainstalowaniu VFD reakcja sterowania rzadko jest tak płynna i tak szybka, jak zapewnia natywnie silnik prądu stałego.

• Prędkość silnika prądu przemiennego jest kwantyzowana na podstawie liczby biegunów i częstotliwości linii, a nie można jej dowolnie regulować
• Prędkość silnika prądu stałego reaguje bezpośrednio i przewidywalnie na zmiany napięcia
• Osiągnięcie zmiennej prędkości prądu przemiennego zazwyczaj dodaje 15% do 30% całkowitego kosztu systemu po dołączeniu VFD

Słabszy moment rozruchowy i mniej przewidywalna kontrola momentu obrotowego

Standardowe silniki indukcyjne prądu przemiennego zazwyczaj wytwarzają moment rozruchowy wynoszący tylko 150% do 250% znamionowego momentu obrotowego , a moment ten nie jest w pełni dostępny, dopóki wirnik nie zacznie narastać poślizg w stosunku do wirującego pola magnetycznego. Silnik prądu stałego, szczególnie silnik z uzwojeniem szeregowym, może zapewnić bardzo wysoki moment obrotowy już od momentu zatrzymania, dlatego silniki prądu stałego są powszechnie stosowane w takich zastosowaniach, jak windy, dźwigi i pojazdy elektryczne, gdzie liczy się natychmiastowa siła uciągu.

Praktyczny wpływ na duże obciążenia

Jeśli ładunek ma duże tarcie statyczne lub musi natychmiast ruszyć pod pełnym obciążeniem, silnik prądu przemiennego może utknąć lub pobierać nadmierny prąd, próbując pokonać początkowy opór. Inżynierowie często muszą przewymiarować silnik prądu przemiennego, aby zagwarantować wystarczający moment rozruchowy, co zwiększa zarówno zajmowaną powierzchnię, jak i zapotrzebowanie elektryczne systemu w porównaniu z alternatywą o odpowiedniej wielkości na prąd stały.

Wyższe koszty związane z wymaganą elektroniką sterującą

Podstawowy silnik prądu przemiennego sam w sobie jest niedrogi, ale w momencie, gdy aplikacja wymaga regulacji prędkości, łagodnego rozruchu lub precyzyjnego pozycjonowania, prawdziwy koszt ujawnia się w sprzęcie sterującym. Przetwornice częstotliwości, softstarty i enkodery potrzebne do zapewnienia przewidywalnego zachowania silnika prądu przemiennego podwoić lub potroić całkowity koszt systemu w stosunku do ceny bazowej silnika. Systemy silników prądu stałego, zwłaszcza mniejsze, często nie potrzebują niczego więcej niż prostego kontrolera PWM, aby osiągnąć podobną funkcjonalność.

Gdzie idą dodatkowe wydatki

1. Przemienniki częstotliwości do regulacji prędkości
2. Enkodery lub resolwery do sprzężenia zwrotnego położenia
3. Filtry harmoniczne do usuwania szumów generowanych przez napęd
4. Dodatkowa przestrzeń w obudowie i chłodzenie elektroniki przemiennika

Żaden z tych kosztów nie znika po zainstalowaniu — przetwornice częstotliwości i napędy wymagają własnej konserwacji, aktualizacji oprogramowania sprzętowego i okazjonalnych wymian, co powoduje powtarzający się wydatek, którego pozwala uniknąć prostsza pętla sterowania silnika prądu stałego.

Problemy z jakością energii: prąd rozruchowy, współczynnik mocy i harmoniczne

Silniki prądu przemiennego, szczególnie indukcyjne, pobierają prąd rozruchowy, który może osiągnąć sześć do ośmiu razy większy od znamionowego prądu roboczego . Ten prąd rozruchowy może powodować spadki napięcia w linii zasilającej, wyłączniki zabezpieczające lub transformatory naprężające, jeśli wiele silników uruchamia się jednocześnie. Silniki prądu stałego mają zazwyczaj łatwiejszy do kontrolowania prąd rozruchowy, ponieważ napięcie sterujące można zwiększać stopniowo.

Degradacja współczynnika mocy

Silniki indukcyjne prądu przemiennego zużywają również moc bierną, co obniża całkowity współczynnik mocy układu elektrycznego, zwłaszcza gdy silnik pracuje pod niewielkim lub częściowym obciążeniem. Słaby współczynnik mocy zwiększa opłaty za media w wielu zastosowaniach komercyjnych i może wymagać korekty baterii kondensatorów – kolejnego kosztu zwykle unikają systemy silników prądu stałego.

Dodatkowe wyzwania dla projektów małych silników elektrycznych prądu przemiennego i mini silników prądu przemiennego

Wady silników prądu przemiennego stają się jeszcze bardziej widoczne w małej skali. Jednofazowy mały silnik elektryczny prądu przemiennego nie może samodzielnie generować wirującego pola magnetycznego w taki sam sposób, w jaki może to zrobić silnik trójfazowy, dlatego aby zacząć się obracać, potrzebuje komponentów pomocniczych, takich jak kondensatory rozruchowe, zacienione bieguny lub uzwojenia dwufazowe. Te dodatki zwiększają złożoność produkcji i zmniejszają niezawodność w porównaniu z silnikiem prądu stałego o podobnej wielkości, który niezawodnie uruchamia się od prostego połączenia dwuprzewodowego.

A minisilnik prądu przemiennego stosowane w urządzeniach kompaktowych lub sprzęcie przenośnym zwykle działają mniej wydajnie przy niskich mocach znamionowych, ponieważ straty stałe, takie jak straty w rdzeniu i tarcie, stanowią większą część całkowitej mocy wejściowej, gdy sam silnik jest mały. Projektanci pracujący z mini silnikiem prądu przemiennego często stwierdzają, że osiągnięcie płynnej, regulowanej prędkości w kompaktowej obudowie jest znacznie trudniejsze niż w przypadku silnika prądu stałego o tej samej wielkości, co jest jednym z powodów, dla których silniki prądu stałego dominują w ręcznych narzędziach, dronach i małej robotyce zasilanych akumulatorowo.

Kompatybilność ze źródłami prądu stałego

Silnik prądu przemiennego a silnik prądu stałego: porównanie bezpośrednie

Kiedy silnik prądu stałego ma większy sens w Twoim zastosowaniu

Biorąc pod uwagę wady opisane powyżej, silnik prądu stałego jest na ogół lepszym rozwiązaniem, gdy Twoje zastosowanie obejmuje którykolwiek z następujących warunków:

• Potrzebujesz precyzyjnej, płynnie zmiennej prędkości bez konieczności dodawania VFD
• Obciążenie wymaga dużego momentu obrotowego natychmiast po uruchomieniu
• Twoje źródło zasilania to z natury prąd stały, np. baterie lub panele słoneczne
• Ograniczenia budżetowe wykluczają kosztowną elektronikę napędową
• Zastosowanie jest niewielkie, np. wymiana mini silnika prądu przemiennego w sprzęcie przenośnym, gdzie problemem jest waga falownika