В чем разница между двигателями переменного и постоянного тока?

В чем разница между двигателями переменного и постоянного тока?

Быстрый Ответ:

Двигатели переменного и постоянного тока различаются по источнику питания и генерации движения. Двигатели переменного тока используют переменный ток и электромагнитную индукцию для создания вращающегося магнитного поля в статоре, приводя в движение ротор бесконтактно. двигатели постоянного тока работает на постоянном токе; постоянное магнитное поле (постоянные магниты или обмотки возбуждения) взаимодействует с якорем через механический коммутатор / щетки или электронную коммутацию в бесщеточных конструкциях. Двигатели переменного тока, как правило, обеспечивают меньшее техническое обслуживание и более высокую эффективность при непрерывной работе; двигатели постоянного тока отличаются точным регулированием частоты вращения и высоким пусковым моментом. Современные стандарты эффективности (IEC 60034-30-1 и NEMA MG 1) теперь определяют минимальные уровни производительности, сокращая традиционный разрыв в эффективности.

Содержание

1. Что такое двигатель переменного тока?
2. Что такое двигатель постоянного тока?
3. Как работают двигатели переменного и постоянного тока: пошаговый принцип
4. Двигатель переменного и постоянного тока: Таблица сравнения характеристик
5. Технические характеристики: КПД, Температурные ограничения и крутящий момент
6. Лучшие области применения для двигателей переменного и постоянного тока
7. Пошаговое руководство по выбору двигателя
8. Распространенные инженерные ошибки При Выборе двигателей переменного и постоянного тока
9. Таблица устранения неполадок: Распространенные проблемы с двигателем
10. Почему Вы выбрали Greensky Power для своих моторных решений?
11. Ссылки
12. Часто задаваемые вопросы: Двигатели переменного и постоянного тока

Что такое двигатель переменного тока?

Двигатель переменного тока преобразует электрическую энергию переменного тока в механическую энергию посредством электромагнитной индукции. Обмотки статора, питаемые от источника переменного тока, генерируют вращающееся магнитное поле, частота вращения которого (синхронная частота вращения) определяется частотой питания и количеством полюсов:

n_s = 120 × f / p

где n_s  – синхронная частота вращения в об/мин, f – частота в Гц (50 или 60 Гц), а p – количество полюсов. Для 4-полюсного двигателя с частотой питания 60 Гц синхронная частота вращения составляет 1800 об/мин.

Двумя доминирующими подтипами двигателей переменного тока являются:

• Асинхронные двигатели — Ротор вращается немного медленнее синхронной скорости (разница называется ‘скольжением’), что вызывает ток в стержнях ротора. Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором являются рабочей лошадкой промышленного применения благодаря своей простоте и надежности. Согласно конструкции  трехфазного асинхронного двигателя , эти двигатели обычно достигают КПД 85-95% при номинальной нагрузке.
• Синхронные двигатели — Ротор вращается точно с синхронной скоростью с использованием постоянных магнитов или обмоток возбуждения постоянным током. Синхронные двигатели с постоянными магнитами (PMSM) достигают уровней эффективности IE4 и IE5 в соответствии с IEC 60034-30-1 и все чаще используются в электромобилях и высокоточных сервосистемах.

Что такое двигатель постоянного тока?

Двигатель постоянного тока преобразует электрическую энергию постоянного тока в механическую за счет взаимодействия магнитного поля и токопроводящих проводников. Крутящий момент, создаваемый двигателем постоянного тока, соответствует фундаментальному уравнению:

T = K_t × Φ × I_a

где T – крутящий момент, K_t – постоянная крутящего момента, Φ – магнитный поток на полюс, а I_a – ток якоря. Эта линейная зависимость придает двигателям постоянного тока характерный высокий пусковой момент и предсказуемое соотношение скорости и крутящего момента.

К основным подтипам двигателей постоянного тока относятся:

• Двигатели постоянного тока с щеткой — Используйте механические щетки и коммутатор для изменения направления тока в обмотках якоря. Они экономичны и обеспечивают простое регулирование скорости за счет изменения напряжения на якоре, но щетки со временем изнашиваются и требуют замены. Ознакомьтесь с нашей линейкой продуктов для щеточных двигателей постоянного тока , чтобы узнать типичные характеристики.
• Бесщеточные двигатели постоянного тока (BLDC) — Замените механическую коммутацию электронной коммутацией с использованием датчиков эффекта Холла или детектирования обратной ЭДС. Двигатели BLDC устраняют износ щеток, снижают электромагнитные помехи и достигают КПД 85-95%. Наша платформа для бесщеточных двигателей постоянного тока  охватывает различные области применения – от электровелосипедов до промышленной автоматизации.
• Шаговые двигатели — Специализированный тип двигателя постоянного тока, который перемещается дискретными шагами, обеспечивая управление положением с разомкнутым контуром. Используется в станках с ЧПУ, 3D-принтерах и для точного позиционирования. Смотрите наш ассортимент шаговых двигателей  для получения подробной информации.

Как работают двигатели переменного и постоянного тока: пошаговый принцип

Принцип работы двигателя постоянного тока

1. Создание магнитного поля — Статор (или корпус) содержит постоянные магниты или обмотки возбуждения, которые создают постоянное магнитное поле между северным и южным полюсами.
2. Подача тока на якорь — Постоянный ток протекает через обмотки якоря на роторе через щетки и коллектор (щеточный) или через электронный контроллер (бесщеточный).
3. Генерация силы Лоренца — Согласно закону силы Лоренца (F = BIL), проводники с током в магнитном поле испытывают механическую силу, перпендикулярную как полю, так и направлению тока.
4. Коммутация — Коммутатор (или электронный контроллер) меняет направление тока в обмотках якоря на противоположное каждые пол-оборота, гарантируя, что крутящий момент всегда действует в одном и том же направлении вращения.
5. Регулирование обратной ЭДС — При вращении ротора создается обратная электродвижущая сила (обратная ЭДС), пропорциональная скорости, что естественным образом ограничивает ток якоря и стабилизирует рабочую скорость.

Принцип работы двигателя переменного тока

1. Возбуждение статора — трехфазное (или однофазное) переменное напряжение подается на обмотки статора, которые пространственно распределены на расстоянии 120° друг от друга.
2. Вращающееся магнитное поле — Токи со сдвигом по фазе в обмотках статора создают вращающееся магнитное поле (RMF), которое распространяется внутри статора с синхронной скоростью (n_с = 120f/p).
3. Индукция (только для асинхронных двигателей) — Вращающееся поле пересекает проводники ротора (стержни с короткозамкнутым ротором), индуцируя электродвижущую силу и ток в роторе по закону индукции Фарадея.
4. Создание крутящего момента — индуцированный ток ротора взаимодействует с вращающимся магнитным полем статора, создавая крутящий момент (силу Лоренца), который вращает ротор в том же направлении, что и поле.
5. Проскальзывание и саморегулирование — Для поддержания индукции ротор должен вращаться медленнее синхронной скорости (проскальзывание). С увеличением нагрузки проскальзывание увеличивается, что увеличивает индуцированный ток и крутящий момент до достижения равновесия.

Двигатель переменного и постоянного тока: Таблица сравнения характеристик

Технические характеристики: КПД, Температурные ограничения и крутящий момент

Классы эффективности двигателя (IEC 60034-30-1)

Стандарт IEC 60034-30-1, гармонизированный с NEMA MG 1 в Северной Америке, определяет четыре международных класса эффективности (IE) для линейных двигателей переменного тока. Потери в каждом классе примерно на 10-20% ниже, чем в следующем за ним:

Источник: IEC 60034-30-1: стандартные таблицы 2014 года; NEMA MG 1, части 12 и 31. Данные подтверждены руководством ABB по двигателям (Rev D, 2021).

Для двигателей постоянного тока эффективность в значительной степени зависит от метода коммутации. Согласно техническому руководству maxon по двигателям постоянного тока, их двигатели постоянного тока без сердечника достигают максимальной эффективности до 89% (например, RE 40, 150 Вт, 48 В), в то время как бесщеточные двигатели серии EC-i достигают 83% при мощности 30 Вт. Конструкция обмотки без сердечника исключает потери железа из-за гистерезиса и вихревых токов, вот почему конструкции бесщеточных двигателей постоянного тока все чаще доминируют в прецизионных приложениях.

Классы изоляции и температурные ограничения (IEC 60034-1)

Источник: IEC 60034-1 Вращающиеся электрические машины — Часть 1: Номинальные характеристики.

Ключевые формулы крутящего момента и скорости

Крутящий момент двигателя постоянного тока: T = K_t × Φ × I_a (линейная зависимость между крутящим моментом и током якоря)

Частота вращения двигателя постоянного тока: n = (V − I_aR_a) / K_eΦ (скорость пропорциональна напряжению за вычетом падения напряжения на якоре)

Крутящий момент асинхронного двигателя переменного тока: T = (3 × V2 × R₂/с) / (ω_с × [(R₁ + R₂/s)² + (X₁ + X₂)²])

Синхронная скорость переменного тока:  n_s = 120 × f / p

где V – напряжение питания, R и X – сопротивление и реактивное сопротивление, s – проскальзывание, ω_s  – синхронная угловая скорость, f – частота, а p – количество полюсов. Линейная зависимость крутящего момента от тока двигателя постоянного тока существенно упрощает непосредственное управление крутящим моментом, вот почему двигатели постоянного тока остаются предпочтительными в системах сервопривода и тяги. Для более подробного сравнения стратегий управления двигателями ознакомьтесь с нашим руководством по 5 типам управляющих двигателей.

Лучшие области применения для двигателей переменного и постоянного тока

Применение двигателей переменного тока

Асинхронные двигатели переменного тока преобладают в областях применения, требующих непрерывной работы с постоянной частотой вращения при минимальном техническом обслуживании:

• Системы ОВКВ — Вентиляторы, воздуходувки и компрессоры работают на фиксированных оборотах в течение тысяч часов; низкие затраты на техническое обслуживание и высокая надежность двигателей переменного тока делают их идеальными.
• Промышленные насосы и конвейеры — Трехфазные асинхронные двигатели с номинальным значением IE3 или выше являются стандартом для установок водоочистки, химической переработки и погрузочно-разгрузочных работ.
• Бытовая техника — В стиральных машинах, холодильниках и кондиционерах используются однофазные двигатели переменного тока, что обеспечивает экономичность и совместимость с сетью.
• Промышленное оборудование — Станки, дробилки, смесители и экструдеры работают на двигателях переменного тока в паре с контроллерами двигателей или преобразователями частоты для управления технологическим процессом.

Применение двигателей постоянного тока

Двигатели постоянного тока превосходны там, где требуется точное регулирование скорости, высокий пусковой момент или работа от аккумулятора:

• Электромобили и электровелосипеды — Двигатели BLDC обеспечивают высокую плотность крутящего момента и возможность рекуперативного торможения. Подробнее о реализации смотрите в нашем руководстве по контроллеру двигателя электровелосипеда .
• Робототехника и автоматизация — Сервомоторы постоянного тока обеспечивают высокую точность позиционирования и быстрые профили ускорения /замедления.
• Погрузочно—разгрузочные работы – В кранах, подъемниках, вилочных погрузчиках и лифтах используются двигатели постоянного тока (или аналоги переменного тока с частотно-регулируемым приводом) благодаря высокому пусковому моменту и плавному регулированию скорости.
• Инструменты и устройства с батарейным питанием — Аккумуляторные дрели, медицинское оборудование и бытовая электроника основаны на компактных щеточных или бесщеточных двигателях постоянного тока.
• Прецизионное оборудование — В станках с ЧПУ, печатных машинах и текстильном оборудовании используются серводвигатели постоянного тока для жесткого регулирования скорости при различных нагрузках.

Пошаговое руководство по выбору двигателя

Выбор между двигателем переменного и постоянного тока включает оценку шести ключевых параметров. Следуйте этой схеме принятия решений.:

1. Определите источник питания. Если приложение подключено к сети переменного тока и аккумулятор не требуется, естественным выбором является двигатель переменного тока. Если приложение работает от аккумулятора или требует постоянного напряжения (автомобильное, солнечное, портативное), двигатель постоянного тока обязателен. Для подключенных к сети приложений, требующих переменной скорости, рассмотрите двигатель переменного тока + VFD или двигатель постоянного тока с контроллером.
2. Определите требования к регулированию скорости. Требуется ли для применения постоянная скорость или переменная в широком диапазоне? Для систем с постоянной скоростью (насосы, вентиляторы) предпочтительны асинхронные двигатели переменного тока. В системах с регулируемой скоростью вращения и быстрым откликом (конвейеры, намоточные машины, робототехника) предпочтение отдается двигателям постоянного тока или BLDC. Если вам необходимо регулировать частоту вращения двигателя переменного тока, то  мотор-редуктор переменного тока с ЧРП-управлением устраняет этот зазор.
3. Рассчитайте требуемый пусковой момент. Для систем с высокими инерционными нагрузками (краны, экструдеры, дробилки) требуется пусковой момент 200-400%. Это могут обеспечить двигатели постоянного тока с последовательным приводом и двигатели переменного тока с ЧРП-приводом. Стандартные асинхронные двигатели переменного тока обычно обеспечивают 150-250%.
4. Проверьте рабочий цикл и окружающую среду. Для применения в непрерывном режиме (S1) в чистых средах предпочтение отдается двигателям переменного тока. Для работы с перебоями или в суровых условиях (пыль, влага, взрывоопасная атмосфера) могут потребоваться герметичные двигатели постоянного тока или взрывозащищенные двигатели переменного тока, сертифицированные по стандарту IEC 60079.
5. Оцените допустимость технического обслуживания. Если время простоя при замене щетки неприемлемо, выберите асинхронный двигатель переменного тока или двигатель постоянного тока BLDC. Если доступ к техническому обслуживанию доступен и стоимость является приоритетом, может быть приемлемым двигатель постоянного тока с щеткой. Смотрите наше руководство по промышленным двигателям BLDC , чтобы узнать об альтернативах, не требующих технического обслуживания.
6. Сравните общую стоимость владения. Учитывайте первоначальную закупочную цену, стоимость контроллера / VFD, потребление энергии в течение срока службы двигателя (обычно 15-20 лет для переменного тока, 5-10 лет для постоянного тока с щеткой) и затраты на техническое обслуживание. Более эффективный двигатель IE3 / IE4 может стоить на 20-30% дороже изначально, но в течение срока службы сэкономит тысячи затрат на электроэнергию.

Для применений, требующих увеличения крутящего момента на низких оборотах, рассмотрите возможность сопряжения вашего двигателя с коробкой передач. В нашем руководстве по выбору коробки передач рассказывается о выборе передаточного числа, потерях КПД и вариантах монтажа.

Распространенные инженерные ошибки При Выборе двигателей переменного и постоянного тока

1. Игнорирование постоянной обратной ЭДС при выборе размеров двигателя постоянного тока. Инженеры часто выбирают двигатель постоянного тока, основываясь только на номинальном крутящем моменте, не обращая внимания на постоянную обратную ЭДС (K_e), которая определяет максимально достижимую скорость при заданном напряжении питания. Если K_e × n_max превышает напряжение питания, двигатель не может достичь заданной скорости.
2. Занижение частоты вращения для пускового момента двигателя переменного тока. Распространенной ошибкой является выбор частоты вращения, рассчитанной на постоянный ток двигателя, а не на его пусковой ток. Асинхронные двигатели переменного тока могут потреблять 6-8-кратный номинальный ток при прямом пуске от сети. Даже с частотно-регулируемым приводом привод должен соответствовать пиковому потребляемому крутящему моменту, а не только рабочей нагрузке.
3. Путает бесщеточные двигатели постоянного тока с синхронными двигателями переменного тока. Двигатели BLDC и PMSM используют схожие конструкции (ротор с постоянными магнитами, трехфазный статор), но двигатели BLDC используют трапециевидную (шестиступенчатую) коммутацию, в то время как PMSM используют синусоидальную коммутацию. Электроника привода различна, и они не взаимозаменяемы без замены контроллера. Смотрите наше Сравнение PMSM и асинхронного двигателя для получения подробной информации.
4. Пренебрежение термическим снижением мощности на высоте или при высокой температуре окружающей среды. Согласно стандарту IEC 60034-1, двигатели должны отключаться, когда температура окружающей среды превышает 40 ° C или высота над уровнем моря превышает 1000 м. Мощность двигателя мощностью 5 кВт на уровне моря, возможно, потребуется снизить до 4,2 кВт на высоте 2000 м. Это часто упускается из виду в спецификациях на поставку.
5. Использование щеточных двигателей постоянного тока во взрывоопасных средах. Образование дугового разряда в щетках делает щеточные двигатели постоянного тока непригодными для использования во взрывоопасных зонах (зона 1 / Зона 2). Вместо этого используйте взрывозащищенные двигатели переменного тока, сертифицированные по стандарту IEC 60079 или ATEX.
6. Игнорирование коррекции коэффициента мощности для двигателей переменного тока. Асинхронные двигатели работают с запаздыванием на 0,7–0,85 коэффициента мощности, что может привести к штрафным санкциям со стороны коммунальных служб. Конденсаторы для коррекции коэффициента мощности или синхронные конденсаторы должны быть указаны при проектировании системы.

Таблица устранения неполадок: Распространенные проблемы с двигателем

С процедурами тестирования двигателя и критериями приемлемости можно ознакомиться в нашем руководстве по стандартам тестирования электродвигателей , которое охватывает мегаомметрические испытания, испытания hipot и динамометрические испытания под нагрузкой в соответствии с IEC 60034-2.

Почему Вы выбрали Greensky Power для своих моторных решений?

Правильный выбор двигательной технологии — это только половина дела: не менее важно приобрести ее у производителя, который понимает, что для вашего применения не менее важно. Greensky Power разрабатывает и производит электродвигатели с 2011 года, обслуживая клиентов B2B в более чем 50 странах с помощью ассортимента продукции, охватывающего технологии двигателей переменного и постоянного тока.

Наши инженерные возможности включают в себя:

• Полный охват моторной платформы — от микромоторов переменного тока и щеточных двигателей постоянного тока до бесщеточных двигателей постоянного тока, шаговых двигателей и коробок передач – мы предлагаем комплексные решения для управления движением под одной крышей.
• Настройка OEM / ODM — Наша команда НИОКР из 8 инженеров с докторской степенью обеспечивает индивидуальную конструкцию двигателя с учетом вашего конкретного крутящего момента, частоты вращения, напряжения и требований к монтажу. Мы реинвестируем 10% годового дохода в исследования и разработки.
• Гарантия качества — Каждый двигатель проходит 100% индивидуальное тестирование на динамометрах, в камерах с высокой и низкой температурой и в бесшумных помещениях. Наша продукция имеет сертификаты ISO, CE и энергоэффективности, соответствующие стандартам IEC и NEMA.
• Региональная поддержка — Для клиентов из Северной Америки и Европы мы предоставляем местные технические консультации, помощь в тестировании образцов, координацию доставки и послепродажную гарантийную поддержку через нашу дочернюю компанию United Motion Inc.
• Интеграция двигателя и контроллера — Мы разрабатываем и производим контроллеры двигателей вместе с самими двигателями, обеспечивая полную совместимость и устраняя риски интеграции для вашей инженерной команды.

Независимо от того, требуется ли для вашего применения высокоэффективный трехфазный двигатель переменного тока  с номинальным значением IE3 или прецизионный двигатель постоянного тока BLDC для привода робота, наша команда поможет вам сориентироваться в выборе между переменным и постоянным током, используя данные для конкретного применения.. Свяжитесь с нашей командой инженеров , чтобы обсудить требования к вашему проекту.

Ссылки

1. Международная электротехническая комиссия. IEC 60034-30-1: 2014 — Вращающиеся электрические машины — Часть 30-1: Классы эффективности линейных двигателей переменного тока. Доступно по адресу: https://webstore.iec.ch/publication/61488
2. Международная электротехническая комиссия. IEC 60034-1: 2022 — Вращающиеся электрические машины — Часть 1: Номинальные характеристики. Доступно по адресу: https://webstore.iec.ch/publication/61474
3. Национальная ассоциация производителей электрооборудования. NEMA MG 1-2021 — Двигатели и генераторы. Доступно по адресу: https://www.nema.org/standards/view/Motors-and-Generators
4. Руководство по низковольтному технологическому двигателю ABB. , Об. D. Двигатели и генераторы ABB. Доступно по адресу: https://library.e.abb.com/public/1fd380f8ca8b4934ae3fa609d764fd33/21043_ABB_Motor_Guide_REV_D.pdf
5. ABB. ‘Эффективность NEMA против IEC’. Техническая статья ABB. Доступна по адресу: https://new.abb.com/news/detail/70167/nema-vs-iec-efficiencies
6. ABB. ‘Понимание стандартов двигателя DOE 2027 года’. Новости ABB, 2024. Доступно по адресу: https://www.abb.com/global/en/news/132268/understanding-the-2027-doe-motor-standards
7. maxon motor. Двигатель постоянного тока: двигатель постоянного тока с постоянными магнитами и обмоткой без сердечника — Техническое руководство. maxon motor ag. Доступно по адресу: https://www.maxonmotor.com/medias/sys_master/root/8803450421278/maxonDCmotor-Handouts.pdf
8. Yaskawa America. Характеристики частоты вращения и крутящего момента асинхронного двигателя — Отчет по применению AR.MOTOR.01. Доступно по адресу: https://www.yaskawa.com/downloads/-/document/downloads?productGroup=Inverter Приводы и производственная линейка = Двигатели переменного тока
9. Schneider Electric. ‘Разница между двигателем переменного и постоянного тока’. Блог Schneider Electric. Доступно по адресу: https://eshop.se.com/in/blog/post/ac-and-dc-motor-differences.html
10. Миямасу, М. и Акацу, К. (2011). ‘Сравнение эффективности бесщеточного двигателя постоянного тока и бесщеточного двигателя переменного тока с учетом метода привода и конструкции машины’. Материалы IECON 2011 — 37-й ежегодной конференции Общества промышленной электроники IEEE, стр. 1830-1835. DOI: 10.1109/IECON.2011.6119584
11. Ли, Т.-Я., Со, М.-К., Ким, Ю.-Дж. и Юнг, С.-Я. (2016). ‘Сравнение конструкции двигателя и характеристик двигателя BLDC с внешним ротором и двигателя BLAC на основе численного анализа’. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, том 26, № 4, стр. 1-6. DOI: 10.1109/TASC.2016.2548079
12. Эчле, А., Гун, Ю., Терфурт, Дж. и Парспур, Н. (2020). ‘Сравнение режимов BLDC и BLAC на основе FEA для электродвигателя с осевым потоком и трапециевидным BEMF’. IECON 2020 – 46—я ежегодная конференция Общества промышленной электроники IEEE. DOI: 10.1109/IECON43393.2020.9255310

Часто задаваемые вопросы: Двигатели переменного и постоянного тока