Электродвигатели играют важную роль в повседневной жизни, поскольку они обеспечивают работу бесчисленного количества устройств и систем, на которые мы полагаемся. В быту их можно найти в холодильниках, стиральных машинах, кондиционерах, пылесосах и т.д. В системах ОВиК используются электродвигатели для циркуляции воздуха, регулирования температуры и поддержания комфорта в домах, офисах и т.д. В этой статье мы доступно объясняем различия между двигателями переменного и постоянного тока. Кратко рассматриваются варианты управления электродвигателем переменного тока, а также преимущества и недостатки упомянутых технологий.
Электродвигатели работают на основе взаимодействия между магнетизмом и электрическим током
Электродвигатель - это машина, которая преобразует электрическую энергию в механическую. Электрическая энергия в основном преобразуется двигателем во вращательное движение. Электрическая энергия или мощность выражается в кВт, в то время как вращательное движение выражается в об/мин. Итак, электрическая мощность [кВт] преобразуется двигателем во вращательное движение [об/мин]. Но только этого преобразования недостаточно - в дополнение к электрической энергии нужен еще и магнетизм. Некоторые двигатели используют постоянные магниты, другие типы двигателей создают собственные магнитные поля с помощью катушек и электрического тока.
Электродвигатель - это машина, которая преобразует электрическую энергию в механическую. Электрическая энергия в основном преобразуется двигателем во вращательное движение. Электрическая энергия или мощность выражается в кВт, в то время как вращательное движение выражается в об/мин. Итак, электрическая мощность [кВт] преобразуется двигателем во вращательное движение [об/мин]. Но только этого преобразования недостаточно - в дополнение к электрической энергии нужен еще и магнетизм. Некоторые двигатели используют постоянные магниты, другие типы двигателей создают собственные магнитные поля с помощью катушек и электрического тока.
В основе работы электродвигателя лежит динамическое взаимодействие магнитных сил. Когда подается электрический ток, он создает магнитное поле, которое взаимодействует с магнитами, расположенными на вращающемся компоненте. Это взаимодействие вызывает вращательное движение, что является примером преобразования электрической энергии в механическое движение. Двигатель это сложный механизм, в котором организованная синергия между электричеством и магнитом обеспечивает контролируемое и целенаправленное вращательное движение, лежащее в основе широкого спектра применений во всех отраслях промышленности, включая сферу ОВиК.
Двигатель состоит из статора и ротора. Статор - это статическая часть двигателя - неподвижная часть, которая используется для крепления двигателя к воздуховоду или установке. Ротор - это вращающаяся часть, на которой закреплен вал двигателя. В вентиляторе на этом валу двигателя (на роторе) закреплены лопасти вентилятора. Ротор обычно имеет цилиндрическую форму. В статоре с помощью электромагнетизма создается магнитное поле. Электрический ток протекает через обмотку двигателя в статоре и создает магнитное поле. Поскольку речь идет о переменном напряжении и используется несколько обмоток, это магнитное поле вращается вокруг ротора. Ротор следует за этим вращающимся магнитным полем. Это можно сравнить с магнитами, которые притягиваются друг к другу.
Двигатель состоит из статора и ротора. Статор - это статическая часть двигателя - неподвижная часть, которая используется для крепления двигателя к воздуховоду или установке. Ротор - это вращающаяся часть, на которой закреплен вал двигателя. В вентиляторе на этом валу двигателя (на роторе) закреплены лопасти вентилятора. Ротор обычно имеет цилиндрическую форму. В статоре с помощью электромагнетизма создается магнитное поле. Электрический ток протекает через обмотку двигателя в статоре и создает магнитное поле. Поскольку речь идет о переменном напряжении и используется несколько обмоток, это магнитное поле вращается вокруг ротора. Ротор следует за этим вращающимся магнитным полем. Это можно сравнить с магнитами, которые притягиваются друг к другу.
Во время процесса преобразования электрической энергии в механическую часть энергии теряется. Эти потери энергии вызваны выделением тепла, механическим трением и другими электрическими потерями в двигателе. Коэффициент полезного действия электродвигателя показывает, какая часть поглощенной энергии доступна на валу двигателя. Коэффициент полезного действия обычно указывается на заводской табличке символом η, выраженным в %, η = 85% означает, что теряется 15% поглощенной электрической энергии. Чем выше КПД двигателя, тем меньше потери и тем больше энергии преобразуется в крутящий момент. Сила, с которой осуществляется вращательное движение, называется крутящим моментом и выражается в Нм.
АС двигатели - асинхронные и синхронные двигатели
АС двигатели - асинхронные и синхронные двигатели
Двигатели переменного тока являются стандартом для промышленного применения. Этот тип двигателей также регулярно используется в сфере ОВиК, особенно с большими мощностями. Двигатели переменного тока очень надежны, прочны и просты в обслуживании. Мы различаем синхронные и асинхронные двигатели переменного тока.
Асинхронный двигатель
Стандартный асинхронный двигатель - это самый простой и самый распространенный электрический двигатель в системах ОВиК и в промышленной автоматизации. Это проверенная концепция, которая является экономически эффективной, прочной и надежной. Асинхронные двигатели относительно просты в обслуживании и во многих случаях их скорость можно легко регулировать. Благодаря техническому прогрессу сейчас доступны более энергоэффективные решения, но они также имеют повышенную цену.
Асинхронный двигатель
Стандартный асинхронный двигатель - это самый простой и самый распространенный электрический двигатель в системах ОВиК и в промышленной автоматизации. Это проверенная концепция, которая является экономически эффективной, прочной и надежной. Асинхронные двигатели относительно просты в обслуживании и во многих случаях их скорость можно легко регулировать. Благодаря техническому прогрессу сейчас доступны более энергоэффективные решения, но они также имеют повышенную цену.
Асинхронный двигатель не имеет ротора с постоянными магнитами, его магнитное поле создается за счет индукции, поэтому ротор состоит из электрических проводников. Эти проводящие стержни обычно изготавливаются из алюминия или меди. Они вмонтированы в цилиндрический ротор и соединены с обоих концов короткозамкнутыми кольцами. Все это имеет форму клетки - отсюда и название «короткозамкнутый ротор». Благодаря принципу индукции (закон Фарадея) через эти проводники протекает электрический ток, который создает магнитное поле, взаимодействующее с полем статора, заставляя двигатель вращаться.
В отличие от синхронного двигателя, асинхронный двигатель всегда будет вращаться медленнее, чем магнитное поле статора. Эта разница называется скольжением. Из-за этой разницы в роторе асинхронного двигателя индуцируется обратный ток. Чем больше нагрузка, тем больше разница (скольжение). Ротор ускоряется до тех пор, пока величина индуцированного тока ротора и крутящего момента двигателя не уравновесит нагрузку на валу двигателя. Поскольку на синхронной скорости нет индуцированного тока ротора (нет момента), асинхронный двигатель всегда работает медленнее, чем на синхронной скорости.
В отличие от синхронного двигателя, асинхронный двигатель всегда будет вращаться медленнее, чем магнитное поле статора. Эта разница называется скольжением. Из-за этой разницы в роторе асинхронного двигателя индуцируется обратный ток. Чем больше нагрузка, тем больше разница (скольжение). Ротор ускоряется до тех пор, пока величина индуцированного тока ротора и крутящего момента двигателя не уравновесит нагрузку на валу двигателя. Поскольку на синхронной скорости нет индуцированного тока ротора (нет момента), асинхронный двигатель всегда работает медленнее, чем на синхронной скорости.
Синхронный двигатель
Синхронные двигатели переменного тока технологически сложнее, чем асинхронные. Они используют постоянные магниты, что делает их более дорогими. Большим преимуществом является их более низкое потребление энергии. Синхронным двигателем труднее управлять, чем асинхронным. Обычно для управления ими нужен определенный тип регулятора частоты. Синхронными двигателями нельзя управлять ни с помощью трансформаторного регулятора скорости, ни с помощью электронного регулятора скорости. Как упоминалось выше, в статоре создается вращающееся магнитное поле. Синхронный двигатель имеет ротор, состоящий из постоянных магнитов. Магнитные противоположности притягиваются друг к другу. Поэтому магниты ротора будут точно (синхронно) следовать за вращающимся полем статора, независимо от нагрузки.
Синхронные двигатели переменного тока технологически сложнее, чем асинхронные. Они используют постоянные магниты, что делает их более дорогими. Большим преимуществом является их более низкое потребление энергии. Синхронным двигателем труднее управлять, чем асинхронным. Обычно для управления ими нужен определенный тип регулятора частоты. Синхронными двигателями нельзя управлять ни с помощью трансформаторного регулятора скорости, ни с помощью электронного регулятора скорости. Как упоминалось выше, в статоре создается вращающееся магнитное поле. Синхронный двигатель имеет ротор, состоящий из постоянных магнитов. Магнитные противоположности притягиваются друг к другу. Поэтому магниты ротора будут точно (синхронно) следовать за вращающимся полем статора, независимо от нагрузки.
Регуляторы скорости для АС двигателей
Синхронные двигатели обычно потребляют меньше энергии, чем асинхронные, но могут использоваться только в сочетании с преобразователем частоты. Асинхронные двигатели позволяют выбрать, нужно ли управлять ими с помощью регулятора скорости или нет. Благодаря регуляторам скорости можно управлять многими процессами более комфортно и точно. Например, в адаптивной вентиляции на основе спроса, где регуляторы скорости оптимизируют воздушный поток и сочетают хорошее качество воздуха в помещении с экономией энергии.
Синхронные двигатели обычно потребляют меньше энергии, чем асинхронные, но могут использоваться только в сочетании с преобразователем частоты. Асинхронные двигатели позволяют выбрать, нужно ли управлять ими с помощью регулятора скорости или нет. Благодаря регуляторам скорости можно управлять многими процессами более комфортно и точно. Например, в адаптивной вентиляции на основе спроса, где регуляторы скорости оптимизируют воздушный поток и сочетают хорошее качество воздуха в помещении с экономией энергии.
В системах ОВиК вентиляторами с асинхронными двигателями можно управлять с помощью преобразователя частоты или регулятора скорости. Оба способа имеют свои преимущества и недостатки. Преобразователь частоты обеспечивает наиболее точное управление и является энергоэффективным, но дороже. Регулятор скорости вентилятора дешевле и намного проще в установке и использовании.
Инвертор частоты оптимизирует как напряжение двигателя, так и частоту тока двигателя с помощью широтно-импульсной модуляции. Для этого требуются IGBT. Биполярные транзисторы с изолированным затвором - это высокоэффективные электронные компоненты, которые могут переключать мощные электрические токи на очень высоких частотах. Эта технология обеспечивает оптимальное управление двигателем, но она недешевая. Обычно для управления вентиляторами выбирают V/f или скалярный регулятор частоты. Скалярный преобразователь частоты поддерживает постоянное соотношение V/f (постоянный крутящий момент) во всем диапазоне скоростей. Это самые простые преобразователи частоты ввиду небольшого количества данных о двигателе, необходимых приводу. Для управления двигателем требуется лишь ограниченная конфигурация. V/f - это единственный метод управления, который позволяет управлять несколькими двигателями с помощью одного преобразователя частоты. В таких случаях все двигатели запускаются и останавливаются одновременно и работают с одинаковым заданным значением скорости.
В отличие от преобразователя частоты, регулятор скорости вентилятора изменяет только напряжение двигателя. Этот тип регулятора скорости подходит только для двигателей, регулируемых напряжением, и поэтому может использоваться в системах, где крутящий момент уменьшается со скоростью, например, для управления вентиляторами. Большим преимуществом этого типа регуляторов является простота эксплуатации и низкая стоимость. Конфигурация не требуется - как только все подключено, вентилятором можно сразу же управлять. Конструкция регулятора скорости вентилятора намного проще, чем конструкция частотного привода с переменной скоростью. Это также влияет на стоимость. Для регуляторов скорости вентиляторов можно использовать различные технологии, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки. Самыми распространенными технологиями являются: трансформаторные регуляторы скорости (5-ступенчатый регулятор) или электронные регуляторы скорости вентилятора (управление углом сдвига фаз TRIAC).
Как установить желаемую скорость вращения АС вентилятора?
Независимо от типа регулятора скорости переменного тока или инвертора частоты, пользователь должен иметь возможность указать желаемую скорость. Это можно сделать различными способами. С одной стороны, мы различаем регуляторы скорости, где элементы управления встроены в само устройство, с другой стороны, устройства, которые требуют внешнего электрического сигнала, с помощью которого можно установить желаемую скорость. Этот внешний сигнал может быть аналоговым (например, 0-10 Вольт) или цифровым (например, связь Modbus RTU). Возможности установки желаемой скорости с помощью внешнего электрического сигнала подробно рассмотрены в статье о потенциометрах.
EC-двигатели - двигатели со встроенным регулятором скорости
Двигатели с электронной коммутацией - это синхронные двигатели, которые приводятся в действие постоянным током через встроенный контроллер. Однако EC-двигатели подключаются к переменному току в сети. Этот переменный ток внутри преобразуется в постоянный, с помощью которого встроенный регулятор управляет двигателем.
Независимо от типа регулятора скорости переменного тока или инвертора частоты, пользователь должен иметь возможность указать желаемую скорость. Это можно сделать различными способами. С одной стороны, мы различаем регуляторы скорости, где элементы управления встроены в само устройство, с другой стороны, устройства, которые требуют внешнего электрического сигнала, с помощью которого можно установить желаемую скорость. Этот внешний сигнал может быть аналоговым (например, 0-10 Вольт) или цифровым (например, связь Modbus RTU). Возможности установки желаемой скорости с помощью внешнего электрического сигнала подробно рассмотрены в статье о потенциометрах.
EC-двигатели - двигатели со встроенным регулятором скорости
Двигатели с электронной коммутацией - это синхронные двигатели, которые приводятся в действие постоянным током через встроенный контроллер. Однако EC-двигатели подключаются к переменному току в сети. Этот переменный ток внутри преобразуется в постоянный, с помощью которого встроенный регулятор управляет двигателем.
ЕС-двигатели обычно имеют ротор из постоянных магнитов, который вращается вокруг статора. Встроенный регулятор преобразует переменное напряжение питания в постоянный ток (DC). Затем этот встроенный регулятор посылает нужное количество тока в необходимом направлении в определенное время через обмотки статора. Это создает вращающееся магнитное поле в статоре, которое приводит в движение ротор с постоянными магнитами. Положение каждого магнита ротора определяется с помощью датчиков Холла. Соответствующие магниты последовательно притягиваются к магнитным полюсам статора. В то же время остальные обмотки статора заряжаются с обратной полярностью. Эти силы притяжения и отталкивания сочетаются для достижения плавного вращения и создания оптимального крутящего момента. Поскольку все это происходит с помощью электроники, возможен точный мониторинг и управление двигателем. Таким образом, EC-двигатель можно рассматривать как комбинацию двигателя и регулятора скорости в одном корпусе.
ЕС-двигатели обычно дороже по сравнению с АС двигателями, но они имеют некоторые преимущества. Основные из них: высокое соотношение крутящего момента к весу благодаря более компактной конструкции и более низкому потреблению энергии по сравнению с двигателями переменного тока. Постоянные магниты и интегрированная электроника делают этот тип двигателей более дорогим. Двигатель и регулятор скорости вентилятора объединены в одном корпусе. Если ЕС-двигателем можно напрямую управлять через Modbus-связь, то все параметры двигателя, такие как температура в обмотках двигателя, энергопотребление, скорость вращения, счетчик часов работы и т. д., можно считывать дистанционно. Ввод в эксплуатацию может быть сложнее, но после установки это решение предлагает больше возможностей - особенно с точки зрения интеграции в системы BMS или интеллектуальные системы вентиляции.
Как установить скорость вращения EC вентилятора?
Подобно регуляторам скорости вентиляторов для АС двигателей, ЕС двигателями можно управлять с помощью внешнего электрического сигнала (аналогового) или посредством связи Modbus RTU. Аналоговый сигнал может генерироваться вручную с помощью потенциометра или автоматически с помощью датчика ОВиК. Таким образом, вентиляторами с ЕС-двигателем можно управлять с помощью потенциометра или с помощью датчика ОВиК.
На следующих изображениях приведен обзор возможностей управления двигателем переменного тока или ЕС-двигателем:
Как установить скорость вращения EC вентилятора?
Подобно регуляторам скорости вентиляторов для АС двигателей, ЕС двигателями можно управлять с помощью внешнего электрического сигнала (аналогового) или посредством связи Modbus RTU. Аналоговый сигнал может генерироваться вручную с помощью потенциометра или автоматически с помощью датчика ОВиК. Таким образом, вентиляторами с ЕС-двигателем можно управлять с помощью потенциометра или с помощью датчика ОВиК.
На следующих изображениях приведен обзор возможностей управления двигателем переменного тока или ЕС-двигателем:
Более подробную информацию можно найти на нашем сайте – решение – как управлять вентилятором?