чем отличаются двигатели постоянного и переменного тока
Двигатели переменного тока и постоянного тока: в чем разница?
Без рубрики
Электродвигатели — это машины, предназначенные для преобразования электрической энергии в механическую. Хотя они доступны во многих вариантах, их можно разделить на две основные категории: двигатели переменного тока и двигатели постоянного тока.
И двигатели переменного тока, и двигатели постоянного тока имеют одинаковую функцию; то есть преобразовывать электрическую энергию в механическую. Однако при выборе двигателя важно знать разницу между двигателями переменного и постоянного тока, поскольку каждый из них имеет разные требования к конструкции, питанию и управлению. В следующей статье обсуждаются различия между двумя типами двигателей, включая основные конструктивные и рабочие характеристики, преимущества и области применения. Купить электрический двигатель можно на сайте https://psnab.ru
Обзор двигателей переменного тока
Как следует из названия, двигатели переменного тока используют переменный ток (AC) для выработки механической энергии. Стандартная конструкция состоит из статора с обмоткой, встроенной по окружности, и свободно вращающейся металлической части (т. е. ротора) в центре.
Когда ток подается на обмотки статора в двигателе переменного тока, создается вращающееся магнитное поле. Это магнитное поле индуцирует электрический ток внутри электропроводного ротора и, следовательно, образует второе вращающееся магнитное поле. Взаимодействие между первым магнитным полем и вторым магнитным полем заставляет вращаться ротор.
При выборе электродвигателя переменного тока для применения необходимо учитывать два критических фактора:
Обзор двигателей постоянного тока
Двигатели постоянного тока используют постоянный ток (DC) с постоянным напряжением для выработки механической энергии. Двигатели постоянного тока состоят из вращающейся обмотки якоря (т. е. Ротора) и статора возбуждения с обмотками, которые образуют набор неподвижных электромагнитов. Другой ключевой компонент двигателя постоянного тока — это коммутатор, прикрепленный к якорю.
Когда ток течет через двигатель постоянного тока, внутри статора возбуждения и вокруг обмотки якоря создается магнитное поле. Взаимодействие между этими двумя магнитными полями создает электромагнитную силу, которая заставляет якорь вращаться. Коммутатор изменяет направление тока в якорь и тем самым позволяет ему продолжать вращение, пока ток течет через систему.
Двигатели постоянного тока могут использоваться для создания различных уровней скорости и крутящего момента. Регулировка уровней напряжения, подаваемого на якорь, или статического тока возбуждения изменяет выходную скорость.
Преимущества двигателей переменного тока перед двигателями постоянного тока
И двигатели переменного тока, и двигатели постоянного тока демонстрируют уникальные преимущества, которые делают их пригодными для различных применений. Ниже мы описываем преимущества, предлагаемые обоими типами двигателей.
К преимуществам двигателей переменного тока можно отнести:
К преимуществам двигателей постоянного тока можно отнести:
Применение двигателей переменного тока по сравнению с двигателями постоянного тока
Как указано выше, двигатели переменного тока и двигатели постоянного тока подходят для различных применений. В промышленном секторе долговечность, гибкость и эффективность двигателей переменного тока делают их идеальными для использования в приложениях для широкого спектра устройств, включая бытовые приборы, компрессоры, конвейеры, вентиляторы и другое оборудование HVAC, насосы и транспортное оборудование. Более быстрое время отклика и более стабильные уровни крутящего момента и скорости, предлагаемые двигателями постоянного тока, делают их хорошо подходящими для использования в производственном и производственном оборудовании, лифтах, пылесосах и подъемно-транспортном оборудовании.
И двигатели переменного тока, и двигатели постоянного тока играют критически важную роль в производстве электроэнергии в широком спектре промышленных, коммерческих и жилых помещений. Поскольку оба типа двигателей обладают преимуществами и недостатками, важно понимать разницу между ними, чтобы выбрать подходящий для своего предприятия.
Двигатели постоянного и переменного тока
Электромеханическое устройство, которое за счет преобразования электрической энергии приводит в движение механизмы, подключенные к нему, называется электродвигателем. В зависимости от вида потребляемой энергии они подразделяются на машины постоянного и переменного тока.
Их преимущества все более вытесняют двигатели на других источниках энергии из большинства конструкций производственных и бытовых механизмов. В автомобилях массовая замена ДВС на электропривод начинается на наших глазах.
Постоянный ток
Электрический ток (направленное движение заряженных частиц), не изменяющийся по направлению и амплитуде, называется постоянным. Источники его изначально были химические процессы, а сейчас возобновляемые (солнце, ветер). Преобразование его технически сложно, поэтому на большие расстояния передавать такой ток довольно дорого.
На малых расстояниях у него есть преимущества: отсутствие реактивной мощности и малые потери в проводах за счет прохождения по всему сечению проводника. Двигатели постоянного тока устанавливаются рядом с источниками и преобразователями, чтобы иметь возможность менять величину и направления тока в соответствии с потребностями в моменте и скорости исполнительного механизма.
Принцип действия
Школьный опыт с демонстрацией вращения рамки в магнитном поле отрытый в 1821 Фарадеем поясняет работу двигателя постоянного тока. Металлическая рамка с проходящим через нее током от батареи повернется под действием магнитного поля так, чтобы его воздействие стало нулевым. Для получения непрерывного вращения необходимо в этот момент поменять направление тока, либо объединить несколько рамок в процессе.
Виды двигателей постоянного тока
К концу 19 века уже началась эксплуатация электрических машин постоянного тока: генераторов и моторов. Причем оба вида не отличаются конструктивно и могли применяться как для выработки электроэнергии, так и для производства работ.
Коллекторный мотор
Принцип вращения рамки с током в поле постоянного магнита наиболее ярко реализован в коллекторных электродвигателях. Такие электродвигатели работают как от постоянного, так и от переменного тока. Впервые судно с двигателем постоянного тока запустил Б.С. Якоби по реке Неве в 1838г.
Такой двигатель состоит из неподвижной части (статор), на которой устанавливаются магниты для маломощных двигателей или катушки из ферримагнитных сталей, и обмотки с медным проводом для мощных электрических машин.
Якорь МПТ собран из пластин электротехнической стали, изолированных от вала и друг от друга для уменьшения вихревых токов. В пазы цилиндра укладывается витки провода из меди разного сечения в зависимости от токов и выбранной схемы (петлевая, волновая). Концы проводов выводятся и ввариваются (впаиваются) в ламели коллектора.
Коллектор состоит из медных изолированных пластин (ламелей) закрепленных по окружности, изолированных друг от друга и корпуса якоря. По ним перемещаются притертые подпружиненные щетки, закрепленные в щеткодержателе, для последовательной подачи тока в обмотки якоря. При подаче напряжения на щетки, якорь начинает вращаться и двигатель постоянного тока выходит в заданный режим.
Универсальный коллекторный мотор
Дальнейшее развитие коллекторных ДПТ позволило использовать их при работе от источников переменного тока. Для этого шихтуется не только якорь, но и цилиндр статора набирается из пластин электротехнической стали, а обмотки возбуждения соединяются последовательно с якорными. Одновременная смена полярности на них при прохождении переменного тока не меняет направление вращения вала двигателей.
Основное отличие — шихтованные статор и якорь делают магнитный поток стабильным и не создают вихревых токов (меньше греются). В остальном универсальный двигатель мало чем отличается от обычного коллекторного.
Вентильно-индукторные двигатели
Такие электромоторы иногда называются бесщёточными или безколлекторными. Суть такой конструкции в том, что ротор имеет зубчатое строение, собранное из постоянных магнитов, а обмотки возбуждения размещаются на зубчатых полюсах статора.
Переключением полюсов (катушек) занимается встроенный контроллер, за обратную связь, контролирующую положение якоря (ротора), отвечает датчик Холла. При включении пары катушек магнит на роторе движется к ней, затем следующая пара получает питание. Скорость вращения определяется частотой переключения катушек — чем выше частота, тем выше скорость.
Недостатком такой конструкции является пульсирующий крутящий момент. Плюсы: нет коллектора и щеток, простая конструкция, хорошее управление скоростью и малые габариты.
Безколлекторный с независимым возбуждением
Конструкция ротора этого двигателя собрана из двух зубчатых пакетов из магнитной стали на общей оси. Вершины зубцов пакета смещены друг относительно друга на 120°. Пакеты отстоят друг от друга на расстоянии, а зубцы одного совпадают с впадинами другого, таким образом, что суммарный магнитный поток ротора равен нулю.
Размещенная на статоре обмотка возбуждения тоже распределена со смещением в 120°. Собранный из электротехнической стали статор имеет размер такой, чтобы его магнитное поле перекрывало оба пакета магнитов ротора.
Поочередное включение катушек ротора создает магнитное поле в обоих магнитных блоках и ротор начинает плавно вращаться. Изменяя частоту и направление переключения секций обмотки возбуждения, а также силу тока в них, можно получить бесконтактный реверс, линейный крутящий момент и плавное изменение скорости.
Кроме этих достоинств есть еще отсутствие магнитов и графитовых щеток с коллектором. К недостаткам можно отнести сложность конструкции двигателей и питание обмоток от электронного преобразователя.
Несомненными достоинствами двигателей постоянного тока можно отнести:
Их недостатков можно отметить обязательное наличие преобразователя переменного тока в постоянный и сложность конструкции некоторых видов двигателей (коллектор со щетками, сложный якорь).
Переменный ток
Основных недостатков переменного тока два: наличие потерь мощности за счет обменных процессов между индуктивностями и емкостями в сетях (реактивной мощности); вытеснение переменного тока в проводнике от центра к поверхности. Чем выше частота, тем меньше используется сечение провода.
Изменение напряжения решается легко при помощи трансформаторов, потери в котором составляют не более 1% передаваемой мощности. Трансформаторы решают легко две задачи: гальванической развязки цепей высокого и низкого напряжения; за счет высокого напряжения при передаче электроэнергии на большие расстояния снижаются потери в проводах.
Создание трехфазных сетей переменного тока, кроме повышения эффективности электроснабжения, привело к появлению двигателей переменного тока, так как они получили вращающееся магнитное поле напрямую из сети без преобразователей.
Виды двигателей переменного тока
Применение трехфазных электросетей привело к доминированию асинхронных двигателей переменного тока во всех отраслях промышленности.
Принцип действия
В статоре асинхронного двигателя укладывается трехфазная обмотка, которая при прохождении синусоидального тока создает вращающееся магнитное поле. При пересечении замкнутых проводников ротора магнитное поле создает электрический ток (возникает ЭДС).
Переменный ток в проводнике создает свое магнитное поле, которое стремится догнать поле статора. Взаимодействие полей заставляет вращаться ротор, скорость вращения которого отстает от скорости вращения поля статора на величину скольжения. Наличие этой разности главное условия вращения ротора асинхронного мотора.
Асинхронный трехфазный двигатель
Двигатели, использующие трехфазную электрическую сеть для создания статором вращающегося магнитного поля. По конструктивному исполнению ротора они делятся на короткозамкнутые и фазные.
Для короткозамкнутого ротора — в пазы собранного из листов электротехнической стали цилиндра заливается алюминий (реже медь) и по торцам соединяются токопроводящими кольцами. В этой «беличьей» клетке образуется ЭДС, затем ток и магнитное поле для вращения вала. Последние конструкции таких двигателей используют цельно металлический полый алюминиевый ротор.
В фазных моторах трехфазная обмотка, соединенная «звездой», укладывается в пазы ротора и свободные концы выводятся на контактные кольца для подключения сети или резисторов для снижения пускового тока
Однофазный асинхронный мотор не может создать вращающееся магнитное поле, способное заставить ротор вращаться. Для того чтобы сдвинуть ротор, на статоре укладывается две обмотки: пусковая и рабочая. Во время пуска напряжение подается на рабочую и, на короткое время через конденсатор, на пусковую катушку. Созданный таким образом перекос фаз заставляет вращаться ротор, пусковая обмотка отключается, а двигатель входит в номинальный режим.
Синхронные двигатели переменного тока
У синхронных машин в номинальном режиме скорость вращения ротора равна скорости вращающегося поля статора. Отличающийся от асинхронного наличием коллектора.
На статоре такого электромотора размещается трехфазная обмотка (на больших машинах чаще всего высоковольтная), создающая вращающееся магнитное поле. На роторе укладывается две обмотки: «беличья клетка» и электромагнитные катушки с питанием от источника постоянного тока.
Пуск синхронного двигателя происходит, как и у асинхронного короткозамкнутого. По достижении номинальной скорости асинхронного режима подается питание на электромагниты, а скорости вращения магнитного поля статора и ротора уравниваются.
К положительным качествам синхронных машин можно отнести:
Из недостатков: наличие источника постоянного тока, сложность пуска, трудности в регулировании момента и скорости вращения.
Выбор электродвигателей
На описании принципов работы, устройства и краткого изложения характеристик однозначный выбор в пользу того или иного решения можно сделать только в самых простейших случаях. Современные электрические машины становятся все более универсальными. Какая разница есть между двигателем и генератором, в чем различие машин постоянного и переменного тока на первый взгляд не всегда возможно понять.
Развитие электронной промышленности размывает границы ниш. Теперь и двигатели постоянного тока, и двигатели переменного тока теряют свои позиции. Появление частотного регулирования скорости и момента асинхронных короткозамкнутых и синхронных двигателей все сильнее смещает принятие решения из инженерной сферы в технико-экономическую.
Электрические машины выбирают на основе следующих критериев:
Это только начало. В крупных проектах придется учитывать воздействие на окружающую среду, штрафы на искажение сетевой частоты и так далее. Чтобы принять оптимальное решение в конкретном случае — какой электродвигатель и с каким приводом применять — придется оценить совокупность множества условий.
Видео по теме
Какие бывают виды электрических двигателей и чем они отличаются
Как работают двигатели
Принцип работы всех видов электродвигателей состоит во взаимодействии магнитных полей ротора и статора. При этом магнитное поле может создаваться постоянным магнитном или обмоткой (катушка-электромагнит).
В зависимости от мощности и типа мотора обмотки могут быть расположены только на статоре или и на статоре и на роторе. Попытаемся объяснить устройство и принцип работы для чайников в электрике.
Начнем с того, что рассмотрим устройство коллекторных электродвигателей. Например, в маленьких коллекторных двигателях постоянного тока, как для радиомоделей, на статоре расположены постоянные магниты, а в роторе намотаны катушки из медного провода. Ток к катушкам ротора такого электродвигателя подаётся через щеточный узел, состоящий из щеток и коллектора. На коллекторе расположены ламели, к которым присоединены выводы обмоток.
После включения питания ротор (якорь) начинает вращаться, на нём закреплен коллектор, а неподвижные щетки касаются попеременно разных пар ламелей коллектора. Через щетки и ламели к обмоткам ротора подаётся ток то на одну обмотку, то на другую, таким образом создавая изменяющееся магнитное поле, которое взаимодействует с полем магнита. В результате полюса вращающегося и неподвижного электромагнитов притягиваются, из-за чего и происходит вращение.
Если опустить некоторые нюансы, то чем больше ток ротора, тем больше это поле и тем быстрее вращается ротор. Однако это применимо в основном для коллекторных машин постоянного и переменного токов (они универсальны).
Если говорить об асинхронном двигателе (АД) с короткозамкнутым ротором — это электродвигатель переменного тока без щеток. В нем обмотки расположены на статоре (а), а ротор представляет собой стержни (б), замкнутые на коротко кольцами — так называемая беличья клетка. 
В этом случае вращающееся магнитное поле статора порождает ток в стержнях ротора, из-за которого также возникает еще одно магнитное поле. А что происходит, когда рядом расположены два магнита?
Они отталкиваются или притягиваются друг к другу. Так как ротор закреплен на концах в подшипниках, то ротор начинает вращаться. АД предназначен только для переменного тока, и скорость вращения вала у него зависит от частоты тока и числа полюсов в обмотках статора, подробнее этот вопрос мы рассмотрим в статье об асинхронных электродвигателях.
Но для начала вращения вала такого двигателя важно либо толкнуть его (придать начальную скорость), либо создать вращающееся магнитное поле. Оно создаётся с помощью расположенных определенным образом обмоток, подключенным к трёхфазной электросети (например, 380В), или с помощью пусковых и рабочих конденсаторов (в т.н. конденсаторных асинхронных двигателях).
Кроме взаимодействия магнитных полей в во вращении вала электродвигателя участвует и сила Ампера.
Поэтому нужно понимать, что момент на валу абстрактного двигателя и число оборотов зависят от конструкции и вида электромашины, а также от силы тока и его частоты. Повторюсь, что в этой статье мы не будем углубляться подробно в особенности устройства каждого из видов и типов электродвигателей, а сделаем отдельные статьи для этого.
Стоит отметить, что асинхронные и универсальные коллекторные двигатели наиболее распространены в быту и на производстве, в приводах строительных машин. Они используются везде, как для движения промышленных механизмов, так и для автомобилей, электротранспорта и используемых в бытовой технике, вплоть до электрической зубной щетки.
Основная классификация
Итак, электродвигатели главным образом делятся на машины, работающие от постоянного тока, а также от переменного тока. Чем отличается переменный ток от постоянного, мы рассказывали в статье: https://samelectrik.ru/chem-otlichaetsya-peremennyj-tok-ot-postoyannogo.html. Типы электрических двигателей рассмотрим с машин, работающих от переменки.
Двигатели переменного тока
Большинство электрических машин, используемых на производстве и в повседневной жизни, для привода лифтов, в других видах электропривода работают от переменного тока.
Двигатели переменного тока можно классифицировать следующим образом:
При этом асинхронные двигатели различают либо по конструкции ротора:
И по количеству фаз:
Есть разные конструкции однофазных АД, в списке приведены два основных варианта!
Особенностью всех асинхронных электродвигателей является то, что частота вращения ротора немного меньше скорости вращения магнитного поля статора и равняется:
где n – число оборотов в минуту, f – частота питающей сети, p – число пар полюсов, s – скольжение, а «60» — секунд в минуте.
Таким образом частота вращения ротора определяется частотой питающей сети, конструкцией обмоток, а вернее числом пар полюсов (катушек) в ней и величиной скольжения.
Скольжение – это величина, которая характеризует насколько меньше частота вращения ротора относительно частоты вращающегося магнитного поля. При нормальных режимах работы лежит в пределах 0,01-0,06. Если говорить простым языком, то поле в статоре с одной парой полюсов вращается со скоростью:
При двух парах — 1500 об/мин, а при трёх парах — 1000 об/мин.
При скольжении, допустим, в 0,05, частота вращения ротора будет равняться:
Для регулировки оборотов таких электродвигателей используют частотные преобразователи, так как на остальные переменные, приведенной выше формулы, мы повлиять не можем.
Наиболее распространены в России асинхронные двигатели с напряжением питания 220В для соединения обмоток по схеме треугольника и 380В по схеме звезды.
Если в трёхфазной электрической машине вращающееся поле статора создаётся расположением обмоток и сдвигом фаз в сети на 120˚, то в однофазных такого эффекта не наблюдается. Вал будет вращаться, если задать ему первоначальное вращение, крутнув вал рукой или установив фазосдвигающий конденсатор, который создаст сдвиг фазы на пусковой обмотке.
Двухфазные конденсаторные двигатели устроены подобным образом, но вторая обмотка не отключается после пуска, а продолжает работать через конденсатор. Поэтому название «двухфазные» скорее относится к конструкции и схеме подключения, а не к цепям питания. И двухфазные, и однофазные рассчитаны на работе от сети 220В.
Синхронные электродвигатели (СД) почти всегда выполняются с обмоткой возбуждения на якоре, и ток возбуждения на неё передается либо через щеточный узел, либо наводится с помощью электромагнитной системы.
Это нужно для того, чтобы его вал вращался с частотой, совпадающей с частотой вращения поля статора. То есть такого параметра как скольжения в этом случае нет.
Ток возбуждения подаётся от специальных систем возбуждения, таких как «генератор-двигатель» или электронных преобразователей на тиристорах или транзисторах. Наиболее распространены на отечественных предприятиях такие приборы как ВТЕ, ТВУ и пр.
Не всегда есть обмотка возбуждения и щетки, например, в микроволновой печи в приводе вращения тарелки используется синхронный двигатель с постоянными магнитами.
Синхронные машины бывают явнополюсными и неявнополюсными. Визуальные отличия заключаются в конструкции ротора, на практике есть разница и в их характеристиках, методах производства и конструкции. На практике обычному домашнему электрику вряд ли с ними придётся столкнуться.
Остаётся сказать главное о двигателях переменного тока – они плохо поддаются регулировке скорости вращения из-за того, что их обороты привязаны к скорости. Уменьшение напряжения (тока) на статоре или возбуждения (у синхронных и асинхронных с фазным ротором) приводит к падению момента и увеличению величины скольжения (у АД), при этом вал может вращаться медленнее. Чтобы регулировать обороты таких двигателей, вам нужен частотный преобразователь. О том, как выбрать частотник, мы рассказали в статье: https://samelectrik.ru/vybor-chastotnogo-preobrazovatelya.html.
Двигатели постоянного тока (ДПТ)
Существуют следующие виды и типы электродвигателей постоянного тока:
Коллекторные двигатели можно разделить на группы по типу возбуждения:
По типу подключения обмоток возбуждения различают следующим образом:
У маломощных коллекторных ДПТ возбуждение чаще всего организовано с помощью постоянных магнитов.
При независимом возбуждении у коллекторного электродвигателя обмотки статора и ротора не соединены друг с другом, а в сущности питаются от разных источников. Таким образом можно организовать регулировку момента или оборотов, а также добиться большей энергоэффективности.
В зависимости от конструкции такой электродвигатель может работать или только от постоянного тока, или работать от переменного и постоянного. Во втором случае их называют «универсальный коллекторный двигатель». Они широко распространены в быту, используются в кухонной технике и электроинструменте (болгарки, дрели и т.д.).
Бесколлекторные двигатели лишены недостатков, присущих коллекторным, за счет отсутствия щеточного узла. Ток подаётся к трём обмоткам статора, а обмотки переключаются с помощью контроллера. Фактически бесщеточные ДПТ питаются преобразованным переменным током. Принцип работы этих двигателей вы можете узнать, посмотрев следующее видео:
По устройству они похожи на синхронные двигатели, за исключением того, что используются постоянные магниты, а не электромагниты. Для вращения такого двигателя и повышения эффективности его работы используются датчики Холла для определения положения вала и правильного переключения обмоток.
Часто их называют вентильными двигателями, а в англоязычных источниках подобные двигатели, в зависимости от конструкции, называют PWSM или BLDC.
Они используются в компьютерных кулерах, в качестве привода для радиоуправляемых моделей, таких как квадрокоптеры, а также в моторколесе для велосипеда.
Дополнительная классификация
Кроме рассмотренных выше двигателей следует сказать о других видах, таких как:
Шаговые двигатели и сервоприводы используются там, где нужно позиционировать узел какого-то механизма. Простейший пример – ЧПУ, 3D-принтер и прочее. Также с помощью «шаговиков» иногда управляют положением дроссельной заслонки автомобиля – и это лишь малая часть их применения.
Описание функций и особенностей этих видов электропривода – это тема для отдельной статьи. Если вам интересно, пишите комментарии и мы её опубликуем!
Линейный двигатель, в отличии от всех выше перечисленных, движение его вала не вращательное, а поступательное. То есть он не крутится, а двигается «вперед-назад». Они бывают разными:
На практике встречаются редко, используются в качестве привода для монорельсовой железной дороги, для подачи рабочего органа в различных станках.
Однако приведенная в статье классификация была выбрана с точки зрения практичности, в литературе же предлагают разделять электропривод по следующим критериям.
По специфике создающегося вращательного момента:
Следующий вариант классификации основан на различиях конструкции и особенности их конструктивного исполнения.
По типу и расположению вала:
Защите от действий внешней среды:
По продолжительности режима работы:
По мощности также можно различать машины малой, средней, большой мощности. Однако пределы этих мощностей приводить не имеет смысла, поскольку где-то 6 МВт – это средняя мощность, а где-то 1 кВт – это колоссальное число.
Подробно рассмотреть все виды в пределах одной статьи невозможно, поэтому мы рассмотрим каждый вариант исполнения по отдельности. Надеемся, предоставленная вкратце классификация помогла вам понять, какие бывают типы электродвигателей постоянного и переменного тока, а также в чем их различия и особенности применения!