Существует четыре типа нагрузок двигателей промышленной автоматизации:
1. Регулируемая мощность и постоянный крутящий момент: К устройствам с регулируемой мощностью и постоянным крутящим моментом относятся конвейеры, краны и шестерёнчатые насосы. В этих устройствах крутящий момент постоянен, поскольку нагрузка постоянна. Требуемая мощность может варьироваться в зависимости от области применения, поэтому двигатели переменного и постоянного тока с постоянной скоростью вращения являются хорошим выбором.
2. Переменный крутящий момент и постоянная мощность: Примером применения переменного крутящего момента и постоянной мощности является перемотка бумаги в машине. Скорость материала остаётся неизменной, а значит, мощность не меняется. Однако с увеличением диаметра рулона изменяется нагрузка. В небольших системах это хороший вариант для двигателей постоянного тока или серводвигателей. Рекуперация энергии также важна и должна учитываться при определении размера промышленного двигателя или выборе метода управления энергопотреблением. Двигатели переменного тока с энкодерами, замкнутым контуром управления и полноквадрантными приводами могут быть полезны в более крупных системах.
3. Регулируемая мощность и крутящий момент: вентиляторы, центробежные насосы и агитаторы требуют регулируемой мощности и крутящего момента. С увеличением скорости промышленного двигателя выходная нагрузка также увеличивается вместе с требуемой мощностью и крутящим моментом. Именно с этих типов нагрузок начинается обсуждение эффективности двигателя, поскольку инверторы нагружают двигатели переменного тока с помощью частотно-регулируемых приводов (ЧРП).
4. Управление положением или крутящим моментом: такие приложения, как линейные приводы, требуют точного перемещения в несколько положений, точного управления положением или крутящим моментом, а также часто требуют обратной связи для подтверждения правильности положения двигателя. Для таких применений наилучшим выбором являются серводвигатели или шаговые двигатели, но двигатели постоянного тока с обратной связью или двигатели переменного тока с инверторной нагрузкой и энкодерами обычно используются на линиях по производству стали, бумаги и в аналогичных областях.
Различные типы промышленных двигателей
Хотя в промышленности используется более 36 типов двигателей переменного/постоянного тока, существует множество типов двигателей, которые во многом совпадают в промышленных приложениях, и рынок подталкивает к упрощению выбора двигателей. Это сужает практический выбор двигателей для большинства применений. Шесть наиболее распространённых типов двигателей, подходящих для подавляющего большинства применений, — это бесщёточные и щёточные двигатели постоянного тока, двигатели переменного тока с короткозамкнутым ротором и с обмоткой ротора, серводвигатели и шаговые двигатели. Эти типы двигателей подходят для подавляющего большинства применений, в то время как другие типы используются только в специальных областях.
Три основных типа применения промышленных двигателей
Промышленные двигатели имеют три основных области применения: управление постоянной скоростью, регулирование скорости и управление положением (или моментом). Различные ситуации промышленной автоматизации требуют различных применений и задач, а также имеют свои собственные наборы задач. Например, если максимальная скорость меньше номинального значения скорости двигателя, требуется редуктор. Это также позволяет двигателю меньшего размера работать с более высокой эффективностью. Хотя в интернете представлено множество информации о том, как определить размер двигателя, существует множество факторов, которые необходимо учитывать, поскольку существует множество деталей. Расчет инерции нагрузки, крутящего момента и скорости требует понимания таких параметров, как общая масса и размер (радиус) нагрузки, а также трение, потери в редукторе и рабочий цикл машины. Необходимо также учитывать изменения нагрузки, скорости ускорения или замедления и рабочего цикла, иначе промышленные двигатели могут перегреться. Асинхронные двигатели переменного тока являются популярным выбором для промышленных вращательных систем. После выбора типа и размера двигателя необходимо также учитывать факторы окружающей среды и тип корпуса двигателя, например, открытый корпус или корпус из нержавеющей стали для мойки.
Как выбрать промышленный двигатель
Три основные проблемы выбора промышленного двигателя
1. Приложения с постоянной скоростью?
В приложениях с постоянной скоростью двигатель обычно работает с одинаковой скоростью, практически не учитывая ускорение и замедление. В таких приложениях обычно используется полное управление включением/выключением. Схема управления обычно состоит из предохранителя ответвления цепи с контактором, промышленного пускателя с защитой от перегрузки и ручного контроллера двигателя или устройства плавного пуска. Для приложений с постоянной скоростью подходят как двигатели переменного, так и постоянного тока. Двигатели постоянного тока обеспечивают полный крутящий момент при нулевой скорости и имеют большую монтажную базу. Двигатели переменного тока также являются хорошим выбором, поскольку они имеют высокий коэффициент мощности и требуют минимального обслуживания. В отличие от этого, высокие эксплуатационные характеристики серводвигателя или шагового двигателя были бы излишними для простого приложения.
2. Приложение с переменной скоростью?
Для систем с регулируемой скоростью обычно требуются компактные параметры скорости и её изменения, а также заданные кривые ускорения и замедления. На практике снижение скорости промышленных двигателей, таких как вентиляторы и центробежные насосы, обычно достигается за счёт соответствия потребляемой мощности нагрузке, а не работы на полной скорости с дросселированием или подавлением выходной мощности. Это очень важно учитывать при транспортировке, например, на линиях розлива. Сочетание двигателей переменного тока и частотно-регулируемых приводов широко используется для повышения эффективности и хорошо работает в различных системах с регулируемой скоростью. Как двигатели переменного, так и постоянного тока с соответствующими приводами хорошо работают в системах с регулируемой скоростью. Двигатели постоянного тока и конфигурации приводов долгое время были единственным выбором для двигателей с регулируемой скоростью, и их компоненты были разработаны и проверены. Даже сейчас двигатели постоянного тока популярны в системах с регулируемой скоростью, дробной мощностью и полезны в системах с низкой скоростью, поскольку они могут обеспечивать полный крутящий момент на низких скоростях и постоянный крутящий момент на различных скоростях промышленных двигателей. Однако техническое обслуживание двигателей постоянного тока является важной проблемой, поскольку многие из них требуют коммутации щётками и изнашиваются из-за контакта с движущимися частями. Бесщёточные двигатели постоянного тока устраняют эту проблему, но они изначально дороже, а ассортимент промышленных двигателей меньше. Износ щёток не является проблемой для асинхронных двигателей переменного тока, в то время как частотно-регулируемые приводы (ЧРП) представляют собой полезное решение для приложений мощностью более 1 л.с., таких как вентиляторы и насосы, что может повысить эффективность. Выбор типа привода для промышленного двигателя может повысить чувствительность к позиционированию. При необходимости к двигателю можно добавить энкодер, а привод можно настроить на использование обратной связи от энкодера. В результате такая конфигурация может обеспечить скорости, аналогичные скорости сервопривода.
3. Вам необходимо управление положением?
Точное управление положением достигается за счёт постоянного контроля положения двигателя во время его движения. В таких приложениях, как позиционирование линейных приводов, могут использоваться шаговые двигатели с обратной связью или без неё, а также серводвигатели с собственной обратной связью. Шаговый двигатель точно перемещается в заданное положение с умеренной скоростью и затем удерживает его. Система с разомкнутым контуром управления обеспечивает эффективное управление положением при правильном выборе размера. При отсутствии обратной связи шаговый двигатель будет перемещаться на точное количество шагов, если не столкнётся с прерыванием нагрузки, превышающим его возможности. По мере увеличения скорости и динамики приложения управление шаговым двигателем с разомкнутым контуром управления может не соответствовать требованиям системы, что требует модернизации до системы с шаговым двигателем или серводвигателем с обратной связью. Система с замкнутым контуром управления обеспечивает точные, высокоскоростные профили движения и точное управление положением. Сервосистемы обеспечивают более высокие крутящие моменты, чем шаговые двигатели, на высоких скоростях, а также лучше работают при высоких динамических нагрузках или в сложных системах перемещения. Для высокопроизводительного движения с малым перерегулированием положения отражённый момент инерции нагрузки должен максимально соответствовать моменту инерции серводвигателя. В некоторых случаях достаточно рассогласования до 10:1, но оптимальным является соответствие 1:1. Редукторная передача — хороший способ решения проблемы рассогласования моментов инерции, поскольку инерция отражённой нагрузки уменьшается пропорционально квадрату передаточного числа, но при расчёте необходимо учитывать инерцию редуктора.
Время публикации: 16 июня 2023 г.