Dlaczego prostowniki-falowniki są używane do napędzania silników prądu przemiennego zamiast prostowanego prądu do napędzania silników prądu stałego?

Rozumiem zalety korzystania z układu prostownik-falownik do napędzania silnika prądu przemiennego zamiast po prostu podłączania go do zasilania sieciowego, ponieważ pozwala on na znacznie lepszą kontrolę jego prędkości i wydajności; ale nie rozumiem: skoro pierwotna moc prądu przemiennego musi zostać przetworzona na prąd stały w celu zasilania obwodu falownika, dlaczego ten prąd stały nie jest bezpośrednio przesyłany do silnika prądu stałego, zamiast przekształcać go z powrotem w prąd przemienny, a następnie wysyłać to do silnika prądu przemiennego?

Silniki prądu stałego mają efektywnie jedną zmienną: ile mocy zasilasz silnik? Silniki prądu przemiennego mają dwie zmienne: moc i częstotliwość. Nie jestem ekspertem w dziedzinie silników, ale spodziewam się, że silniki prądu przemiennego pozwolą zatem na niezależną kontrolę prędkości i momentu obrotowego, podczas gdy silniki prądu stałego nie. Problemem jest także kontrola kierunkowa. Kierunek silnika prądu przemiennego może być kontrolowany przez kierunek obrotów dostarczanej do niego mocy. Kierunek silnika prądu stałego nie jest tak łatwo kontrolowany.

Mówiąc szerzej, wszystkie silniki działają, ponieważ gdzieś istnieje wirujące pole magnetyczne. Obrót ten jest generowany wewnątrz silnika (samozasilanie) lub dlatego, że zasilanie silnika samo się obraca (zewnętrznie komutowane). Silniki prądu stałego muszą się samozasilać; DC z definicji nie obraca się.

Jak osiągnąć komutację w silniku? Zazwyczaj są albo szczotki , albo falownik wbudowany w silnik . Pędzle zużywają się i podejrzewam, że mają inne wady. A jeśli zamierzasz wbudować falownik w silnik, dlaczego nie umieścić go poza silnikiem i uzyskać lepszą kontrolę?

Ponieważ silniki prądu przemiennego są generalnie znacznie bardziej wydajne niż silniki prądu stałego, a ponieważ nie wymagają styków elektrycznych z wirnikiem, są również bardziej niezawodne.

Pamiętaj, że silnik BLDC jest tak naprawdę silnikiem prądu przemiennego z wbudowanym obwodem napędowym. Przy wyższych poziomach mocy sensowne jest oddzielenie obwodów sterowania i napędu od samego silnika.

Ponadto silniki z wirnikami z magnesami trwałymi (PM) mają ograniczone możliwości przenoszenia mocy. Przy wyższych poziomach mocy stosuje się silniki indukcyjne prądu przemiennego, nawet w pojazdach elektrycznych.

W przypadku wielu rodzajów silników prądu przemiennego szybkość obrotów będzie silnie skorelowana z częstotliwością prądu napędowego. W wielu przypadkach prędkość obrotowa w obrotach na sekundę będzie albo dokładnym ułamkiem częstotliwości napędu w cyklach na sekundę (np. 1/3), albo dokładnym ułamkiem minus pewna ilość „poślizgu”, która zależy od napędu Napięcie. Chociaż może być możliwe kontrolowanie prędkości niektórych silników prądu przemiennego poprzez zmianę napięcia napędu, a tym samym umożliwianie różnych wielkości poślizgu, bardziej efektywne jest zmienianie częstotliwości napędu i próba zminimalizowania poślizgu.

Należy również zauważyć, że prawie wszystkie silniki, które są w stanie wykonać nietrywialną ilość pracy, wymagają okresowej zmiany biegunowości prądu w niektórych cewkach. Dotyczy to zarówno silników prądu stałego, jak i silników prądu przemiennego. Większość silników prądu stałego wykorzystuje komutator mechaniczny i szczotki do takiego przełączania; mają one zwykle ograniczony okres użytkowania przed wymaganiem serwisu lub wymiany. Niektórzy używają elektroniki do przełączania rzeczywistego prądu silnika, ale w gruncie rzeczy zamieniają je w kombinację „falownik plus silnik AC”.

Powodów może być wiele. Najbardziej oczywiste jest to, że szczotki w silnikach PMDC zużywają się i należy je wymienić po 2000-5000 godzin, w zależności od środowiska. Natomiast silniki prądu przemiennego (zarówno silniki indukcyjne, jak i silniki bezszczotkowe PMSM, zwane także silnikami BLDC) mogą trwać 20 000 godzin. Jeśli więc ważna jest bezobsługowa praca, może być potrzebny silnik prądu przemiennego.

Po drugie, jeśli wykonujesz jakąkolwiek kontrolę prędkości lub momentu obrotowego, nie będziesz mieć tylko prądu stałego dla silnika prądu stałego. Będziesz miał PWM DC. A kiedy masz do tego elektronikę, nie jest tak bardzo różnie, aby przejść do PWM AC.

Po trzecie, wiele nowoczesnych silników indukcyjnych i sterowania PMSM działa przy użyciu techniki zwanej sterowaniem zorientowanym polowo. Ten rodzaj sterowania pozwala kontrolować płynną pracę silnika przy niskiej prędkości i wysokiej prędkości oraz daje niezależną kontrolę nad momentem obrotowym i polem magnetycznym. Nie można tego zrobić za pomocą kontrolki PMDC, ponieważ pędzle / komutator mechanicznie wyrównują pole. Więc jeśli jest to dla ciebie ważne, możesz wybrać prąd przemienny zamiast silnika prądu stałego.

Kolejną zaletą silników prądu przemiennego jest to, że nie używają szczotek i komutatorów, jak silniki prądu stałego. Generują one dużo iskier i szerokopasmowego szumu elektromagnetycznego.

Są środowiska, w których takie działania są naprawdę, bardzo niepożądane :)

Silniki prądu przemiennego są bardziej niezawodne niż silniki prądu stałego. Silniki prądu stałego wytwarzają moc wyjściową z prądu płynącego w tworniku. Silnik prądu stałego przenosi prąd do zwory za pomocą komutatora i szczotek. Indukcyjność elektryczna zwory powoduje wyładowanie łukowe, gdy każda szczotka zrywa połączenie z każdym kolejnym prętem kontaktowym zwory. To powoduje, że armatura i szczotki stają się szorstkie. Chropowatość nosi zarówno zwory, jak i szczotki. Gdy silniki prądu przemiennego używają wirników elektromagnetycznych, prąd łączy się z wirnikiem za pomocą pierścieni ślizgowych i szczotek. Na szczotkach na pierścieniach ślizgowych nie ma przełączania. Pozwala to uniknąć wyładowań łukowych spowodowanych przez silniki prądu stałego. Pierścienie ślizgowe i szczotki działają wiele razy dłużej niż szczotki i komutatory z silnikami prądu stałego. Większość silników prądu przemiennego działa bez szczotek i pierścieni ślizgowych za pomocą sprzężenia indukcyjnego, histerezy, lub magnesy trwałe w wirnikach. Żywotność silników bezszczotkowych może być ograniczona tylko przez trwałość łożyska.

Silniki prądu przemiennego mogą być bardziej kontrolowane niż silniki prądu stałego. Sterowniki silnika prądu stałego mogą zmieniać pole magnetyczne ze stojana lub napięcie lub prąd przykładane do twornika. Sterowniki silnika prądu przemiennego mogą zmieniać napięcie stojana, prąd, częstotliwość lub fazę lub prąd wirnika. Niektóre silniki prądu przemiennego mogą zmieniać liczbę biegunów magnetycznych na stojanie. Dzięki temu silniki prądu przemiennego są w stanie skutecznie przetwarzać energię elektryczną na moc napędową w szerszym zakresie prędkości roboczych niż silniki prądu stałego o równoważnych poziomach mocy.

Innym aspektem, o którym nie wspominam, jest to, że trójfazowy silnik prądu przemiennego zasilany czystą falą sinusoidalną wytwarza jednolity moment obrotowy we wszystkich 360 stopniach obrotu. Prosty silnik prądu stałego doświadcza zmian momentu obrotowego, gdy każdy biegun wirnika obraca się poza swoim odpowiednikiem biegun stojana. Może to być ważnym czynnikiem, na przykład w obróbce precyzyjnej.