Бесщеточный двигатель постоянного тока и переменного тока: сравнение покупателя

Быстрый ответ

Бесщеточные двигатели постоянного тока обеспечивают более высокую эффективность, более длительный срок службы без коммутации и более точное управление положением; Двигатели переменного тока обеспечивают большую плотность крутящего момента при более низкой начальной цене. Правильное соответствие зависит от вашей кривой зависимости крутящего момента от скорости, рабочего цикла, приемлемой сложности управления и общей стоимости владения на период от семи до десяти лет. Во многих установкахбесщеточный постоянного токасервоприводПервоначальные затраты на систему увеличиваются на 15–30 %, но она исключает механический износ коммутатора, увеличивает интервалы технического обслуживания и сокращает время незапланированных простоев. Если ваша линия требует позиционирования ниже градуса и более 20 000 часов непрерывной работы, обычно побеждает бесщеточный DC. Если вы едете с высокоинерционной нагрузкой на умеренной постоянной скорости и с более простой электроникой привода,Асинхронный двигатель переменного токавсе еще может быть рациональным выбором. Неправильный выбор незаметно усугубляется тратой энергии, задержкой технического обслуживания и остановкой линии, которую вы не ожидали.

Введение

Во вторник в марте я просмотрел файл вскрытия на упаковочном заводе среднего размера в Юго-Восточной Азии. Руководитель производства написал голосом, лишенным вины:мотор был совершенно хороший мотор. Что не удалось, так это сопоставление.Его привод переменного тока в третьем квартале застрял на конвейере, у которого не было резервирования. Четыре часа бездействия. Одна пропущенная посылка. Пункт о штрафе он подписал в спешке, не прочитав мелкий шрифт.

Это предложение-соответствие— задерживается. Потому что в большинстве решений о дорогостоящих закупках, с которыми я сталкиваюсь, сам двигатель не является неисправностью. Неисправность заключается в разрыве между архитектурой двигателя, стратегией управления и фактическим профилем нагрузки. И этот разрыв междубесщеточный постоянного токаплатформа идвигатель переменного токаплатформа, вот где скрываются дорогостоящие ошибки.

Вы не единственный инженер, руководитель отдела закупок или руководитель завода, наблюдающий за этим перекрестком в этом квартале. Тысячи команд сталкиваются с одним и тем же вопросом в одном и том же цикле: используем ли мы бесщеточный привод постоянного тока или выбираем индукционную или синхронную машину переменного тока? Ответ не очевиден. Во многих реальных установках он не является даже двоичным. Однако неправильный вызов не отражается в счете-фактуре покупки. Месяцы спустя он шепчет в списке невыполненных работ по техническому обслуживанию, на которые вы не заложили бюджет.

В этой статье решение рассматривается так же, как я бы проходил его с новым клиентом: медленно, с открытой спецификацией, с вопросами, которые вы на самом деле задали бы поставщику, прежде чем подписать.

1. Почему вопрос о типе двигателя стоит дороже, чем его цена

Фиксированная цена двигателя — это наименьшая линия в уравнении общей стоимости. На самом деле вы покупаете систему: машину, драйвер, блок датчиков, тепловую оболочку, контур управления и контракт на обслуживание, который будет поддерживать ее работоспособность в течение десятилетия.

Рассмотрим причинно-следственную цепочку. Плохо подобранный привод переменного тока с профилем переменной нагрузки будет гоняться за крутящим моментом, потреблять реактивную мощность и перегреваться во время пиковых циклов. Контур управления компенсирует это дросселированием, что снижает пропускную способность. Оператор добавляет обходной путь, который снижает точность. За восемнадцать месяцев изоляция обмотки устарела быстрее, чем срок службы, указанный в технических характеристиках. Вы заменяете диск. Линия не работала два дня.

Теперь инвертируйте сценарий. Бесщеточный блок постоянного тока, работающий на высокоинерционной нагрузке с постоянной скоростью, где он никогда не был предназначен для работы, столкнется с тем, что профиль противо-ЭДС будет бороться с контроллером. Текущая пульсация растет. Подшипники испытывают вибрацию, на которую они не рассчитаны. «Эффективный» двигатель становится источником шума и преждевременного выхода из строя подшипников.

Противоречивый момент, к которому я возвращаюсь в каждом обзоре:более дешевый двигатель в первый день часто становится более дорогой машиной к третьему году.Вопрос не в том, какой мотор дешевле. Вопрос в том, какой двигатель в ваших конкретных условиях будет стоить дешевле на протяжении всего срока эксплуатации.

2. Как на самом деле работает каждая платформа

Абесщеточный двигатель постоянного токазаменяет механический коммутатор на электронный. Положение отслеживается либо датчиками Холла, либо энкодером ротора; Контроллер запускает фазовые обмотки в фиксированной последовательности. В результате получается линейная кривая крутящего момента-скорости до базовой скорости, а затем область постоянной мощности, управляемая противо-ЭДС. Никаких кистей. Никакого искрения. Никаких частиц не попадает в ваше чистое помещение или в среду, где находится пищевая линия.

АнАсинхронный двигатель переменного токаоснован на вращающемся магнитном поле статора, индуцирующем ток в клетке короткозамкнутого ротора. Крутящий момент развивается в зависимости от скольжения; КПД достигает пика вблизи номинальной скорости и падает на крайних значениях. Управление в принципе проще — частотно-регулируемый привод от трёхфазного источника питания — но взаимодействие между скольжением, инерцией и переходными процессами нагрузки делает проблему согласования нетривиальной.

Синхронная машина переменного тока, которую иногда относят к категории «двигателей переменного тока», ведет себя скорее как бесщеточный агрегат постоянного тока: фиксированное поле ротора, электронная коммутация, дисциплина с постоянной скоростью. Это различие имеет значение при сравнении, поскольку «двигатель переменного тока» — это не одна архитектура. Это семья.

3. Ключевые характеристики, которые разделяют эти два понятия

В таблице ниже приведено сравнение на основе общего базового показателя: одноосный привод для упаковочного конвейера мощностью 2 кВт, номинальная частота вращения 1500 об/мин, режим S1.

Цифры будут меняться вместе с вашим заявлением. Что остается неизменным, так это закономерность: бесщеточная платформа постоянного тока обеспечивает более высокую стоимость контроллера более стабильным крутящим моментом и более длительным окном технического обслуживания. Индукционная платформа переменного тока меняет точность на более простую, дешевую и щадящую приводную цепь.

4. Когда бесщеточный DC — правильный выбор

Сигнал о том, чтобесщеточный постоянного токасервоприводместо в вашем дизайне — это комбинация факторов, а не одна спецификация:

Требования к удержанию положения или точности повторения ниже уровня (роботизированные соединения, печатающие головки, захват и размещение).

Большое количество циклов: 50 000 срабатываний за смену, при этом потеря эффективности даже на 1% приводит к заметным расходам на электроэнергию.

Линии с чистой средой или пищевыми продуктами, где пыль от кисти является переносчиком загрязнения.

Режим работы с частыми изменениями направления и удержанием крутящего момента на низких скоростях, где ограничивающим фактором становится индукционное скольжение.

Окно обслуживания измеряется годами, а не месяцами, поскольку стоимость отключения линии превышает премию, которую вы платите за сервопривод.

Если три из этих пяти применимы к вашей установке, бесщеточный корпус постоянного тока является надежным.

5. Когда переменный ток по-прежнему является практическим ответом

Я не призываю отмахиваться от варианта переменного тока. Это правильный и экономичный выбор, когда:

Нагрузка высокоинерционная, диапазон скоростей узкий (приводы вентиляторов, большие вентиляторы, компрессоры с фиксированной скоростью).

Требованием к управлению является включение/выключение или двухскоростное положение, а не положение с обратной связью.

Бюджетные ограничения являются обязательными, а общий разрыв в стоимости владения составляет менее 8 % за семь лет.

Условия эксплуатации настолько суровы, что более простой и прочный корпус ротора с короткозамкнутым ротором снижает количество отказов.

На заводе уже имеется развитая инфраструктура частотно-регулируемого привода, и стоимость перехода на сервопривод перевешивает предельную выгоду.

В этих случаях асинхронный или синхронный двигатель переменного тока, правильно подобранный к ЧРП, прослужит дольше своего срока службы при минимальном вмешательстве.

6. Скрытые затраты, которые никто не включает в цену

Здесь решение перестает приниматься за двигатель и начинает приниматься за систему. Три слоя затрат обычно занижаются:

Стоимость теплоизоляции и корпуса.Бесщеточный сервопривод постоянного тока с КПД 95 % по-прежнему выделяет 5 % входной мощности в виде тепла. В закрытом шкафу без активного охлаждения это тепло нагружает корпус. Вам может понадобиться корпус большего размера, вентилятор или модернизированный канал воздушного потока — ничего из этого не включено в цену двигателя.

Пакет контроллера и датчиков.Бесщеточный привод постоянного тока не является самостоятельным элементом. Это связка двигатель плюс драйвер плюс энкодер плюс кабель плюс схема заземления. «Цена двигателя», которую вы сравниваете с ценой двигателя переменного тока, почти никогда не равна яблокам.

Логистика сервисного обслуживания и запасных частей.В глобальной цепочке поставок запатентованный сервопривод с 12-недельным сроком поставки одной пары энкодеров представляет собой производственный риск. Стандартный двигатель переменного тока IEC с 48-часовым местным запасом отсутствует. Асимметрия риска имеет свою цену, даже если никто не пишет об этом в счете.

Менеджер по производству, с которым я работал, резюмировал это:На моторе я не терял денег. Я потерял деньги во вторник, их там не было.

7. Контрольный список перед тем, как зафиксировать спецификацию

Прежде чем подписываться на любую платформу, просмотрите этот список вместе с командой инженеров вашего поставщика:

[ ] Рабочий цикл и температурный профиль надействительныйнагрузка, а не паспортная нагрузка

[ ] Диапазон крутящего момента и скорости: непрерывный или пиковый, и как долго

[ ] Требование к точности позиционирования или скорости, выраженное в градусах или об/мин.

[ ] Степень защиты IP и температурный класс для зоны установки

[ ] Тип энкодера или датчика, встроенный он или внешний

[ ] Протокол связи привода (PROFINET, EtherCAT, Modbus, CANopen)

[ ] Ожидаемый интервал технического обслуживания и наличие запасных частей у поставщика в вашем регионе.

[ ] Распоряжение по окончании срока службы: является ли платформа двигателя стандартизированной или запатентованной?

[ ] Общая стоимость владения в 1, 3 и 7 годах (энергия + техническое обслуживание + время простоя)

[ ] Орган по обеспечению соответствия и сертификации для вашего целевого рынка (CE, UL, CSA или региональный эквивалент)

Если ваш поставщик не может ответить на эти вопросы без сценария продаж, это информация.

8. Вопросы, которые покупатели часто задают о бесщеточных двигателях постоянного и переменного тока

Вопрос: Могу ли я заменить бесщеточный двигатель постоянного тока на систему, в которой в настоящее время работает асинхронный двигатель переменного тока, не перепроектируя привод?

О: Нет. Архитектуры управления принципиально отличаются. ЧРП, настроенный на ротор с короткозамкнутым ротором, не будет правильно коммутировать бесщеточный набор фаз постоянного тока. Вам понадобится сервопривод с контуром ориентации поля, который меняет компоновку и схему электромонтажа шкафа управления.

Вопрос: Означает ли «бесщеточный» не требующий обслуживания?

О: Это означает, что замена щеток не требуется, что означает экономию реального интервала. Подшипники, энкодеры и системы терморегулирования по-прежнему имеют ограниченный срок службы. Запланируйте повторную смазку или замену подшипников при номинальном сроке службы L10; это не компонент «установил и забыл».

Вопрос: Какая платформа более перспективна для завода, планирующего добавить прогнозное обслуживание на основе искусственного интеллекта через три-пять лет?

Ответ: В большинстве случаев используется бесщеточная платформа постоянного тока, поскольку энкодер и телеметрия по токовой петле предоставляют более богатый набор данных. Оценка состояния асинхронного двигателя переменного тока на основе скольжения является более грубой и зашумленной для тех типов моделей обнаружения аномалий, которые вы будете использовать.

Вопрос: Достаточно ли велика разница в эффективности, чтобы оправдать разницу в цене при нагрузке 50 %?

О: При нагрузке 50 % хорошо подобранный бесщеточный сервопривод постоянного тока часто удерживает 90 %+, в то время как асинхронный двигатель может проседать до 82–85 %. При более чем 6 000 часов в год разница в энергопотреблении может превысить первоначальный ценовой разрыв в течение двух-трех лет. Запустите номер на своем актуальном тарифе.

Вопрос: А как насчет шума и вибрации в помещении, стены которого совпадают с жилым офисом?

О: Бесщеточные агрегаты постоянного тока с более плавным профилем крутящего момента и большим количеством полюсов обычно работают тише на низкой скорости. Асинхронные двигатели переменного тока издают характерный шум на частоте сети и гармониках; на холостом ходу этот гул слышен. В здании смешанного назначения более низкая акустическая характеристика сервопривода является настоящим преимуществом.

Вопрос: Может ли один поставщик поставить как бесщеточную серволинию постоянного тока, так и резервную индукционную линию переменного тока для одной и той же установки?

Ответ: Да, и во многих случаях это разумная стратегия хеджирования рисков. Поставщик, такой какмощностьсервоприводможет содержать оба семейства в каталоге, что означает один технический учет, одну логистическую цепочку запасных частей и один инженерный интерфейс для всего завода.

Вопрос: Какой стандарт мне следует проверить, чтобы определить класс безопасности комбинации привода и двигателя?

A: IEC 60034 (конструкция двигателя и безопасность), IEC 61800 (силовое электронное преобразование) и соответствующий стандарт функциональной безопасности (IEC 61508/IEC 62061) в зависимости от ваших требований SIL или PL. Подтвердите у поставщика, чтокомбинация, а не только отдельные предметы, проходят сертификацию.

Вопрос: Как мне убедиться, что заявление поставщика об эффективности является реальным, а не лабораторным пиковым значением?

Ответ: Спросите об эффективности на протяжении всего рабочего цикла, а не только на паспортной табличке. Поставщик, который предоставит многоточечную карту эффективности, а не единый номер таблицы данных, предоставит вам данные, необходимые для запуска вашей собственной модели совокупной стоимости владения.

9. Выбор подходящего двигателя для вашего применения

Я все время возвращаюсь к фразе этого менеджера по производству:мотор был совершенно хороший мотор.Это было. Неудача заключалась в несоответствии, в разрыве между тем, для чего был создан двигатель, и тем, что на самом деле требовала от него линия, в течение восемнадцати месяцев, прежде чем изоляция состарилась и подшипник пропел свою последнюю ноту.

Вам не обязательно совершать этот звонок в вакууме. Решение междубесщеточный сервопривод постоянного токаидвигатель переменного токаэто не выбор веры. Это инженерное соответствие определенной нагрузке, определенному режиму работы, определенному бюджету на техническое обслуживание и определенной толерантности к риску. Запускайте номера на своем тарифе. Откройте лист спецификации рядом. Прежде чем позволить торговому представителю заключить сделку, попросите у своего поставщика многоточечную кривую эффективности, расчет подшипника L10 и региональный срок поставки запасных частей.

Если изображение по-прежнему нечеткое, отправьте свой профиль крутящего момента, скорости и рабочий цикл команде инженеров по адресумощностьсервоприводза соответствующий обзор. За первую консультацию плата не взимается, и вопрос, который вы им зададите, будет тем же вопросом, который вы бы задали себе в 2 часа ночи во время телефонного звонка, которого вы старались избежать.

Вы не должны давать не тому мотору второй шанс. У вас должна быть правильная линия.