Говоря об электродвигателях, люди часто путают двигатели постоянного тока и двигатели переменного тока.
Наиболее очевидным различием между этими двумя типами электродвигателей является тип тока, который каждый из них преобразует в механическую энергию: двигатели постоянного тока преобразуют постоянный ток, а двигатели переменного тока преобразуют переменный ток. Однако, помимо такого принципиального различия, между двигателями постоянного тока и двигателями переменного тока есть много других различий.
Что такое двигатель постоянного тока?
Двигатель постоянного тока — это тип электродвигателя, который в основном преобразует электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию вращения. Это устройство также можно использовать в обратном направлении, вращая вал двигателя для выработки электроэнергии постоянного тока.
При таком использовании устройство постоянного тока работает как генератор. Существует множество основных типов двигателей постоянного тока, включая двигатели с постоянными магнитами и бесщеточные двигатели.
Что такое двигатель переменного тока?
Двигатель переменного тока представляет собой электромеханическое устройство, которое в первую очередь преобразует электрическую энергию переменного тока в механическую энергию.
Этот тип двигателя бывает разных видов, но в целом их можно разделить на две основные группы: синхронные двигатели или асинхронные двигатели. К синхронным двигателям относятся гистерезисные и реактивные двигатели, а асинхронные двигатели бывают однофазными или многофазными, с короткозамкнутым и фазным ротором.
Подробно про устройство различных типов двигателей смотрите здесь:
Виды электрических двигателей и принципы их работы
Классификация электродвигателей
Что надо знать о современных электродвигателях
Как отличить асинхронный двигатель от двигателя постоянного тока
Основные преимущества и недостатки двигателей постоянного и переменного тока
Гораздо проще регулировать частоту вращения с помощью двигателя постоянного тока по сравнению с двигателем переменного тока.
Частота вращения двигателя постоянного тока регулируется входным напряжением, в отличие от сложного регулирования частоты вращения двигателя переменного тока путем изменения частоты, а это требует иметь в наличии сложный и дорогостоящий частотный преобразователь.
Существуют дух, трех и четрырехскоростные двигатели переменного тока, но они способны обеспечивать только ступенчатое изменение скорости вращения, что во многих случаях является неподходящим решением.
Плавное изменение скорости вращения из двигателей переменного тока может обеспечить только асинхронный двигатель с фазным ротором, но такой двигатель имеет худшие энергетические показатели и требует сложных схем управления.
Также легче изменить направление вращения в двигателе постоянного тока - для этого достаточно переключить полярность напряжения.
Этот тип электродвигателя может обеспечить более постоянный и стабильный крутящий момент в различных диапазонах скоростей и, как правило, может обеспечить более быструю реакцию на изменения нагрузки по сравнению с двигателями переменного тока.
С серводвигателем постоянного тока вы можете точно контролировать ускорение и положение. Вы можете попробовать этот подход с двигателями переменного тока, но вы не получите такой же уровень точности.
Вот еще несколько преимуществ двигателей постоянного тока. Относительно небольшая инерция ротора в двигателе постоянного тока обеспечивает более быстрое ускорение и торможение, чем в двигателе переменного тока.
Это основная причина, по которой двигатели постоянного тока преобладает в сборочных машинах и малых и средних роботах. Предполагается, что роботы будут более продуктивными, чем люди. Это невозможно, если только роботы не будут быстрее людей.
Относительно легко согласовать скорость двух двигателей постоянного тока, но не из двух двигателей переменного тока.
Крутящий момент напрямую регулируется в двигателях постоянного тока путем изменения тока, но только косвенно в двигателях переменного тока.
Если бы двигатели постоянного тока имели только преимущества перед двигателями переменного тока, маловероятно, что двигатели переменного тока до сих пор существовали бы. Реальность, однако, такова, что двигатели постоянного тока имеют множество недостатков по сравнению с двигателями переменного тока. Так что это тоже нужно понимать, чтобы сделать правильный выбор.
Щеточные двигатели постоянного тока требуют периодического обслуживания для замены щеток и коллектора, которые постоянно искрят и подгорают. Эти детали также уязвимы для повреждения пылью, что значительно влияет на надежность работы двигателя.
Чем больше часов вы используете двигатель, тем чаще нужно менять щетки и обслуживать коллекторы. Вы можете использовать бесщеточный двигатель постоянного тока, чтобы пропустить техническое обслуживание, но тогда вы заплатите больше за сам двигатель.
С другой стороны, двигатели переменного тока почти не требуют периодического обслуживания.
Вы не можете просто подключить двигатель постоянного тока к любой бытовой или промышленной электрической сети. Сначала вам нужно преобразовать напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока.
В процессе преобразования энергии возникают потери и происходит ухудшение параметров качества электрической энергии: искажение синусоиды питающего напряжения и пульсации напряжения в линиях электропередач.
Теперь вы понимаете, почему подавляющее большинство больших двигателей в мире работают от сети переменного тока.
Стандартная электрическая инфраструктура мира работает от сети переменного тока, а не постоянного тока. Стандарт был определен более века назад, когда инженеры поняли, что мощность переменного тока может передаваться на большие расстояния со значительно меньшими потерями, чем при питании от постоянного тока.
Следовательно, любой двигатель постоянного тока требует уникальный и специализированный источник питания в виде аккумуляторной батареи, генератора, выпрямителя или водородного топливного элемента. Это еще один недостаток двигателя постоянного тока по сравнению с двигателем переменного тока.
На фото показана надземная часть метро в Нью-Йорке. Эта железнодорожная линия была построена в 1904 г. Спустя 14 лет после того, как в Лондоне был построено первое в мире метро.
Мощные двигатели постоянного тока, используемые в поездах нью-йоркского метро, требуют выделенной и сложной инфраструктуры питания, которая распределяет 625 вольт постоянного тока по третьему рельсу к поездам.
Вам может быть интересно, почему инженеры в 1904 г. решили, что на железнодорожной линии имеет смысл использовать питание постоянного тока? Ответ прост. И заключается он в главном преимуществе двигателей постоянного тока перед двигателями переменного тока - легкостью управления частотой вращения, а соответственно и скоростью поезда.
Вы отключаете напряжение на двигателе постоянного тока, и поезд замедляется, поднимите напряжение и поезд ускорится, нажимаете на тормоз и поезд остановится. Инженерам в 1904 году нравилась простота.
И еще одна деталь, до изобретения точного управления скоростью двигателей переменного тока оставалось еще несколько десятков лет. Тогда у инженеров не было такого большого выбора.
Яков Кузнецов
