موتور AC در مقابل موتور DC: تفاوت های کلیدی، نحوه کار آنها و نحوه انتخاب

موتور AC و موتور DC : تفاوت اصلی

اساسی تفاوت بین موتورهای الکتریکی AC و DC نوع جریان الکتریکی است که هر کدام برای تبدیل به چرخش مکانیکی طراحی شده اند. موتورهای AC با جریان متناوب کار کنید - منبعی که قطبیت را در یک فرکانس ثابت معکوس می کند (بسته به استاندارد شبکه 50 هرتز یا 60 هرتز). موتورهای DC با جریان مستقیم کار کنید، جایی که ولتاژ و جریان به طور مداوم در یک جهت جریان دارند. این تمایز واحد در منبع تغذیه، هر تفاوت پایین دستی را در ساخت موتور، روش کنترل سرعت، نیاز به تعمیر و نگهداری و مناسب بودن کاربرد ایجاد می کند.

هر دو نوع موتور از یک اصل اساسی پیروی می کنند - قانون نیروی لورنتس، که بیان می کند که هادی حامل جریان که در یک میدان مغناطیسی قرار می گیرد، نیرویی عمود بر جهت جریان و جهت میدان را تجربه می کند. گشتاوری که روتور را می چرخاند نتیجه مستقیم این نیرو است که در یک شکاف بین اجزای ثابت و دوار عمل می کند. چه تفاوتی بین موتورهای الکتریکی AC و DC نحوه ایجاد میدان مغناطیسی، حفظ آن و نحوه تعامل آن با سیم پیچ های روتور در طول زمان است.

موتورهای AC چگونه کار می کنند

موتورهای AC الکتریکی یک میدان مغناطیسی دوار در استاتور - مجموعه بیرونی ثابت - با تامین جریان متناوب به سیم‌پیچ‌های توزیع شده در اطراف سوراخ استاتور ایجاد می‌کند. در یک موتور القایی سه فاز، سه فاز در مکان و زمان 120 درجه از هم جابه جا می شوند و میدانی تولید می کنند که به طور مداوم با سرعت سنکرون می چرخد. این میدان دوار با القای الکترومغناطیسی جریانی را در هادی های روتور القا می کند. جریان القایی به نوبه خود میدان مغناطیسی خود را ایجاد می کند و برهمکنش بین دو میدان باعث تولید گشتاور می شود.

روتور یک موتور القایی قفس سنجابی - پرکاربردترین نوع موتورهای AC الکتریکی در سطح جهانی - فاقد سیم پیچ، برس و اتصالات الکتریکی خارجی است. میله های روتور در هر انتها توسط حلقه های انتهایی رسانا اتصال کوتاه دارند و جریان صرفاً از طریق القاء از آنها عبور می کند. این ساختار موتورهای AC قفس سنجابی را فوق‌العاده قوی می‌کند: هیچ بخش تماسی به جز یاتاقان‌ها وجود ندارد و موتور می‌تواند سال‌ها به طور مداوم در محیط‌های گرد و غبار، مرطوب یا سنگین با ارتعاش با حداقل تعمیر کار کند.

موتورهای AC سنکرون بر اساس یک اصل مرتبط اما متمایز کار می کنند: روتور مغناطیسی می شود - یا توسط آهنرباهای دائمی یا توسط یک سیم پیچ میدان تحریک شده جداگانه - و همگام با میدان چرخان استاتور قفل می شود و بدون توجه به بار (در محدوده گشتاور خروجی) با سرعت دقیقاً همزمان کار می کند. موتورهای سنکرون در جاهایی استفاده می شوند که به ثبات سرعت دقیق نیاز است، از جمله در ماشین آلات نساجی، کارخانه های کاغذ، و سیستم های پمپاژ دقیق.

موتورهای DC چگونه کار می کنند

در یک برس معمولی موتور DC ، استاتور یک میدان مغناطیسی ثابت تولید می کند - یا از آهنرباهای دائمی یا از سیم پیچ های میدانی که توسط DC انرژی می گیرند. روتور که آرمیچر نامیده می شود، هادی های زخمی متصل به یک کموتاتور قطعه بندی شده را حمل می کند. برس های کربنی تماس الکتریکی لغزشی را با کموتاتور حفظ می کنند و جهت جریان را از طریق سیم پیچ های متوالی آرمیچر با چرخش روتور تغییر می دهند. این کموتاسیون مکانیکی تضمین می‌کند که جریان آرمیچر همیشه در جهتی جریان می‌یابد که بدون توجه به موقعیت روتور، گشتاور را در همان جهت چرخشی حفظ می‌کند.

رابط کموتاتور-براش تفاوت ساختاری تعیین کننده بین موتورهای DC برس خورده و موتورهای AC . کنترل سریع سرعت را امکان پذیر می کند - کاهش ولتاژ تغذیه یا جریان آرمیچر مستقیماً سرعت را کاهش می دهد - اما تعهدات تعمیر و نگهداری را معرفی می کند. برس ها به تدریج فرسوده می شوند، گرد و غبار کربن تولید می کنند و نیاز به بازرسی و تعویض دوره ای دارند. در سرعت های بالا یا در محیط های گرد و غبار، سایش برس به طور قابل توجهی تسریع می شود. در برنامه هایی که دسترسی به تعمیر و نگهداری دشوار است یا آلودگی یک نگرانی است، این یک نقطه ضعف تعیین کننده است.

موتورهای DC بدون جاروبک (BLDC) کموتاتور را به طور کامل حذف می‌کنند و از طریق یک کنترل‌کننده اختصاصی که موقعیت روتور را از طریق سنسورهای اثر هال یا حسگرهای EMF پشتیبان نظارت می‌کند و جریان را از طریق سیم‌پیچ‌های استاتور به ترتیب سوئیچ می‌کند، جایگزین سوئیچینگ مکانیکی می‌شوند. موتورهای BLDC انعطاف‌پذیری کنترل سرعت طراحی‌های سنتی DC را با سادگی مکانیکی موتورهای القایی AC ترکیب می‌کنند و به انتخاب غالب در کاربردهای مختلف از فن‌های خنک‌کننده کامپیوتر و درایوهای کششی خودروهای الکتریکی گرفته تا سیستم‌های سروو صنعتی و پیشرانه پهپاد تبدیل شده‌اند.

موتور الکتریکی AC در مقابل DC: مقایسه کنار هم

جدول زیر خلاصه اصل را نشان می دهد تفاوت بین موتورهای AC و DC در سراسر پارامترهای مشخصات مربوط به تصمیمات تدارکات صنعتی و تجاری است.

کنترل سرعت: تفاوت عملی بین موتورهای الکتریکی AC و DC

کنترل سرعت جایی است که تفاوت بین موتورهای الکتریکی AC و DC از نظر عملیاتی بسیار مهم می شود. در یک موتور DC برس خورده، سرعت به طور مستقیم با ولتاژ آرمیچر و با شار میدان نسبت معکوس دارد - تنظیم هر یک از متغیرها با یک رئوستات ساده یا کنترلر PWM باعث ایجاد تغییرات سرعت صاف و با دامنه وسیع می شود. این امر موتورهای DC را به انتخاب پیش‌فرض برای درایوهای صنعتی با سرعت متغیر در بیشتر قرن بیستم تبدیل کرد، به‌ویژه در کاربردهایی مانند کارخانه‌های نورد، ماشین‌های کاغذ و بالابرهای جرثقیل که در آن‌ها سرعت نیاز به تنظیم مداوم تحت بار بود.

ظهور درایوهای فرکانس متغیر قابل اعتماد و مقرون به صرفه (VFD) به طور اساسی موقعیت رقابتی را تغییر داد. موتورهای AC and DC motors در برنامه های با سرعت متغیر یک VFD منبع تغذیه فرکانس ثابت را به خروجی با فرکانس متغیر و ولتاژ متغیر تبدیل می‌کند و به موتور القایی AC اجازه می‌دهد با هر سرعتی در محدوده وسیعی کار کند - معمولاً 10٪ تا 120٪ سرعت نامی - با کنترل کامل گشتاور. VFD‌های مدرن الگوریتم‌های کنترل برداری یا کنترل گشتاور مستقیم (DTC) را پیاده‌سازی می‌کنند که پاسخ دینامیکی قابل مقایسه با درایو DC را ارائه می‌دهند و مزیت عملکرد اولیه را که قبلاً سیستم‌های DC داشتند حذف می‌کنند.

مفهوم عملی این است که برای تاسیسات صنعتی با سرعت ثابت یا با سرعت متغیر جدید که از منبع AC سه فاز استفاده می‌شوند، یک موتور القایی AC با درجه بندی IE3 یا IE4 با VFD تقریبا همیشه از نظر اقتصادی و فنی انتخاب برتر است. استحکامات باقیمانده موتور DC عبارتند از تجهیزات سیار با باتری (که منبع تغذیه ذاتاً DC است)، برنامه‌هایی که به گشتاور راه‌اندازی بسیار بالایی در ولتاژهای تغذیه پایین نیاز دارند، و تأسیسات قدیمی که زیرساخت‌های DC موجود، بهسازی را پرهزینه می‌سازد.

انتخاب بین موتورهای AC و DC: چارچوب تصمیم گیری مبتنی بر برنامه

هیچ نوع موتور تکی برتری جهانی ندارد. انتخاب صحیح بین موتورهای الکتریکی AC DC به تقاضاهای خاص برنامه، منبع تغذیه موجود، محیط نگهداری و کل هزینه مالکیت در طول عمر طراحی بستگی دارد.

یک موتور القایی AC را زمانی انتخاب کنید که:

• نصب از یک منبع تغذیه AC استاندارد تک فاز یا سه فاز انجام می شود.
• چرخه کار پیوسته یا تقریباً پیوسته است و محیط خشن، مرطوب، گرد و غبار یا انفجاری است - ساختار بدون جاروبک خطر اشتعال ناشی از قوس برس را حذف می کند.
• توان خروجی بیش از 50 کیلو وات است، که در آن موتورهای القایی AC مزایای قابل توجهی از نظر هزینه و کارایی نسبت به طرح های DC معادل دارند.
• حداقل دسترسی تعمیر و نگهداری در دسترس است - فن های HVAC، پمپ ها، کمپرسورها و درایوهای نوار نقاله در مکان های دورافتاده یا با دسترسی دشوار.

یک موتور DC برس خورده را زمانی انتخاب کنید که:

• این برنامه با باتری و ولتاژ پایین کار می کند - ابزارهای برقی، لوازم کوچک، لوازم جانبی خودرو، و رباتیک سرگرمی.
• گشتاور راه اندازی بسیار بالا نسبت به اندازه موتور مورد نیاز است و چرخه کاری متناوب است.
• بودجه الکترونیک کنترل محدود است - یک کنترل کننده ساده PWM به طور قابل توجهی ارزان تر از یک درایور VFD یا BLDC است.

یک موتور DC بدون جاروبک را زمانی انتخاب کنید که:

• این برنامه نیازمند راندمان بالا، چگالی توان بالا و عمر طولانی در یک فرم فشرده - وسایل نقلیه الکتریکی، هواپیماهای بدون سرنشین، دستگاه‌های پزشکی و سیستم‌های سروو دقیق است.
• سرعت و موقعیت باید با دقت بالا در یک محدوده دینامیکی گسترده کنترل شود.
• تعمیر و نگهداری غیر عملی است اما قابلیت اطمینان بسیار مهم است - عدم وجود برس و کموتاتور رایج ترین حالت خرابی در موتورهای DC را حذف می کند.

در عمل، مرز بین موتورهای AC and DC motors با بلوغ الکترونیک قدرت به طور قابل توجهی محو شده است. یک موتور BLDC که توسط یک اینورتر سه فاز پیچیده هدایت می شود، از نظر الکتریکی از یک موتور AC سنکرون با آهنربای دائمی قابل تشخیص نیست - بسته به الگوریتم کنترل اعمال شده، می توان همان سخت افزار را به عنوان هر یک طبقه بندی کرد. آنچه در نهایت اهمیت دارد این است که آیا سیستم موتور محرک کامل مشخصه گشتاور-سرعت، کارایی، قابلیت اطمینان و هزینه کل مالکیت مورد نیاز را برای برنامه مورد نظر ارائه می‌دهد یا خیر.