交流or直流、伺服or步进?细数工业电机的选型要

来源:未知日期:2018/03/07 22:22 浏览:

了解负载、电机和应用的主要类型,可以帮助简化电机及其附件产品的选择。

在选择电机时,有很多因素需要考虑,如应用、运营、机械和环境等问题。一般来说,要么选择交流电机、直流电动机,要么选择伺服/步进电机。到底选择哪一种,取决于工业应用类型以及是否有特殊需要(见图1)。

 


 

图1:直流电机适合于低成本、低速或恒转矩的工业应用。例如直流电机在图中这个皮带驱动辊式输送机上工作的很好。

电机需要恒定还是可变的扭矩和功率,具体取决于电机驱动的负载类型。负载的大小、所需的速度、和加速度/减速度(特别是如果它是快速或频繁的),将决定电机所需的扭矩和功率。此外,还需要考虑控制电机速度和位置的要求。

 

电机负载类型

 

一般来说在工业自动化应用中,有4种类型的电机负载:
 

  • 变功率和恒转矩;

  • 变转矩和恒功率;

  • 变功率和变转矩;

  • 位置或转矩控制。

变功率和恒转矩应用包括输送机、起重机和齿轮泵等。在这些应用中,由于负载保持恒定,因此转矩是常数。所需的功率随应用的不同而有所变化,在这种情况下,恒速交流和直流电动机是一个很好的选择。

卷纸机就是变转矩和恒功率应用的一个典型例子。物料速度保持不变,这意味着功率不变。但是随着轧辊直径的增大,负载在变化。在小型系统中,直流电机或伺服电机都可以很好的完成该功能。再生动力也是需要关注的问题之一,在确定电机尺寸或选择能量控制方法时应加以考虑。对大型系统而言,带解码器、闭环控制、以及全象限驱动器的交流电机可能是更好的选择。

风扇、离心泵和搅拌器需要不同的功率和扭矩。随着电机转速的增加,负载输出也随着所需的功率和转矩而增加。这种类型的负载适合使用具有变速传动装置的交流变频电机,能够帮助提升电机效率。

类似直线驱动器的应用,要精确地移动到多个位置,就需要精密的定位或转矩控制,因此就经常需要反馈来验证电机是否处于正确的位置。对这些应用来讲,伺服或步进电机通常是最好的选择。不过,带反馈的直流电机或带编码器的交流变频电机,经常用于钢铁和造纸生产线或类似应用中的紧转矩控制。

 

不同的电机类型

 

尽管电机主要分成两类——交流和直流,但实际在工业应用中使用的电动机类型超过30多种。虽然电机类型很多,但在工业应用中有很多重叠,市场已经开始推动简化电机选择。这样就大大缩小了为大多数应用选择电机的范围。最常见的有6种电机:无刷和有刷直流电动机、交流鼠笼式电机、绕线转子电机、伺服电机以及步进电机。这些电机类型适用于绝大多数的应用场合,还有一些类型的电机专门在特定领域使用。电动机的3个主要应用类型是恒速、变速和位置(或转矩)控制。不同的工业自动化应用环境对电机有不同的要求。例如,如果应用最高速度小于电机的基本速度,则可能需要一个变速箱。这也能使较小的电动机以更有效的速度运行。
 

尽管网上有大量的如何为电机选型的信息,但因为有很多细节问题,用户在选型时必须考虑多种因素。计算负载惯量、力矩和速度,要求用户了解总质量和负载大小(半径)以及摩擦力、齿轮箱损失、和机器周期等参数。负载变化、加速或减速、以及应用的占空比,也必须加以考虑,否则的话可能会导致电机过热。

电机选型完成后,用户还需要考虑环境因素和电机外壳类型,比如开放式框架或者在冲洗应用中的不锈钢外壳。

 

电机选型的3个问题

 

即使在做出所有这些决定之后,用户也需要在做最终决策之前解决以下这3个问题。

1、它是恒速应用吗?

在恒速应用中,电动机往往以接近的速度运行,很少或根本不需要关心加速和减速问题。这种类型的应用通常使用开/关控制。控制电路通常包括连接接触器熔断的分支电路、过载电机启动器、手动电机控制器、和软起动器。

交流和直流伺服电机都适用于恒速应用。直流电动机提供零速全扭矩,并需要较大的安装基础。交流电机也是一个不错的选择,因为它有较高的功率因数,而且维护工作比较少。相比较而言,伺服或步进电机具有较高的性能,不过,对简单应用而言属于超配。

2、它是变速应用吗?

变速应用通常需要紧凑的速度和加速度,以及预定义的加速和减速斜率。在降低电机转速的应用中(如风扇和离心机泵),通常可以通过匹配负载,而不是全速运行和节流或抑制输出功率来提高效率。在传输应用中(如灌装线),这些都是非常重要的考虑因素。

交流和直流电机,配置合适的驱动器,在变速应用中都可以很好的工作。在很长一段时间里,直流电机和驱动器的配置是变速电机的唯一选择,组件经过长期的开发并得到验证。即使现在,直流电机在变速、部分功率应用中也很流行,并且由于它们在低转速下也可以提供全扭矩,而且在较广的速度范围内都可以保持恒速,因此在低速环境中仍有广泛应用。

然而,对直流电机而言,因为许多需要电刷进行换向,并且它们与运动部件接触时会磨损,维修可能是一个问题。无刷直流电机消除了这个问题,但它们的前期成本更为昂贵,可供选择的电机范围也更小。

对交流异步电动而言,电刷磨损不是问题,变频驱器(VFD)为超过1马力的应用提供了很更好的选择,从而提高了效率(参见图3)。选择运行电机的驱动器类型时,可以增加一些位置检测。如果应用需要,可以向电机添加编码器,并且可以指定驱动器以使用编码器反馈。这种设置可以提供类似伺服的速度。

3、应用是否需要位置控制?

在运行时,通过连续监测电机的位置来实现位置控制。诸如线性驱动器定位方面的应用,可以使用步进电机,配不配置反馈都可以,也可以使用带固有反馈的伺服电机

步进器的设计,使其可以以中等速度精确地移动到目标位置,然后保持在该位置。如果选型合适,开环步进系统可以提供强大的位置控制。即使没有反馈,步进器也能精确的按照设定步数移动,除非它遇到超出其能力的负载而中断。

随着应用速度和动态的增加,开环步进控制可能无法满足系统的要求,这就需要升级到带反馈的步进器或伺服电机系统。

闭环系统提供精确、高速的运动控制和位置控制。和步进器相比,伺服系统在高速下可以提供更高的扭矩,而且在高动态负载或复杂运动应用中工作的更好。

对于具有低位置超调的高性能运动,反射负载惯量应尽可能与伺服电机惯量匹配。在某些应用中,失配即使高达10:1,也能正常工作,但1:1一般是最佳选择。

齿轮减速是解决惯性匹配问题的一种比较好的方法,因为反射负载惯性下降与齿轮比的平方成比例,但变速箱惯性必须包括在计算中。

电机生产厂家为工业应用提供了大量可供选择的电机。步进、伺服、交流和直流电机可以满足大多数工业自动化的要求,但获取理想的运动效果取决于不同应用的具体要求。无论是恒速、变速、还是位置控制应用,用户都应与电机和驱动器厂商紧密合作,为应用选择最适合的电机。 

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