Привод двигателя означает систему, которая включает двигатель. Привод двигателя с регулируемой скоростью означает систему, которая включает двигатель, имеющий несколько рабочих скоростей. Привод двигателя с переменной скоростью — это система, которая включает двигатель и непрерывно изменяет скорость. Если двигатель генерирует электрическую энергию, а не использует ее — это можно назвать генераторным приводом, но часто его все еще называют приводом двигателя.
Частотно-регулируемый привод ( VFD) или привод с переменной скоростью (VSD) описывает электронную часть системы, которая управляет скоростью двигателя. В более общем смысле термин привод описывает оборудование, используемое для управления скоростью машин. Многие промышленные процессы, такие как сборочные линии, должны работать на разных скоростях для разных продуктов. Когда условия процесса требуют регулировки потока от насоса или вентилятора, изменение скорости привода может сэкономить энергию по сравнению с другими методами управления потоком.
Если скорости можно выбирать из нескольких различных предустановленных диапазонов, то обычно говорят, что привод имеет регулируемую скорость . Если выходную скорость можно изменять без ступеней в диапазоне, то привод обычно называют приводом с переменной скоростью .
Регулируемые и бесступенчатые приводы могут быть чисто механическими (называемые вариаторами ), электромеханическими, гидравлическими или электронными.
Иногда термин «привод двигателя» относится к приводу, используемому для управления двигателем, и поэтому его путают с VFD или VSD.
Электродвигатели переменного тока могут работать в режиме фиксированной скорости, определяемой числом пар полюсов статора в двигателе и частотой источника переменного тока. Двигатели переменного тока могут быть изготовлены для работы с «изменением полюсов», переподключением обмотки статора для изменения числа полюсов, чтобы получить две, иногда три скорости. Например, машина с восемью физическими парами полюсов может быть подключена для работы с четырьмя или восемью парами полюсов, что дает две скорости - при 60 Гц это будет 1800 об/мин и 900 об/мин. Если изменения скорости редки, двигатель может быть изначально подключен для одной скорости, а затем переподключен для другой скорости по мере изменения условий процесса, или магнитные контакторы могут использоваться для переключения между двумя скоростями по мере изменения потребностей процесса. Подключения для более чем трех скоростей неэкономичны.
Число таких фиксированных скоростей работы ограничивается стоимостью, поскольку число пар полюсов увеличивается. Если требуется много разных скоростей или непрерывно изменяемых скоростей, требуются другие методы.
Двигатели постоянного тока позволяют изменять скорость путем регулировки тока шунтирующего поля. Другой способ изменения скорости двигателя постоянного тока — изменение напряжения, подаваемого на якорь.
Привод двигателя с регулируемой скоростью может состоять из электродвигателя и контроллера , который используется для регулировки рабочей скорости двигателя. Сочетание двигателя с постоянной скоростью и плавно регулируемого механического устройства изменения скорости также можно назвать «приводом двигателя с регулируемой скоростью». Приводы с переменной частотой на основе силовой электроники быстро делают старые технологии ненужными.
Управление процессом и энергосбережение являются двумя основными причинами использования привода с регулируемой скоростью. Исторически приводы с регулируемой скоростью были разработаны для управления процессом, но энергосбережение стало не менее важной целью.
Привод с регулируемой скоростью часто может обеспечить более плавную работу по сравнению с альтернативным режимом работы с фиксированной скоростью. Например, на станции подъема сточных вод сточные воды обычно текут по канализационным трубам под действием силы тяжести в мокрый колодец. Оттуда они перекачиваются на процесс очистки. При использовании насосов с фиксированной скоростью насосы настраиваются на запуск, когда уровень жидкости в мокром колодце достигает некоторой высокой точки, и на остановку, когда уровень снижается до низкой точки. Циклическое включение и выключение насосов приводит к частым высоким скачкам электрического тока для запуска двигателей, что приводит к электромагнитным и тепловым напряжениям в двигателях и оборудовании управления питанием, насосы и трубы подвергаются механическим и гидравлическим напряжениям, а процесс очистки сточных вод вынужден приспосабливаться к скачкам потока сточных вод через процесс. При использовании приводов с регулируемой скоростью насосы работают непрерывно со скоростью, которая увеличивается по мере увеличения уровня мокрого колодца. Это согласует отток со средним притоком и обеспечивает гораздо более плавную работу процесса.
Вентиляторы и насосы потребляют большую часть энергии, используемой промышленными электродвигателями. Если вентиляторы и насосы обслуживают переменную технологическую нагрузку, простым способом изменения количества подаваемой жидкости является использование заслонки или клапана на выходе вентилятора или насоса, что за счет повышенного перепада давления уменьшает поток в процессе. Однако этот дополнительный перепад давления представляет собой потерю энергии. Иногда экономически целесообразно установить какое-либо устройство, которое восстанавливает эту в противном случае потерянную энергию. С помощью привода с переменной скоростью на насосе или вентиляторе подачу можно регулировать в соответствии со спросом, и никаких дополнительных потерь не возникает.
Например, когда вентилятор приводится в действие непосредственно двигателем с фиксированной скоростью, поток воздуха рассчитан на максимальную потребность системы, и поэтому обычно будет выше, чем нужно. Поток воздуха можно регулировать с помощью заслонки, но более эффективно напрямую регулировать скорость двигателя вентилятора. Согласно законам сродства , для 50% потока воздуха двигатель с переменной скоростью потребляет около 20% входной мощности (ампер). Двигатель с фиксированной скоростью по-прежнему потребляет около 85% входной мощности при половине потока.
Некоторые первичные двигатели ( двигатели внутреннего сгорания , поршневые или турбинные паровые двигатели, водяные колеса и другие) имеют диапазон рабочих скоростей, которые можно изменять непрерывно (регулируя расход топлива или аналогичными способами). Однако эффективность может быть низкой в крайних точках диапазона скоростей, и могут быть системные причины, по которым скорость первичного двигателя не может поддерживаться на очень низких или очень высоких скоростях.
До изобретения электродвигателей механические преобразователи скорости использовались для управления механической мощностью, вырабатываемой водяными колесами и паровыми двигателями. Когда электродвигатели вошли в употребление, средства управления их скоростью были разработаны практически сразу. Сегодня на рынке промышленных приводов конкурируют различные типы механических приводов, гидравлических приводов и электрических приводов.
Существует два типа механических приводов: приводы с переменным шагом и тяговые приводы.
Приводы с переменным шагом представляют собой шкивные и ременные передачи, в которых диаметр шага одного или обоих шкивов может регулироваться.
Тяговые приводы передают мощность через металлические ролики, вращающиеся против сопряженных металлических роликов. Соотношение входной и выходной скорости регулируется перемещением роликов для изменения диаметров контактной траектории. Было использовано много различных форм роликов и механических конструкций.
Существует три типа гидравлических приводов: гидростатические приводы, гидродинамические приводы и гидровязкостные приводы.
Гидростатический привод состоит из гидравлического насоса и гидравлического двигателя. Поскольку используются насосы и двигатели объемного вытеснения, один оборот насоса или двигателя соответствует заданному объему потока жидкости, который определяется вытеснением независимо от скорости или крутящего момента . Скорость регулируется путем регулирования потока жидкости с помощью клапана или путем изменения вытеснения насоса или двигателя. Было использовано много различных конструктивных вариантов. Привод с наклонной шайбой использует аксиально-поршневой насос или двигатель, в котором угол наклонной шайбы может быть изменен для регулировки вытеснения и, таким образом, регулировки скорости.
Гидродинамические приводы или гидромуфты используют масло для передачи крутящего момента между рабочим колесом на входном валу с постоянной скоростью и ротором на выходном валу с регулируемой скоростью. Гидротрансформатор в автоматической трансмиссии автомобиля представляет собой гидродинамический привод.
Гидровязкостный привод состоит из одного или нескольких дисков, соединенных с входным валом, прижатым к аналогичному диску или дискам, соединенным с выходным валом. Крутящий момент передается от входного вала к выходному валу через масляную пленку между дисками. Передаваемый крутящий момент пропорционален давлению, оказываемому гидравлическим цилиндром, который прижимает диски друг к другу. Этот эффект может использоваться как сцепление , например, сцепление Hele-Shaw , или как привод с переменной скоростью, например, переменный передаточный механизм Beier .
Механические и гидравлические регулируемые приводы обычно называют « трансмиссиями » или « бесступенчатыми трансмиссиями », когда они используются в транспортных средствах, сельскохозяйственной технике и некоторых других типах оборудования.
Управление может осуществляться либо вручную с помощью потенциометра или линейного устройства на эффекте Холла (которое более устойчиво к пыли и смазке), либо автоматически, например, с помощью вращательного детектора, такого как оптический энкодер с кодом Грея .
Существует три основные категории электроприводов: приводы постоянного тока , приводы вихревых токов и приводы переменного тока . Каждый из этих основных типов может быть далее разделен на многочисленные вариации. Электроприводы обычно включают в себя как электродвигатель, так и блок или систему управления скоростью. Термин привод часто применяется к контроллеру без двигателя. На заре развития технологии электропривода использовались электромеханические системы управления. Позднее электронные контроллеры были разработаны с использованием различных типов вакуумных трубок. По мере появления подходящих твердотельных электронных компонентов новые конструкции контроллеров включали новейшие электронные технологии.
Приводы постоянного тока — это системы управления скоростью двигателя постоянного тока. Поскольку скорость двигателя постоянного тока прямо пропорциональна напряжению якоря и обратно пропорциональна потоку двигателя (который является функцией тока возбуждения), для управления скоростью можно использовать либо напряжение якоря, либо ток возбуждения.
Вихретоковый привод (иногда называемый «динамическим приводом», по названию одной из самых распространенных торговых марок) состоит из двигателя с фиксированной скоростью (обычно асинхронного двигателя ) и вихретоковой муфты. Муфта содержит ротор с фиксированной скоростью и ротор с регулируемой скоростью, разделенные небольшим воздушным зазором. Постоянный ток в катушке возбуждения создает магнитное поле, которое определяет крутящий момент, передаваемый от входного ротора к выходному ротору. Контроллер обеспечивает регулирование скорости в замкнутом контуре путем изменения тока муфты, позволяя муфте передавать только достаточный крутящий момент для работы на желаемой скорости. Обратная связь по скорости обычно обеспечивается через встроенный тахометр переменного тока.
Приводы на вихревых токах представляют собой системы с контролируемым скольжением, энергия скольжения которых обязательно рассеивается в виде тепла. Поэтому такие приводы, как правило, менее эффективны, чем приводы на основе преобразования переменного тока в постоянный ток в переменный ток . Двигатель развивает крутящий момент, требуемый нагрузкой, и работает на полной скорости. Выходной вал передает тот же крутящий момент нагрузке, но вращается с меньшей скоростью. Поскольку мощность пропорциональна крутящему моменту, умноженному на скорость, входная мощность пропорциональна скорости двигателя, умноженной на рабочий крутящий момент, в то время как выходная мощность равна выходной скорости, умноженной на рабочий крутящий момент. Разница между скоростью двигателя и выходной скоростью называется скоростью скольжения . Мощность, пропорциональная скорости скольжения, умноженной на рабочий крутящий момент, рассеивается в виде тепла в муфте. Хотя ее превзошел частотно-регулируемый привод в большинстве приложений с переменной скоростью, муфта на вихревых токах по-прежнему часто используется для соединения двигателей с высокоинерционными нагрузками, которые часто останавливаются и запускаются, такими как штамповочные прессы, конвейеры, подъемное оборудование и некоторые более крупные станки, что позволяет осуществлять постепенный запуск с меньшим обслуживанием, чем механическая муфта или гидравлическая трансмиссия.
Приводы переменного тока представляют собой системы управления скоростью вращения электродвигателей переменного тока .
Привод асинхронного двигателя с фазным ротором (WRIM) с контролируемым скольжением управляет скоростью, изменяя скольжение двигателя через контактные кольца ротора либо путем электронного восстановления мощности скольжения, подаваемой обратно на шину статора, либо путем изменения сопротивления внешних резисторов в цепи ротора. Наряду с приводами на вихревых токах приводы WRIM на основе сопротивления утратили популярность, поскольку они менее эффективны, чем приводы WRIM на основе переменного/постоянного тока и используются только в особых ситуациях.
Системы рекуперации энергии скольжения возвращают энергию в статорную шину WRIM, преобразуя энергию скольжения и подавая ее обратно в статорный источник питания. В противном случае такая рекуперированная энергия тратилась бы впустую в виде тепла в приводах WRIM на основе сопротивления. Приводы с переменной скоростью рекуперации энергии скольжения используются в таких приложениях, как большие насосы и вентиляторы, ветряные турбины, судовые двигательные установки, большие гидронасосы и генераторы, а также маховики накопителей энергии. Ранние системы рекуперации энергии скольжения, использующие электромеханические компоненты для преобразования переменного тока в постоянный-переменный (т. е. состоящие из выпрямителя, двигателя постоянного тока и генератора переменного тока), называются приводами Kramer , а более поздние системы, использующие частотно-регулируемые приводы (VFD), называются статическими приводами Kramer .
В целом, частотно-регулируемый привод в своей самой базовой конфигурации управляет скоростью асинхронного или синхронного двигателя путем регулирования частоты питания, подаваемого на двигатель.
При изменении частоты VFD в стандартных низкопроизводительных приложениях с переменным крутящим моментом с использованием управления Вольт-на-Герц (В/Гц) отношение напряжения к частоте двигателя переменного тока может поддерживаться постоянным, а его мощность может изменяться между минимальной и максимальной рабочими частотами вплоть до базовой частоты. Работа при постоянном напряжении выше базовой частоты и, следовательно, с уменьшенным отношением В/Гц обеспечивает уменьшенный крутящий момент и постоянную мощность.
Рекуперативные приводы переменного тока — это тип привода переменного тока, способный рекуперировать энергию торможения нагрузки, движущейся быстрее скорости двигателя (перегружаемая нагрузка), и возвращать ее в энергосистему.