Κινητήρας Συνεχούς Ρεύματος με Μειωτήρα Ταχύτητας έναντι Τυπικού Κινητήρα Συνεχούς Ρεύματος: Βασικές Διαφορές

Κινητήρας Συνεχούς Ρεύματος με Μειωτήρα Ταχύτητας έναντι Τυπικού Κινητήρα Συνεχούς Ρεύματος: Βασικές Διαφορές

Οι εναλλασσόμενου ρεύματος (AC) κινητήρες είναι πολύ δημοφιλείς σε πολλά ηλεκτρικά συστήματα. Πέρα από το να γνωρίζετε ποια εξαρτήματα σας ταιριάζουν καλύτερα, είναι εξαιρετικά σημαντικό να γνωρίζετε τη διαφορά μεταξύ των κινητήρων AC με την ενσωματωμένη μείωση ταχύτητας (AC gear motors) και των τυπικών κινητήρων AC. Πράγματι, και τις δύο συσκευές την ηλεκτρική ενέργεια τη μετατρέπουν σε μηχανική, ωστόσο τόσο το σχεδιασμό τους, όσο και οι λειτουργικές τους δυνατότητες και οι εφαρμογές τους διαφέρουν σημαντικά μεταξύ τους. Σε αυτό το άρθρο θα συζητήσουμε τις πιο σημαντικές διαφορές στα συστήματα, ανεξάρτητα από το αν χρησιμοποιούνται σε συστήματα θέρμανσης, εξαερισμού και κλιματισμού (HVAC), βιομηχανικές μηχανές ή σε οικιακές ηλεκτρικές συσκευές.

Βασικός Ορισμός και Κυρίως Σχεδιασμός

Οι τυπικοί κινητήρες εναλλασσόμενου ρεύματος (AC) διαθέτουν δύο βασικά μέρη, τον δρομέα και τον στάτη. Ο δρομέας είναι το μέρος που μπορεί να περιστρέφεται, ενώ το εναλλασσόμενο ρεύμα διέρχεται από τα πηνία του στάτη του κινητήρα. Η κατασκευή του κινητήρα είναι απλή και επικεντρώνεται στη δημιουργία περιστροφικής κίνησης από το εισερχόμενο ηλεκτρικό ρεύμα. Ο κινητήρας δεν περιλαμβάνει επιπλέον εξαρτήματα μείωσης ταχύτητας ή αύξησης της ροπής. Ο κινητήρας λειτουργεί αυτόνομα. Ο κινητήρας AC με γρανάζια είναι υβριδική μονάδα που περιλαμβάνει κινητήρα AC και κιβώτιο ταχυτήτων, το οποίο είναι στερεωμένο στον εξοδικό άξονα. Το κιβώτιο ταχυτήτων διαθέτει ένα σύνολο κυλινδρικών, κοχλιωτών και πλανητικών γραναζιών, τα οποία βοηθούν τον κινητήρα να παρέχει επιθυμητή ταχύτητα και ροπή στην έξοδο. Αυτό παρέχει μια ολοκληρωμένη λύση για εφαρμογές που απαιτούν διαφορετικές ταχύτητες και ροπές.

Χαρακτηριστικά Ταχύτητας και Ροπής

Είναι ξεκάθαρα αξιοσημείωτο ότι ένας εναλλασσόμενου ρεύματος (AC) κινητήρας σχεδιάζεται με σταθερές ταχύτητες, π.χ. μονής ή πολλαπλών ταχυτήτων & μετατροπέα ροπής συχνότητας, ενώ ένας ασύγχρονος κινητήρας με κιβώτιο ταχυτήτων θυσιάζει την ταχύτητα για ροπή χρησιμοποιώντας το κιβώτιο ταχυτήτων του. Για παράδειγμα, ας πάρουμε έναν κινητήρα AC που είναι εγκατεστημένος σε έναν ανεμιστήρα οικιακής χρήσης, ο οποίος λειτουργεί σχετικά γρήγορα με 1800 σ.α.λ. και έναν κινητήρα AC 1800 σ.α.λ. συνδεδεμένο με κιβώτιο 10:1 λειτουργεί στις 180 σ.α.λ. με έξοδο 10 φορές την αρχική ροπή. Επομένως, οι κινητήρες με κιβώτιο σχεδιάζονται για εφαρμογές χαμηλής ταχύτητας και υψηλής ροπής, τις οποίες ένας κινητήρας AC μπορεί να προσεγγίσει με σχετικά υψηλές αποδόσεις των 180 σ.α.λ. Οι κινητήρες με κιβώτιο είναι πολύ πιο αποτελεσματικοί όταν συνδέονται με κινητήρες AC για αργές περιστροφές που είναι χαμηλές στην ταχύτητα. Έτσι, οι κοινοί κινητήρες δεν μπορούν να φτάσουν σε αργές ταχύτητες υψηλής ροπής, ενώ οι κινητήρες με κιβώτιο το επιτυγχάνουν.

Σενάρια Εφαρμογής

Ένα βασικό διαφοροποιητικό στοιχείο μεταξύ των ηλεκτροκινητήρων AC με κιβώτιο ταχυτήτων και των απλών ηλεκτροκινητήρων AC είναι ότι οι πρώτοι επιτρέπουν τη ρύθμιση σταθερής ή μεταβλητής ταχύτητας, π.χ. μονής ή πολλαπλής. Οι ηλεκτροκινητήρες AC με κιβώτιο ταχυτήτων θυσιάζουν ταχύτητα για ροπή, χρησιμοποιώντας το κιβώτιο ταχυτήτων, ενώ ένας απλός ηλεκτροκινητήρας AC… Ας πάρουμε για παράδειγμα έναν ηλεκτροκινητήρα AC 1800 RPM που συνδέεται με κιβώτιο 10:1. Ένας κινητήρας με 10 φορές την αρχική ροπή και μια έξοδο 10 φορές μεγαλύτερη από την αρχική ροπή. Ένας οικιακός ανεμιστήρας είναι ένα παράδειγμα ηλεκτροκινητήρα AC. Λειτουργεί στις 1800 RPM, αλλά οι ηλεκτροκινητήρες AC που προορίζονται για εφαρμογές υψηλής απόδοσης εξυπηρετούν το σκοπό των χαμηλών ταχυτήτων και υψηλής ροπής στις 180 RPM. Είναι πιο αποτελεσματικοί όταν συνδέονται με ηλεκτροκινητήρες AC για περιστροφή σε χαμηλές ταχύτητες, καθώς οι ηλεκτροκινητήρες με κιβώτιο ταχυτήτων εξυπηρετούν το σκοπό της υψηλής ροπής. Οι τυποποιημένοι ηλεκτροκινητήρες με κιβώτιο, παρότι είναι πιο αποδοτικοί, δεν είναι σε θέση να φτάσουν την υψηλή τυπική ροπή.

Μέγεθος, Βάρος και Εγκατάσταση

Ένα βασικό διαφοροποιητικό στοιχείο μεταξύ των ηλεκτροκινητήρων AC με κιβώτιο ταχυτήτων και των απλών ηλεκτροκινητήρων AC είναι ότι οι πρώτοι επιτρέπουν τη ρύθμιση σταθερής ή μεταβλητής ταχύτητας, π.χ. μονής ή πολλαπλής. Οι ηλεκτροκινητήρες AC με κιβώτιο ταχυτήτων θυσιάζουν ταχύτητα για ροπή, χρησιμοποιώντας το κιβώτιο ταχυτήτων, ενώ ένας απλός ηλεκτροκινητήρας AC… Ας πάρουμε για παράδειγμα έναν ηλεκτροκινητήρα AC 1800 RPM που συνδέεται με κιβώτιο 10:1. Ένας κινητήρας με 10 φορές την αρχική ροπή και μια έξοδο 10 φορές μεγαλύτερη από την αρχική ροπή. Ένας οικιακός ανεμιστήρας είναι ένα παράδειγμα ηλεκτροκινητήρα AC. Λειτουργεί στις 1800 RPM, αλλά οι ηλεκτροκινητήρες AC που προορίζονται για εφαρμογές υψηλής απόδοσης εξυπηρετούν το σκοπό των χαμηλών ταχυτήτων και υψηλής ροπής στις 180 RPM. Είναι πιο αποτελεσματικοί όταν συνδέονται με ηλεκτροκινητήρες AC για περιστροφή σε χαμηλές ταχύτητες, καθώς οι ηλεκτροκινητήρες με κιβώτιο ταχυτήτων εξυπηρετούν το σκοπό της υψηλής ροπής. Οι τυποποιημένοι ηλεκτροκινητήρες με κιβώτιο, παρότι είναι πιο αποδοτικοί, δεν είναι σε θέση να φτάσουν την υψηλή τυπική ροπή.

Απόδοση και Κατανάλωση Ενέργειας

Η διαφορά μεταξύ των ηλεκτροκινητήρων AC Gear Motors και AC Motors έχει να κάνει κυρίως με τις αποδόσεις τους, καθώς οι AC Gear Motors διαθέτουν κιβώτια ταχυτήτων. Η μηχανική απόδοση ενός ηλεκτροκινητήρα AC είναι υψηλότερη (70-90%), καθώς οι κυριότερες απώλειες οφείλονται στην ηλεκτρική αντίσταση των πηνίων και στην τριβή των τριβέων. Οι ηλεκτροκινητήρες AC Gear Motors εκτιμάται ότι είναι λιγότερο αποδοτικοί (60-85%), καθώς προστίθενται απώλειες ενέργειας από την τριβή στα γρανάζια, καθώς και από την αντίσταση του λιπαντικού και τη μηχανική αναστροφή. Ωστόσο, οι κινητήρες μειωτήρα είναι ακόμη ενεργειακά αποδοτικοί για τη δουλειά για την οποία έχουν σχεδιαστεί. Συχνότερα από το να μην ισχύει αυτό, ένας κινητήρας μειωτήρας απαιτεί λιγότερη ενέργεια από έναν τυπικό κινητήρα ίδιου μεγέθους, ο οποίος προορίζεται να παράγει την ίδια ροπή. Για παράδειγμα, σε σχέση με έναν μεγάλο τυπικό κινητήρα που παρέχει την ίδια ροπή χωρίς τη χρήση μειωτήρα, ένας ηλεκτροκινητήρας AC Gear Motor παρέχει την ίδια ροπή με μικρότερη είσοδο ισχύος.

Απαιτήσεις συντήρησης

Διαφορετικά είδη σχεδιάσεων οδηγούν σε διαφορετικές ανάγκες συντήρησης. Ένας τυπικός επαγωγικός κινητήρας απαιτεί ελάχιστη συντήρηση. Οι εργασίες συντήρησης περιορίζονται στη λίπανση των ρουλεμάν που χρησιμοποιούν λάδι, στο σκονισμό των πηνίων και στον έλεγχο των ηλεκτρικών συνδέσεων. Υπάρχουν λιγότερες βλάβες συντήρησης και μεγαλύτερα διαστήματα μεταξύ των συντηρήσεων. Οι κινητήρες AC με τη μεταφορά απαιτούν πιο συχνές εργασίες συντήρησης εξαιτίας του κιβωτίου ταχυτήτων. Αυτές περιλαμβάνουν την τακτική αντικατάσταση του λιπαντικού του κιβωτίου ταχυτήτων και τον έλεγχο των δοντιών των γραναζιών ως προς τη φθορά καθώς και τη ρύθμιση της αναστροφής. Τα κινούμενα μέρη του κιβωτίου ταχυτήτων αυξάνουν τις πιθανότητες βλάβης. Για παράδειγμα, ένα φθαρμένο γρανάζι μπορεί να αυξήσει τον θόρυβο και τη δόνηση που παράγει ο κινητήρας, γεγονός που μπορεί να προκαλέσει αύξηση της ροπής και κατά συνέπεια αντικατάσταση των ακουστικών.

Σκέψεις για το Κόστος

Τα διαφορετικά κόστη γίνονται σαφή στην αρχική τιμή αγοράς και στη μακροχρόνια κυριότητα. Τα τυπικά ηλεκτρικά μοτέρ AC κοστίζουν από μερικά δολάρια έως εκατοντάδες, ανάλογα με το μέγεθος και την ισχύ τους, ενώ τα πιο βασικά είναι πιο προσιτά ως προς το κόστος λόγω των απλών σχεδιασμών και συστατικών τους. Τα τυπικά ηλεκτρικά μοτέρ AC είναι φτηνότερα λόγω των βασικών τους σχεδιασμών. Το κόστος των ηλεκτρικών μοτέρ AC με ενσωματωμένο κιβώτιο ταχυτήτων παραμένει ακόμη δύο έως τρεις φορές πιο ακριβό από ένα αντίστοιχο τυπικό μοτέρ, λόγω της ενσωματωμένης μετάδοσης κίνησης και της μεγαλύτερης πολυπλοκότητας. Ωστόσο, είναι σκόπιμο να τονιστεί ότι πρέπει να αναλυθεί και το συνολικό κόστος κυριότητας. Σε εφαρμογές υψηλής ροπής, το τυπικό μοτέρ χρειάζεται ένα κιβώτιο ταχυτήτων, το οποίο προστίθεται στην αγορά, τον χρόνο εγκατάστασης και τις συμβατότητες. Τα μοτέρ με κιβώτιο ταχυτήτων επιλύουν αυτά τα επιπλέον κόστη και τα καθιστούν φτηνότερα για εφαρμογές που απαιτούν μεγάλη ροπή, μακροπρόθεσμα. Επίσης, η εξοικονόμηση ενεργειακών κόστους μέσω των μοτέρ με κιβώτιο ταχυτήτων αποπληρώνει την επένδυση των πιο ακριβών μοτέρ με κιβώτιο ταχυτήτων με την πάροδο του χρόνου.

Έλεγχος και Ακρίβεια

Ορισμένες εφαρμογές που απαιτούν έλεγχο της ταχύτητας ή της θέσης χρειάζονται σημαντικό έλεγχο και ακρίβεια. Για παράδειγμα, η ελεγχόμενη ακρίβεια είναι τόσο κακή, ώστε οι μονής ταχύτητας μονοφασικοί κινητήρες κατατάσσονται ως "περιορισμένης ακρίβειας". Με τους Μετατροπείς Συχνότητας (VFDs), οι μονοφασικοί κινητήρες προβάλλονται ως "κινητήρες μεταβλητής ταχύτητας", κάτι που αποτελεί υπερβολική υπερεκτίμηση, αφού οι κινητήρες αυτοί δεν είναι ποτέ σε θέση να ελέγχουν με ακρίβεια τη ροπή για έλεγχο θέσης. Αλλιώς ονομαζόμενοι ως μονοφασικοί στροφαλοκινητήρες, αυτοί οι κινητήρες έχουν πλεονέκτημα σε έλεγχο και ακρίβεια, διότι οι μειωτήρες ταχύτητας παρέχουν έλεγχο της ταχύτητας και ενίσχυση της ροπής σε ένα σύστημα μονοφασικού κινητήρα. Ο σταθερός λόγος μετάδοσης του κιβωτίου ταχυτήτων παρέχει προβλέψιμη ταχύτητα για το άνοιγμα και το κλείσιμο αεραγωγών σε συγκεκριμένες γωνίες ή για τη συντονισμένη αργή ταχύτητα μιας συνεχόμενης ταινίας μεταφοράς. Για εφαρμογές υψηλής ακρίβειας, ορισμένοι στροφαλοκινητήρες είναι εξοπλισμένοι με κοχλίες ή πλανητικά γρανάζια, τα οποία παρέχουν ανώτερη μείωση της ταχύτητας και μικρότερη αναστροφή σε σχέση με εξωτερικούς μειωτήρες που κινούν τυποποιημένους κινητήρες.