Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Czy łatwiej regulować silnik prądu stałego czy zmiennego?

Pytanie nadesłane do redakcji dotyczyło konkretnej sytuacji i specyficznych potrzeb, jednak problem wyboru i sterowania silników jest interesujący dla każdego elektronika, dlatego warto nieco rozszerzyć odpowiedź. Ale wcześniej trzeba byłoby też określić, co to znaczy „regulacja”? Czy chodzi tylko o zmianę kierunku obrotów? Czy o płynną zmianę prędkości obrotowej? Czy też o jedno i drugie?
Article Image
(...) nie mam żadnego doświadczenia z silnikami (...) muszę kupić (...) najlepiej używany (...) zrobić napęd z przekładnią – reduktorem (...) jaki silnik na 220V będzie trwały (...) żeby było łatwiej regulować: prądu stałego czy zmiennego? (...)

Ogólnie biorąc, tematyka napędów z wykorzystaniem różnych silników jest bardzo obszerna i trudna. Elektronik musiałby włożyć dużo wysiłku, żeby dobrze opanować te zagadnienia. Nie ma możliwości omówienia tego w skrócie. Niemniej warto podkreślić pewne aspekty ważne dla hobbystów, którzy chcieliby zrealizować zadanie jak najtaniej. A główna linia podziału wcale nie przebiega między silnikami prądu stałego i zmiennego.

Generalnie łatwiejsze do sterowania są silniki prądu stałego. Trzeba jednak zauważyć, że większości elektroników silniki prądu stałego kojarzą się przede wszystkim, a często wyłącznie, z małymi silnikami z magnesami trwałymi (PMDC – Permanent Magnet Direct Current Motors) o mocach od kilku do kilkudziesięciu watów.

Cechą charakterystyczną jest w nich po pierwsze obecność komutatora i szczotek, po drugie pole magnetyczne wytwarzane jest przez magnesy trwałe umieszczone w stojanie. Regulacja polega na zmianie napięcia zasilającego wirnik. Napięcie to może być stałe, ale mogą to być impulsy i wtedy regulacja prędkości polega na zmianie wypełnienia impulsów.

W literaturze silnikami o mocy ułamkowej i mikrosilnikami są nazywane silniki o mocach poniżej 750W...1000W. Trzeba więc wiedzieć, że istnieją też silniki prądu stałego większe i dużo większe (o mocach nawet kilku megawatów). Też mają komutator i szczotki, ale nie zawierają magnesów. Zamiast magnesów trwałych mają umieszczone w stojanie uzwojenie. Prąd stały płynący przez uzwojenia wytwarza niezbędne pole magnetyczne.

To dodatkowe uzwojenie, zwane uzwojeniem wzbudzenia, może być dołączone równolegle do wirnika (silniki bocznikowe) albo włączone w szereg z wirnikiem (silniki szeregowe). Często to uzwojenie składa się z dwóch części i wtedy można uzyskać silnik szeregowo-bocznikowy. Właściwości – charakterystyki silnika zależą od sposobu połączenia, a ponadto można wtedy zastosować różne inne sposoby regulacji, ale to odrębny, szeroki temat.

Jeżeli wystarczy silnik o mocy do stu watów, to najprościej wykorzystać silnik PMDC i zastosować impulsowy regulator, w praktyce chiński moduł za kilkanaście, najwyżej kilkadziesiąt złotych. I oczywiście odpowiedni zasilacz prądu stałego. Przy mocy do stu watów nie ma kłopotu z zakupem odpowiedniego silnika, zasilacza i regulatora PWM, bo oferta jest ogromnie szeroka.

Przy mocach kilkuset watów i większych zaczyna się problem z silnikami prądu stałego. Takie silniki prądu stałego o większej mocy są dostępne, ale są mniej popularne, a przez to bardziej kosztowne. Z reguły mają one napięcie zasilania ponad 100 woltów, co znacząco komplikuje kwestię sterowania, bo oprócz silnika potrzebny jest i odpowiedni zasilacz prądu stałego, i regulator impulsowy (nie ma natomiast problemu ze zmianą kierunku obrotów, wystarczy odwrócić biegunowość, choćby za pomocą przekaźnika).

Dlatego przy większych mocach atrakcyjniejsze, nie tylko dla hobbystów, mogą okazać się popularne silniki prądu zmiennego na 230V. W otaczających nas urządzeniach znajdziemy mnóstwo silników prądu zmiennego, ale w różnym stopniu nadają się one do regulacji.

Istnieje mnóstwo rodzajów silników prądu zmiennego, ale w pierwszym przybliżeniu możemy je podzielić na dwa rodzaje: komutatorowe i bezkomutatorowe.

Najprościej biorąc, komutatorowe silniki prądu zmiennego, które stosowane są powszechnie w elektronarzędziach i pralkach, są łatwe do sterowania. Do regulacji prędkości wystarczy prosty, popularny regulator fazowy z triakiem. Kierunek obrotów można łatwo zmieniać, przełączając końcówki uzwojenia wzbudzenia (albo komutatora).

Krótko mówiąc, najprostsze do regulacji są silniki komutatorowe, zarówno prądu stałego, jak i zmiennego. Takie silniki pochodzące z różnych urządzeń można nabyć po okazyjnych cenach, często za darmo. Wygląda to na rozwiązanie idealne dla hobbysty.

Być może... Trzeba jednak wziąć pod uwagę ważny problem: podstawową wadą wszelkich silników komutatorowych jest problem zużywania się, wycierania szczotek i komutatora. Widocznym efektem jest to, że okolice silnika w danym urządzeniu z czasem pokrywają się groźnie wyglądającym czarnym nalotem.

Wbrew przypuszczeniom wielu mniej zorientowanych, ten czarny nalot, który okazuje się pyłem z zużytych, startych szczotek, ani nie jest groźny, a nawet jego ilość nie jest bezpośrednim świadectwem stanu silnika. W większych silnikach z reguły producent przewidział możliwość wymiany szczotek i w przypadku silników z odzysku szczotki mogły być wymieniane, nawet kilkakrotnie.

W sumie w używanych silnikach zwykle nie szczotki są problemem, tylko stan komutatora. Szczotki łatwo wymienić, a „zdarty” komutator nie zawsze można poprawić. A stan tych elementów określa nie tylko przewidywany dalszy czas pracy, ale też decyduje o poziomie generowanych zakłóceń (co wynika z iskrzenia komutatora).

Pozyskanie używanego silnika komutatorowego zazwyczaj jest łatwe i tanie, ale warto zastanowić się, na ile będzie on niezawodny, ile czasu jeszcze popracuje i czy nie będzie zakłócał pracy pobliskich urządzeń elektronicznych.

W związku z tymi kwestiami być może także hobbysta powinien zwrócić uwagę na bezkomutatorowe (indukcyjne) silniki prądu zmiennego. Brak komutatora i szczotek powoduje, że są one wielokrotnie trwalsze i zdecydowanie bardziej niezawodne, ponieważ jedynymi ruchomymi, zużywającymi się elementami są łożyska. Popularne indukcyjne silniki prądu zmiennego są niemal wieczne.

Niestety, bezkomutatorowe silniki AC są zdecydowanie trudniejsze do sterowania. Owszem, prędkość niektórych można regulować przez zmianę napięcia zasilania (w praktyce przez zastosowanie prostego regulatora z triakiem). Ale zwykle taki sposób regulacji nie daje zadowalających wyników, a w przypadku wielu silników i obciążeń prądu zmiennego jest wręcz niemożliwy. Jeśli nawet najprostszy sposób regulacji przez zmianę wartości napięcia jest w ogóle możliwy, to tylko przy specyficznym obciążeniu, głównie w wentylatorach. A i wtedy inne wady, jak nieprzyjemne buczenie, często dyskwalifikują takie rozwiązanie.

Skuteczne rozwiązanie istnieje: prędkość obrotową bezkomutatorowych silników prądu zmiennego można regulować przez zmianę częstotliwości przebiegu zasilającego, ale to wymaga zastosowania skomplikowanego sterownika – konkretnie falownika o parametrach dostosowanych do silnika (1- albo 3-fazowego).

Trzeba podkreślić, że zastosowanie bezkomutatorowego silnika AC, choćby popularnego asynchronicznego klatkowego, w połączeniu z odpowiednim falownikiem, to znakomite rozwiązanie, pozwalającej uzyskać trwałość i precyzję regulacji. Podstawowym ograniczeniem jest jednak cena falowników, które jak na razie są dość drogie. I może być też kłopot z przełączaniem kierunku wirowania.

W niektórych jednofazowych silnikach prądu zmiennego zmiana kierunku obrotów jest możliwa (i bardzo łatwa). Przykładem łatwej zmiany kierunku obrotów są „symetryczne” silniki prądu zmiennego 230V z kondensatorem, stosowane w siłownikach do napędu bram. W innych jednofazowych silnikach AC sterowanie kierunkiem obrotów może być niemożliwe, zależnie od kilku czynników. To bardzo szeroki temat i o szczegóły trzeba pytać doświadczonych praktyków.

Jest też jeszcze jedna dobra droga: aktualnie coraz większą popualrność zyskują silniki BLDC (BrushLess DC): bezkomutatorowe z magnesem trwałym, ale bez szczotek. W istocie są to trójfazowe silniki prądu zmiennego, wymagające odpowiednio skomplikowanego sterownika. Silniki takie i sterowniki do nich stają się coraz tańsze i jest to bardzo interesująca alternatywa, choćby z uwagi na praktycznie nieograniczoną trwałość i małe rozmiary.

Tematyka materiału: silniki komutatorowe
AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich czerwiec 2019
Udostępnij
Czytelnia kategorie
AI-Sztuczna Inteligencja
Aparatura
Arduino
Artykuły
Audio
Automatyka
Ciekawostki
CNC
DIY
Druk 3d
Elektromechanika Fotowoltaika
FPGA-CPLD-SPLD
GPS
IC-układy scalone
Interfejsy
IoT
Konkursy
Książki
Lasery
LED/LCD/OLED
Mechatronika
Mikrokontrolery (MCV,μC)
Moc Moduły
Narzędzia
Optoelektronika
PCB/Montaż Podstawy elektroniki
Podzespoły bierne
Półprzewodniki Pomiary i testy
Porady
Projektowanie
Raspberry Pi
Retro
RF
Robotyka
SBC-SIP-SoC-CoM
Sensory Silniki i serwo
Software
Sterowanie
Transformatory
Tranzystory
Wyświetlacze
Wywiady
Wzmacniacze Zasilanie
W tym numerze znajdziesz źródłową wersję artykułu publikowanego obok
Elektronika dla Wszystkich
czerwiec 2019
Elektronika dla Wszystkich
Przejrzyj i kup
UK Logo