私のアプリケーションで DC モーターと比較して AC モーターを使用する主な欠点は何ですか?

直接的な答え: AC モーターが DC モーターに劣る部分

ほとんどのアプリケーションでは、 ACモーター 正確に制御するのが難しく、ユニットサイズあたりの起動トルクが小さくなり、より高価な制御電子機器が必要になります。 同等の DC モーターよりも優れています。アプリケーションが細かい速度調整、ゼロ RPM での即時トルク、またはバッテリー電源からの単純な電圧ベースの制御に依存している場合、通常は DC モーターの方が実用的な選択肢です。 AC モーターは堅牢性と長期メンテナンスの点で依然として優れていますが、その利点は制御の単純さを犠牲にしており、これがユーザーが何度も遭遇する主要な欠点です。

この記事の残りの部分では、あいまいな一般論ではなく具体的​​な技術的理由を使用して、AC モーターがこれらの課題を引き起こす理由を正確に説明します。これにより、特定の設定にトレードオフが意味があるかどうかを判断できます。

速度制御は根本的により複雑です

AC モーターの速度は、公式 N = 120f/P に従い、電源の周波数とモーターの極数に直接関係します。これは、周波数を変更しない限り、モーターの速度は同期値付近に固定されたままとなり、スリップによる負荷がかかってもわずかに低下するだけであることを意味します。対照的に、DC モーターは印加電圧に応じて速度がほぼ直線的に変化するため、単純なポテンショメータや基本的なコントローラーを使用して減速、加速、または微調整することが簡単に行えます。

ACモーター

これが実際に重要な理由

アプリケーションを固定速度以外で実行する必要がある場合、AC モーターだけではこれを実行できません。周波数を電子的に調整するには可変周波数ドライブ (VFD) が必要ですが、これにより DC システムではまったく必要のない複雑さが加わります。 VFD が取り付けられている場合でも、制御応答が DC モーターがネイティブに提供するものほどスムーズまたは高速になることはほとんどありません。

• AC モーターの速度は極数と線路周波数によって量子化され、自由に調整することはできません
• DC モーターの速度は電圧の変化に直接かつ予測どおりに応答します
• AC 可変速度を実現するには、通常、追加の費用がかかります システム総コストの 15% ～ 30% VFD が組み込まれると

始動トルクが弱く、トルク制御の予測が困難

標準的な AC 誘導モーターは通常、始動トルクのみを生成します。 定格トルクの150%～250% 、そしてそのトルクは、ローターが回転磁界に対して滑りを蓄積し始めるまで完全には利用できません。 DC モーター、特に直巻タイプは、停止状態から非常に高いトルクを供給できるため、瞬間的な牽引力が重要となるエレベーター、クレーン、電気自動車などの用途で DC モーターが一般的に使用され続けています。

重負荷に対する実際的な影響

負荷の静摩擦が高い場合、または全負荷状態ですぐに移動する必要がある場合、AC モーターが停止したり、初期抵抗を克服しようとして過剰な電流が流れたりする可能性があります。多くの場合、エンジニアは十分な始動トルクを保証するために AC モーターのサイズを大きくしなければなりません。これにより、適切なサイズの DC 代替モーターと比較して、システムの物理的設置面積と電力需要の両方が増加します。

必要な制御電子機器によるコストの増加

基本的な AC モーター自体は安価ですが、アプリケーションで速度調整、ソフトスタート、または正確な位置決めが必要になった瞬間に、実際のコストは制御ハードウェアに現れます。 AC モーターを予測通りに動作させるために必要な VFD、ソフト スターター、エンコーダーは、 システムの総コストが 2 倍または 3 倍になる モーターの基本価格と比較して。 DC モーター システム、特に小型のシステムでは、多くの場合、同様の機能を実現するために単純な PWM コントローラーのみが必要です。

余分な支出はどこへ行くのか

1. 速度調整のための可変周波数ドライブ
2. 位置フィードバック用のエンコーダまたはリゾルバ
3. ドライブから発生するノイズを除去する高調波フィルター
4. ドライブ電子機器用の追加のエンクロージャスペースと冷却

これらのコストはいずれも、一度設置すれば消えるものではありません。VFD とドライブには独自のメンテナンス、ファームウェアのアップデート、および時々の交換が必要であり、DC モーターのよりシンプルな制御ループによって回避される繰り返しの出費が追加されます。

電源品質の問題: 突入電流、力率、高調波

AC モーター、特に誘導タイプは、始動電流が次の値に達する可能性があります。 定格運転電流の 6 ～ 8 倍 。この突入電流により、複数のモーターが同時に始動すると、電源ラインに電圧降下が発生したり、保護ブレーカーが作動したり、ストレストランスが作動したりする可能性があります。 DC モーターは、駆動電圧を徐々に上昇させることができるため、一般に制御可能な起動電流を備えています。

力率の低下

AC 誘導モーターは無効電力も消費するため、特にモーターが軽負荷または部分負荷で動作する場合、電気システム全体の力率が低下します。力率が低いと、多くの商用環境で公共料金が増加し、補正のためにコンデンサバンクが必要になる場合があります。これは、DC モーターシステムが通常回避するもう 1 つのコストです。

小型AC電気モーターおよびミニACモーター設計のさらなる課題

AC モーターの欠点は小規模ではさらに顕著になります。単相 小型AC電気モーター 三相モーターのように独自に回転磁界を生成することはできないため、回転を開始するだけでも始動コンデンサ、陰極、分相巻線などの補助コンポーネントが必要です。これらの追加により、単純な 2 線接続から確実に起動する同様のサイズの DC モーターと比較して、製造の複雑さが増し、信頼性が低下します。

A ミニACモーター また、小型家電やポータブル機器で使用されるモーターは、モーター自体が小さい場合、鉄損や摩擦などの固定損失が総入力電力に占める割合が大きくなるため、定格電力が低いと効率が低下する傾向があります。ミニ AC モーターを使用する設計者は、コンパクトな筐体でスムーズで調整可能な速度を実現するのが、同等のサイズの DC モーターを使用するよりもはるかに難しいことに気づくことがよくあります。これが、バッテリー駆動の手持ち工具、ドローン、小型ロボットで DC モーターが主流となっている理由の 1 つです。

DC電源との互換性

AC モーターと DC モーター: 並べて比較

アプリケーションにとって DC モーターがより合理的な場合

上記の欠点に基づいて、アプリケーションに次のいずれかの条件が含まれる場合は、一般に DC モーターの方が適しています。

• VFD を追加せずに、正確な連続可変速度が必要
• 始動直後に強いトルクが必要な負荷
• 電源は本質的にバッテリーやソーラーパネルなどの DC です
• 予算の制約により、高価な駆動電子機器を使用できない
• インバータの重量が問題となるポータブル機器のミニACモータの代替など、コンパクトな用途に最適です。