Двигатели, работающие на батарейках, требуют тщательного проектирования, чтобы характеристики двигателя и профиль энергопотребления соответствовали типу батареи. Оптимальное сочетание двигателя и батареи зависит от выбора эффективного двигателя и батареи соответствующей емкости, стоимости, размера, удобства обслуживания, продолжительности и кривой разряда.
Автор: Скотт Макмиллан • Старший инженер-прикладник | Power Electric
Трэвис Лейк • вице-президент по продажам и маркетингу | Power Electric
Новые модели коммерческого оборудования по-прежнему позволяют создавать более компактные, легкие и мобильные решения. Это ускорило переход от традиционных проводных систем к оборудованию, работающему на батарейках. Конечно, правильный выбор двигателя является ключом к оптимизации производительности любого автоматизированного оборудования. Однако приложения, работающие на батарейках, требуют учета дополнительного фактора — взаимодействия двигателя и батареи.
В этой статье рассматривается процесс выбора комбинации двигателя и аккумулятора, подходящей для коммерческого оборудования.
.
При использовании любого электродвигателя требуемая мощность двигателя определяется характеристиками оборудования. Номинальная мощность двигателя рассчитывается на основе сочетания частоты вращения, крутящего момента и рабочего цикла, которые, в свою очередь, определяют критические требования к напряжению, току и емкости аккумулятора.
Напряжение и ток питания напрямую зависят от частоты вращения и крутящего момента, создаваемых двигателем. Помимо напряжения и тока, емкость является третьим важным фактором при выборе аккумулятора, подходящего для конкретного применения. Емкость аккумулятора зависит от желаемого времени работы оборудования между циклами подзарядки и представляет собой просто количество заряда, которое может удерживать аккумулятор.
Стандартным показателем емкости аккумулятора являются миллиампер-часы (мАч) или ампер-часы (Ач), которые показывают, как долго будет работать аккумулятор в зависимости от выдаваемого им тока. Время автономной работы при определенном потреблении тока рассчитывается как емкость аккумулятора (Ач), деленная на выходной ток (А) = время автономной работы (часы). Например, батареи типа АА емкостью 2500 мАч и мощностью 100 мАч хватит примерно на 25 часов.
Одним из параметров двигателя, влияющих на работу от аккумулятора, является экономичность. Повышение эффективности двигателя помогает минимизировать требуемую мощность, что, в свою очередь, позволяет использовать аккумулятор меньшего размера и с меньшей стоимостью. По этой причине бесщеточные двигатели постоянного тока (BLDC) предпочтительнее бесщеточных двигателей постоянного тока, несмотря на их более высокую первоначальную цену. Электродвигатели постоянного тока с щеточным приводом имеют меньшие первоначальные затраты и более просты в установке. Однако их относительно низкий КПД может потребовать использования более дорогостоящего аккумуляторного решения или сокращения времени работы между циклами подзарядки аккумулятора.
Типичные процессы разрядки аккумулятора требуют учета нескольких факторов, связанных с производительностью, включая частоту вращения двигателя. При разрядке аккумулятора напряжение на клеммах большинства типов аккумуляторов уменьшается. Частота вращения двигателя прямо пропорциональна напряжению аккумулятора, поэтому частота вращения двигателя будет уменьшаться с уменьшением напряжения на клеммах. Кроме того, напряжение на клеммах аккумуляторов снижается по мере увеличения выходного тока (нагрузки), что приводит к снижению частоты вращения двигателя при более высоких нагрузках по крутящему моменту.
Эти факторы не учитывают характеристики самой обмотки двигателя, для которой выходная частота вращения уменьшается по мере увеличения нагрузки на двигатель — даже при постоянном напряжении батареи.
Одним из способов решения этой потенциальной проблемы, связанной с колебаниями скорости, является включение в систему электронного управления скоростью. Такие элементы управления могут помочь двигателю поддерживать заданную скорость при длительном разряде аккумулятора или изменении нагрузки на двигатель.
Необходимо также учитывать выходной крутящий момент двигателя, поскольку ток разряда батареи ограничен. Поскольку выходной крутящий момент двигателя прямо пропорционален подаваемому току, максимальный выходной крутящий момент двигателя может быть ограничен номинальным током разряда батареи. Номинальный ток разряда батареи надлежащего размера должен соответствовать или превышать требования к входному току двигателя.
Одним из важных критериев при выборе аккумулятора является обеспечение того, чтобы он соответствовал требованиям двигателя к напряжению и току при полной зарядке, а также продолжал соответствовать этим требованиям по мере приближения к полной разрядке аккумулятора. Следующим шагом в этом процессе является поиск компромисса между типом батареи, ее размером и стоимостью при одновременном соблюдении важнейших требований к производительности.
Все конструкции перезаряжаемых и неперезаряжаемых аккумуляторов основаны на преобразовании химической энергии в электрическую. Сегодня большинство компактных и перезаряжаемых аккумуляторов изготавливаются с использованием литий-ионной технологии (Li-ion) из-за ее высокой плотности энергии. Эти перезаряжаемые и неприхотливые в обслуживании аккумуляторы стоят дороже, чем традиционные технологии, такие как элементы на основе никель-кадмиевого сплава. Аккумуляторы большего размера традиционно изготавливались на свинцово-кислотной основе, хотя литий-ионные становятся все более популярными благодаря более длительному сроку службы, меньшим размерам и весу, а также общей простоте обслуживания и возможности подзарядки по сравнению со свинцово-кислотными аккумуляторами.
Размер батареи напрямую зависит от ее емкости для хранения энергии. В конструкциях изделий с минимальным количеством места для батарей, таких как медицинские ручные инструменты, использование батареи с высокой плотностью заряда выгодно, несмотря на возможные недостатки в стоимости и емкости.
Различные способы разряда аккумуляторов с течением времени являются еще одним важным фактором при правильном выборе. В то время как многие современные технологии создания энергоемких аккумуляторов поддерживают относительно стабильное выходное напряжение до тех пор, пока не достигнут полный разряд, традиционные технологии создания аккумуляторов обеспечивают постепенное снижение напряжения в зависимости от времени до достижения полного разряда.
Как уже упоминалось, кривая разряда батареи важна, поскольку выходное напряжение напрямую влияет на выходную частоту вращения двигателя, и понимание того, насколько близка батарея к полной разрядке, может предотвратить повреждение батареи и, возможно, всей системы в целом. Полная разрядка аккумулятора во время работы может в конечном итоге привести к его повреждению, в результате чего он перестанет заряжаться. Чтобы предотвратить это, заданное напряжение отключения может отключить двигатель, как только напряжение аккумулятора упадет ниже заданного порогового значения. Определить и установить правильное напряжение отключения обычно проще при использовании батареи с плавной кривой разряда, чем при использовании батареи с плоской кривой.
Дополнительные факторы, влияющие на выбор аккумулятора, включают количество циклов подзарядки, которые может выдержать аккумулятор, его доступность и факторы окружающей среды.
Мощность Электрическая | www.powerelectric.com
Вам также может понравиться:
Свежие комментарии