טווח היישום של מנוע חשמלי

בין סוגים שונים של מנועים חשמליים, הנפוץ ביותר הוא המנוע האסינכרוני AC (המכונה גם מנוע אינדוקציה). הוא נוח לתפעול, אמין בביצועים, חסכוני- וחזק מבחינה מבנית, אך יש לו מקדם הספק נמוך יחסית וויסות מהירות קשה. עבור יישומי כוח-גבוהים,-נמוכים, משתמשים בדרך כלל במנועים סינכרוניים (ראה מנוע סינכרוני). מנועים סינכרוניים לא רק מתהדרים במקדם הספק גבוה אלא גם שומרים על מהירות בלתי תלויה בגודל העומס, שנקבעת אך ורק על ידי תדר הרשת. הם פועלים ביציבות רבה יותר. בתרחישים הדורשים בקרת מהירות רחבה-, נעשה שימוש תדיר במנועי DC. עם זאת, הם כוללים קומוטטורים, מבנים מורכבים, עלויות גבוהות ואתגרי תחזוקה, מה שהופך אותם ללא מתאימים לסביבות קשות. מאז שנות ה-70, ההתקדמות בתחום האלקטרוניקה הכוח הבשילה את טכנולוגיית ויסות מהירות מנועי ה-AC, הורידה את עלויות הציוד ומאפשרת אימוץ נרחב שלה. ההספק המדורג של מנוע מתייחס לתפוקה המכנית המקסימלית שהוא יכול להחזיק במחזורי עבודה שצוינו (זמן רציף, קצר- או פעולה תקופתית לסירוגין) ללא התחממות יתר, והפרמטרים התפעוליים חייבים לעמוד במפרטי לוחית השם. במהלך הפעולה, חיוני להתאים את מאפייני העומס לביצועי המנוע כדי למנוע בריחה או עצירה. מנועים חשמליים משתרעים על טווח הספקים נרחב, ממיליוואט ועד מגה וואט. התפעול והשליטה שלהם נוחים מאוד, וכוללים יכולות-התנעה, האצה, בלימה, היפוך והחזקה עצמית. בדרך כלל, כוח הפלט של המנוע משתנה עם מהירות הסיבוב במהלך ויסות המהירות.

מנועים ביעילות גבוהה-יכולים להחליף את המנועים מסדרת JO2 במנועים אסינכרוניים AC מסדרת Y מבלי להיות מוגבלים באופן משמעותי על ידי סוגי מנועים. לכן, ניתן להחליף את כל היישומים הכוללים מנועים אסינכרוניים AC במנועים מסדרת Y. פוטנציאל השוק של המנועים מסדרת Yx מוגבל בקיבולת שלהם. באופן עקרוני, ניתן להחליף מנועים אסינכרוניים AC מתחת ל-90kW במנועים מסדרת Yx ביעילות גבוהה-. הקיבולת המותקנת של מנועים אסינכרוני AC מתחת ל-90kW מהווה כ-30% מסך קיבולת המנוע האסינכרוני AC.

במהלך העשור האחרון, ממשלת סין הייתה מחויבת לקדם את טכנולוגיית ויסות מהירות המנוע, אשר אומצה בדרגות שונות בתעשיות שונות. על פי סקרים מדגמיים שנערכו על ידי מגזרים כמו נפט, חשמל, חומרי בניין, פלדה, מתכות לא ברזליות, פחם, כימיקלים, ייצור נייר וטקסטיל, תעשיות הנפט, חומרי הבניין והתעשיות הכימיות השיגו יישומים טובים יותר יחסית של ויסות מהירות מנוע. מבין 400 מיליון קילוואט עומסי המנוע, כ-50% חווים תנודות בעומס, כאשר 30% מהתנודות הללו ניתנות לטיפול באמצעות ויסות מהירות המנוע. לכן, בהתחשב בקיבולת השוק בלבד, קיים שוק פוטנציאלי עבור כ-60 מיליון קילוואט של מנועים מווסתים במהירות-. הקיבולת הכוללת המותקנת של מנועים שונים בסין עלתה על 400 מיליון קילוואט, כאשר מנועים אסינכרוניים מהווים כ-90%, מנועים קטנים ובינוניים{11}מהווים כ-80%, ומנועים המניעים מאווררים, משאבות, מדחסים ומכונות דומות בהיקף כולל של כ-130 מיליון קילוואט. מנועים קטנים ובינוניים-מקיפים כעת למעלה מ-152 סדרות, 842 סוגים ויותר מ-4,000 מפרטים. בשנים האחרונות, מחלקות רלוונטיות כגון תעשיית המכונות קידמו במרץ את מאמצי שימור האנרגיה המוטורית, מארגנות מכוני מחקר וארגונים לתכנון ופיתוח מנועים שונים-חוסכי אנרגיה. הוצאו צעדים רגולטוריים כדי לבטל בהדרגה 63 מודלים מוטוריים שצורכים-אנרגיה גבוהה- ולקדם 24 מודלים-חוסכי אנרגיה, תוך השגת תוצאות מסוימות. מוצרים אלה לחיסכון באנרגיה-מחולקים בעיקר לשתי קטגוריות: האחת היא מנועים-בעלי יעילות גבוהה שנועדו לשפר את יעילות המנוע, והשניה היא מנועים מווסתים-מהירות.

מנוע DC ללא מברשות מורכב מגוף המנוע ויחידת ההנעה, מה שהופך אותו למוצר משולב אלקטרומכני טיפוסי. פיתולי הסטטור של המנוע מחוברים לרוב בתצורת כוכב סימטרי תלת-פאזי, הדומה מאוד לזו של מנוע אסינכרוני תלת-פאזי. הרוטור של המנוע מצויד במגנטים ממוגנטים לצמיתות. כדי לזהות את הקוטביות של רוטור המנוע, מותקן חיישן מיקום בתוך המנוע. יחידת ההנעה מורכבת בין היתר ממכשירי חשמל ומעגלים משולבים, ותפקידיה כוללים: קבלת אותות התנעה, עצירה ובלימה מהמנוע כדי לשלוט על פעולתו; קבלת אותות חיישני מיקום ואותות קדימה/אחור כדי לווסת את מיתוג צינורות החשמל בגשר המהפך, ובכך לייצר מומנט מתמשך; קבלת אותות פקודות מהירות ומשוב לשליטה והתאמת מהירות הסיבוב; ומתן פונקציות הגנה ותצוגה, בין היתר.

מכיוון שמנועי DC חסרי מברשת פועלים במצב-בשליטה עצמית, הם אינם דורשים פיתולי התנעה נוספים על הרוטור כמו מנועים סינכרוניים תחת ויסות מהירות תדר משתנה, והם אינם חווים תנודות או דריכה במהלך שינויי עומס. עבור מנועי DC חסרי מברשת- בינונית וקטנה, מגנטים קבועים עשויים בדרך כלל מחומרים-מגנטיים-נדירים-ניאודימיום ברזל אדמה (Nd-Fe-B) באנרגיה גבוהה. כתוצאה מכך, מנועים נדירים-לכדור הארץ ללא מברשות מגנט קבוע הם בגודל מסגרת אחד קטן יותר ממנועים אסינכרוניים תלת-פאזיים באותה קיבולת. במהלך שלושת העשורים האחרונים, מחקר על ויסות מהירות תדר משתנה עבור מנועים אסינכרוניים התמקד בעיקרו במציאת דרכים לשלוט במומנט שלהם. מנועי DC ללא מברשות- נדירים של כדור הארץ הקבוע יוכיחו ללא ספק יתרונות בוויסות מהירות בשל טווח המהירות הרחב, הגודל הקומפקטי, היעילות הגבוהה ושגיאת המהירות היציבה המינימלית שלהם. מנועי DC חסרי מברשת, היורשים את המאפיינים של מנועי DC מוברשים תוך שהם מתפקדים גם כהתקני המרת תדר, ידועים גם כממירי תדר DC, כאשר המונח המוכר הבינלאומי הוא BLDC. במונחים של יעילות תפעולית, מומנט-מהירויות נמוכות ודיוק מהירות, מנועי DC חסרי מברשת מתגברים על כל ממיר תדרים עם טכנולוגיית בקרה, מה שהופך אותם לראויים לתשומת לב בתעשייה. המוצר כבר יוצר בהספקים העולה על 55kW וניתן לעצב אותו עד 400kW, תוך מענה לצרכים התעשייתיים של חיסכון באנרגיה ופתרונות כונן בעלי ביצועים גבוהים.