如何將交流感應(yīng)電動機(jī)變成直流電動機(jī)

該文件由Microchip Technology的應(yīng)用程序段工程師Steve Bowling撰寫，討論了電動機(jī)的工作原理，并描述了AC感應(yīng)電動機(jī)，變速ACIM控制和FOC。本文檔還說明了如何將交流感應(yīng)電動機(jī)變成直流電動機(jī)。

高性能電機(jī)控制領(lǐng)域已由同步直流電機(jī)主導(dǎo)。這組電動機(jī)包括有刷，無刷，磁場和永磁品種。占據(jù)主導(dǎo)地位的簡單原因是直流電動機(jī)更易于控制。如果應(yīng)用需要很好地控制電動機(jī)扭矩，速度或位置，則尤其如此。直流電動機(jī)的機(jī)電模型顯示，電動機(jī)轉(zhuǎn)矩在極限范圍內(nèi)是輸入電流的近似線性函數(shù)。因此，使用比例積分微分（PID）控制器從直流電動機(jī)中獲得可靠的性能是相對容易的任務(wù)。

在“實際設(shè)計世界”中，要在應(yīng)用程序中使用的一種電動機(jī)的選擇過程可能很復(fù)雜。不能僅根據(jù)控制的容易程度來選擇特定的電動機(jī)。還有許多其他與系統(tǒng)相關(guān)的變量需要處理，例如：

1. 維護(hù)電機(jī)有多容易？
2. 電動機(jī)出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)會如何處理？（即短路繞組）
3. 什么是工作環(huán)境？
4. 電機(jī)將如何冷卻？
5. 電機(jī)的成本是多少？

注意事項列表可以持續(xù)不斷地…

交流感應(yīng)電動機(jī)（ACIM）與其他類型的電動機(jī)相比具有明顯的優(yōu)勢，并且通常在需要魯棒的定速解決方案時使用。微控制器（MCU）和電力電子設(shè)備的發(fā)展已使ACIM的廉價變速控制成為可能。但是，使用基本控制方法無法匹配直流電動機(jī)的性能。本文將探討磁場定向控制（FOC）的主題，以及如何將其用于改進(jìn)使用數(shù)字信號控制器（DSC）的ACIM的控制。FOC使您可以將直流控制技術(shù)用于交流電動機(jī)，并可以在電動機(jī)選擇過程中為下一個設(shè)計刪除變量之一。

電機(jī)如何工作

當(dāng)電流流過磁場時，電動機(jī)會產(chǎn)生機(jī)械力。同步電動機(jī)具有磁場源。該磁場可以由永磁體或由電流源供電的繞組提供。在極限范圍內(nèi)，電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)是電流和磁場強(qiáng)度的線性函數(shù)。線性響應(yīng)使這些電機(jī)在高性能應(yīng)用中易于控制。PID控制器可用于控制電動機(jī)電流和產(chǎn)生的電動機(jī)轉(zhuǎn)矩。如果需要，可以使用輔助PID控制器來控制位置或速度。

因此，看來我們已經(jīng)解決了問題！我們將僅使用帶有勵磁繞組或永磁體的同步電動機(jī)來獲得良好的控制性能。好吧，“等一下，”您可能會說?！霸谖业膽?yīng)用中，我需要一臺大功率電機(jī)。我可以使用帶有轉(zhuǎn)子和定子繞組的電動機(jī)。但是，我將不得不擔(dān)心更換電刷并保持轉(zhuǎn)子冷卻。我可以使用帶有永磁體的無刷電動機(jī)，但是磁鐵的成本會使電動機(jī)的成本過高?！?/p>

交流感應(yīng)電動機(jī)

在這種情況下，ACIM確實可以提供幫助。ACIM在電動機(jī)的外部具有繞組，因此很容易提供冷卻。轉(zhuǎn)子是一個簡單的鋼制保持架，因此堅固耐用并可以承受高溫。ACIM沒有電刷會磨損。那好吧–到目前為止，一切都很好?，F(xiàn)在，看一下電動機(jī)的運行方式。

由于交流電源廣泛可用，因此在設(shè)計ACIM時通常會考慮特定的線路電壓和頻率。在此討論中，讓我們看一下典型ACIM的銘牌。我們的示例銘牌中顯示的參數(shù)如下所示：

電壓：230 VAC
頻率：60 Hz
FLA：1.4A
HP：1/3
RPM：3450

其中，銘牌規(guī)定了電動機(jī)的額定功率，工作電壓，工作頻率和工作RPM。電機(jī)的定子繞組的排列方式使得當(dāng)用交流電通電時會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。

ACIM的轉(zhuǎn)子必須以比旋轉(zhuǎn)磁場低的速度旋轉(zhuǎn)。勵磁速度和轉(zhuǎn)子速度之間的差異稱為滑差?；羁梢员硎緸楸嚷驶蝾l率，但是考慮滑差頻率會有所幫助。對于此示例電動機(jī)，旋轉(zhuǎn)磁場速度將為60轉(zhuǎn)/秒或3,600 RPM。但是，您會注意到負(fù)載下的銘牌RPM僅為3,450 RPM，即57.5轉(zhuǎn)/秒。因此，轉(zhuǎn)差頻率為60 Hz – 57.5 Hz或2.5 Hz。

在此示例中，您可以將2.5 Hz滑差頻率視為通過變壓器耦合為轉(zhuǎn)子提供能量的交流電源。交流電為轉(zhuǎn)子通電，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場，從而使電動機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。ACIM滑差使電動機(jī)能夠在一定程度上自我調(diào)節(jié)其速度。隨著電動機(jī)負(fù)載的增加，轉(zhuǎn)子速度將降低。然后，轉(zhuǎn)差頻率將增加，這將增加轉(zhuǎn)子電流和電動機(jī)轉(zhuǎn)矩。

變速ACIM控制

通過改變提供給電動機(jī)的頻率和電壓，ACIM可以以不同的速度和扭矩級別運行。假設(shè)您想以1/2額定速度運行示例電動機(jī)。為此，您可以將輸入到電動機(jī)的頻率降低1/2或30 Hz。如果我們想以1/4速度運行電動機(jī)，則頻率將降低到15 Hz。

您還希望通過保持定子電流恒定來保持定子磁場相對恒定。ACIM電機(jī)是感應(yīng)式的，并且定子電流將隨著輸入頻率的降低而增加。因此，當(dāng)頻率降低時，還需要按比例降低輸入電壓。恒定的V / Hz曲線通常用于提供ACIM的變速操作。我們的示例電動機(jī)的V / Hz常數(shù)可以通過將工作頻率除以工作電壓來計算。

K = V / Hz = 230/60 = 3.83

現(xiàn)在，對于給定的輸入頻率選擇，我們可以為該輸入頻率計算所需的驅(qū)動電壓：

電壓= K *頻率

圖1變速ACIM應(yīng)用的典型V / Hz曲線

結(jié)果稱為“伏特-赫茲”曲線，可以如圖1所示繪制。沒有固定的規(guī)則說驅(qū)動電壓必須與頻率保持固定的線性關(guān)系。實際上，通常會在特定的頻率范圍內(nèi)更改V / Hz曲線的形狀，以優(yōu)化特定速度范圍內(nèi)的驅(qū)動性能。例如，已對圖1中所示的輪廓形狀進(jìn)行了調(diào)整，以在低頻范圍內(nèi)提供更高的電壓。當(dāng)電動機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)啟動時，此修改可提高電動機(jī)轉(zhuǎn)矩，以幫助克服負(fù)載摩擦和慣性。在電動機(jī)的機(jī)械極限范圍內(nèi)，還可以將驅(qū)動頻率提高到銘牌值之外，以實現(xiàn)更高的速度。但是，可用電壓可能會受到限制，因此電動機(jī)轉(zhuǎn)矩也會降低。

圖2用于變速ACIM控制的典型系統(tǒng)框圖

對于不需要頻繁改變速度或負(fù)載的應(yīng)用，用于控制ACIM的V / Hz方法效果很好。當(dāng)使用控制回路調(diào)節(jié)速度或電機(jī)電流時尤其如此。圖2顯示了可用于V / Hz應(yīng)用的典型系統(tǒng)框圖。MCU具有專用的PWM外設(shè)來驅(qū)動6晶體管逆變器電路。MCU測量電機(jī)轉(zhuǎn)速表的頻率，計算速度誤差，并使用PID控制回路生成驅(qū)動需求。使用V / Hz配置文件將驅(qū)動器需求轉(zhuǎn)換為所需的電壓和頻率。最后，PWM調(diào)制代碼隨時間改變占空比，以生成具有適當(dāng)幅度和頻率的正弦驅(qū)動信號。

編輯：hfy