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如何將交流感應(yīng)電機(jī)變成直流電機(jī)

發(fā)布時間：2023-10-16 11:07:45 瀏覽：657次

高性能電機(jī)控制領(lǐng)域一直由同步直流電機(jī)主導(dǎo)。這組電機(jī)包括有刷電機(jī)、無刷電機(jī)、繞線電機(jī)和永磁電機(jī)。這種統(tǒng)治地位的簡單原因是直流電機(jī)更容易控制。如果應(yīng)用需要良好地控制電機(jī)扭矩、速度或位置，則尤其如此。直流電機(jī)的機(jī)電模型表明，電機(jī)扭矩在限制范圍內(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) 控制器使直流電機(jī)獲得穩(wěn)定的性能是一項相對容易的任務(wù)。

在“真實的設(shè)計世界”中，選擇在應(yīng)用中使用的電機(jī)類型的過程可能很復(fù)雜。不能僅根據(jù)控制的容易程度來選擇特定的電機(jī)。還有許多其他與系統(tǒng)相關(guān)的變量需要處理，例如：

維護(hù)電機(jī)有多容易？

當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)故障時系統(tǒng)會發(fā)生什么？（即繞組短路）

運行環(huán)境會怎樣？

電機(jī)如何冷卻？

電機(jī)的成本是多少？

考慮因素的清單可以一直列下去……

交流感應(yīng)電機(jī) (ACIM) 與其他類型的電機(jī)相比具有明顯的優(yōu)勢，通常在需要穩(wěn)健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)展使得廉價的 ACIM 變速控制成為可能。然而，使用基本控制方法無法匹配直流電機(jī)的性能。本文將探討磁場定向控制 (FOC) 主題以及如何使用它來改進(jìn)使用數(shù)字信號控制器 (DSC) 的 ACIM 控制。FOC 允許您將直流控制技術(shù)用于交流電機(jī)，并且可以消除下一個設(shè)計的電機(jī)選擇過程中的一個變量。

電機(jī)的工作原理

當(dāng)電流流過磁場附近時，電動機(jī)會產(chǎn)生機(jī)械力。同步電機(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。在限制范圍內(nèi)，電機(jī)的扭矩響應(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機(jī)電流和產(chǎn)生的電機(jī)扭矩。如果需要，可以使用輔助 PID 控制器來控制位置或速度。

那么，看起來我們的問題已經(jīng)解決了！我們將僅使用帶有勵磁繞組或永磁體的同步電機(jī)來獲得良好的控制性能。好吧，“等一下，”你可能會說?！拔业膽?yīng)用需要一個大功率電機(jī)。我可以使用帶有轉(zhuǎn)子和定子繞組的電機(jī)。但是，我不得不擔(dān)心更換電刷和保持轉(zhuǎn)子冷卻。我可以使用帶有永磁體的無刷電機(jī)，但磁鐵的成本會使電機(jī)的成本太高?！?br style="padding:0px;margin:0px;" />交流感應(yīng)電機(jī)

ACIM 在這種情況下確實可以提供幫助。ACIM 的繞組位于電機(jī)外部，因此易于提供冷卻。轉(zhuǎn)子是一個簡單的鋼保持架，因此堅固耐用，可以承受高溫。ACIM 沒有會磨損的電刷。好吧——到目前為止，一切都很好?，F(xiàn)在，看看電機(jī)是如何工作的。

由于交流電源廣泛可用，因此 ACIM 在設(shè)計時通常會考慮特定的線路電壓和頻率。為了進(jìn)行討論，我們先看一下典型 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

除此之外，銘牌還規(guī)定了電機(jī)的額定功率、工作電壓、工作頻率和工作轉(zhuǎn)速。電機(jī)定子繞組的布置使得在交流電流通電時產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。

ACIM 的轉(zhuǎn)子必須以低于旋轉(zhuǎn)磁場的速度轉(zhuǎn)動。場速度和轉(zhuǎn)子速度之間的差異稱為轉(zhuǎn)差率。轉(zhuǎn)差率可以表示為比率或頻率，但考慮轉(zhuǎn)差頻率會有所幫助。對于本示例電機(jī)，旋轉(zhuǎn)場速度為 60 轉(zhuǎn)/秒，即 3,600 RPM。但是，您會注意到負(fù)載下的銘牌 RPM 僅 3,450 RPM，或 57.5 rev/s。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 轉(zhuǎn)差頻率視為交流電源，通過變壓器耦合向轉(zhuǎn)子提供能量。轉(zhuǎn)子通過交流電流通電，產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場，使電機(jī)產(chǎn)生扭矩。ACIM 滑差使電機(jī)能夠在一定程度上自我調(diào)節(jié)自身速度。隨著電機(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，從而增加轉(zhuǎn)子電流和電機(jī)扭矩。

變速 ACIM 控制

通過改變提供給電機(jī)的頻率和電壓，ACIM 可以在不同的速度和扭矩水平下運行。假設(shè)您希望以額定速度的 1/2 運行我們的示例電機(jī)。為了實現(xiàn)這一點，您可以將電機(jī)的輸入頻率降低 1/2，即 30 Hz。如果我們想讓電機(jī)以 1/4 速度運行，那么頻率將降低至 15 Hz。

您還需要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)是感性電機(jī)，定子電流會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 的變速運行。我們示例電機(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 = 電壓/赫茲 = 230/60 = 3.83

現(xiàn)在，對于給定的輸入頻率選擇，我們可以計算該輸入頻率所需的驅(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“伏赫茲”曲線，可以如圖 1 所示繪制。沒有固定規(guī)則表明驅(qū)動電壓必須與頻率保持固定的線性關(guān)系。事實上，V/Hz 曲線的形狀經(jīng)常在特定頻率范圍內(nèi)改變，以優(yōu)化特定速度范圍內(nèi)的驅(qū)動性能。例如，圖 1 所示的輪廓形狀經(jīng)過調(diào)整，可在低頻范圍內(nèi)提供更高的電壓。當(dāng)電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)啟動時，這種修改可以提高電機(jī)扭矩，以幫助克服負(fù)載摩擦和慣性。在電機(jī)的機(jī)械極限范圍內(nèi)，您還可以將驅(qū)動頻率提高到銘牌值以上，以獲得更高的速度。然而，可用電壓可能有限，因此電機(jī)扭矩也會較低。

對于不需要頻繁速度或負(fù)載變化的應(yīng)用，控制 ACIM 的 V/Hz 方法效果很好。當(dāng)控制回路用于調(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 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)速計的頻率，計算速度誤差，并使用 PID 控制環(huán)路生成驅(qū)動需求。

使用 V/Hz 曲線將驅(qū)動需求轉(zhuǎn)換為所需的電壓和頻率。，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。