如何將交流感應電機變成直流電機
發(fā)布日期:2023-10-16
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高性能電機控制領域一直由同步直流電機主導。這組電機包括有刷電機、無刷電機、繞線電機和永磁電機。這種統(tǒng)治地位的簡單原因是直流電機更容易控制。如果應用需要良好地控制電機扭矩、速度或位置，則尤其如此。直流電機的機電模型表明，電機扭矩在限制范圍內是輸入電流的近似線性函數(shù)。因此，使用比例積分微分 (PID) 控制器使直流電機獲得穩(wěn)定的性能是一項相對容易的任務。
在“真實的設計世界”中，選擇在應用中使用的電機類型的過程可能很復雜。不能僅根據(jù)控制的容易程度來選擇特定的電機。還有許多其他與系統(tǒng)相關的變量需要處理，例如：
維護電機有多容易？
當電機出現(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？
電機如何冷卻？
電機的成本是多少？
考慮因素的清單可以一直列下去……
交流感應電機 (ACIM) 與其他類型的電機相比具有明顯的優(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用于交流電機，并且可以消除下一個設計的電機選擇過程中的一個變量。
電機的工作原理
當電流流過磁場附近時，電動機會產生機械力。同步電機具有磁場源。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，電機的扭矩響應是電流和磁場強度的線性函數(shù)。線性響應使這些電機在高性能應用中易于控制。PID 控制器可用于控制電機電流和產生的電機扭矩。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解決了！我們將僅使用帶有勵磁繞組或永磁體的同步電機來獲得良好的控制性能。好吧，“等一下，”你可能會說。“我的應用需要一個大功率電機。我可以使用帶有轉子和定子繞組的電機。但是，我不得不擔心更換電刷和保持轉子冷卻。我可以使用帶有永磁體的無刷電機，但磁鐵的成本會使電機的成本太高。”
交流感應電機
交流感應電機
ACIM 在這種情況下確實可以提供幫助。ACIM 的繞組位于電機外部，因此易于提供冷卻。轉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。現(xiàn)在，看看電機是如何工作的。
由于交流電源廣泛可用，因此 ACIM 在設計時通常會考慮特定的線路電壓和頻率。為了進行討論，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)定了電機的額定功率、工作電壓、工作頻率和工作轉速。電機定子繞組的布置使得在交流電流通電時產生旋轉磁場。
ACIM 的轉子必須以低于旋轉磁場的速度轉動。場速度和轉子速度之間的差異稱為轉差率。轉差率可以表示為比率或頻率，但考慮轉差頻率會有所幫助。對于本示例電機，旋轉場速度為 60 轉/秒，即 3,600 RPM。但是，您會注意到負載下的銘牌 RPM 僅 3,450 RPM，或 57.5 rev/s。因此轉差頻率為 60 Hz – 57.5 Hz，或 2.5 Hz。
在此示例中，您可以將 2.5 Hz 轉差頻率視為交流電源，通過變壓器耦合向轉子提供能量。轉子通過交流電流通電，產生轉子磁場，使電機產生扭矩。ACIM 滑差使電機能夠在一定程度上自我調節(jié)自身速度。隨著電機負載的增加，轉子速度將降低。然后轉差頻率將增加，從而增加轉子電流和電機扭矩。
變速 ACIM 控制
通過改變提供給電機的頻率和電壓，ACIM 可以在不同的速度和扭矩水平下運行。假設您希望以額定速度的 1/2 運行我們的示例電機。為了實現(xiàn)這一點，您可以將電機的輸入頻率降低 1/2，即 30 Hz。如果我們想讓電機以 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 電機是感性電機，定子電流會隨著輸入頻率的降低而增加。因此，當頻率降低時，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動電壓：
電壓 = K* 頻率
圖 1 變速 ACIM 應用的典型 V/Hz 曲線
結果稱為“伏赫茲”曲線，可以如圖 1 所示繪制。沒有固定規(guī)則表明驅動電壓必須與頻率保持固定的線性關系。事實上，V/Hz 曲線的形狀經常在特定頻率范圍內改變，以優(yōu)化特定速度范圍內的驅動性能。例如，圖 1 所示的輪廓形狀經過調整，可在低頻范圍內提供更高的電壓。當電機從靜止狀態(tài)啟動時，這種修改可以提高電機扭矩，以幫助克服負載摩擦和慣性。在電機的機械極限范圍內，您還可以將驅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，因此電機扭矩也會較低。
對于不需要頻繁速度或負載變化的應用，控制 ACIM 的 V/Hz 方法效果很好。當控制回路用于調節(jié)速度或電機電流時尤其如此。圖 2 顯示了可用于 V/Hz 應用的典型系統(tǒng)框圖。MCU 具有專用 PWM 外設來驅動 6 晶體管逆變器電路。MCU 測量電機轉速計的頻率，計算速度誤差，并使用 PID 控制環(huán)路生成驅動需求。
使用 V/Hz 曲線將驅動需求轉換為所需的電壓和頻率。，PWM 調制代碼隨時間改變占空比，以生成具有適當幅度和頻率的正弦驅動信號。
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