如何將交流感應(yīng)電動機變成直流電動機

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

高性能電機控制領(lǐng)域已由同步直流電機主導(dǎo)。這組電動機包括有刷，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更易于控制。如果應(yīng)用需要很好地控制電動機扭矩，速度或位置，則尤其如此。直流電動機的機電模型顯示，電動機轉(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。還有許多其他與系統(tǒng)相關(guān)的變量需要處理，例如：

維護電機有多容易？

電動機出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)會如何處理？（即短路繞組）

什么是工作環(huán)境？

電機將如何冷卻？

電機的成本是多少？

注意事項列表可以持續(xù)不斷地…

交流感應(yīng)電動機（ACIM）與其他類型的電動機相比具有明顯的優(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，并可以在電動機選擇過程中為下一個設(shè)計刪除變量之一。

電機如何工作

當電流流過磁場時，電動機會產(chǎn)生機械力。同步電動機具有磁場源。該磁場可以由永磁體或由電流源供電的繞組提供。在極限范圍內(nèi)，電動機的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)是電流和磁場強度的線性函數(shù)。線性響應(yīng)使這些電機在高性能應(yīng)用中易于控制。PID控制器可用于控制電動機電流和產(chǎn)生的電動機轉(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來獲得良好的控制性能。好吧，“等一下，”您可能會說。“在我的應(yīng)用中，我需要一臺大功率電機。我可以使用帶有轉(zhuǎn)子和定子繞組的電動機。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，但是磁鐵的成本會使電動機的成本過高?！?/p>

交流感應(yīng)電動機

在這種情況下，ACIM確實可以提供幫助。ACIM在電動機的外部具有繞組，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)定了電動機的額定功率，工作電壓，工作頻率和工作RPM。電機的定子繞組的排列方式使得當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，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，從而使電動機產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。ACIM滑差使電動機能夠在一定程度上自我調(diào)節(jié)其速度。隨著電動機負載的增加，轉(zhuǎn)子速度將降低。然后，轉(zhuǎn)差頻率將增加，這將增加轉(zhuǎn)子電流和電動機轉(zhuǎn)矩。

變速ACIM控制

通過改變提供給電動機的頻率和電壓，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。為此，您可以將輸入到電動機的頻率降低1/2或30 Hz。如果我們想以1/4速度運行電動機，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行了調(diào)整，以在低頻范圍內(nèi)提供更高的電壓。當電動機從靜止狀態(tài)啟動時，此修改可提高電動機轉(zhuǎn)矩，以幫助克服負載摩擦和慣性。在電動機的機械極限范圍內(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載的應(yīng)用，用于控制ACIM的V / Hz方法效果很好。當使用控制回路調(diào)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(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。 ，PWM調(diào)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(qū)動信號。