本文討論了電動(dòng)機(jī)的工作原理,并描述了AC感應(yīng)電動(dòng)機(jī),變速ACIM控制和FOC,還說(shuō)明了如何將交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)變成直流電動(dòng)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(dòng)機(jī)包括有刷,無(wú)刷,磁場(chǎng)和永磁品種。占據(jù)主導(dǎo)地位的簡(jiǎn)單原因是直流電動(dòng)機(jī)更易于控制。如果應(yīng)用需要很好地控制電動(dòng)機(jī)扭矩,速度或位置,則尤其如此。直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)電模型顯示,電動(dòng)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(dòng)機(jī)中獲得可靠的性能是相對(duì)容易的任務(wù)。
在“實(shí)際設(shè)計(jì)世界”中,要在應(yīng)用程序中使用的一種電動(dòng)機(jī)的選擇過(guò)程可能很復(fù)雜。不能僅根據(jù)控制的容易程度來(lái)選擇特定的電動(dòng)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?
電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí),系統(tǒng)會(huì)如何處理?(即短路繞組)
什么是工作環(huán)境?
電機(jī)將如何冷卻?
電機(jī)的成本是多少?
注意事項(xiàng)列表可以持續(xù)不斷地…
交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)(ACIM)與其他類(lèi)型的電動(dòng)機(jī)相比具有明顯的優(yōu)勢(shì),并且通常在需要魯棒的定速解決方案時(shí)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(jià)變速控制成為可能。但是,使用基本控制方法無(wú)法匹配直流電動(dòng)機(jī)的性能。本文將探討磁場(chǎng)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(hào)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(dòng)機(jī),并可以在電動(dòng)機(jī)選擇過(guò)程中為下一個(gè)設(shè)計(jì)刪除變量之一。
電機(jī)如何工作
當(dāng)電流流過(guò)磁場(chǎng)時(shí),電動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生機(jī)械力。同步電動(dòng)機(jī)具有磁場(chǎng)源。該磁場(chǎng)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)是電流和磁場(chǎng)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(dòng)機(jī)電流和產(chǎn)生的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩。如果需要,可以使用輔助PID控制器來(lái)控制位置或速度。
因此,看來(lái)我們已經(jīng)解決了問(wèn)題!我們將僅使用帶有勵(lì)磁繞組或永磁體的同步電動(dòng)機(jī)來(lái)獲得良好的控制性能。好吧,“等一下,”您可能會(huì)說(shuō)。“在我的應(yīng)用中,我需要一臺(tái)大功率電機(jī)。我可以使用帶有轉(zhuǎn)子和定子繞組的電動(dòng)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(wú)刷電動(dòng)機(jī),但是磁鐵的成本會(huì)使電動(dòng)機(jī)的成本過(guò)高。”
交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)
在這種情況下,ACIM確實(shí)可以提供幫助。ACIM在電動(dòng)機(jī)的外部具有繞組,因此很容易提供冷卻。轉(zhuǎn)子是一個(gè)簡(jiǎn)單的鋼制保持架,因此堅(jiān)固耐用并可以承受高溫。ACIM沒(méi)有電刷會(huì)磨損。那好吧–到目前為止,一切都很好?,F(xiàn)在,看一下電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行方式。
由于交流電源廣泛可用,因此在設(shè)計(jì)ACIM時(shí)通常會(huì)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(dòng)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(shí)會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。
ACIM的轉(zhuǎn)子必須以比旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)低的速度旋轉(zhuǎn)。勵(lì)磁速度和轉(zhuǎn)子速度之間的差異稱(chēng)為滑差?;羁梢员硎緸楸嚷驶蝾l率,但是考慮滑差頻率會(huì)有所幫助。對(duì)于此示例電動(dòng)機(jī),旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度將為60轉(zhuǎn)/秒或3,600 RPM。但是,您會(huì)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(guò)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(chǎng),從而使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。ACIM滑差使電動(dòng)機(jī)能夠在一定程度上自我調(diào)節(jié)其速度。隨著電動(dòng)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩。
變速ACIM控制
通過(guò)改變提供給電動(dòng)機(jī)的頻率和電壓,ACIM可以以不同的速度和扭矩級(jí)別運(yùn)行。假設(shè)您想以1/2額定速度運(yùn)行示例電動(dòng)機(jī)。為此,您可以將輸入到電動(dòng)機(jī)的頻率降低1/2或30 Hz。如果我們想以1/4速度運(yùn)行電動(dòng)機(jī),則頻率將降低到15 Hz。
您還希望通過(guò)保持定子電流恒定來(lái)保持定子磁場(chǎng)相對(duì)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(shí),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(dòng)機(jī)的V / Hz常數(shù)可以通過(guò)將工作頻率除以工作電壓來(lái)計(jì)算。
K = V / Hz = 230/60 = 3.83
現(xiàn)在,對(duì)于給定的輸入頻率選擇,我們可以為該輸入頻率計(jì)算所需的驅(qū)動(dòng)電壓:
電壓= K *頻率