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如何提高電機設計能效

如何提高電機設計能效

發布日期:2014-12-10 15:50 來源: 點擊:

  隨著節能成爲全球範圍關注的焦點,電機設計的能效也成爲一個引人關注的問題。由于各國政府相繼出台各種法規來要求提高能效,爲了應對能效挑戰,電機驅動電路變得越來越複雜。本文討論電機驅動電路的男人的天堂和男人的天堂趨勢,並提供有助于設計人員降低能耗、提高可靠性、減少元件數量、實現環保的解決方案。 

  工業領域的電機種類 

  近100年來,電器男人的天堂主要使用感應電機,即使是變頻驅動型電器,也是采用感應電機。現在某些新型電器開始采用效率更高、尺寸更緊湊、重量更輕的電機。這些新型電機可分爲兩大類,即無刷直流電機和開關磁阻電機。 

  許多常見的家用電器都采用帶變頻驅動的無刷直流電機。這類高效的通用電機具有很高的轉矩密度。隨著能源價格飙升,業界重新燃起了對無刷直流電機的興趣。但一直以來,成本以及驅動設計的整體複雜性阻礙了這種電機的廣泛采用。 

  開關磁阻電機则多用于吸尘器和手持电动工具这类不关注电机噪声和转矩波动的电器中。開關磁阻電機的特点是转矩大、转速高,但价位非常具有竞争力。 

  无刷直流电机和開關磁阻電機都要利用一个微控制器或DSP来进行波形调节,然后用功率开关(功率 MOSFET或 IGBT) 放大这些调节后的波形。 

  驅動電路 

  設計變頻驅動電路可有以許多不同的方式。在典型的三相電機中,最流行的低頻驅動方案是梯形波驅動電路,如圖1所示。圖2給出了梯形波驅動電路的實際測試波形。 

  如果需要更高的频率和性能,可采用PWM方法来产生正弦波。若要再进一步提高效率,便可采用空间矢量调制 (Space Vector Modulation) 法。 

  永磁三相同步电机有两个流行的类型,即正弦永磁同步电机和梯形波无刷直流电机。正弦永磁同步电机与梯形波无刷直流电机(电气性能)非常相似,它们的区别主要体现在以下两个方面:(1)电机构造或者说反电动势 (BEMF) 的波形不同,一个是感应电压正弦永磁同步电机,另一个是梯形波无刷直流电机;(2)控制电压的波形不同,一个采用三相正弦(所有三个相位同时有电流流过),一个采用矩形六步换流。 

  在新型驱动装置中,正弦永磁同步电机越来越流行,开始在很多应用中取代有刷和无刷直流电机、通用(交流异步)电机和其它电机 (如家用变频空调,工业缝纫机等)。其原因是它更可靠 (无刷)、效率更高、噪声更小,而且在电控制方面具有非常高的电压利用率及低频转矩。图3和图4分别给出了一种基于磁场定向控制(FOC)的无位置传感矢量控制器的系统框图及其实验波形。 

  創新解決辦法:智能功率模塊 

  智能功率模块(SPM)是微控制器或DSP与电机之间的功率接口,能减小电机体积并简化设计。这种模块较之于分立式解决方案的优势在于寄生电感更小、可靠性也更高,这是因为模块内的所有功率器件都采用了同批次芯片,具有一致的测试性能。这种智能功率模块可与微控制器低电压TTL或CMOS输出直接接口,并带有保护电路。模块内置有监视结温的热敏电阻器、防止上下桥臂直通的逻辑保护电路、死区时间控制,以及用于最大限度减少EMI等的驱动波形整形电路。在模块中,每个驱动IC均可进行优化,使其以最小的EMI和驱动损耗来完成功率器件的开关动作。三相驱动模块将继续在电器男人的天堂广泛应用。图5给出了马达控制使用SPM 的典型应用电路。 

  經過設計的智能功率模塊,能實現最大的設計靈活性,可用于不同的輸出電壓和功率範圍。 


相關標簽:磁阻電機

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