如何将交流感应电机变成直流电机
发布日期:2023-10-16
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高性能电机控制领域一直由同步直流电机主导。这组电机包括有刷电机、无刷电机、绕线电机和永磁电机。这种统治地位的简单原因是直流电机更容易控制。如果应用需要良好地控制电机扭矩、速度或位置，则尤其如此。直流电机的机电模型表明，电机扭矩在限制范围内是输入电流的近似线性函数。因此，使用比例积分微分 (PID) 控制器使直流电机获得稳定的性能是一项相对容易的任务。
在“真实的设计世界”中，选择在应用中使用的电机类型的过程可能很复杂。不能仅根据控制的容易程度来选择特定的电机。还有许多其他与系统相关的变量需要处理，例如：
维护电机有多容易？
当电机出现故障时系统会发生什么？（即绕组短路）
运行环境会怎样？
电机如何冷却？
电机的成本是多少？
考虑因素的清单可以一直列下去……
交流感应电机 (ACIM) 与其他类型的电机相比具有明显的优势，通常在需要稳健的定速解决方案时使用。微控制器 (MCU) 和电力电子设备的发展使得廉价的 ACIM 变速控制成为可能。然而，使用基本控制方法无法匹配直流电机的性能。本文将探讨磁场定向控制 (FOC) 主题以及如何使用它来改进使用数字信号控制器 (DSC) 的 ACIM 控制。FOC 允许您将直流控制技术用于交流电机，并且可以消除下一个设计的电机选择过程中的一个变量。
电机的工作原理
当电流流过磁场附近时，电动机会产生机械力。同步电机具有磁场源。该磁场可以由永磁体或由电流源供电的绕组提供。在限制范围内，电机的扭矩响应是电流和磁场强度的线性函数。线性响应使这些电机在高性能应用中易于控制。PID 控制器可用于控制电机电流和产生的电机扭矩。如果需要，可以使用辅助 PID 控制器来控制位置或速度。
那么，看起来我们的问题已经解决了！我们将仅使用带有励磁绕组或永磁体的同步电机来获得良好的控制性能。好吧，“等一下，”你可能会说。“我的应用需要一个大功率电机。我可以使用带有转子和定子绕组的电机。但是，我不得不担心更换电刷和保持转子冷却。我可以使用带有永磁体的无刷电机，但磁铁的成本会使电机的成本太高。”
交流感应电机
交流感应电机
ACIM 在这种情况下确实可以提供帮助。ACIM 的绕组位于电机外部，因此易于提供冷却。转子是一个简单的钢保持架，因此坚固耐用，可以承受高温。ACIM 没有会磨损的电刷。好吧——到目前为止，一切都很好。现在，看看电机是如何工作的。
由于交流电源广泛可用，因此 ACIM 在设计时通常会考虑特定的线路电压和频率。为了进行讨论，我们先看一下典型 ACIM 的铭牌。我们的示例铭牌中显示的参数如下所示：
电压：230 VAC
频率：60 Hz
FLA：1.4A
HP：1/3
RPM：3450
除此之外，铭牌还规定了电机的额定功率、工作电压、工作频率和工作转速。电机定子绕组的布置使得在交流电流通电时产生旋转磁场。
ACIM 的转子必须以低于旋转磁场的速度转动。场速度和转子速度之间的差异称为转差率。转差率可以表示为比率或频率，但考虑转差频率会有所帮助。对于本示例电机，旋转场速度为 60 转/秒，即 3,600 RPM。但是，您会注意到负载下的铭牌 RPM 仅 3,450 RPM，或 57.5 rev/s。因此转差频率为 60 Hz – 57.5 Hz，或 2.5 Hz。
在此示例中，您可以将 2.5 Hz 转差频率视为交流电源，通过变压器耦合向转子提供能量。转子通过交流电流通电，产生转子磁场，使电机产生扭矩。ACIM 滑差使电机能够在一定程度上自我调节自身速度。随着电机负载的增加，转子速度将降低。然后转差频率将增加，从而增加转子电流和电机扭矩。
变速 ACIM 控制
通过改变提供给电机的频率和电压，ACIM 可以在不同的速度和扭矩水平下运行。假设您希望以额定速度的 1/2 运行我们的示例电机。为了实现这一点，您可以将电机的输入频率降低 1/2，即 30 Hz。如果我们想让电机以 1/4 速度运行，那么频率将降低至 15 Hz。
您还需要通过保持定子电流恒定来保持定子磁场相对恒定。ACIM 电机是感性电机，定子电流会随着输入频率的降低而增加。因此，当频率降低时，还需要按比例降低输入电压。恒定的 V/Hz 曲线通常用于提供 ACIM 的变速运行。我们示例电机的 V/Hz 常数可以通过将工作频率除以工作电压来计算。
K = 电压/赫兹 = 230/60 = 3.83
现在，对于给定的输入频率选择，我们可以计算该输入频率所需的驱动电压：
电压 = K* 频率
图 1 变速 ACIM 应用的典型 V/Hz 曲线
结果称为“伏赫兹”曲线，可以如图 1 所示绘制。没有固定规则表明驱动电压必须与频率保持固定的线性关系。事实上，V/Hz 曲线的形状经常在特定频率范围内改变，以优化特定速度范围内的驱动性能。例如，图 1 所示的轮廓形状经过调整，可在低频范围内提供更高的电压。当电机从静止状态启动时，这种修改可以提高电机扭矩，以帮助克服负载摩擦和惯性。在电机的机械极限范围内，您还可以将驱动频率提高到铭牌值以上，以获得更高的速度。然而，可用电压可能有限，因此电机扭矩也会较低。
对于不需要频繁速度或负载变化的应用，控制 ACIM 的 V/Hz 方法效果很好。当控制回路用于调节速度或电机电流时尤其如此。图 2 显示了可用于 V/Hz 应用的典型系统框图。MCU 具有专用 PWM 外设来驱动 6 晶体管逆变器电路。MCU 测量电机转速计的频率，计算速度误差，并使用 PID 控制环路生成驱动需求。
使用 V/Hz 曲线将驱动需求转换为所需的电压和频率。，PWM 调制代码随时间改变占空比，以生成具有适当幅度和频率的正弦驱动信号。
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