提高電機(jī)設(shè)計(jì)能效的新方法

隨著節(jié)能成為全球范圍關(guān)注的焦點(diǎn)，電機(jī)設(shè)計(jì)的能效也成為一個(gè)引人關(guān)注的問題。由于各國政府相繼出臺(tái)各種法規(guī)來要求提高能效，為了應(yīng)對(duì)能效挑戰(zhàn)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路變得越來越復(fù)雜。本文討論電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的產(chǎn)品和行業(yè)趨勢(shì)，并提供有助于設(shè)計(jì)人員降低能耗、提高可靠性、減少元件數(shù)量、實(shí)現(xiàn)環(huán)保的解決方案。

工業(yè)領(lǐng)域的電機(jī)種類

近100年來，電器產(chǎn)品主要使用感應(yīng)電機(jī)，即使是變頻驅(qū)動(dòng)型電器，也是采用感應(yīng)電機(jī)?，F(xiàn)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(jī)。這些新型電機(jī)可分為兩大類，即無刷直流電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)。

許多常見的家用電器都采用帶變頻驅(qū)動(dòng)的無刷直流電機(jī)。這類高效的通用電機(jī)具有很高的轉(zhuǎn)矩密度。隨著能源價(jià)格飆升，業(yè)界重新燃起了對(duì)無刷直流電機(jī)的興趣。但一直以來，成本以及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的整體復(fù)雜性阻礙了這種電機(jī)的廣泛采用。

開關(guān)磁阻電機(jī)則多用于吸塵器和手持電動(dòng)工具這類不關(guān)注電機(jī)噪聲和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的電器中。開關(guān)磁阻電機(jī)的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速高，但價(jià)位非常具有競爭力。

無刷直流電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)都要利用一個(gè)微控制器或DSP來進(jìn)行波形調(diào)節(jié)，然后用功率開關(guān)(功率MOSFET或IGBT) 放大這些調(diào)節(jié)后的波形。

驅(qū)動(dòng)電路

設(shè)計(jì)變頻驅(qū)動(dòng)電路可有以許多不同的方式。在典型的三相電機(jī)中，最流行的低頻驅(qū)動(dòng)方案是梯形波驅(qū)動(dòng)電路，如圖1所示。圖2給出了梯形波驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)際測試波形。

圖1：最流行的低頻驅(qū)動(dòng)方案――梯形波驅(qū)動(dòng)電路。

圖2：梯形波控制方法及實(shí)際測試波形。

如果需要更高的頻率和性能，可采用PWM方法來產(chǎn)生正弦波。若要再進(jìn)一步提高效率，便可采用空間矢量調(diào)制 (Space Vector Modulation) 法。

永磁三相同步電機(jī)有兩個(gè)流行的類型，即正弦永磁同步電機(jī)和梯形波無刷直流電機(jī)。正弦永磁同步電機(jī)與梯形波無刷直流電機(jī)(電氣性能)非常相似，它們的區(qū)別主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：(1)電機(jī)構(gòu)造或者說反電動(dòng)勢(shì)(BEMF)的波形不同，一個(gè)是感應(yīng)電壓正弦永磁同步電機(jī)，另一個(gè)是梯形波無刷直流電機(jī)；(2)控制電壓的波形不同，一個(gè)采用三相正弦(所有三個(gè)相位同時(shí)有電流流過)，一個(gè)采用矩形六步換流。