飛兆案例：功率器件提高電機(jī)設(shè)計的效率水平

隨著節(jié)能成為全球范圍關(guān)注的焦點，電機(jī)設(shè)計的能效也成為一個引人關(guān)注的問題。由于各國政府相繼出臺各種法規(guī)來要求提高能效，為了應(yīng)對能效挑戰(zhàn)，電機(jī)驅(qū)動電路變得越來越復(fù)雜。本文將討論電機(jī)驅(qū)動電路產(chǎn)品、行業(yè)趨勢，以及有助于設(shè)計人員降低能耗，提高可靠性、減少部件數(shù)目及實現(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)品一直都主要使用感應(yīng)電機(jī)，即使變頻驅(qū)動也是采用感應(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)可明顯分為兩大類，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)動的無刷直流電機(jī)。這類高效的通用電機(jī)具有高轉(zhuǎn)矩密度。隨著能源價格飆升，業(yè)界重新燃起了對無刷直流電機(jī)的興趣。而一直以來，阻礙這種電機(jī)獲得廣泛采用的主要原因是成本，以及驅(qū)動設(shè)計的整體復(fù)雜性。

開關(guān)磁阻電機(jī)則多見于吸塵器和手持電動工具這類不關(guān)注電機(jī)噪聲和轉(zhuǎn)矩波動的電器中。開關(guān)磁阻電機(jī)的特點是轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速高，且價位非常具有競爭力。

無刷直流電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)都要使用一個微控制器或DSP來實現(xiàn)波形整理；然后用功率開關(guān) (功率 MOSFET或 IGBT) 放大這些整理后的波形。

驅(qū)動電路概述

設(shè)計變頻驅(qū)動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)動方案是梯形波驅(qū)動電路。

圖1：梯形波控制方法及實際測試波形

如果需要更高的頻率和性能，則可采用PWM方法來產(chǎn)生正弦波。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)有兩個流行的型款：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。主要有以下兩個方面的差別：

? 電機(jī)構(gòu)造 — 反電動勢 (BEMF) 的波形不同；一個是感應(yīng)電壓正弦永磁同步電機(jī)，一個是 梯形波無刷直流電機(jī)。

? 控制 —控制電壓的波形不同；一個采用三相正弦 (所有三個相位同時有電流流過），一個采用矩形六步換流 (始終有一相位（不）導(dǎo)通)。

在新型驅(qū)動裝置中，正弦永磁同步電機(jī)越來越流行，開始在很多應(yīng)用中取代有刷，無刷直流電機(jī)、通用（交流異步）電機(jī)和其它電機(jī) （如家用變頻空調(diào)，工業(yè)縫紉機(jī)等）。其原因是它更可靠 (無刷)、效率更高、噪聲更小，而且在電控制方面具有如更高的電壓利用率及低頻轉(zhuǎn)矩。圖2和圖3所示為一種基于磁場定位（FOC field oriented control） 的無位置傳感矢量控制器系統(tǒng)框圖及試驗波形。

圖2：IPMSM矢量控制系統(tǒng)框圖

圖3：電磁轉(zhuǎn)矩方程式相電流與估算角度實驗波形