我是否要換電機

djf876 2012-05-12

展開全文

壇內(nèi)普遍有這樣一個共識，交流變頻調(diào)速優(yōu)于直流調(diào)速，理由是：低速有力。

在這里我談談我個人的理解：
要比較兩者差異，首先必須先對兩者的結(jié)構(gòu)做個了解：
首先看下一個典型的他勵直流電機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：
這里，“他勵”可以是永磁體，也可以是線圈勵磁

以單根繞組來看，其轉(zhuǎn)距和主磁通及電流成正比即
Tm=K*I*Φ，(K:比例系數(shù)，I 電流，Φ磁通)
而電流則符合I=（U-E）/r（U：繞組電壓 E：感生電壓 r：繞組阻抗）

若要實現(xiàn)直流電機調(diào)速，可以有以下幾種方法：
1.在繞組內(nèi)串聯(lián)電阻，減小I
這種方法增加了拖動系統(tǒng)的損耗，機械性能變“軟”，現(xiàn)在基本不用了。

2.調(diào)節(jié)電樞繞組電壓U，這是迄今為止公認最好的一種調(diào)速方式，具有以下特點：
A）調(diào)速后的機械特性不變，速度降落只隨電樞電壓而變。
B）實現(xiàn)無級調(diào)速，零速起調(diào)
C）由于主磁通不變，電動機額定電流也不變，因此調(diào)速過程具有“恒轉(zhuǎn)距”特性。
注：早期大型拖動系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)是利用直流發(fā)電機拖動馬達，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，目前普遍使用可關(guān)斷器件（SCR，GTR，MOSFET，IGBT等）。

3.調(diào)節(jié)主磁通（因為增加磁通會導致磁路飽和，只能減小磁通，因此此方法又稱為“弱磁調(diào)速”。
其特點是轉(zhuǎn)速下降較快，但電動機輸出功率不變，呈現(xiàn)“恒功率”特性。

總結(jié)：
1.直流電動機調(diào)速在額定轉(zhuǎn)速以下，可以通過調(diào)節(jié)電樞電壓獲得非常滿意的“恒轉(zhuǎn)距”調(diào)速特性。
2.在額定轉(zhuǎn)速以上可以利用弱磁調(diào)速獲得“恒功率”調(diào)速特性
這使得其在調(diào)速及轉(zhuǎn)距特性方面幾乎是完美的。
問題是：直流電機有個非常致命的弱點，其結(jié)構(gòu)本身有一個故障率很高的器件--“換向器”。

上面說到，直流電機的換向器是其固有結(jié)構(gòu)帶來的一個致命問題，這使得電動機的另兩種類型有了較大的發(fā)展--直流無刷（BLDC）電機和交流電機。

三相籠式異步交流電機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖：

三相互成120度的交流交替變化在定子繞組內(nèi)形成旋轉(zhuǎn)磁場，這個速度我們稱為同步轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)子實際轉(zhuǎn)速和同步轉(zhuǎn)速有速度差，因此，轉(zhuǎn)子籠條在切割磁力線過程中產(chǎn)生感生電動勢，并在轉(zhuǎn)子內(nèi)部形成感生電流。這個電流在定子磁場的作用下產(chǎn)生扭距推動轉(zhuǎn)子“跟隨”定子的旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)動。
不難看出，轉(zhuǎn)子要轉(zhuǎn)動的先決條件就是要比定子的旋轉(zhuǎn)磁場慢一些，慢的越多，切割磁力線也就越多，轉(zhuǎn)子的扭距也越大。這就是所謂的“異步”。

而這樣的結(jié)構(gòu)也決定了交流電機具有牢固耐用的特點。

交流電機的調(diào)速方式
A.調(diào)節(jié)磁極對數(shù)：
這是有級調(diào)速方式，并且電機設計需要照顧到多種組合，無法全部做到最佳設計，故電機效率低

B.調(diào)節(jié)電流頻率（變頻調(diào)速）
變頻調(diào)速的核心是是保持主磁通不變。這就要求變頻器輸出“變頻”的同時也要變電壓（VVVF），否則定子鐵心會出現(xiàn)“磁飽和”導致鐵心急劇發(fā)熱損壞電機。為此，衍生出兩種調(diào)制方式—脈幅調(diào)制（PAM）和脈寬調(diào)制（PWM）。因前者整流和逆變部分都要控制，比較復雜，目前應用最多的就是脈寬調(diào)制。

變頻調(diào)速的機械特性曲線如下圖：
當?shù)陀陬~定轉(zhuǎn)速時：

可見其機械特性和直流電機有點類似。但其有一點不足，其速度越低，臨界轉(zhuǎn)距越小。

當高于額定轉(zhuǎn)速時：

為此，V/F控制引入“轉(zhuǎn)距補償”概念，其核心思想就是在低速的時候適當提升V/F的比例用以提升損失的臨界轉(zhuǎn)距。由此獲得一組較好的機械特性曲線如下：

這已經(jīng)和直流電機的調(diào)速性能非常接近了。

很多變頻器設置有轉(zhuǎn)距提升選項供用戶使用。不過轉(zhuǎn)距提升也必須有一個前提條件：鐵心不可以飽和。不然就會過補，電機發(fā)熱嚴重，但這點往往不好掌握。因此很多變頻器出廠默認是關(guān)閉的。

為了獲得更好的機械，人們開始研究把如何把交流電機弄的像直流電機那樣，磁場和電樞電流可以分別調(diào)節(jié)。這樣做的難點在于，交流電機的勵磁電流和負載電流都在定子繞組內(nèi)，不好單獨調(diào)節(jié)。這個問題終于在“矢量控制”概念被推出后得到了完美的解決。

其核心思想是假想2個互相垂直的直流繞組，并以此作為基本信號經(jīng)2/3變換產(chǎn)生3相交流控制信號控制逆變電路，并在電機運行過程中根據(jù)電流的變化反饋修正基本控制信號。這樣，就可以象直流電機那樣，保持相互垂直的2個分量中的一個不變而單獨控制另一個。

這樣，可以得到完全和直流電機一致的調(diào)速性能。

不過全矢量控制的變頻器目前還是比較昂貴，參數(shù)設置也比較復雜，因此目前業(yè)內(nèi)還是以V/F控制為主，除非要求很高的場合。
其他：

直流無刷電機：簡單說，定子上接上位置傳感器（例如HALL SENSOR），當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個角度時，利用可關(guān)斷器件的逆變電路將“+”“-”顛倒一下，就實現(xiàn)了換向。這種方式大大降低了直流電機的故障率，又保持了直流電機優(yōu)越的調(diào)速性能。

交流同步電機：將直流電機的勵磁繞組放在轉(zhuǎn)子上（永磁電機通常是在轉(zhuǎn)子上貼磁條），定子繞組施加電壓形成另一個磁場，當定子繞組的磁場發(fā)生變化（類似交流電機旋轉(zhuǎn)磁場）時，轉(zhuǎn)子被吸著走。改變旋轉(zhuǎn)磁場的速度（頻率），轉(zhuǎn)子速度也隨之改變，并且和定子繞組是同步的。控制器實際上和交流變頻一樣，只是控制對象發(fā)生了改變，于是賣家為他起了個更好聽的名字“直流變頻”，以此作為賣點。這種電機和直流無刷電機的區(qū)別在于，他的驅(qū)動電壓是正弦波，而直流無刷電機驅(qū)動是方波。此類型電機如果加上編碼器做反饋，即構(gòu)成所謂的“交流伺服電機”。