提高電機設(shè)計能效的新方法

隨著節(jié)能成為全球范圍關(guān)注的焦點，電機設(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)，電機驅(qū)動電路變得越來越復(fù)雜。本文討論電機驅(qū)動電路的產(chǎn)品和行業(yè)趨勢，并提供有助于設(shè)計人員降低能耗、提高可靠性、減少元件數(shù)量、實現(xiàn)環(huán)保的解決方案。

工業(yè)領(lǐng)域的電機種類

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

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。這類高效的通用電機具有很高的轉(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的興趣。但一直以來，成本以及驅(qū)動設(shè)計的整體復(fù)雜性阻礙了這種電機的廣泛采用。

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

無刷直流電機和開關(guān)磁阻電機都要利用一個微控制器或DSP來進行波形調(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)動電路

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

圖1：最流行的低頻驅(qū)動方案――梯形波驅(qū)動電路。

圖2：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，可采用PWM方法來產(chǎn)生正弦波。若要再進一步提高效率，便可采用空間矢量調(diào)制 (Space Vector Modulation) 法。

永磁三相同步電機有兩個流行的類型，即正弦永磁同步電機和梯形波無刷直流電機。正弦永磁同步電機與梯形波無刷直流電機(電氣性能)非常相似，它們的區(qū)別主要體現(xiàn)在以下兩個方面：(1)電機構(gòu)造或者說反電動勢(BEMF)的波形不同，一個是感應(yīng)電壓正弦永磁同步電機，另一個是梯形波無刷直流電機；(2)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。