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EC散熱風扇是風扇行業(yè)新的一次革命,可實現(xiàn)交流直流兩用。電壓從直流12v,24 v,48v,到交流110V,380V都可通用,不需要添加任何逆變器轉(zhuǎn)換。所有零內(nèi)部部件電機為電源直流電源、內(nèi)置直流變交流(通過六個逆變模塊)、采用轉(zhuǎn)子位置反饋、三相交流、永磁、同步電機。(直流無刷只是電源品質(zhì)和電機的表象,而不是電機的實質(zhì),EC電機實質(zhì)上是三相交流永磁同步電機)。
無刷直流電機由于省去了勵磁用的集電環(huán)和電刷,在結(jié)構(gòu)上大大簡化。同時不但改善了電機的工藝性,而且電機運行的機械可靠性大為增強,壽命增加。
同時氣隙磁密可大大提高,電機指標可實現(xiàn)*設計,其直接效果就是電機體積縮小,重量減輕。不僅如此,較其它電機而言,還具有非常優(yōu)異的控制性能。這是因為:其一,由于永磁材料的高性能而使電機的力矩常數(shù)、轉(zhuǎn)矩慣量比、功率密度等大大提高。通過合理設計又能使轉(zhuǎn)動慣量、電氣及機械時間常數(shù)等指標大大降低,作為伺服控制性能的主要指標有了很大改善。其二,現(xiàn)代永磁磁路的設計已較完善,加上永磁材料的矯頑力高,因而永磁電機的抗電樞反應及其抗去磁的能力大大加強,電機的控制參量隨外部擾動影響大大減小。其三,由于用永磁體取代了電勵磁,減少了勵磁繞組及勵磁磁場的設計,因而減少了勵磁磁通、勵磁繞組電感、勵磁電流等諸多參數(shù),從而直接減少了可控變量或參量。綜合以上各因素可以說永磁電機具有優(yōu)異的可控性。
目前大容量風機調(diào)節(jié)風量已有很多采用變頻調(diào)速方式,這一類變頻器主要依賴進口,價格昂貴。目前1kw以下功率等級的風機,特別是家用空調(diào)等的風機已有永磁無刷直流電機驅(qū)動,并采用調(diào)速調(diào)風量方式。1~10kw功率范圍的風機用量巨大,基本采用感應電機驅(qū)動,并采用調(diào)節(jié)風口開度方式調(diào)節(jié)風量。對于這一功率范圍內(nèi)的風機,采用永磁無刷直流電機驅(qū)動替代原先的感應電機驅(qū)動具有巨大的*性。
(1)損耗小、效率高
因為采用了永磁體勵磁,消除了感應電機勵磁電流產(chǎn)生的損耗;同時永磁無刷直流電動機工作于同步運行方式,消除了感應電機轉(zhuǎn)子鐵心的轉(zhuǎn)頻損耗。這兩方面使永磁無刷直流電機的運行效率遠高于感應電機,小容量電機的效率提高更明顯。
(2)功率因數(shù)高
由于無刷直流電機的勵磁磁場不需要電網(wǎng)的無功電流,因此其功率因數(shù)遠高于感應電機,無刷直流電機可以運行于1功率因數(shù),這對小功率電機極為有利。無刷電機與感應電機相比不但額定負載時具有更高的效率和功率因數(shù),而且在輕載時更具有優(yōu)勢。
(3)調(diào)速性能好、控制簡單
與感應電機的變頻調(diào)速相比,無刷直流電機的調(diào)速控制不但簡單,而且具有更好的調(diào)速性能。
(4)逆變器容量低,因此逆變器成本低
無刷直流電動機需要矩形波電流,逆變器持續(xù)運行時的電流額定值指的就是這個矩形波的峰值。感應電機需要正弦波電流,逆變器持續(xù)運行時的電流額定值一般指的是這個正弦波的有效值。為保持逆變器對電動機電流的控制能力,逆變器直流電壓與電動機感應電動勢間應有足夠的差值。因此無刷直流電動機梯形波感應電動勢和感應電動機正弦波感應電動勢可以達到的峰值都受到逆變器直流電壓的限制。在這種情況下,若假定無刷直流電動機和感應電動機電流的峰值相等,則前者功率輸出要比后者高出33%,也就是說,同一臺整流器/逆變器可以驅(qū)動比感應電機輸出功率高出33%的無刷直流電動機。
無刷直流電動機是采用半導體開關(guān)器件來實現(xiàn)電子換向的,即用電子開關(guān)器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的接觸式換向器和電刷。它具有可靠性高、無換向火花、機械噪聲低等優(yōu)點,廣泛應用于錄音座、錄像機、電子儀器及自動化辦公設備中。
無刷直流電動機由永磁體轉(zhuǎn)子、多極繞組定子、位置傳感器等組成。位置傳感按轉(zhuǎn)子位置的變化,沿著一定次序?qū)Χㄗ永@組的電流進行換流(即檢測轉(zhuǎn)子磁極相對定子繞組的位置,并在確定的位置處產(chǎn)生位置傳感信號,經(jīng)信號轉(zhuǎn)換電路處理后去控制功率開關(guān)電路,按一定的邏輯關(guān)系進行繞組電流切換)。定子繞組的工作電壓由位置傳感器輸出控制的電子開關(guān)電路提供。
位置傳感器有磁敏式、光電式和電磁式三種類型。
采用磁敏式位置傳感器的無刷直流電動機,其磁敏傳感器件(例如霍爾元件、磁敏二極管、磁敏詁極管、磁敏電阻器或集成電路等)裝在定子組件上,用來檢測永磁體、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的磁場變化。
采用光電式位置傳感器的無刷直流電動機,在定子組件上按一定位置配置了光電傳感器件,轉(zhuǎn)子上裝有遮光板,光源為發(fā)光二極管或小燈泡。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時,由于遮光板的作用,定子上的光敏元器件將會按一定頻率間歇間生脈沖信號。
采用電磁式位置傳感器的無刷直流電動機,是在定子組件上安裝有電磁傳感器部件(例如耦合變壓器、接近開關(guān)、LC諧振電路等),當永磁體轉(zhuǎn)子位置發(fā)生變化時,電磁效應將使電磁傳感器產(chǎn)生高頻調(diào)制信號(其幅值隨轉(zhuǎn)子位置而變化)。
直流電機具有響應快速、較大的起動轉(zhuǎn)矩、從零轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速具備可提供額定轉(zhuǎn)矩的性能,但直流電機的優(yōu)點也正是它的缺點,因為直流電機要產(chǎn)生額定負載下恒定轉(zhuǎn)矩的性能,則電樞磁場與轉(zhuǎn)子磁場須恒維持90°,這就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在電機轉(zhuǎn)動時會產(chǎn)生火花、碳粉因此除了會造成組件損壞之外,使用場合也受到限制。交流電機沒有碳刷及整流子,免維護、堅固、應用廣,但特性上若要達到相當于直流電機的性能須用復雜控制技術(shù)才能達到?,F(xiàn)今半導體發(fā)展迅速功率組件切換頻率加快許多,提升驅(qū)動電機的性能。微處理機速度亦越來越快,可實現(xiàn)將交流電機控制置于一旋轉(zhuǎn)的兩軸直交坐標系統(tǒng)中,適當控制交流電機在兩軸電流分量,達到類似直流電機控制并有與直流電機相當?shù)男阅堋?/span>
此外已有很多微處理機將控制電機必需的功能做在芯片中,而且體積越來越?。幌衲M/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital converter,adc)、脈沖寬度調(diào)制(pulse wide modulator,pwm)…等。直流無刷電機即是以電子方式控制交流電機換相,得到類似直流電機特性又沒有直流電機機構(gòu)上缺失的一種應用。
CE散熱風扇控制結(jié)構(gòu)
直流無刷電機是同步電機的一種,也就是說電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速受電機定子旋轉(zhuǎn)磁場的速度及轉(zhuǎn)子極數(shù)(p)影響。在轉(zhuǎn)子極數(shù)固定情況下,改變定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率就可以改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。直流無刷電機即是將同步電機加上電子式控制(驅(qū)動器),控制定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率并將電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速回授至控制中心反復校正,以期達到接近直流電機特性的方式。也就是說直流無刷電機能夠在額定負載范圍內(nèi)當負載變化時仍可以控制電機轉(zhuǎn)子維持一定的轉(zhuǎn)速。
電源部可以直接以直流電輸入(一般為24V)或以交流電輸入(110v/220 v),如果輸入是交流電就得先經(jīng)轉(zhuǎn)換器(converter)轉(zhuǎn)成直流。不論是直流電輸入或交流電輸入要轉(zhuǎn)入電機線圈前須先將直流電壓由換流器(inverter)轉(zhuǎn)成3相電壓來驅(qū)動電機。換流器(inverter)一般由6個功率晶體管(q1~q6)分為上臂(q1、q3、q5)/下臂(q2、q4、q6)連接電機作為控制流經(jīng)電機線圈的開關(guān)。控制部則提供pwm(脈沖寬度調(diào)制)決定功率晶體管開關(guān)頻度及換流器(inverter)換相的時機。直流無刷電機一般希望使用在當負載變動時速度可以穩(wěn)定于設定值而不會變動太大的速度控制,所以電機內(nèi)部裝有能感應磁場的霍爾傳感器(hall-sensor),作為速度之閉回路控制,同時也做為相序控制的依據(jù)。但這只是用來做為速度控制并不能拿來做為定位控制。
要讓電機轉(zhuǎn)動起來,首先控制部就必須根據(jù)hall-sensor感應到的電機轉(zhuǎn)子目前所在位置,然后依照定子繞線決定開啟(或關(guān)閉)換流器(inverter)中功率晶體管的順序,如 下(圖二)inverter中之a(chǎn)h、bh、ch(這些稱為上臂功率晶體管)及al、bl、cl(這些稱為下臂功率晶體管),使電流依序流經(jīng)電機線圈產(chǎn)生順向(或逆向)旋轉(zhuǎn)磁場,并與轉(zhuǎn)子的磁鐵相互作用,如此就能使電機順時/逆時轉(zhuǎn)動。當電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到hall-sensor感應出另一組信號的位置時,控制部又再開啟下一組功率晶體管,如此循環(huán)電機就可以依同一方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動直到控制部決定要電機轉(zhuǎn)子停止則關(guān)閉功率晶體管(或只開下臂功率晶體管);要電機轉(zhuǎn)子反向則功率晶體管開啟順序相反。
當電機轉(zhuǎn)動起來,控制部會再根據(jù)驅(qū)動器設定的速度及加/減速率所組成的命令(command)與hall-sensor信號變化的速度加以比對(或由軟件運算)再來決定由下一組(ah、bl或ah、cl或bh、cl或……)開關(guān)導通,以及導通時間長短。速度不夠則開長,速度過頭則減短,此部份工作就由pwm來完成。pwm是決定電機轉(zhuǎn)速快或慢的方式,如何產(chǎn)生這樣的pwm才是要達到較速度控制的核心。高轉(zhuǎn)速的速度控制必須考慮到系統(tǒng)的clock 分辨率是否足以掌握處理軟件指令的時間,另外對于hall-sensor信號變化的資料存取方式也影響到處理器效能與判定正確性、實時性。至于低轉(zhuǎn)速的速度控制尤其是低速起動則因為回傳的hall-sensor信號變化變得更慢,怎樣擷取信號方式、處理時機以及根據(jù)電機特性適當配置控制參數(shù)值就顯得非常重要?;蛘咚俣然貍鞲淖円詄ncoder變化為參考,使信號分辨率增加以期得到更佳的控制。電機能夠運轉(zhuǎn)順暢而且響應良好,p.i.d.控制的恰當與否也無法忽視。之前提到直流無刷電機是閉回路控制,因此回授信號就等于是告訴控制部現(xiàn)在電機轉(zhuǎn)速距離目標速度還差多少,這就是誤差(error)。知道了誤差自然就要補償,方式有傳統(tǒng)的工程控制如p.i.d.控制。但控制的狀態(tài)及環(huán)境其實是復雜多變的,若要控制的堅固耐用則要考慮的因素恐怕不是傳統(tǒng)的工程控制能*掌握,所以模糊控制、專家系統(tǒng)及神經(jīng)網(wǎng)絡也將被納入成為智能型p.i.d.控制的重要理論。
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