微型电机电源范文（精选7篇）
微型电机电源 第1篇
直流电又可称为恒定电流, 其电流大小与电流方向都不会随着时间的变化而产生变化。直流电所通过的电路叫直流电路, 是由直流电源与电阻所形成的闭合式导电回路。直流电机就是一种应用直流电源进行运动的电机。考虑到直流电的特性, 当其电源正负极产生变换时, 电机的转向也就产生了变化。
从直流电的应用前景来看, 由于成本的关系, 应根据直流电机的使用场合来选择相应的电源。所以, 对于那种对直流电源要求不高的电机, 就可以选择使用过流保护集成的稳压电路。当然, 过流保护电路本身就是电源电路不可缺少的一部分, 其控制是通过关断与限流的方式来控制电压高低。而对直流电机来说, 其电源应采用关断的方式进行控制。考虑到电源设计的特殊性, 在这方面的研究中, 利用Ansoft Maxwell仿真技术, 可以在软件中实现发电机的设计与优化。Ansoft Maxwell软件中包含包括RMxprt , Maxwell 2D/3D模块, RMxprt是基于磁路法的, Maxwell 2D/3D分别是有限元的二维场和三维场。操作中选用RMxprt进行快速设计, 然后用Maxwell 2D/3D来校准。但Ansoft Maxwell软件计算的只是硅钢片及线规的重量, 相比于实物设计和工艺上的偏差, 软件设计的电机重量与实际电机重量有所偏差。在本文中, 笔者所研究的是直流电机电源中的无刷直流电机的设计。
2 无刷直流电机的设计
2.1 电源电路设计
在本文中, 研究的电源电路可以提供12V, 5V的电压给功率驱动电路及MCU回路。详见图1。在图1 中, VIN处为24V直流电输入端口。
2.2 驱动电路设计
在进行设计时, 考虑到直流无刷电动机的开关器件都是以GTR, GTO等全控型器件进行控制。当然, 功率MOSFET, IGBT等也是很好的选择。但是在实际的应用中, 考虑到这些全控型开关器件在耐压, 开关速度和容量方面还是有很大的差别, 所以必须根据实际需要选择。在本次设计研究中, 根据图1 的电路要求, 使用的全控型开关器件是N沟道绝缘栅增强型场效应管, 应用IR210X的6 个输出端口相应驱动6 个场效应管栅极。由于在电机转矩输出时直接受到电流与反电动势的相位差影响。所以当系统驱动电流与反电动势相位差为0 时, 系统内的电流相对转子磁场相位相差会达到90 度。此时也就意味着电机的转矩达到了峰值。为了对电机进行校正所以需要进行相电流的过零检测。过零检测中电压相位的自适应超前, 锁定电流与反电动势相位差为0。
2.3 过流检测电路
电机驱动时, 过流检测电路的作用是保护整个电路系统, 并做相应的电流相位检测。过流检测电路可以在电路短路时及时关闭总开关, 保护整个电路。
2.4 霍尔电路
对于霍尔信号来说, 在其传输的过程中, 会由于传输与处理的时间延迟而造成误差。这种对转速估算造成的误差只能通过补偿与校正得以调整, 无法避免。在补偿与校正的过程中, 就对电机转速变化趋势进行计算量上的襟。也就需要在PWM的周期中断后进行相应的相位校正。在本次研究设计中, 此霍尔电路可以为电机的霍尔输出自动加入上拉算法, 再通过霍尔输出信号传送到主控芯片中, 完成电机转子的相关功能。
3 研究结论
相较于传统控制模式下的转矩脉动过大造成的巨大噪音, 其直流电机运行调速难度高, 功率小, 运转效率低下而言, 对于直流电机电源的设计研究中, 本文中所研究的无刷直流电机运行效率高, 运转速度快, 维护成本低。同时还具有噪音小, 调速性能优异的特点。因此得到了大量的实际应用, 但就无刷直流电机的应用来说, 离不开控制器的存在。在为了更好地提升直流电机电源设计水平, 应从控制器的效率, 电路保护检测元件选择上进行优化。考虑到实际应用当中的需求, 在进行直流电机电源的选择时, 应根据电机的运用场合, 使用需求进行电路的专项设计。在提高运行效率的同时, 降低直流电机维护成本, 提高直流电机电源的性价比。
4 结束语
综上所述, 作为一种应用前景越来越广阔的设计项目, 对直流电机的电源设计主要集中在对其控制速度的优化, 对其运转效率的完善, 以及其使用性价比的提升方面。本文中所研究的无刷直流电动机, 它是属于方波驱动的永磁同步电机, 另一种正余弦波驱动的永磁同步电机其控制效率更高, 力矩脉动更小, 噪音更低, 但其设计与研究将更为复杂。可以预见的将来, 这两种同步电机的研究将成为直流电机电源的设计研究主要方向。
参考文献
[1]周鹏.许钢.查君君.俞晓峰.无刷直流电机控制中的DSP系统电源可靠性设计[J].电源技术.2013 (07)
[2]詹忙秋.赵艳芝.鄢家财.铁路转辙机系统中的无刷直流电机驱动器的设计[J].微电机.2013 (05
浅析新型电机试验电源及加载设备 第2篇
在电动机行业中, 最重要的就是对电机的试验工作, 在进行电机试验时要选择合适的设备, 以往在选择电机试验设备时往往都是采用发电机进行电机试验。随着科技的进步, 目前开始选用新型的电机试验, 主要是变频电机试验电源, 它所具备的电流比较大, 电压与频率都比较低, 采用此种新型电机可以发挥独特的优势, 变频电动机不仅具有优良的运行调速性能还可以有效的节约能源, 提高能源的利用率与工作效率, 应用比较广泛。
传统的常规电机试验往往会受到各种条件的制约, 比如试验设备的频率、容量以及相关技术参数, 一些加载设备等, 这些因素都会影响着电机的试验, 在进行电机试验时, 要遵守一定的试验标准, 保证相关参数的实验值达到国家标准, 只有按照规范要求操作才能够保证电机试验的能力, 才能保证电机试验的设备符合试验的要求。传统的电机试验由于频率变化达不到标准, 所以试验的效果不好, 得到的电动机的试验结果与参数都不准确, 也无法确定电动机的运行性能, 所以电动机都不满足出厂使用的要求。随着科技的进步, 新型的变频电机试验电源及加载设备使用广泛, 变频异步电动机的温升与负加载试验应用广泛。采用新型的变频电机试验电源及加载设备试验, 可以减少劳动力的输出, 提高生产效率, 操作简单方便, 试验的能力比较强, 能够较为准确的获知电机的运行性能与参数类型, 也有效的节约了电能能源, 符合社会经济发展的战略要求, 从而被广泛的应用在电机试验行业。
2 传统的电动机加载方法的相关分析
在做电机试验时除了对电机的试验电源进行系统试验检查, 还要以发电机为设备进行电动机的温升试验以及负载试验, 在进行电动机的负载以及温升试验时要采用加载设备对电动机进行加载, 但是这样会造成电机试验的电能损耗严重, 不符合经济建设的环保节能目标。
传统的电机试验加载方法主要包括两种:第一, 当试验电动机的输出功率较小时可以直接选择电磁制动器消耗负载实现加载, 当试验电动机的输出功率较大时选择涡流制动器消耗负载的能量, 从而对电动机进行加载, 但是这两种都会极大的浪费电能, 在实际使用的时候存在很多的问题, 这些加载设备跟试验电动机若是不匹配时, 会增加试验操作的难度, 这些加载设备还容易出现失误, 会使电动机的负载试验造成误差。
还有, 电机加载方法是消耗掉电动机负载的所有能量, 选择这种加载方法, 可以由两种具体的试验操作, 可以选择电阻箱与直流电动机作为加载设备的负载, 在进行电机试验时, 将试验电动机的通电输出功率通过直流电动机转变为直流电压, 此时直流电动机就是负载, 将负载的电压通过电阻箱使能量消耗掉, 实现电机的加载。特别注意的是当试验电动机的输出功率较大时, 在转变时会将一部分电能转变为热能, 为了避免通过电阻箱时造成失误, 就要对电阻箱进行物理降冷, 保证电机加载的成功。
在对电动机进行加载时, 也可以选择发电机为试验设备, 通过发电机做电机的负载试验, 使得负载的能量通过发电机导回电网系统, 但是这种方法需要的试验电动机数量比较多, 加载设备的造价也比较高, 试验的操作比较复杂, 需要的试验场地很大, 由于试验的电动机数量比较多, 在试验时, 一部分电能会转化为热能, 造成很大的能量损耗。以上这两种电动机的加载方法都存在很大的问题, 为了应对这些问题, 随着科技的进步, 新型的变频异步电机试验电源及加载设备逐渐应用在电机试验中, 并取得了良好的成效。
3 新型变频电机试验电源的基本概括
随着电子技术的不断进步, 我国研发了新型的变频电机试验电源, 是一种电机内部回馈功率的新型变频电源, 该种新型变频电机试验电源进行了电机试验电源的全新改革, 电机试验的电源失真度较小, 而且是集电机试验电源与电动机与一体, 极大的便捷了试验的操作, 新型的变频电机试验电源在进行负载与温升试验时, 对电动机进行加载时不再需要负载能量的消耗, 只需要将试验电动机的输出功率在自身的电动机内部进行电能回馈, 有效的实现了节能的目标。
新型的变频电机试验电源在进行电机试验时, 选择试验电动机, 将其输出的功率转变为直流电, 从而经过电动机的正弦波电源, 使直流电变成正弦波, 此时的电机试验电源的失真度较小, 频率变化范围也符合规范的要求, 电动机输出的功率最终在进行回馈时返回到了试验电动机本身, 极大的降低了能源的损耗, 当试验电动机进行发电时, 就对其进行信号的电力数据处理, 在进行新型的变频异步电动机试验电源时, 只需要两台电动机就可以完成整个试验过程。
4 采用新型变频电机试验电源的优点
通过电机试验电源及加载设备对电动机进行试验, 能够有效的得出试验的电动机相关参数以及运行的性能好坏, 电机试验具有重要的意义。信息科技以及电子技术的不断发展, 使之研发出新型的变频电机试验电源及加载设备, 由于其独特的优势被逐渐的应用在电机试验行业领域中。新型的变频电机试验电源及加载设备解决了传统的电机试验的不足与困难, 采用变频调速与交流技术可以极大的促进电机试验工作的成功应用, 以下就对新型的变频电机试验电源及加载设备进行优势的分析:
采用新型的变频电机试验电源与传统的电机试验电源来说, 具有极大的优势, 具体表现在: (1) 之前使用的变频试验发电机频率范围比较小, 对较大频率的电机试验采用传统的电机试验电源不能满足试验的要求, 只能对小范围内的频率变频异步电动机进行试验, 而新型的变频电机试验电源可以解决这一问题, 变频调速电机试验电源可以任意调节频率, 实现对较高频率范围的电机试验; (2) 变频电机试验电源在进行电机试验时可以极大的增大变压器的容量, 解决了传统的常规电机容量小问题, 可以满足对大型的电动机进行试验; (3) 采用新型电机试验电源不需要将电动机的功率电能反馈到电网中, 只需要反馈到电动机本身, 由于没有负载的能量损耗, 可以有效的节约能量; (4) 电机试验的操作比较简便, 噪声很小, 得到的电机试验结果较为准确, 可以准确的获知试验电机的运行性能的状况; (5) 采用所使用的试验电机设备比较少, 占用的试验场地比较小。
5 结束语
总之, 新型的变频电机试验电源及加载设备能够成功的应用到电机试验工作中, 能量损耗比较少, 能够实现节能的目标, 解决了传统的电机试验的不足与困难, 使用起来更加安全可靠, 在电机试验行业应用较为广泛。
摘要：随着经济建设的不断发展, 科技也在不断进步, 电机行业发展迅速, 在电机行业中都会进行电机试验, 主要是采用发电机作为试验的基本设备, 进行电动机的频率试验, 从而确定电机的试验电源。电机的试验电源要求比较多, 电源系统的组成比较复杂, 在进行电动机的电源试验时, 要求结果的高标准, 避免出现失真现象, 还要保证电动机的变频技术构成, 在进行设计时要保证频率在一定的可变范围内。本文就介绍新型的试验电源, 也就是变频试验电源在电机试验中的具体应用, 新型的变频试验电源与传统的试验电源相比有着很大的差异, 当对同一种电动机进行试验时, 新型变频电动机试验的结果更加精确。除此之外还要对同一台电动机进行变频温升试验以及负载试验, 在试验时要使用一些加载设备对电机进行加载, 传统的常规电机电源及加载设备试验耗电量比较大, 电能损耗严重, 本文通过对新型电机试验电源以及加载设备试验与传统的试验相比可知新型电机试验电源与加载设备在电机试验中应用更为良好。
关键词：新型电机试验电源,加载设备,分析
参考文献
[1]王锋, 徐颖, 何银萍.基于高高多电平变换方式的新型电机试验变频电源[J].全国交直流电机行业技术交流会, 2010, 03 (5) :22~41.
[2]裘剑锋, 骆晓平.浅谈电机试验电源自动控制系统研制及测试系统开发[J].城市建设理论研究:电子版, 2013, 18 (9) :10~24.
一种实用矿山电机车电源的实现 第3篇
现行矿山电机车电源一般采用三相桥式整流电源, 其特点是结构简单, 但由于载和短路保护使用断主开关方式, 保护动作时间较慢, 往往保护动作后, 电源的整流器件也随之损坏, 这不仅造成经济损失, 而且影响正常生产。为了克服以上缺点, 作者设计了一种结构简单, 维护方便的实用电路, 现已运行两年, 效果良好。
1 主电路
主电路采用三相半控桥整流电路, 在三相进线上用3个电流互感器做为电流检测器件, 由3个负载电阻进行角形连接, 转换成电压信号, 供过流保护使用, 由2组脉冲变压器分别触发3个整流可控硅, 当过流或短路故障发生时封锁脉冲, 使电源自动停机, 主回路原理如图1所示:
2 控制电路
控制电路采用1块电路板, 工作可靠, 维护方便。其控制电源通过1台一次为660V, 二次为36V和20V的1组变压器提供, 其中36V作主开关线圈提供电源, 20V经整流后为输出脉冲提供24V直流电压, 同时经过三端稳压器稳压后给控制板提供+15V直流电压。
控制电路工作原理如下:正常工作时由U2:B、U2:C组成的频率振荡器提供8～10KHz的方波, 功放三级管放大后经脉冲变压器输出, 分别给3个整流可控硅触发脉冲, 电源正常工作。当负载回路出现过流或短路现象时, 3个电流互感器检测到的电流信号, 经R1、R2、R3转换成电压信号, 通过2个整流桥整流, 经R13、R12分压后送至比较器U:A, 当检测信号超过比较器阈值时, 比较器U1:A翻转并保持, 此时U2:B、U2:C组成的频率振荡器停振, 形成脉冲封锁, 同时过流指示灯亮, 设备自动停止直流输出, 其原理图如图2所示。
过流阀值电压整定:
式中——进线负载线电流;
N———互感器变比;
R12/ (R12+R13) ———保护电路的分压比;
——保护时取峰值电压;
1 0———互感器负载电阻;
1.2～1.5———保护系数。
结束语
数码发电机整流电源的控制技术研究 第4篇
整流电源的控制技术主要服务于信息行业,随着信息技术的迅猛发展,对整流电源控制技术的要求也逐步提高,从而推动了电源技术的进步。目前的电源控制技术运用半导体元器件、自动控制技术、电磁技术等多种先进技术,随着科技的持续发展,智能化及数字化控制已成为其发展的必然趋势。大多数重要职位均离不开应急电源,而数码发电机就是一种主要的应用广泛的备用电源。数码发电机经整流逆变过程,把由发电机提供的三相交流电转换为与负载相匹配的电压稳定的单相交流电输出,其优点为灵活轻便、环保性较高。近年来,由于自然灾害反复出现,对备用电源的需求量也日益增加。当地方输电线路遭到一定程度的破坏而导致通信中断时,为确保电力供应,就需要相当数量的数码发电机。但是,在该产品市场上,国外厂家生产的数码发电机因具有更好的综合性能而占据主导地位。因此,对数码发电机整流电源的控制技术进行研究意义重大。
1 数码发电机的发展现状
我国当前较主流的数码发电机均通过整流逆变技术和先进的闭环控制技术使输出电流为正弦波型。软件闭环控制方式在一定程度上提升了输出功率,而变频调速技术则提高了系统的使用效率。数码发电机在国内具有广阔的市场前进,许多厂商均投入较高的成本进行相关的研发工作。其中较具代表性的为开普数码发电机,具有噪音振动小、电力输出平稳、经济环保的优点。国外出产的数码发电机主要以本田、雅马哈等为代表,与国内研究成果相比,具有更高的输出功率、更低的噪音水平,不过能够连续使用的时间相对较短。
2 数码发电机的结构及原理
数码发电机的整个电力系统分为主电路及控制电路。其中主电路由整流、逆变及滤波电路三部分组成,而控制电路则由驱动电路、信号检测电路、负载识别、发电机等组成。当前应用最多的数码发电机的主电路结构为首先利用可控式整流电路使发电机输出的电压减少245V,再利用逆变电路转化为一定形式的电能,在逆变桥输入电压减小后,开关可在占空比达到最低的情况下可靠导通,系统的要求就能满足。其中可控整流电路包括三相桥式全控电路及三相半波全控电路,因为系统无需能量回馈,为简化控制电路,因而采用后者。在数码发电机系统结构中,由于微处理器是整个硬件控制系统的核心部分,要求有良好的数据处理速率。此外,考虑到控制系统及逆变系统要求丰富的使用资源,因此选用DSP芯片作为其微控制器。该信号处理器能够在模拟信号转变为数字信号后实时高速处理信息,数字处理能力较高,是目前在通信、控制领域、计算机中应用广泛的基础性硬件。综合系统对内部资源及处理速率的综合要求,采用TI公司制造的TMS320F2812微处理器。
数码发电机进行工作的原理为:先利用微处理器对负载性质、大小等重要参数进行采集,再依据采集的信息产生一定的控制信号,油门控制器在接收到该信号后自动增加或减少油门开度,从而使输出功率与负载相匹配。然后由微控制器采用数字触发方式控制整流电路,使其输入的三相变频不稳定电压转换为稳压直流电到达逆变器。最终利用逆变器与滤波器将直流电转化为负载适用的稳压单相交流电输出。
3 负载识别技术的实现
3.1 负载识别方案的确定
对于数码发电机的控制系统,其中控制器要实时、准确地获取负载信息从而利用步进电机达到对发电机油门进行节油控制的目的。但是,负载检测尚无现成模块可用,只能对负载电流及电压进行检测从而识别负载大小、性质。为方便计算处理,选取检测负载交流端的电压及电流进而识别负载的方法。假设ik-1,ik,ik+2是计算出的连续采样时刻的负载电流,T,uk-1,uk,uk+1是对应时刻滤波电容的电压,那么利用下式计算阻性负载的参数:
感性负载的参数估算式可整理为:
容性负载的参数估算式可整理为
数码发电机负载识别原理为通过对相邻三个时刻的滤波器电容电压及电感电流采样值来计算负载电流值,最后估算出负载参数。
3.2 负载识别硬件电路设计
由于负载识别方案得到的计算公式是建立在获得负载电压及电流的基础上,因此合理的对电流及电压检测电路进行设计非常重要。较为常用的检测电流的方法包括采样电阻、互感器及霍尔检测,常用的检测电压的方法包括变压器及电压互感器两种。由于DSP为对电流进行检测的核心,选取电流互感器方法来测量电流。电流检测系统的硬件电路主要是由DSP模块、A/D转换模块、跟随电路及电流检测模块组成。电压检测选取变压器方式,把变压器以并联方式与交流侧连接,电压经过变压以后再经串联电阻实现降压作用,从而得到不到5V的电压信号,然后输入比较器的正向端,最后将输出的电压信号传至DSP模块的A/D转换单元中。
4 结束语
由于数码发电机的整流电源系统最为重要的任务是利用微控制器对负载性质及大小进行识别,而对负载的性质无法直接检测,所以可以利用间接方式对其大小、性质进行识别。基于数码发电机对资源及处理速度的要求,给出了适用的负载检测方案,同时提出了对负载的电流及电压进行检测的硬件设计方法。该负载识别方法不仅对数码发电机适用,也可以推广至其它发电设备。
参考文献
[1]胡书举,李建林,裴云庆,许洪华.便携式发电机用整流器的控制策略及实现[J].电气传动.2008(01).
[2]庞有为.开普动力:数码直流发电机在通信应用中前景广阔[J].通信世界.2008(40).
微型电机电源 第5篇
三相交流电机工作可靠、高效、费效比高, 需要少量维修或根本不需要维修, 一直是工业领域的主力。此外, 交流电机 (如感应电机和磁阻电机) 无需与转子的电气连接, 因此很容易实现阻燃, 适用于矿山等危险环境等应用场合。
采用脉宽调制 (PWM) 的三相电机驱动电路工作原理框图如图1所示, 为电机提供三相供电电源, 电压和频率可以变化。PWM交流电机驱动器可以高效提供从零速到全速的全转矩, 并且通过改变驱动电源的供电相位相序, 可以很容易实现电机双向运转。
2 脉宽调制电机驱动器原理
三相交流输入供电电源经过整流和滤波后, 产生直流总线, 为驱动器的逆变器部分提供电源。逆变器由3对半导体开关 (MOSFET、GTO、功率晶体管、IGBT等) 及相关二极管组成。每对开关为电机的一个相位提供功率输出。
为了驱动电机, 控制电路生成三个相位互差120°的低频正弦波, 分别对每对开关的载波脉冲进行调制。在每个载波周期内, 正脉冲和负脉冲的宽度是按照该相位低频正弦波
的幅度进行调制的, 如图2所示。
虽然向电机绕组施加的脉宽调制电压波形包含所需频率的分量, 但其中也包含许多频率更高的其他分量。
但是, 电机在很大程度上可以看作逆变器输出电压的电感负载。由于电感对较高频率具有更高的阻抗, 因此电机吸收的大部分电流在脉宽调制输出波形中是如图3所示的较低频率分量。结果是, 电机吸收的电流近似为正弦波。
由于电机负载生成的反电动势在基频是正弦电压, 因此它在谐波和更高频率不提供反向电流。由于这个原因, 同电机是纯电感情况下的基波电流相比, 这些电流幅值更高。
重要的是, 载波电流设计要在绕组中尽可能生成正弦波电流。特别是, 必须最大限度地减少生成的低阶谐波电压电平, 因为电机对这些电压的阻抗非常低。实用中, 驱动器将在电机中生成:
a) 基频处“有用”的电流分量。
b) 在基频数倍频率处“无用的”电流分量 (谐波) , 以及在载频相关频率处的电流分量。
在电机电流中“无用”电流分量对电机的影响有两个, 它们是:
1.非基波电流分量代表电机定子和转子绕组中的额外电流, 将产生热量, 降低电机工作效率。
2.“无用的”电流分量将在定子中生成磁场, 可能包含负相或零相序列, 形成负转矩或制动转矩。这可能大幅降低电机可用功率数量。
通过测量逆变器中基波输出功率和总输出功率、对电压和电流波形进行谐波分析以及对电机转矩/速度进行测量, 可以分析电机运行期间无用电流分量的影响。
提供给电机的唯一有用功率是在基频驱动电压和电流。与谐波或载波频率有关的任何功率都不会有助于电机的有用功。最高效的脉宽调制驱动器不仅使逆变器损耗最小化, 而且生成最纯的正弦电流驱动波形, 把电机本身的功率和转矩损耗降到最低。
3 对脉宽调制电机驱动器的测量
通过在电机输出轴安装转速和转矩传感器, 可以对电机输出进行测量, 采用泰克PA4000功率分析测试仪的测量工作原理框图如图4所示。
(1) 驱动器输出测量
脉宽调制驱动器的输出波形非常复杂, 由一系列高频分量 (因载波) 和低频分量 (因基波) 组合而成。对大多数功率分析仪来说带来的问题是:如果在高频测量, 那么波形中的低频信息将丢失;如果滤除脉宽调制波形在低频测量, 那么高频数据将丢失。
这个问题的出现是因为低频对波形进行调制。因此, 高频测量 (如总电压有效值、总功率等) 必须在高频处进行, 必须超出输出波形低频分量的整数倍。
泰克PA4000功率分析仪利用脉宽调制输出测量的特殊工作模式克服了这个难题。它对数据进行高速采样, 并实时计算总体数量, 包括所有谐波和载波分量。同时, 对采样数据进行数字化滤波, 提供低频测量。
除了从同一测量中获得低频和高频信号结构外, 该技术允许高频测量与低频信号同步, 这是提供精确和稳定的高频测量结果的唯一方法。但是, 为了优化低频测量结果, 应当选用正确的滤波器。
(2) 测量电路连接
对电机驱动器进行电压测量电路连接通常比较简单, 进行电机工作电流测量的测试电路连接则更具挑战性。进行电流测量连接主要有两种方式。第一种方式是“分割”导体, 并使电流通过电流分流器, 然后测量电流分流器两端电压降。虽然这种方式在低功率情况下可行, 但当电流较高时行不通。
对大电流测量, 可以使用电流传感器, 使用电流传感器的原因主要以下有3个:
1) 正在测量的信号可能与测量设备不兼容。例如, 大部分测试台仪器无法测量超过100 A的电流, 而这么大的电流是大型电机和驱动器中常见的。
2) 消除测量仪器与测量信号的耦合。在脉宽调制驱动器中, 快速开关电压 (d V/dt) 往往造成正在测量的输出信号具有很大的共模分量。
大的共模电压会给电流测量结果带来不确定性。使用电流传感器隔离分析仪的电流输入和电压波动, 从而消除因共模引起的测试结果不确定性。
3) 为了便利和安全。在电机系统中往往存在高压, 而且电源阻抗往往极低。如果连接不正确, 可能会造成大量能量流动。
4 选择正确的电流传感器
电流传感器有许多种, 在电机测量中使用的4种最常见电流传感器是:
(1) 电流钳;
(2) 闭环霍尔效应;
(3) IT型闭环;
(4) 电流互感器。
为了在电机驱动器的典型信号带宽内实现最佳性能, 应使用闭环传感器。在驱动器输入中可以使用电流互感器和电流钳, 但在驱动器输出中效果则不好。这是因为电流互感器在低频 (低驱动速度) 性能不佳, 而且将限制测量与开关有关高频频率的能力。
在选择传感器时, 重要的是考虑所需测量的信号和测量设备。选择与需要测量的最大信号 (包括峰值) 相对应的最大输入范围传感器。这将充分发挥传感器范围的效用。
在不引起过冲的前提下, 希望传感器输出信号尽可能大。输入信号越大, 信噪比越高, 测量结果越好。
5 使用电流传感器
对闭环霍尔效应电流传感器, 应当谨慎进行连接, 需为传感器提供电源。电源通常包括正电源和负电源, 而且必须提供足够电流, 这个电流通常为10m A~50m A。传感器应当尽可能靠近测量仪器, 以降低次级引线的电压和磁场耦合。
传感器输出是单一电流输出, 信号和电源公用回路。该输出应当直接与测量设备电流输入的高端连接。测量设备电流输入的低端应当连接至与传感器电源相同的回路。而且, 所有引线应当尽可能短。输出应当靠近电源连接。从理想角度而言3条线应当绞合在一起。在脉宽调制驱动器环境中, 接地和屏蔽有利于提高测试精度。
屏蔽电缆将改进测试效果。屏蔽接地, 并与传感器电源公共端相连。并且, 在相应的地方, 它将与传感器接地相连。屏蔽可以保护电源连接与信号。
为获得精确的测量结果, 需要为仪器配置两个参数:
(1) 分流器选择, 这是在每组基础上设置的;
(2) 电流输入比例因子, 这是在每通道基础上设置的。
6 结束语
目前, 脉宽调制电机驱动器广泛用于工业领域, 而且也在电动汽车和家用空调机等诸多领域得到广泛应用。泰克PA4000功率分析仪利用业界首创的螺旋分流 (Spiral ShuntTM) 技术以及动态频率同步技术可以实现可靠测量电机驱动有关参数, 实现对驱动器基频的稳定跟踪。该技术对数据进行高速采样, 对其总体测试参数 (包括所有谐波和载波分量) 进行实时计算。同时, 它对采样数据进行数字化滤波, 提供低频测量, 如基频测量和输出频率测量, 使PA4000成为脉宽调制驱动器测量的理想解决方案。
参考文献
微型电机电源 第6篇
关键词：电源,制动,制动单元,电机试验
1 引言
电机试验作为电机生产的主要环节,是电机性能和质量检验的主要方面,电机厂家都很重视电机试验设备建设。在国家“节能减排”政策的支持下,越来越多的电机厂采用更节能的电机试验系统。近年来,人们使用高性能的电力电子元件和DSP,结合PWM控制算法,研制出了变频方式的静止电机试验电源[1],具有环保、节能、使用方便等特点,适合电机试验需要快速变换工况的要求。
电机试验过程中,需要进行频繁的启停工况。电机启动过程,由于采用变频方式启动,解决了采用机组试验中的启动困难问题,特别是大电机。电机停机过程,则要求快速停机。变频方式试验系统中,电机停机过程伴随着能量的再生回馈[2],这会导致直流回路电压升高。因此,必须采用制动单元,消耗掉回馈到直流侧的电能,才能保证设备和人员的安全。
本文依据对制动转矩和制动过程时间的要求,着重介绍了电机试验电源制动单元的分析及计算,并且在实际工程中进行了应用。结果表明,依据本文计算过程得到的制动单元参数,满足电机试验快速制动的要求。制动单元包括斩波单元和制动电阻。
2 制动单元的确定
2.1 制动电阻的确定
变频器拖动电动机进行制动运行,由于电机转子惯性,电动机转速将大于其同步转速n0。电动机产生与转速方向相反的制动转矩,以保证负载减速制动,电动机工作在第4象限;此时电机工作于发电状态,产生的电能除部分消耗在电动机内部铜损和铁损外,其余大部分将通过变频器逆变桥回馈到直流母线侧,使直流母线电压升高。如不采取措施,很容易引起直流电压过高,影响设备和生产的正常运行。需要使用制动单元,由斩波单元监测直流回路电压,并通过开关器件形成一个斩波电路,由制动电阻消耗电机回馈的电能,达到快速停车的目的[34]。
斩波制动单元的作用是进行瞬时过电压保护,如图1所示。当检测到的电压高于设定值时,接通制动电阻回路,让电阻消耗部分电能,释放的电功率取决于电机参数、制动单元容量、制动电阻值。
制动电阻为
式中:Ra为制动回路总电阻,Ω;Rl为制动回路导线电阻,Ω;Rm为电机电枢电阻,Ω。
式中:Em为制动瞬间电机反电势最大值,V(空载时,Em≈Um);Im为制动电流最大值,A(制动瞬间电流Im≈KIe);Um为电机端最大电压,V;Ue为电机额定电压,V;Ie为电机额定电流,A;K为电机允许过载倍数。
制动回路导线电阻Rl可根据导线材质、截面、长度计算得出。
电机电枢电阻Rm一般由电机样本给出,当阻值无法得到时,也可由下式推算:
式中:Ee为电机额定电势,V。
式中:Ceφ为电机电势常数;Cmφ为电机力矩常数;Me为电机额定力矩,N·m;ne为电机额定转速,r/min;Pe为电机额定功率,kW。
综合式(1)～式(4),可得制动电阻为
为简便计算,可忽略电机电枢电阻Rm及线路电阻Rl,则:
此时,由于式(6)减去了电枢电阻及线路电阻,所选择的制动电阻阻值满足了实际工程的应用。
2.2 斩波单元的确定
斩波单元的作用是电平检测[5]和斩波,一般由IGBT斩波管及其控制电路构成,如图2所示。
当试验电机进行制动或电路出现故障导致直流电压过高时,斩波单元检测到的电压高于设定值,打开制动电阻回路,让电阻消耗部分电能,以对电机进行快速制动或保护电路安全[6]。斩波单元释放的电功率取决于制动单元的容量和制动电阻值。
3 制动工况下等效电流的确定
为简化推导及计算过程,略去静阻力矩对电机制动过程的影响。此时,电机制动期间力矩、电流特性曲线如图3所示。
由图3得到增磁段力矩方程为
其中 Mm=KMe
式中:Mz为增磁段力矩,N·m;Mm为电机最大制动力矩,N·m。
增磁段电流即为电机制动瞬间电流:
恒磁段力矩方程为
恒磁段电流方程为
根据动态力矩方程:
式中:∑GD2为折算到电机轴上的飞轮力矩,kg·m2。
将式(7)代入式(11),得到增磁段力矩平衡方程为
解方程得到增磁段制动时间为
为简化方程,令
将式(9)代入式(11),得到恒磁段力矩平衡方程为
解方程得到恒磁段制动时间为
将式(16)代入式(10),得到恒磁段制动电流方程为
根据式(17)绘制制动电流过渡曲线,如图4所示。
根据曲线求得制动周期内的恒磁段等效电流为
结合式(14)和式(18)得到电机工作周期内的等效制动全电流为
3.1 电机频繁制动工况下等效电流的确定
在反复短时工作制、频繁制动的情况下,等效制动电流可按照式(19)计算得到。
当制动过程中不存在增磁段时,等效制动电流为
当电机最高运行转速小于额定转速时,等效电流计算仍按式(20)进行,而时间常数用下式求得:
3.2 电机偶尔制动工况下等效电流的确定
电机偶尔制动工况下,取制动周期T为制动电阻的热时间常数,并令在此期间的制动次数为Kz,则式(19)可转变为
一般情况下,考虑到τ=T,则式(22)可简化为
电机偶尔制动工况下的等效电流即可由式(23)计算得到。当电机制动过程不存在增磁段时,等效制动电流变为
当电机最高运行转速小于额定转速时,等效电流公式仍用式(24)求取,而时间常数计算用式(21)。
4 实际计算及应用
某电机有限公司的一套750 kV·A电机试验电源,用于维修电机进行出厂试验。由于试验电机量大,需要频繁启停操作。
试验电机参数:YBK2-250M-4,55 kW,380 V,103.3 A,1 480 r/min,50 Hz,∑GD2=0.084 kg·m2。
根据以上参数,在进行电机试验电源制动单元设计时,考虑线路电阻Rl=0,则:
电动机额定力矩为
电流下降曲线时间常数为
等效制动电流按式(20)进行求取,其中斩波制动周期按照斩波管最快动作时间进行确定:
选取Cr25Ni20型电阻带,阻值实际选为3.8 Ω,额定电流62.5 A,则其额定功率约为15 kW。
图5和图6为在现场实际应用所截取波形,其中,图5为电机制动波形,图6为斩波启动波形。
5 结论
本文结合工程实际应用,针对变频方式电机试验电源系统,推导了电机试验频繁制动工况下需要的制动电阻阻值及等效电流计算公式[7]。由于略去了电机静阻力矩对制动过程的影响,使得根据推导公式求得的等效电流较实际值偏大,因此对于电阻的选择在安全范围内。
斩波单元及制动电阻在实际应用时,斩波单元距离变频器的距离不应太远[8],否则会因线间分布电感的存在而削弱制动电阻的制动效果;制动电阻的电缆也不宜过长,否则斩波电阻两端将产生斩波电压尖峰,对斩波单元的器件带来不利影响[8]。
参考文献
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微型电机电源 第7篇
目前超声波电机一般利用变压器来实现电压升压、能量传递、阻抗匹配和电源隔离,但变压器必须与不同型号的超声波电机匹配,通用性较差且难于小型化。利用电路谐振实现无变压器驱动,对超声波电机的发展和实际应用具有现实意义。
2 电源电路设计及仿真
2.1 电源电路设计及理论
超声波电机工作在其谐振频率附近,可以用一个等效电路来代替,如图1(a)所示,其中Cd是压电陶瓷介电性能引起的夹持电容,Lm是定子质量效应的等效电感,Cm是定子弹性效应的等效电容,Rm是定子内机械损耗的等效电阻,介电损耗Rd忽略不计。这些参数可以通过测量获得,也可以通过定子导纳的奈奎斯特图和波特图计算获得。在不改变电路外特性的前提下,可将图1(a)等效变换成图1(c),变换后的超声波电机等效电路简化为RC并联电路,其各参数间的关系如下[1]:
根据此等效电路设计谐振升压式电路原理图如图2所示,图中L1为外加电感。L1、C构成谐振电路,R为负载,则电感L1、开关SW1和固有电容C构成升压电路。其中L1与C组成的LC谐振电路完成升压和滤波功能,使USM获得高频电压驱动信号。
2.2 谐振升压式仿真电路
根据上述对谐振升压式驱动电源基本电路的理论分析,首先采用Multism仿真设计电路图。如图3,电路中D1为超快速二极管,因为MOSFET管内由于源极金属电极短路了N+和P,因此源极与漏极形成了寄生的二极管,这是个与MOSFET管反并联的二极管,可提供开关电源感性线圈无功电流通路,称为体内二极管;体内二极管在关断中与一般二极管一样存在恢复电流,故需串接一个超快恢复二极管。Q2、Q3、R1、R2及R6组成MOSFET管驱动电路,此电路可减少MOSFET的上升和下降时间,开通时以低电阻为栅极电容充电,关断时为栅极提供低电阻放电回路,以提高功率MOSFET的开关速度;同时可以很好的对栅极电容充电以及产生足够的MOSFET管开通和关断的米勒效应所要求的电流,如果要求速度更快,还可利用负的栅源电压以快速截至,本文设计电路采用的MOSFET管为高速MOS,响应速度达到要求,故没有加入。L1为串联电感,该电感应尽量选用高品质因数的电感。C1为超声波电机的等效电容。当E=5V,c=3.3n F,开关频率为20kHz,L=6.9mH,C=3.3n F,D=0.5时其仿真波形如图4所示。
3 电源实际电路设计及电机驱动实验
根据上述理论搭建了实际电路,电路包括信号产生部分和谐振电路部分。信号的产生以LM555定时器为核心,设计了占空比可调、频率可调的方波产生电路,其电路如图5。
LM555供应电压为4.5~18V,供应电流3~6mA,输出电流225mA,上升/下降时间为100ns,由外部电容决定开关脉冲周期的长短,充电时间是电容充电至供应电压的63.7%时。当加上电压VCC,振荡器便起振。刚通电时,由于C1上的电压不能突变,即5脚电位的起始电平为地电位,使定时器置位,3脚呈高电平。C1通过R1、R3及D1对其充电,充电时间t弃=0.693(R1+R3)C1,当C1上电压充到阈门电平2/3VCC时,定时器复位,3脚转呈低电平,此时C1通过R2、R4、D2及定时器内部的放电管进行放电,放电时间t放=0.693(R2+R4)C1,整个T=t充+t放=0.693(R1+R3+R2+R4),占空比为D,则D=t充/T=(R1+R3)/R1+R3+R2+R4,实现了产生占空比和频率均可调的方波[2]。
谐振部分按照Multism仿真图(图3)设计。其中电感要求有较高磁导率,高的电阻率,低损耗,在设计初期选用铁粉磁心,采用1.0mm漆包线手工绕制的电感,可以得到的范围为1~15mH,电感设计采用AP法。MOSFET芯片要求高速开关切换,低导通电阻,响应速度控制在10ns以内,为此,试验了多种MOSFET芯片,进行试验比较,发现IRF830,IRF220较好适应此电路。IRF220额定电流为5A,耐压200V,rDS=0.8Ω,纳米级开关速度,线形转换特性,高输入阻抗,采用了TO204AA封装。IRF830耐压达500V,额定电流为4.5A,rDS=1.5Ω,采用TO220封装,芯片较易安装。
在试验中采用了示波器为Tektronix TDS1012,直流电源采用双路输出DF1731SL3A型电源。电路设计拟为驱动本实验室中的振动片式驻波超声波电机,此电机设计频率为20kHz,实际运转频率为17kHz。此时若E=10V,L=16.3mH,输入方波信号频率为20KHz,占空比为0.48,峰值为10V,采用此谐振电路驱动电机,电机运转良好,转速约为40r/min,从示波器中得到测得谐振后波形。其谐振频率约为17kHz,峰-峰值约为240V,在此条件下降低电压E,电机的运行速度随着电压的下降而下降,当E降到4.5V时电机停止运行。如果降低信号输入频率,可以看到随着频率的下降而电机转速下降,当下降到14.5kHz时,电机停止运行;升高信号输入频率,可以看到随着频率的上升而电机转速也呈下降趋势,当升高到24kHz,电机停止运行。如果增加电感值,随着电感的增加,电机的转速呈下降趋势,如电感增加到28mH时,此时谐振电压峰-峰值约为116V,频率为15kHz,此时电机仍然运转,速度较低。但如果减少电感值,电机的速度会明显下降。
4 结论
由驱动实验可知,实际测得数据与理论分析计算略有差异,分析原因如下:(1)实际电感的储能有限,它以磁的形式储存电能,储存的电能大小可表示为W=Li2/2,电感越大,流过电流越大,其储能越多;同时电感L越大,频率f越高,感抗就越大。在设计初期采用的铁粉磁心漆包线绕制的电感在高频下容易饱和(20kHz以下差别不大),故设计中又采用了E型铁氧体磁心,直径为0.4mm的漆包线绕制,其品质因数较高,较小的磁心损耗,高频下不易饱和。(2)基本原理电路分析为其简化等效模型,建模本身存在有误差。(3)MOSFET的开通与断开总是需要一定的时间,其波形并不是纯正的方波。
参考文献
[1]胡敏强,金龙,顾菊平.超声波电机原理与设计[M].北京:科学出版社,2005.