一文了解直流電機(jī)/交流電機(jī)/電子整流電機(jī)的差異
2018-01-19
據(jù)外媒報道,工程師通常會在直流(DC)電機(jī)或交流(AC)電機(jī)中進(jìn)行選擇。近,電子整流(EC)電機(jī)也加入了混戰(zhàn),該設(shè)備有助于控制能量輸出,并提升能源效率。該設(shè)備技術(shù)先進(jìn),目前正在替代直流電機(jī)及交流電機(jī),可實現(xiàn)效率調(diào)節(jié)。電子整流電機(jī)與直流無刷電機(jī)均受控于外置電子線路板,可提升控制及效率。
直流與交流電機(jī)的原理
直流電機(jī)憑借碳刷及整流環(huán)來改變旋轉(zhuǎn)電樞(rotating armature)內(nèi)電流及磁場電極的方向,內(nèi)轉(zhuǎn)子與固定式永磁的相互作用將導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)動。
據(jù)maxon電機(jī)透露,直流電機(jī)受限于電刷系統(tǒng),使用壽命為1000-1500小時,若在極端負(fù)載下,將不足100小時。在工況條件較好的情況下,部分電機(jī)的運(yùn)行壽命或?qū)⑦_(dá)到1.5萬小時。此外,高速旋轉(zhuǎn)則受限于整流,通常大每分鐘轉(zhuǎn)速接近1萬次(RPM)。
直流電機(jī)的有效率(efficiency rate)較高,但存在一定的比損耗(specific losses),導(dǎo)致失效(lose efficiency)的因素包括:繞組的初始阻力(initial resistance)、電刷摩擦及渦流損耗(eddy-current losses)。
交流感應(yīng)電機(jī)(AC induction motors)則采用了一系列繞組,并受控于交流輸入電壓,并由其產(chǎn)生定子磁場(stator field),進(jìn)而在產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場。而同步電機(jī)(synchronous motor)則是另一種交流電機(jī),其運(yùn)行時的電源頻率(supply frequency)精度高。當(dāng)電流通過滑環(huán)(slip ring)或永磁體時,將產(chǎn)生磁場。同步電機(jī)的運(yùn)行速度比感應(yīng)電機(jī)快,后者的速度受限于異步電機(jī)(asynchronous motor)的滑環(huán)。
交流電機(jī)則意味著該設(shè)備的運(yùn)行數(shù)值將與性能曲線上某個特定點相對應(yīng),該曲線與電機(jī)的峰值效率(peak efficiency)將保持一致。若未按照該點對應(yīng)的數(shù)值運(yùn)行,那么電機(jī)的效率將大幅下挫。交流電機(jī)在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生感應(yīng)電流,進(jìn)而產(chǎn)生磁場,該過程將導(dǎo)致額外的耗能。所以,交流電機(jī)的效率不如直流電機(jī)。事實上,直流電機(jī)的效率要比交流電機(jī)高30%以上,因為永磁體將產(chǎn)生次生磁場(secondary magnetic field)。
上圖對比了電子整流電機(jī)、三相感應(yīng)交流電機(jī)(three-phase induction AC motor)、單相交流感應(yīng)電機(jī)及罩極電動機(jī)(shaded pole motor)的電機(jī)效率。
電子整流電機(jī)的簡介及優(yōu)勢
電子整流電機(jī)是一種受控于外部電子器件的無刷直流電機(jī),該電子器件可能是電子線路板,也可能是變頻器(variable-frequency drive)。機(jī)械整流(mechanical commutation)的執(zhí)行有賴于電子回路(electronic circuitry),線路板可改變固定式繞組(fixed winding)的相位,確保電機(jī)轉(zhuǎn)動,可提供適量的電樞電流(armature current)。若在的時間段內(nèi)向正確的方向傳輸電流,可實現(xiàn)較高的精度。由于電極的轉(zhuǎn)速受控于外部電子器件,電子整流電機(jī)不存在同步轉(zhuǎn)速(synchronous speed)受限的情況。
電子整流電機(jī)具有以下優(yōu)勢:由于該類電機(jī)無電刷,不會產(chǎn)生火星或因電刷緣故導(dǎo)致電機(jī)使用壽命縮短,且不會浪費(fèi)能量,因為其采用電子器件來控制定子,其性能及可控性較好。相較于感應(yīng)電機(jī),其運(yùn)行溫度較低。電機(jī)尺寸越小,越能節(jié)省空間,當(dāng)制造商采用外轉(zhuǎn)子(external rotor)時,甚至能節(jié)省更多的空間。
若采用電子整流電機(jī),動力分配也更為清潔。無刷直流電機(jī)靠單獨的直流電源驅(qū)動,交流電機(jī)的電源會產(chǎn)生額外的成本,且設(shè)計更為復(fù)雜。電子整流電機(jī)可直接與交流主電源相連,但其并不完全依賴于電壓或頻率,小幅的電壓變動不會影響電機(jī)輸出。
若將電子整流電機(jī)與交流罩極電機(jī)或固定分相電容器式交流電動機(jī)(AC permanent-split capacitor motor)進(jìn)行比對,則會發(fā)現(xiàn):罩極電機(jī)的效率范圍(efficiency range)在15%-25%,固定分相電容器式交流電動機(jī)(permanent-split capacitors,PCS)的范圍在30%-50%,而電子整流電機(jī)的效率范圍在60%-75%。
電子整流電機(jī)可用于低功率輸出的應(yīng)用中,如:小型風(fēng)機(jī)、伺服電機(jī)、動作控制技術(shù)系統(tǒng)(motion-control systems)。目前正嘗試新方法,將該類電機(jī)應(yīng)用到傳送帶及冷凝機(jī)組(condenser units)等大功率輸出設(shè)備。
在控制速度方面,電子整流電機(jī)擁有多速控制功能,速度控制器是其標(biāo)配件。交流電機(jī)也提供多數(shù)控制功能,并提供外置速度控制器選配件。外部控制器可調(diào)整交流電機(jī)的變壓器一次電壓(incoming voltage),可變更正弦波,會使電機(jī)的使用壽命受影響,并導(dǎo)致噪音增多。
對電子整流電機(jī)而言,整流電路的脈寬調(diào)制(pulse-width modulation)為4-20 mA,電壓為0-10 V,將電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制在10%-的范圍內(nèi)。只需采用集成電路,就能完成對電子整流電機(jī)的監(jiān)控,設(shè)計師可提供對應(yīng)的反饋信息。電子整流電機(jī)還可提供軟啟動(soft start),且噪聲及電機(jī)溫度較低。
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