交流感应电动机和无刷直流电动机之间的控制差异?


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我在工业交流电机控制(软启动器,VFD等)方面拥有相当扎实的背景,但是我当然并不精通无刷直流电机……在地球上每个硬盘驱动器中都可以找到这种类型。

据我所知,它们看起来与典型的星形交流感应电动机相同,并且电动机控制器看起来与我在职业生涯中大部分时间都在设计的典型三相交流控制器非常相似。

无论从机械构造的角度还是从控制的角度来看,我都找不到太多关于两者之间真正差异的信息。我似乎找到的最接近的是“它们相似”。

是否有任何人有资源或可以对这些类型的电动机及其控制方法之间的主要区别提供相当技术性的解释?


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BLDC效率更高,噪音更低,总体上“相似”,但不相同。对于交流电动机,正弦参考表示正弦输出(带有控制电路),反电动势也为正弦,因此电动机会降低功率,但效率较低。对于BLDC,我认为误导性术语是DC,它们不过是带有磁扭的同步AC电动机。同样,驱动是通过霍尔传感器(需要时)或通过检测反电动势完成的,因此“原理”是不同的,并且正弦正弦BLDC的波形也失真,但不完全是梯形的。最后,几乎没有差异,但是它们存在。
弗拉德

Answers:


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来自电路的所有方面

无刷直流电动机类似于交流同步电动机。主要区别在于,与无刷直流电动机的矩形或梯形反电动势相比,同步电动机产生正弦反电动势。两者都有定子产生的旋转磁场,从而在磁转子中产生扭矩。

在构造上,基本上没有区别。

通用电机控制器

上图中的电动机可以称为“交流感应电动机”或“无刷直流电动机”,并且可以是同一电动机。

主要区别在于驱动器。交流电动机由正弦交流波形组成的驱动器控制。它的速度与该波形的频率同步。由于它是由正弦波驱动的,因此它的反电动势是一个正弦波。可以从墙上的插座驱动单相交流电动机并且交流电动机的转速为3000 RPM或3600 RPM(取决于您使用50 / 60Hz主电源的原产国)。

请注意,我说可以在那里。为了从一个DC源驱动的电动机,控制器,其基本上只是一个DC到AC逆变器,被需要。正确地说,交流电动机也可以由控制器驱动。例如,变频驱动器(VFD),正如您所说的,是DC到AC逆变器。尽管通常它们具有交流至直流整流器前端。

PWM VFD http://www.inverter-china.com/forum/newfile/img/PWM-VFD-Diagram.gif

VFD使用PWM来近似正弦波,并且可以通过连续改变脉冲宽度来使其接近,如下所示:

正弦与PWM

虽然使用PWM近似正弦波会产生接近正弦的反电动势波形(“ fuzzy”是您所用的词),但它的执行也有些复杂。一种更简单的换向技术称为六步换向,其中,反电动势波形比正弦波更梯形。

六步驱动器http://www.controlengeurope.com/global/showimage/Article/18087/

六步反电动势http://www.emeraldinsight.com/content_images/fig/1740300310012.png

正如您所说的那样,“ PWM确实很差”,但实现起来也简单得多,因此更便宜。

除六步法和正弦波法外,还有其他换相方法。在我看来,唯一真正流行的是空间矢量驱动。这具有与正弦驱动相同的复杂度,但是可以更好地利用可用的直流总线电压。我不打算详细讨论空间矢量,因为我认为这只会使讨论的内容混乱。

这些就是驱动技术的差异。用于驱动交流电动机的波形通常为正弦波,可以直接来自交流电源,可以使用PWM近似。用于驱动直流电动机的波形通常是梯形的,并且来自直流电源。尽管效率受到轻微的影响,但没有理由不能交换驱动器。

*本质上

上面我说过,两种类型的电动机的结构基本相同。在交流感应电动机和无刷直流电动机这两种情况下,我们都在谈论缠绕定子而不是永磁体的电动机。这使它们成为“通用电机”

在电机中绕制定子的一个优点是,可以制造一个以AC或DC运行的电机,即所谓的通用电机。

但是,绕组略有不同。设计用于AC的电动机是正弦缠绕的,而用于DC的电动机是梯形缠绕的。困扰我多年的是,我找不到显示差异的简化图。如果给我一个电动机的定子,我将不知道它是正弦缠绕还是梯形缠绕。我知道区别的唯一方法是通过将钻头连接到轴并查看反电动势来反向驱动电动机。如上图所示,您将看到一个不错的正弦波或更多的梯形。就像我在上面说的那样,使用错误类型的驱动器会导致轻微的性能下降,但在其他方面也会起作用。

通常,无刷直流电动机的转子上装有永磁体。尽管这与鼠笼式电动机有所不同,但只要定子是绕线定子而不是永磁定子(如在有刷直流电动机中所示),则两种设计本质上都是“通用电动机”:

PM与鼠笼

上图的永磁体侧显示了一个两极电机。极数控制转矩波动。极数越多,转矩曲线越平滑。但是从交流与直流的角度来看,极数没有什么区别。

定子绕组的连接(三角形与星形连接)也不会影响驱动方法。实际上,您可以在运行时在两者之间切换:

三角星切换

所不同的是,三角形将吸收更多的电流,从而产生更多的扭矩。有关电流与转矩或电压与速度之间关系的更多信息,请参阅我对EE.SE问题的回答


感谢您提供详细的答案,但您的控制方法与AC逆变器的功能完全匹配(使用IGBT或FET切成DC来模拟正弦电流波形)。您展示了一个三角形连接的电动机,该电动机也很常见,但没有回答BLDC和标准鼠笼式交流感应电动机之间的区别。除非您的PWM非常差,否则反电动势应非常接近正弦曲线。在大多数情况下,VFD的电流波形是“模糊”正弦波...用于BLDC的PWM是否不相同?
akohlsmith

@AndrewKohlsmith老实说,我也不满意自己的回答,但我在中间被打断,不得不跑步。我已经扩展了我的答案,希望可以使它更加清晰。在您的评论中,我还回答了一些其他问题。让我知道区别是否仍然不清楚。
Embedded.kyle

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这是一个了不起的答案。我以前不知道梯形缠绕的线圈。我会问我的一家汽车修理厂的朋友。星三角起动器和自动变压器起动器是我遥不可及的过去。六脉冲(对于EMI / RFI /谐波18脉冲更常见)的设计是我在整流器前端上常见的设计,而不是在电机侧,因为PWM控制使您接近干净的正弦电流波形。所有人都说,很好的答案!
akohlsmith

空间矢量(和磁通矢量)设计在软件中具有电机模型,并使用一对函数(Clark和Park)将电流波形转换为磁化和转矩产生矢量,然后将其旋转并转换回电流矢量。然后将这些新的电流矢量用作设定点,以更改PWM以尝试获得计算出的电流。这个想法是比通过直接的V-Hz缩放更精确地控制电动机。
akohlsmith

似乎BLDC和鼠笼式感应电动机都可以具有相同的控制算法,只要电动机模型可以检测或选择电动机绕组的类型即可。永磁(同步)电动机将具有不同的控制机制,因为电动机的滑差会大大降低。
akohlsmith,2012年

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我回答这个问题有点晚了,我还不能直接回复上面的Embedded.kyle,但是我想纠正上面给出的一些错误信息。我的专长是电动机,而不是控制装置。

1)“通用电动机”与BLDC或感应电动机完全不同。通用电动机具有缠绕的定子和电枢,并带有电刷。仅仅因为定子被绕制并不能使其成为通用电动机……与通用电动机链接的Embedded.kyle链接只是将它们与PMDC有刷电动机进行比较。

2)BLDC电机的转子上始终带有磁铁。就像我在上面说的,它们从不被称为通用电动机。万能马达是完全不同的野兽。

3)关于梯形和正弦形,没有标准的方式来缠绕感应电动机和无刷电动机(我不喜欢术语“正弦缠绕”和“梯形缠绕”,原因我将在下面解释)。通常,感应电动机设计人员会尝试产生正弦曲线的气隙MMF和磁通。这通常通过所谓的“分布式”绕组来完成。所有这些意味着,您将拥有多个匝数不同的线圈,以近似于正弦曲线,而不是匝数为T的线圈。

无刷电机可以有一个反电动势,看起来更正弦或梯形,如Embedded.kyle所述。但是,您将永远不会得到纯粹的正弦或梯形反电动势...电机的设计和制造方式可以防止这种情况的发生。它总是介于两者之间。反电动势的形状由许多因素决定-缠绕方式,定子齿与转子磁体的比例,叠片齿的形状,转子磁体的形状等。这就是为什么我不喜欢这些术语的原因“正弦伤口”和“梯形伤口”-反电动势取决于其缠绕方式以外的其他因素。您可以使用“梯形”驱动器或“正弦”驱动器来驱动任何无刷电机。通常(但这不是通用的),如果您有一个带有或多或少的陷阱反电动势的电机,该电机打算与陷阱驱动器配对,则电机制造商会将其称为BLDC电机。同样,如果您的电动机具有与正弦驱动器配对的或多或少的正弦反电动势,则电动机制造商会将其称为BLAC电动机。但是,这两种类型的电动机都可以与任何一种驱动器一起运行。

4)10月23日19:06指向的embeded.kyle链接未显示正弦和陷波绕组之间的区别。我可能还会在此处发表评论,但这两者之间的区别在于,一个是搭接绕组,另一个是同心绕组。


如果我可以给您评分超过+1,我会做。而且,如果我可以在两个答案之间分配一个可接受的答案,我肯定会这么做。非常感谢你。我没有意识到所有BLDC都有永磁转子。这将以微妙的方式影响控制算法,这是我试图确定的另一件事。谢谢!
akohlsmith,2012年

@Brad-这是我的选择,但是,如果答案使用单词“梯形”而不是“ trap”,或者已建立的“ trap”是“梯形”的同义词,并且与“正弦”相同,则对我有帮助和“正弦”。我患有一种与诵读困难症具有类似作用的障碍,所以我读了一些句子,然后重新读了一些句子,以为自己的语气发生了变化,我觉得自己“有点儿糊涂”。否则,我发现您的答案非常有帮助,除了第一个答案之外,还为我增加了很多东西,因此我对其进行了+1。
gbulmer 2014年

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根据Wikipedia的说法,无刷直流电动机是永磁同步交流电动机,具有集成的逆变器和整流器,传感器以及逆变器控制电子设备。我对交流电动机不太熟悉,但是我认为从功能的角度来看,无刷直流电动机最好归类为交流电动机的子集。

在应用程序方面也可能存在其他差异。例如,步进电机和无刷直流电机之间的区别通常是预期的应用,而伺服电机是指带有集成旋转位置传感器的电机(通常但并非总是有刷直流电机)。


对; 问题特别是关于“原始”运动差异和控制策略差异。据我所知,您将以与驱动交流感应电动机完全相同的方式来驱动无刷直流电动机,该电动机通常具有一个三相PWM波形,该波形以正确的幅度近似于一个三相正弦波和频率(V-Hz比率)以在给定转速下获得最大扭矩。
akohlsmith
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