感应马达及其变频驱动控制

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1、感應馬達及其變頻驅動控制(C.M.Liaw,清大電機系)1.簡介2.同步旋轉磁場(Synchronousrotatingfield)3.感應馬達之分類及結構4.三相感應馬達之操作原理5.感應馬達之等效電路及操控特性6.變頻器供電之感應馬達驅動系統7.變頻器之分類8.變頻器供電感應馬達驅動系統之機電能量轉換9.感應馬達之間接磁場導向控制(或間接向量控制)10.由量測從事動態模式之估測1.簡介:感應馬達驅動系統之組成+VdInverterIMECLoad−CommandSwitchingandControllerdrivingCurrentfeedbackVelocityand/o

2、rpositionfeedback1Converter-Motor-MechanicalloadConverter-Motor-Mechanicalload間之配合間之配合(強電)P(機電介面)(機械負載)(電源)(耦合)Power+iMechanicalVMotorConverter-loadTeωrpositioncurrentsensor(控制)sensorP=TeωrMotor:Electricalpowertomechanicalpowerconversion:P=TeωrMechanicalequation:Te=TL+Bωr+J(dωr/dt)(Developed

3、(Load(Damping(Inertiatorque)torque)ratio)constant)馬達驅動系統由電源經變頻器供給電能量至馬達，產生轉矩帶動各式機械負載，馬達需能產生適當轉矩-速度特性。而又因馬達轉矩係由電流經由電源流經變頻器之電流轉換所得，因此，變頻器中所用開關元件之額定須與馬達之轉矩樣型配合之。變頻器供電馬達之特性甚受變頻器輸出諧波成份之影響，而諧波成份決定於變頻器之架構，如電壓型或電流型、及切換控制策略。在實際應用上，如何在變頻器及感應馬達間適當選擇搭配，使馬達本身具有良好操作特性，係在整体驅動系統設計上很重要之一環。首先，必須先瞭解不同組態之變頻器採用不

4、同之切換技術，所得輸出電壓或電流之頻譜特性。其次，應瞭解在具有諧波成份之非正弦波供電下馬達之操作特性，如諧波電流、諧波損失、效率、繞組電壓應力、脈動轉矩、噪音等等。2感應馬達單相等效電路RLL'I'1122+I+Im基本波1V1E1LmR'/s2(atf)--(a)基本波'R1L1L2+I第h次諧波Vhh''R/s≈R2k2(athf)-(b)第h次諧波2.同步旋轉磁場⌧m≠2oP極m相交流機：m個電樞繞組在空間互差360/mo電氣角度(機械角度=(2/P)/m)360放置，通以互差o電氣角度之m相平衡電流。同步旋轉磁場之360/m速度為：120f/P(rpm)⌧m=2：P極2

5、相交流機oNa=Nm：2電樞繞組在空間互差90電氣角度放置，o通以互差90電氣角度之2相平衡電流im(t)=Icosωt,ia(t)=Isin。ωtNa≠Nm：2電樞繞組在空間互差90o電氣角度放置，o通以互差90電氣角度之2相不平衡電流，使Nmim(t)與保Naia(t)持兩相安匝平衡，亦即:Nmim(t)=NmImcosωt,Naia(t)=NaIasinωt,NmIm=NaIa3單相線圈(m=1)之旋轉磁場a'iaa相之ωt磁軸π2xaF(θ,t)=Niacosθ=NImcosωtcosθ=∆11NImcos(ωt−θ)+NImcos(ωt+θ)=Ff+Fb22Forwa

6、rdBackward僅生脈動旋轉磁場，可分解成Forward及Backward旋轉磁場，如為單相馬達，轉子不能自行啟動，可運轉，但具近乎兩倍頻之脈動轉矩(Pulsatingtorque)。三相線圈(m=3)之旋轉磁場θa'biaibiciaiba相之xcx磁軸ωtec'0π/2πb'xaooF(θ,t)=Niacosθ+Nibcos(θ−120)+Niccos(θ+120)oo=NImcosωtcosθ+NImcos(ωt−120)cos(θ−120)oo+NImcos(ωt+120)cos(θ+120)=0.5NImcos(θ−ωt)+0.5NImcos(θ+ωt)o+0.5

7、NImcos(θ−ωt)+0.5NImcos(θ+ωt+120)o+0.5NImcos(θ−ωt)+0.5NImcos(θ+ωt−120)3=NImcos(θ−ωt)2Onlyforward43.感應馬達之分類及結構三相IM：鼠籠式、繞線式。單相IM：全為鼠籠式分相啟動式、電容啟動式、電容運轉式、電容啟動/運轉式、蔽極式、其他。(1)、繞線式：轉子放有三相平衡繞組，經由炭刷滑環接到外面之電阻，改變外加電阻值，可以得所需啟動特性及並可改變速度。(2)、鼠籠式：轉子為一些如圖示之短路銅條，無法如