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電機原理基礎知識 （2）
2、無刷直流電動機
無刷直流電動機就是變頻技術與直流電機相結合的產物，其具有效率高、噪音低、調速精度高、振動小、調速范圍寬、壽命長等特點。下面就空調用無刷直流電機的組成及工作原理作簡要介紹：
⑴直流電機的組成
直流電機本體：定子主要采取集中式繞組，根據控制不同，繞組相數(shù)有單相、二相、三相、四相等結構，用的最多的是三相繞組結構，繞組接法有星型接法和環(huán)形接法兩種，絕大部分繞組采用星型接法。轉子部分采用磁鋼，磁鋼提供電機的主磁場。電機控制部分：無刷電機的控制方式主要有PAM(脈幅調制技術)和 PWM(脈寬調制技術)，兩種控制方式各有優(yōu)缺點。
高壓油位置傳感器PWM驅動電路原理框圖，主要由控制電路、逆變電路、三角波發(fā)生器、比較器、保護電路等組成。從原理框圖可以看出，無刷直流電機的控制部分只包含一直一交變頻電路中的逆
變部分，整流及濾波部分由空調的主電控完成。
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眾所周知，永磁體提供的磁極磁場在電機旋轉過程中固定不變的，這就是要求每個時刻定子繞組產生的電樞磁場必須與轉子的磁極磁場相對應，即繞組的電流方向、導通與關斷受轉子位置的控制。因此，無刷直流電機必須有轉子位置信號輸出給電機的控制電路，電機的控制電路根據轉子位置信號來控制相應的功率開關管的導通與關斷，從而控制相應繞組的電流方向、導通與關斷。定子繞組若按一定的通電順序進行切換，就可以形成一個與轉子位置對應的旋轉磁場，使電機按要求的旋轉方向旋轉。相對磁鋼的某一磁極而言，每個時刻與它對應的電樞磁場是固定的，即繞組的電流方向是固定的，這與有刷直流電機類似。
無刷直流電機運行原理圖，繞組為三相星形接法，120度均布，采用三相半橋驅動方式，轉子為一對極。在圖示位置，磁鋼的磁極中心線與A相繞組對齊，此時的控制電路根據轉子位置檢測信號，使S1開關管觸發(fā)導通，B相繞組通電，在B相繞組磁場的作用下，轉子將順時針旋轉120獨門，到達虛線轉子所示的位置，磁鋼的磁極中心線與B相繞組對齊，此時，控制電路根據轉子位置檢測信號，使S1開關管關斷，使S3開關管導通，A相繞組通電，轉子在A相繞組磁場的作用下，轉子將順時針旋轉120度，按上述通電順序循環(huán)導通，轉子就順時針旋轉下去。無刷直流電機采集轉子位置信號，前者，電機結構簡單，但電機起動困難;后者，電機結構稍復雜，但起動平穩(wěn)、可靠，目前大部分的無刷直流電機均采用后者。位置傳感器的種類很多，空調用的無刷直流電機一般采用霍爾元件作為位置傳感器。
無刷直流電機大部分采用三相星形繞組結構，橋式控制電路，下面就二相導通星形三相六狀態(tài)的無刷直流電機的驅動原理作詳細介紹：在此電機結構中，電機一般需要三個霍爾元件。兩個霍爾元件之間的空間夾角為120度電角度，所以輸出的脈沖信號相隔120度電角度。從真值表可以看出，每個霍爾元件一次導通 180度，每隔60度必有一個霍爾元件的輸出狀態(tài)發(fā)生卻換，三個霍爾元件的輸出狀態(tài)的組合共有六種。與上述的霍爾元件的輸出狀態(tài)相對應，在一個周期內，三相繞組間隔60度電角度換相一次，每個時刻有兩條相繞組導通，每相繞組連續(xù)導通120度。每相繞組正反向各導通一次，導通時間占三分之二周期。假定電樞各相繞組的導通次序為：UV\UW\VW\VU\WU\WV。
電機在該電樞磁場的作用下，按既定方向旋轉。真值表的參數(shù)必須與控制電路的邏輯程序相吻合，電樞磁場與轉子主磁場將不匹配，電機將能運轉或倒轉。
?、请姍C調速
就調速原理來說，無刷直流電機類似于一般的直流電機，通過改變電樞兩端的直流電壓大小來改變電動機的轉速。無刷直流電機有兩種改變電壓的方法：PAM 和PWM，PAM是電壓的脈沖度保持不變，調節(jié)電壓的幅值大小來改變電壓的平均值大小;PWM正好相反，即電壓脈沖幅值不變，脈沖寬度磕掉。PAM方式調速。其調速線性度好、噪音低，控制電路簡單，但線路較復雜，噪音較大，主要用于高壓電機。
?、萈WM調速的實現(xiàn)
Vi為固定頻率和固定電壓的三角波，Vsp為直流電機電壓，兩者輸入一比較，Vi輸入比較器的同相端。當Vsp大于Vi時，比較器輸出信號Vo為高電平，當Vsp小于Vi時，比較器輸出信號Vo為低電平，Vo為一系列等寬度的脈沖波形，調節(jié)Vsp電壓的大小，即可調節(jié)Vo的脈沖寬度的大小。直流高壓 Vm施加到電機繞組兩端，即可在繞組兩端得到脈沖電壓幅值不變，脈沖電壓寬度可調的電壓，調節(jié)Vo的脈寬占空比，機可調節(jié)電機繞組兩端的電壓平均值的大小，從而調節(jié)電機轉速。PWM控制方式輸出給繞組的電壓波形是一系列等寬度的矩形波，矩形波含義較大成分的諧波。
在某些場合，為了減少諧波對電機產生的不良影響，如轉矩脈動、振動噪音和附加損耗的增加等，希望輸給繞組的電壓為正弦波，因此控制方式就要采用正弦脈寬調制技術(SPWM)在PWM控制方式的基礎上，吧Vsp電壓由輸入直流電壓該為輸入正弦波電壓，Vo即為一組幅值不變，寬度按正弦波規(guī)律變化的矩形脈沖波。用Vo來控制逆變電路的開關管的導通與關斷，輸給電機繞組的電壓的平均值即按正弦規(guī)律變化，從而改善電機的性能。在有特殊要求應用場合，可以改變 Vsp電壓的性質來改變PWM控制方式的特性，是PWM控制方式滿足使用要求。
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因為采用了變頻技術和位置傳感技術，使無刷直流電機繼承了有刷直流電機的特性，又無有刷直流電機的缺點，所以直流電機得到迅速發(fā)展，在各個領域得到了廣泛的應用。以家用變頻空調為例，使用無刷直流電機，電機轉速的調節(jié)范圍很寬，在變頻空調需要快速制冷、制熱;無刷直流電機易于實現(xiàn)精確控制;無刷直流電機的效率高，為變頻空調實現(xiàn)高能效比提供保障。
七、電機主要參數(shù)
1、空載輸入電流：是指電機在額定工作電壓、額定電源頻率、額定電容下、空載運行(軸上輸出功率為零)情況下，流入電動機的電流稱為空載電流。單位：A或mA.
2、空載輸入功率：是指電機在額定工作電壓、額定電源頻率、額定電容下、空載運行(軸上輸出功率為零)情況下，流入電動機的功率稱為空載功率。這部分功率消耗主要體現(xiàn)在磁場儲能，定、轉子繞組銅耗和鋁耗，交變磁通在鐵芯損耗，通風、軸承摩擦產生機械耗損。單位：W(瓦)
3、負載輸入電流：是指電動機在額定工作電壓、額定電源頻率、額定電容下、帶額定負載運行在額定轉速下，所輸入電機的電流。單位：A或mA.
4、負載輸出功率：是指電動機在額定工作電壓、額定電源頻率、額定電容下、帶額定負載運行在額定轉速下，軸伸端所輸出的功率。單位：W(瓦)。
5、溫升：是指電動機在制定測試條件下運行，內部繞組與鐵芯部分的溫度相對于測試環(huán)境溫度的升高值。目前較常用的測試方法為繞組電阻法。K=(R1-R0)\(234.5+T0)-(T1-T0)
6、噪音：電機噪音可分為機械噪音和電磁噪音。機械噪音通常由電機裝配不良定、轉子擦邊及軸承噪音等形成。定轉子氣隙不均勻受裝配零件同軸度的影響較大，磁場過于飽受設計功率較大電機的材料限制造成。噪音用dB表示。
八、設計
單相電容運轉異步電動機必須提供參數(shù)：目前空調電機設計而言具備下述條件之一即可：1、額定電壓、頻率、電容、負載轉速、負載輸出功率、外形安裝;2、額定電壓、頻率、電容、負載轉速、實際負載、外形安裝;3、額定電壓、頻率、電容、負載轉速、樣機、外形安裝;4、額定電壓、頻率、電容、負載轉速、T-S曲線、外形安裝;
九、那些參數(shù)變化可引起電機成本增加在電機設計已是最優(yōu)化狀態(tài)下，下述要求必須增加成本：1、負載不變情況下，要求提高轉速;2、負載不變情況下，要求降低溫升;