提高電機設計能效的新方法

隨著(zhù)節能成為全球范圍關(guān)注的焦點(diǎn)，電機設計的能效也成為一個(gè)引人關(guān)注的問(wèn)題。由于各國政府相繼出臺各種法規來(lái)要求提高能效，為了應對能效挑戰，電機驅動(dòng)電路變得越來(lái)越復雜。本文討論電機驅動(dòng)電路的產(chǎn)品和行業(yè)趨勢，并提供有助于設計人員降低能耗、提高可靠性、減少元件數量、實(shí)現環(huán)保的解決方案。

工業(yè)領(lǐng)域的電機種類(lèi)

近100年來(lái)，電器產(chǎn)品主要使用感應電機，即使是變頻驅動(dòng)型電器，也是采用感應電機?，F在某些新型電器開(kāi)始采用效率更高、尺寸更緊湊、重量更輕的電機。這些新型電機可分為兩大類(lèi)，即無(wú)刷直流電機和開(kāi)關(guān)磁阻電機。

許多常見(jiàn)的家用電器都采用帶變頻驅動(dòng)的無(wú)刷直流電機。這類(lèi)高效的通用電機具有很高的轉矩密度。隨著(zhù)能源價(jià)格飆升，業(yè)界重新燃起了對無(wú)刷直流電機的興趣。但一直以來(lái)，成本以及驅動(dòng)設計的整體復雜性阻礙了這種電機的廣泛采用。

開(kāi)關(guān)磁阻電機則多用于吸塵器和手持電動(dòng)工具這類(lèi)不關(guān)注電機噪聲和轉矩波動(dòng)的電器中。開(kāi)關(guān)磁阻電機的特點(diǎn)是轉矩大、轉速高，但價(jià)位非常具有競爭力。

無(wú)刷直流電機和開(kāi)關(guān)磁阻電機都要利用一個(gè)微控制器或DSP來(lái)進(jìn)行波形調節，然后用功率開(kāi)關(guān)(功率MOSFET或IGBT) 放大這些調節后的波形。

驅動(dòng)電路

設計變頻驅動(dòng)電路可有以許多不同的方式。在典型的三相電機中，最流行的低頻驅動(dòng)方案是梯形波驅動(dòng)電路，如圖1所示。圖2給出了梯形波驅動(dòng)電路的實(shí)際測試波形。

圖1：最流行的低頻驅動(dòng)方案――梯形波驅動(dòng)電路。

圖2：梯形波控制方法及實(shí)際測試波形。

如果需要更高的頻率和性能，可采用PWM方法來(lái)產(chǎn)生正弦波。若要再進(jìn)一步提高效率，便可采用空間矢量調制 (Space Vector Modulation) 法。

永磁三相同步電機有兩個(gè)流行的類(lèi)型，即正弦永磁同步電機和梯形波無(wú)刷直流電機。正弦永磁同步電機與梯形波無(wú)刷直流電機(電氣性能)非常相似，它們的區別主要體現在以下兩個(gè)方面：(1)電機構造或者說(shuō)反電動(dòng)勢(BEMF)的波形不同，一個(gè)是感應電壓正弦永磁同步電機，另一個(gè)是梯形波無(wú)刷直流電機；(2)控制電壓的波形不同，一個(gè)采用三相正弦(所有三個(gè)相位同時(shí)有電流流過(guò))，一個(gè)采用矩形六步換流。