電動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)元件及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

1、第一章 電動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)元件及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一、 簡(jiǎn)介電動(dòng)機(jī)(electric machine)在工業(yè)及民生之應(yīng)用上甚為廣泛，因此又可稱為動(dòng)力之母，以提供給電動(dòng)機(jī)之電力來(lái)源之種類(lèi)，可將電動(dòng)機(jī)大約分為兩大類(lèi)型，其一為直流電動(dòng)機(jī)及其二為交流電動(dòng)機(jī)，而電動(dòng)機(jī)又可稱為馬達(dá)(motor)。直流電動(dòng)機(jī)之結(jié)構(gòu)包括外殼、場(chǎng)軛、電樞、繞組、碳刷、換向片、軸承及基座。依電樞之置放方式又可分為內(nèi)轉(zhuǎn)式直流電動(dòng)機(jī)及外轉(zhuǎn)式直流電動(dòng)機(jī)，傳統(tǒng)工業(yè)上之直流電動(dòng)機(jī)大都採(cǎi)用內(nèi)轉(zhuǎn)式直流電動(dòng)機(jī)，隨著工商業(yè)之發(fā)達(dá)，外轉(zhuǎn)式直流電動(dòng)機(jī)已逐漸被廣泛地應(yīng)用在民生消費(fèi)品上，如電動(dòng)機(jī)車(chē)及電動(dòng)跑步機(jī)。由於直流電動(dòng)機(jī)有換向片及碳刷會(huì)產(chǎn)生火花及維護(hù)困難之問(wèn)題，因此除

2、了少數(shù)直流電動(dòng)機(jī)還有換向片及碳刷，絕大多數(shù)皆採(cǎi)用無(wú)刷式直流電動(dòng)機(jī)，因此其可分為有刷式直流電動(dòng)機(jī)及無(wú)刷式直流電動(dòng)機(jī)兩種。由於交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固，並且無(wú)碳刷及換向片，不會(huì)產(chǎn)生火花，維護(hù)容易，加上功率元件及微處理機(jī)與控制技術(shù)之長(zhǎng)足進(jìn)步，使得交流伺服控制器之成本日益低廉，因此目前之交流伺服系統(tǒng)已成為工業(yè)用伺服驅(qū)動(dòng)器之主流，交流電動(dòng)機(jī)主要分成感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)及磁阻電動(dòng)機(jī)三種，其中感應(yīng)電動(dòng)機(jī)之結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、但其轉(zhuǎn)子銅損甚大，故其效率較低，並且其在間接磁場(chǎng)導(dǎo)向控制時(shí)，必須計(jì)算其轉(zhuǎn)子滑差，而轉(zhuǎn)子滑差之計(jì)算與轉(zhuǎn)子的電阻、電感有關(guān)。因此系統(tǒng)的性能常受轉(zhuǎn)子電阻、電感參數(shù)變化之影響。此外，永磁

3、同步電動(dòng)機(jī)其轉(zhuǎn)子係採(cǎi)用永久磁鐵沒(méi)有繞組，因此效率很高，並且其轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步，所以沒(méi)有滑差估測(cè)問(wèn)題，但由於良好磁性材料產(chǎn)量稀少，價(jià)格昂貴，故一般只應(yīng)用於高價(jià)位高性能之國(guó)防工業(yè)及電腦設(shè)備，不易為工業(yè)界所廣泛應(yīng)用。磁阻電動(dòng)機(jī)其轉(zhuǎn)子沒(méi)有繞組，沒(méi)有轉(zhuǎn)子銅損，故效率高且無(wú)滑差問(wèn)題，轉(zhuǎn)子亦無(wú)需磁性材料，價(jià)格低廉，故兼具感應(yīng)電動(dòng)機(jī)與同步電動(dòng)機(jī)之優(yōu)點(diǎn)。早先時(shí)候皆將同步磁阻電動(dòng)機(jī)的同步特性以加上鼠籠式繞組直接起動(dòng)，並應(yīng)用於較低性能的工作場(chǎng)所，如紡織機(jī)，幫浦等。近幾年來(lái)，由於電機(jī)設(shè)計(jì)方法及材料的進(jìn)步以及控制法則日益推陳出新，使得同步磁阻電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的特性已改善許多，在未來(lái)的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，將扮演重要的角色。由

4、於半導(dǎo)體製程技術(shù)之快速發(fā)展，各種性能優(yōu)異之晶片不斷開(kāi)發(fā)完成,而這些晶片中具有可程式規(guī)劃設(shè)計(jì)等功能透過(guò)電腦軟體輔助設(shè)計(jì)可以提供各行業(yè)發(fā)展所需功能之晶片，用來(lái)提昇產(chǎn)品之品質(zhì)與設(shè)備之功能，使之達(dá)到小型化、低成本高性能的發(fā)展目的。其中複合型可程式邏輯元件(CPLD)，由於高容積與效能之特點(diǎn)及更廉價(jià)的晶片不斷的推出，使得CPLD的應(yīng)用逐漸受到重視。另外，數(shù)位訊號(hào)處理器DSP晶片也逐漸使用在全數(shù)位交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之發(fā)展上。由於CPLD晶片是以硬體邏輯閘形式實(shí)現(xiàn)功能，將具有彈性硬體設(shè)計(jì)與快速運(yùn)算及響應(yīng)之結(jié)果。電動(dòng)機(jī)之許多的應(yīng)用場(chǎng)合如下: 1. 電力推進(jìn)器 (Electric propulsion )-

5、如幫浦、風(fēng)扇、壓縮機(jī)等(Pumps, fans, and compressor etc.)2. 工廠自動(dòng)化 (Plant automation)-如定時(shí)器3. 彈性製造系統(tǒng) (Flexible manufacturing systems)4. 紡錘及伺服 (Spindles and servos)-工具機(jī)5. 航空致動(dòng)器 (Aerospace actuators)6. 機(jī)器人致動(dòng)器 (Robotic actuators)7. 水泥窯、鋼鐵廠 (Cement kilns, Steel mills)8. 紙和紙漿廠 (Paper and pulp mills)9. 紡織廠 (Textile mil

6、ls)10. 自動(dòng)化汽車(chē)應(yīng)用 (Automotive applications)11. 海底開(kāi)鑿機(jī)、採(cǎi)礦設(shè)備 (Underwater excavators, mining equipment, etc.)12. 輸送帶、電梯、電扶梯 (Conveyors, elevators, escalators, and lifts)13. 家電及電力手工具 (Applicances and power tools)14. 天線 (Antennas)二、 開(kāi)關(guān)元件及切換1. 開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體元件 隨著半導(dǎo)體功率切換元件的進(jìn)步，電壓、電流、功率及頻率的控制變得低成本高效益，使用 IC、微處理器及 VLSI 來(lái)加強(qiáng)

7、控制的準(zhǔn)確性，以下介紹常見(jiàn)的功率開(kāi)關(guān)元件以及各元件的符號(hào)及功用：(1). 電力二極體:電力二極體之特性和一般二極體之特性相同，但應(yīng)用在電力轉(zhuǎn)換器之電力二極體與一般二極體之幾項(xiàng)規(guī)格有所不同，其差異性如下:a. 在大容量之電力二極體，其流過(guò)陽(yáng)陰極之電流比一般二極體大b. 在快速切換之電力二極體，其少數(shù)載子之能量恢復(fù)較一般二極體快速因此電力二極體大致分成三類(lèi)為:a. 一般二極體: 整流二極體b. 快速切換二極體: 如蕭特基二極體c. 大容量之電力二極體: 如整流二極體 電力二極體之特性與符號(hào)如下:(a)在截止?fàn)顟B(tài)的二極體電流(b)電力二極體之電路符號(hào)(2). 功率電晶體：功率電晶體是三端的元件，以

8、NPN 為最通用。使用基極電流來(lái)使元件導(dǎo)通或截止，元件的電路符號(hào)和特性，如下圖所示。在功率電路中使用的操作模式為準(zhǔn)飽和，即操作點(diǎn)在特性曲線的膝點(diǎn)（導(dǎo)通狀態(tài)），在短時(shí)間內(nèi)可變成非導(dǎo)通狀態(tài)。(a)功率電晶體的電路符號(hào)圖 (b)功率電晶體的特性曲線圖(3). 矽控整流器（SCR）或閘流體：矽控整流器是具有三個(gè) pn 接面的四層（PNPN）元件，如下圖所示為 SCR 的電路符號(hào)和特性曲線，在閘極施以電流訊號(hào)可使元件導(dǎo)通，當(dāng)陽(yáng)極電位較陰極高一個(gè)導(dǎo)通壓降（1 到 3 V）時(shí)，元件為順向偏壓，只要對(duì)元件施以逆向偏壓（即將跨於陽(yáng)極與陰極的電壓極性反過(guò)來(lái)）就可使元件截止。(a)矽控整流器的電路符號(hào)圖 (b)矽控

9、整流器的特性曲線圖(4). 閘極截止閘流體（GTO）：閘極截止閘流體為可利用閘極外加訊號(hào)來(lái)導(dǎo)通或截止的閘流體，電路符號(hào)及特性曲線，如下圖所示。(a)閘極截止閘流體的電路符號(hào)圖 (b) 閘極截止閘流體的特性曲線圖(5). 金屬氧化半導(dǎo)體場(chǎng)效電晶體(MOSFET)：金屬氧化半導(dǎo)體場(chǎng)效電晶體(簡(jiǎn)稱金氧半場(chǎng)效電晶體)是以低閘極電壓來(lái)導(dǎo)通或截止的元件，具有高達(dá) 30 kHz 至 1 MHz 的切換頻率，現(xiàn)有的規(guī)格為 100 至 200 V，100 A 及 1000 V，10 A 的成品。此元件有一反並聯(lián)的本體二極體，稱為寄生 (parasitic) 二極體，此二極體的切換並不是超快，且壓降較大。N 通道

10、 MOSFET 的電路符號(hào)及特性曲線，如下圖所示，此元件無(wú)逆向阻隔的能力。(a)金氧半場(chǎng)效電晶體的電路符號(hào)圖 (b)金氧半場(chǎng)效電晶體的特性曲線圖(6).閘極絕緣雙極性電晶體（IGBT）：由閘控、導(dǎo)通的電晶體及 SCR/GTO 在逆向的阻隔來(lái)看，閘極絕緣雙極性電晶體是具有 MOSFET 特性的三層半導(dǎo)體元件，電路符號(hào)，如下圖所示，現(xiàn)有額定值為 3.3 kV、1.2 kA 及 6.6 kV、0.6 kA，導(dǎo)通壓降為 5 V 的成品，亦有導(dǎo)通電壓較小且在較低電壓時(shí)有較大電流的元件，未來(lái)會(huì)有電流與電壓額定值更大的元件出現(xiàn)。閘極絕緣雙極性電晶體的電路符號(hào)圖 2. 開(kāi)關(guān)元件之切換瞭解元件在暫態(tài)的切換，在考

11、量到損失、效率和散熱處理等，對(duì)功率換流器的設(shè)計(jì)是非常重要。以通用的元件來(lái)說(shuō)明功率元件在導(dǎo)通及截止的暫態(tài)切換情形，如下圖所示，此處假設(shè)理想的電流源、電壓源和功率元件。元件是以閘極電壓來(lái)導(dǎo)通，元件中的電流經(jīng)導(dǎo)通延遲時(shí)間 td1 後由零增加至 I s，電流在 trc（電流的上升時(shí)間）內(nèi)由二極體線性轉(zhuǎn)移，在上升時(shí)間內(nèi)二極體是導(dǎo)通，故跨於切換元件的電壓為電壓源 Vs，當(dāng)電流由二極體完全轉(zhuǎn)移至切換元件時(shí)，跨於二極體的壓降由零上升到源電壓，切換元件的壓降同時(shí)在 tfv 時(shí)間下降，電流上升及電壓下降時(shí)間的和為導(dǎo)通的切換暫態(tài)時(shí)間。(a) 開(kāi)關(guān)元件的切換電路圖 (b) 開(kāi)關(guān)元件的切換波形圖當(dāng)閘極訊號(hào)轉(zhuǎn)為截止條件時(shí)

12、，切換元件再度經(jīng)歷截止的時(shí)間延遲 td2，跨於元件的電壓在 trv 時(shí)間升至 Vs，對(duì)二極體施以順向偏壓，電流由切換元件轉(zhuǎn)移至二極體，在 tfc 時(shí)間完成電流的轉(zhuǎn)移，跨於切換元件電壓的上升時(shí)間和電流下降時(shí)間的和為截止的切換暫態(tài)時(shí)間，此時(shí)元件的損失也是相當(dāng)大。切換元件的損失約略可分為：三、 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可變速度系統(tǒng)有四大部分：1. 電動(dòng)機(jī)直流或交流；2. 功率換流器 整流器、截波器、變流器及循環(huán)換流器; 3. 控制器 將電動(dòng)機(jī)與功率換流器匹配，以符合負(fù)載的需求; 4. 負(fù)載。其間之關(guān)係以方塊圖表示，如下圖所示電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的之關(guān)係方塊圖1. 電動(dòng)機(jī)現(xiàn)在使用於速度控制的電動(dòng)機(jī)為：(1) 直流電動(dòng)機(jī)

13、分激、串激、複激及他激的直流電動(dòng)機(jī)及磁阻可變電動(dòng)機(jī)。(2) 交流電動(dòng)機(jī) 感應(yīng)、轉(zhuǎn)子纏繞同步、永磁同步、同步磁阻及磁阻可變電動(dòng)機(jī)。(3) 特種電動(dòng)機(jī) 磁阻可變電動(dòng)機(jī)。 永磁同步機(jī)、同步磁阻電動(dòng)機(jī)及磁阻可變電動(dòng)機(jī)有規(guī)格更高者，但需個(gè)別訂製，因此選用電動(dòng)機(jī)時(shí)所必須考量之重要因數(shù)為： (i) 成本; (ii) 熱容量; (iii)效率; (iv) 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線; (v) 加速度; (vi) 功率密度，電動(dòng)機(jī)體積; (vii) 漣波，帶齒輪的轉(zhuǎn)矩; (viii) 備用元件及第二供應(yīng)來(lái)源; (ix) 強(qiáng)健性; (x) 危險(xiǎn)環(huán)境的適用性; (xi) 峰值轉(zhuǎn)矩 某些工業(yè)界引進(jìn)可變速度驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)機(jī)之一為節(jié)省能量

14、，因此在考慮可變速度的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，先要計(jì)算電動(dòng)機(jī)的效率，在電動(dòng)機(jī)銘牌上的功率、電壓和速度為額定值（連續(xù)穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)值）。注意功率與軸輸出功率的關(guān)係，電動(dòng)機(jī)的輸出或軸轉(zhuǎn)矩 T0如下:其中 Po 為輸出功率（單位為 hp），Nr 是單位為 rpm 的轉(zhuǎn)速， m 則是單位為 rad/sec 的轉(zhuǎn)速。電動(dòng)機(jī)的內(nèi)生轉(zhuǎn)矩Te 可表示如下:及而電動(dòng)機(jī)的效率之計(jì)算如下:電動(dòng)機(jī)最常使用於電力火車(chē)，一般電力火車(chē)在一週期中的轉(zhuǎn)矩和速度曲線，如下圖所示，由圖可知負(fù)載轉(zhuǎn)矩或速度都不是固定不變的，實(shí)際上的負(fù)載就是這樣，所以電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和功率額定值的選用並不像定速驅(qū)動(dòng)時(shí)那樣簡(jiǎn)單，在負(fù)載改變的情形中，吾人是以有效轉(zhuǎn)矩和功率來(lái)選用電動(dòng)機(jī)

15、，有效轉(zhuǎn)矩則是由如下圖所示之負(fù)載曲線計(jì)算而得。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)之電力火車(chē)在一週期中的轉(zhuǎn)矩與速度曲線圖對(duì)上圖所示之負(fù)載週期中，靜止期間不計(jì)，則有效電磁轉(zhuǎn)矩為例題1: 現(xiàn)考慮以兩部電動(dòng)機(jī)之一來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載，兩者的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速額定值一樣，電動(dòng)機(jī)的熱量限制依額定電樞電阻性損失而定。電動(dòng)機(jī)1 和電動(dòng)機(jī)2 的轉(zhuǎn)矩與電樞電流的關(guān)係如下：在負(fù)載週期中，一半時(shí)間的負(fù)載為額定轉(zhuǎn)矩的兩倍，另一半時(shí)間的負(fù)載為零，對(duì)此應(yīng)用決定那一部電動(dòng)機(jī)較為適用?解答: 不計(jì)軸損失轉(zhuǎn)矩時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩等於電磁轉(zhuǎn)矩，令Tb 為基值（額定）轉(zhuǎn)矩， Ib 為基值電流，而 為基值損失，有效電磁轉(zhuǎn)矩為 其中 d 為責(zé)任週期。電動(dòng)機(jī) 1：電磁轉(zhuǎn)矩是與電流的平方成

16、正比，於是對(duì)此負(fù)載的電流可如下求得：電動(dòng)機(jī)2：因?yàn)殡姶呸D(zhuǎn)矩是與電流成正比，對(duì)此負(fù)載的電流可如下求得：電動(dòng)機(jī) 1 滿足額定損失的熱量限制條件，故適用於本應(yīng)用。注意，雖然有效轉(zhuǎn)矩較額定轉(zhuǎn)矩大，但運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)熱量仍在安全之內(nèi)。2. 功率換流器(Power Converters)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率換流器(或稱為轉(zhuǎn)換器)可分為：(1). 控制整流器(Controlled Rectifier)：由單相或三相交流電源供電，再提供直流機(jī)控制用的直流輸出，或在交流機(jī)作為變流器的直流輸入電源。(2). 反(變)流器(Inverter)：對(duì)交流機(jī)的控制，提供在需要的頻率及相位之下的可變交流電壓和電流。電力交通工具是以電池來(lái)

17、取得直流輸入電源，有時(shí)是由控制或非控制（二極體）整流器取得交流電源的整流。由於在交流電源供應(yīng)與變流器之間存在著直流鏈，故輸出的頻率並不受限制，而使用功率元件時(shí)頻率會(huì)受到切換的限制。(3). 循環(huán)(迴旋)換流器(Cycloconverter)：對(duì)交流機(jī)的控制，提供固定頻率的交流電壓電流到可變頻率的可變電壓電流的直接轉(zhuǎn)換。輸出頻率通常限制為輸入電源頻率的 33 % 至 50% 以避免波形的失真，故只使用於低速但高功率的交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)中。(4). 截波器(Chopper)：由直流輸入電源，對(duì)直流機(jī)的控制，提供能調(diào)整責(zé)任週期之下的可變直流電壓和電流的直流輸出，提供直流機(jī)控制用的直流輸出。上列四種功率換流器之示意方塊圖，如下圖所示2直流電源Vs2截波器可控直流電壓dVdc=dVs(4) 截波器四種功率換流器之示意方塊圖3. 控制器 (Controllers)如下圖所示為控制器的示意方塊圖，控制器的輸入為： (1) 轉(zhuǎn)矩、磁通、速度、及(或)位置指令 (2) 上述指令的變化率，以便溫和起動(dòng)來(lái)保留負(fù)載的機(jī)械完整性 (3) 量測(cè)轉(zhuǎn)矩、磁通、速度、及(或)位置供回授控制之用 (4) 電流、轉(zhuǎn)矩、加速度等等的極限值 (5) 溫度回授，以及電動(dòng)機(jī)和(或)換流器中的瞬時(shí)電流及(或)電壓 (6) 轉(zhuǎn)速控制器和位置控制器的常數(shù)，如比例、積分和微分增益控制器的示意方塊圖4. 負(fù)載 Lo