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电机控制器

2018-07-26 10:44:30     所属分类:电动机

电机控制器是一个设备或设备组,以事先定义的方式来控制电动机的性能[1]。电机控制器可以用手工或自动的方式启动电机或停止电机,设定电动机正转或反转,设定及调整转速,调整或限制电动机力矩,保护电动机免于过载或故障[2]

目录

  • 1 应用
  • 2 类型
    • 2.1 电机起动器
    • 2.2 降压起动器
    • 2.3 调速驱动器
    • 2.4 智能控制器
  • 3 过载保护器
  • 4 电压丧失保护
  • 5 伺服控制器
  • 6 步进电动机
  • 7 参考资料

应用

每个电动机都会有对应的控制器,控制器的特性及复杂度会随依电动机需要呈现的性能而不同。

最简单的控制器是连接电动机及电源的开关,例如小的家电或动力工具等。开关可以以人工方式操作,或是用连接到一些感测器的继电器或接触器来自动启动或停止电动机。开关可以有不同的选择位置,让电动机以不同的方式连接到电源,可能包括减低电动机启动时的电压,反转运转,或是选择不同的速度。小型的控制器可能会省略过载及过流等保护装置,此时就靠外在的过流保护线路来避免电流过大,小电动机有些有内建的过载保护,在过载时自动开路避免过载。较大的电动机会有在控制器中加入过载继电器或温度感测的继电器,以及保险丝或断路器避免过电流。自动的电动机控制器也可能包括极限开关或其他设备以保护机械。

更复杂的电动机控制器可以精确的控制电动机的速度及转矩,也可能是机械控制位置的闭回路控制系统中的一部分。例如数控车床需要依事先设定的曲线精确的控制刀具的位置,而且要依负载及外界力量来加以补偿,以维持刀具在既定的位置上。

类型

电动机控制器可以由人工操作,也可以是遥控或是自动操作,可以只包括启动及停止电动机的功能,也可以包括其他较复杂的功能[2][3][4]

电动机控制器可以用配合电动机的型式来分类,例如驱动永磁同步电动机、伺服电动机、串激或分激直流电动机,或是交流电动机。

电动机控制器会连接到电源,可能是电池或是市电,也会有一些可以输入或输出(数位或类比)讯号的电路。

电机起动器

小电动机可以用开关或断路器接到电源来启动,大电动机需要配合特殊的切换单元,称为电动机启动器或电动机接触器。当启动时,在线直接起动(direct on line,简称DOL)的启动器会直接将电动机接到电源。降压启动器、Y-Δ切换启动器或软启动器会借由降电压的电路将电源接到电动机,之后电压会逐渐上升或分段上升[2][3][4]。较小功率的电动机启动器是一个人工操作的开关,较大的电动机或是需要遥控或是自动控制的应用,一般会使用磁性接触器。中压电源(约数千伏特)会用断路器作为开关元件。

在线直接起动(direct on line,简称DOL)的电动机启动器会将线电压全部加到电动机端,这是最简单的电动机启动器。在线直接起动的启动器也可以包括保护元件。小功率的在线直接起动启动器是用人工操作的,大功率的启动器会用机电的接触器(继电器)来切换电动机电路,也有使用固态电子的在线直接起动启动器。

若电动机启动的高突入电流不会造成电源的过多电压下降,此时就会使用在线直接起动的启动器。启动器可以配合的最大电动机功率也会受限于电源的能力。例如一些农村的电力设备可能会要求大于10kw的电动机使用减压的电动机启动器[5]

有时会用在线直接起动来启动小型的水泵、压缩机、风扇及输送带。像是鼠笼式电动机,电动机若用在线直接起动,加速在全速之前会有高启动电流,约为满载额定电流的6至7倍。为了减小突入电流,大电动机会用减速式电动机启动器或是调速驱动器英语variable speed drive来减小启动时电源的电压下降。

可反向的电动机启动器可以让电动机正转或是反转。这类启动器会包括二组在线直接起动的电路,分别针对正转及反转,并有机械或电气上的互锁,避免二个电路同时动作[5]。三相电动机可以对调二相来达到反转,单相的交流电动机或直流电动机需要其他的设备来达到反转。

降压起动器

可以用二个或是多个接触器,在电动机启动时提供较低的电压。使用自耦变压器或串联电感,可以在电动机启动时在端子输入较低的电压,减小启动转矩及突入电流,在电动机的速度到达额定转速的一定比例时,起动器自动将电动机端子切换到正常电压输入。因为自耦变压器及串联电感只在启动时有重压的启动电流流过,时间可能只有几秒,因此其额定会比相同电流,连续使用下的额定要小。较低的电压到正常电压的切换可以用时间计时来切换,或是配合电流感测器,当电流开始下降时进行切换。Korndörfer自耦变压器启动器英语Korndörfer autotransformer starter曾在1908年申请专利。

调速驱动器

调速驱动器英语adjustable-speed drive(adjustable-speed drive,简称ASD)或是变速驱动器 (variable-speed drive,简称VSD) 是一个可以调整机械负载工作速度的设备组。调速驱动器包括一个电动机、速度控制器或功率转换器,再加上辅助的设备或是仪器。不过一般而言,驱动器(drive)只会用来指控制器[3][4]。许多新型的调速驱动器也可以进行电动机缓起动[6]

智能控制器

智能控制器利用微处理器来控制电动机控制中用到的功率元件,也可以监控电动机的负载,将电动机的转矩和负载相配合,其作法是降低给电动机的交流电电压,同时降低电流及无效功率,因此若电动机长时间运作在轻载条件下,上述方式可以量测对能源效率的改善程度,此时产生的热、噪音及振动也随之降低。

过载保护器

启动器会包括保护电动机的装置,至少会包括一个热过载继电器。热过载继电器的设计原理是当电动机的电流过大,且时间超过设定时间,继电器就将电动机的电源切断。过载继电器有一个常闭式接点,会因为过大电流过时产生的热而变成开路,热过载继电器有一个小型的加热元件,当电流上升时其温度也会对应上升。

热过载保护器可分为二种:一种是双金属片保护器,放在发热元件的附近,当温度昇高时,保护器会弯曲,最后保护器会跳脱,使电路开路,以避免电动机过载。热过载保护器在短时间的大起动电流下不会跳脱,但若运转中持续的有大电流,热过载保护器会精准的动作以保护电动机。加热线圈及双金属片的动作都有时间延迟,因此可以承受正常电动机启动时的大电流,不会跳脱。热过载保护器可以手动复归或是自动复归,依其应用而定,而且可以精准的设定要跳脱的电流。

另一种热过载保护器是利用类似焊锡的共晶合金,再配合一个有弹簧的接点。若加热元件流过的电流太大,而持续的时间太长,合金会熔化,弹簧将接点弹开,使接点断路,切断电动机的电源。共晶热过载保护器无法任意调整,需配合电动机额定电流去调整加热器和热过载保护器之间的距离[5]

有些过载保护器是电子数位型的,其中包括微处理器,像高价的电动机可能会使用这类的过载保护器。这种过载保护器监控电动机的电流,并对电动机绕组的温昇建模,也可能包右矢测及通讯机能。

电压丧失保护

使用磁性接触器的启动器一般会由提供电动机的电源再提供一组电源接触器的线圈使用。线圈有一组辅助接点,在送到启动命令后仍然继续使线圈激磁,使接点继续闭合。若出现电源断电的情形,接触器会断开,等到下一次收到启动命令后才会闭合,以避免电动机在电源故障后自行启动。这也可以针对低电压及欠相进行小幅度的保护,不过只要线圈的电压在正常电压的80%以上,接触器线圈就可以使接点闭合,因此不适合用此装置作为低电压保护的主要设备[5]


伺服控制器

伺服控制器包括了许多的电动机控制,常见的特性有:

  • 精确的闭回路位置控制
  • 快速的加速时间
  • 精准速度控制的伺服电动机可以由其他种类的电动机制作而成,最常见的有:
    • 直流有刷电动机
    • 直流无刷电动机
    • 交流伺服电动机

伺服控制器会利用位置回授进行闭回路的控制,一般常用旋转编码器、解角器及霍尔效应传感器来直接量测转子的位置。

其他的回授方式像量测未激磁的线圈的反电动势来侦测转子位置,或是侦测当线圈电源突然关闭时产生的突波电压,这些称为无感测器(sensorless)的控制方式。

伺服电动机可以用脉冲宽度调变(PWM)的方式进行控制,脉波维持的时间(约为1-2ms之间)即为电动机定位的时间,另一种控制方式则是用脉波及方向。

步进电动机

步进电动机是一种同步,不需电刷,高极数且多相的电动机,一般是用开环控制处理(但也有例外),也就会假设转子位置会跟随旋转磁场的位置,因此步进电动机精准的定位会比用闭回路控制的要简单。

现在的步进电动机控制器驱动电动机的电压会比电动机额定电压大很多,且会用斩波的方式限制电流。常见的作法是有一个位置控制器送出位置及方向的脉波讯号给另一个较高电压的电路,此电路负责换相及限制电流。

参考资料

  1. ^ National Fire Protection Association. Article 100 Definitions. NFPA 70 National Electrical Code. 1 Batterymarch Park, Quincy, MA 02169: NFPA. 2008: 24 [January 2008]. 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 Siskind, Charles S. Electrical Control Systems in Industry. New York: McGraw-Hill, Inc. 1963. ISBN 0-07-057746-3. 
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 National Fire Protection Association. Article 430 Motors, Motor Circuits and Controllers. NFPA 70 National Electrical Code. 1 Batterymarch Park, Quincy, MA 02169: NFPA. 2008: 298 [January 2008]. 
  4. ^ 4.0 4.1 4.2 Campbell, Sylvester J. Solid-State AC Motor Controls. New York: Marcel Dekker, Inc. 1987. ISBN 0-8247-7728-X. 
  5. ^ 5.0 5.1 5.2 5.3 Terrell Croft and Wilford Summers (ed), American Electricans' Handbook, Eleventh Edition, McGraw Hill, New York (1987) ISBN 0-07-013932-6 pages 78-150 through 7-159
  6. ^ Soft Starting. machinedesign.com. 

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