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AC調速馬達與DC無刷馬達的差異(上)

很多人可能會有同樣的疑惑,這二款同樣都有調速功能,到底它們的差異點在哪?以下就針對此二款馬達的差點異做說明,差異點大致上分為以下各點。

一、電路原理差異

  • AC調速馬達

馬達部-感應或可逆馬達後端安裝轉速發電機。
調速器-設定的目標轉速與馬達實際轉速進行比較,由電壓控制部增減電壓作轉速的調整。

  • DC無刷馬達

馬達部-經由驅動器的信號設定電路,進行馬達速度及各信號的執行。
驅動器-設定的目標轉速與馬達實際轉速在驅動器的『速度比較增益補償電路』進行比較,並回到『信號運算處理電路』計算需要增/減的電流,再通知『電流控制增益補償電路』,由『功率驅動電路』提供給馬達需求的電流來符合目標轉速。

二、轉速-轉矩特性曲線差異
  • AC調速馬達




AC調速馬達的轉速-轉矩特性曲線圖中有一條『使用界限線』,在這條『使用界限線』以下為此顆馬達可以達到的轉速-轉矩範圍。
以上圖為例,當轉速為1500轉時,轉矩可達到6kgcm,當轉速為90轉時,轉矩卻只剩
2kgcm。若此機台需求4kgcm的轉矩時,在1000轉以上都能達到轉矩需求,但低於1000轉時,轉矩就會不足,帶不動機構負載。此時就必需選擇更大瓦數的馬達,來避免低速低轉矩的情況發生。

  • DC無刷馬達



DC無刷馬達的轉速-轉矩特性曲線圖,是呈現定轉速特性,馬達速度在300-3000轉時轉矩不會改變,除此之外,還具備1.25倍的矩時間運轉領域,當馬達起動瞬間或些許的卡料的情況下,短時間運轉領域或許可以克服,但若超過3-5秒還是無法帶動負載時,此時馬達就會跳過負載保護,來保護馬達及驅動器。

        以實際的例子,來說明轉速-轉矩差異。
下圖為例,我們選擇同為90W的調速馬達,在1200rpm時,AC馬達可提供的力量比DC無刷馬達的短時間運轉領域還要大,但中低速及高速時,DC無刷馬達的轉矩特性較AC馬達來得好,所以如果要選用調速馬達時,可依據轉速-轉矩特點,選擇符合機台需求及場合的馬達。
也正因為此二種馬達的轉矩-轉速特性曲線圖不一樣,所以千萬不可直接拿AC90W馬達直接對應無刷90W馬達使用,若機台大多是使用在1200rpm時,可能會發生換成無刷馬達時,力量不足的情況發生,或無刷90W馬達對應AC90W馬達使用,有可能會發生高速達不到或低速力量太小的問題。




下期我們將再繼續討論AC調速馬達與DC無刷馬達使用區分的差異。

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AC調速馬達與DC無刷馬達的差異(下)

接續上期 AC 調速馬達與 DC 無刷馬達的差異,除上期討論的電路原理、轉速 - 轉矩特性差異外,這期將討論另外的四個差異點。 三、馬達溫昇差異 AC 調速馬達 -AC 調速馬達的轉換效率大約只有 40%-50% ,剩餘的 50%-60% 都會被轉換成熱,所以 AC 調速馬達會這麼燙是因為轉換效率差所致。 DC 無刷馬達 -DC 無刷馬達的轉換效率高達 80%-85% ,只有剩餘的 15%-20% 轉換成熱,所以 DC 無刷馬達的溫昇大約只有攝氏 40-50 度之間,而 AC 馬達因轉換效率差的因素,所以 AC 調速馬達的溫昇會高達攝氏 70-80 度左右。 從上圖就能更清楚 AC 調速馬達與 DC 無刷馬達的效率與溫昇差異,而溫昇就間接影響馬達的壽命。 四、速度穩定及速度變動率差異 AC 調速馬達 - 因 AC 調速器內部電路原理及馬達轉換率的因素, AC 調速馬達的速度變動率為± 3-5% ,若需求平穩運轉的場合,但馬達速度變動率大時,運轉過程會忽快忽慢的感覺, AC 調速馬達就不適合。 DC 無刷馬達 - 因 DC 無刷調速器內部的電路原理,具有速度補償功能,若當目標速度與實際速度有差異時,驅動器內部會增 / 減電流來達到目標速度,故 BS 系列對負載、對電壓、對溫度的 速度變動率皆能在± 0.03% 內,非常適合使用在需求速度平穩的場合,例如:裝載液體流道或 LCD 面板輸送上。 五、體積差異 AC 調速馬達 -AC 調速馬達因效率差溫昇高的關係,在 60-135 瓦時,馬達需要加裝散熱風扇,所以 AC 調速馬達的體積就較 DC 無刷馬達的長度來得長。 DC 無刷馬達 -DC 無刷馬達因效率高溫昇低的關係,在任何瓦數下都不需加裝散熱風扇,而且在同樣□ 90mm 的安裝面下,最大可達到 400 瓦數的出力,所以 DC 無刷馬達具備小體積大出力的優勢,在現在樣樣需求小體積的設備上,對於使用者是不錯的選項。 六、馬達與控制器接線差異 AC 調速馬達 上圖為 AC 調速馬達的配線圖,雖然該有的功能 AC 調速器皆能達到,但是需求的功能接點接線是複雜的,例如電子剎車功能就需要一顆開關、一顆 RoCo( 火花消除

永磁無刷馬達控制

一、永磁無刷馬達 : 無刷馬達在硬體架構可分為三部份,轉子、定子及外殼,轉子部份是迴轉軸固定永久磁鐵的傳動磁場所構成的。定子是由矽綱片與線圈所構成,其中矽鋼片是積疊而成的,不需要電刷傳導電流。外殼不只是可以固定定子,也可當作軛鐵而變成磁路的一部份。無刷馬達依電子繞線分類,可分為兩相、三相及五相等無刷馬達。其中三相是較為常見,其結構和同步馬達類似。因此其驅動電路一般均使用 PWM 控制,再配合霍爾元件 (Hall_sensor) ,可得圓滑且穩定之轉矩,可用於高速及高精度控制之情況【 1 】。 二、以下為無刷馬達的主要特徵: 1. 無機械式的電刷及整流子 2. 夀命長 3. 不產生機械的雜音(除軸承部份) 4. 電刷部份不會產生碳粉、油霧等污垢 5. 不會產生電氣雜訊,不會有電波干擾 6. 不產生火花 7. 可以用於高速旋轉馬達 8. 容易製造多極型馬達 9. 正反轉扭力大 10. 馬達特性與一般 DC 馬達相同 11. 能夠製造扭力穩定、轉速穩定的馬達 12. 需要驅動電路 13. 可由控制器改善馬達特性 三、直流無刷馬達的控制架構   直流無刷馬達其轉子的轉速受到定子旋轉磁場的速度及轉子極數 (P) 所影響:  N=120*f/P 在轉子極數固定情況下,改變定子旋轉磁場的頻率就可以改變馬達轉速。其架構類似於同步馬達加上驅動器,控制定子旋轉磁場的頻率並將轉速回授至控制器反覆校正,以期達到接近直流馬達特性,因此直流無刷馬達能夠在額定負載範圍內,當負載發生變化時,仍能控制馬達維持一定的轉速。直流無刷驅動器包括了電源及控制部份,如圖 1 所示。 圖 1  無刷馬達驅動器架構 電源部份提供三相電源給馬達使用,其輸入為直流電 (DC) 或是交流電 (AC) 都可,但如輸入交流電,則必須經過轉換器 (Converter) 轉成直流,之後在將直流電壓由換流器 (Inverter) 轉成三相電壓來驅動馬達。換流器一般由 6 個功率晶體 (Q1~Q6) 分為上臂 (Q1-Q3-Q5) 與下臂 (Q2-Q4-Q6) 連接馬達做回控制流經馬達線圈的開關。 控制部則依需求轉換輸入電源的頻率,提供 PWM( 脈波寬度調變 ) 決定功率晶體開關頻率及換流器換相的時機,