感應馬達

感應馬達是什麼?3大點讓你瞭解原理、結構、轉速與控制

如果你對感應馬達還不熟悉,閱讀這篇文章能讓你對感應馬達有大概念!

我們從感應馬達的基礎出發(將感應馬達視作標準馬達),

通過對感應馬達的基本了解(原理、結構與轉速),

我們接著介紹為何需要進階的控制方法(如逆變器控制:V/f控制、VVVF控制),並理解這些控制方法如何改善馬達的性能。

最後,以作為標準馬達的一般感應馬達,與逆變器專用馬達作比較。

本篇為《電力電子學圖鑑》的學習整理,

如果有興趣的朋友可以去看看,並從中瞭解到更多生活中電力電子學的應用。

一、感應馬達的原理與結構

感應馬達是代表性的交流馬達。

以旋轉磁場驅動,也就是轉子導體與定子旋轉磁場產生相對運動。

這個旋轉磁場的產生,是在交流電通過定子線圈時。

接著,旋轉磁場在轉子導體上感應出電流,因為轉子導體在磁場中切割磁力線而感應出電流(法拉第電磁感應定律)。

轉子中的感應電流與磁場相互作用產生力矩(轉矩),從而使轉子轉動。

而轉矩改變時,轉速也會有些微變化。

關於感應馬達的結構:

  1. 定子:包含多個繞組,這些繞組在交流電作用下產生旋轉磁場。因為以旋轉磁場驅動,所以不需要電刷與整流子。
  2. 轉子:可以是鼠籠式或繞線式。在鼠籠式轉子中,鋁或銅條被嵌入到鐵芯的溝槽中,並在兩端通過短路環連接。在繞線式轉子中,則包含繞組,類似於定子繞組,並且通過集電環和刷子與外部電路連接。

感應馬達

此外,感應馬達的別稱為「異步馬達」,

因為其轉子速度不等於同步轉速(旋轉磁場的速度)

要瞭解其原理,可看以下這部影片:

簡單來說,就是阿拉哥圓盤的原理

當磁鐵順時針移動時,中間的銅盤也會跟著順時針轉動;

馬達的轉子就像中間的銅盤,當磁場順時針旋轉時,轉子被帶動跟著順時針轉動

二、感應馬達的轉速

感應馬達的轉速與交流電流的頻率成正比

$$N_s=\frac{120 \times f(Hz) }{P} \\ N=N_s \times (1-s) $$

另外,感應馬達的轉速N由同步速率Ns與轉差s決定

同步速率Ns是理想情況下無負載時感應馬達的轉速,它與交流電頻率f和馬達的極數P有關。

交流電的頻率與電壓固定時,感應馬達的轉速N會比同步速率Ns略慢一些。

轉差s為同步速率Ns與實際轉速N的差,通常是小於0.1的小數值。

轉差s是感應馬達正常運作的必要條件,

因為如果轉子以同步速度Ns旋轉,就不會在轉子上感應出電流,也就不會有驅動力矩。

轉子的轉速會隨著負載的增加而減小,因為需要更大的力矩來克服負載,所以轉差也會更大。

可見轉矩與轉差大致成正比

三、閉環控制與逆變器的重要性

閉環控制是透過反饋系統,使馬達的操作能夠根據實際情況進行調整。
當改變負載轉矩或交流電壓時,感應馬達的轉差會跟著改變,並繼續轉動。

因此,感應馬達的轉速會隨著轉差變化,而透過閉環控制系統的幫助,就可以實現精確調節。
這麼說來,感應馬達可以根據負載變化自動調整,無需手動控制。

但是,當需要對感應馬達的轉速進行精確控制時,通常需要逆變器來提供固定的電壓和頻率輸出,這就是所謂的閉環控制。
總之,逆變器的作用是在閉環控制系統中,通過保持固定的電壓和頻率來實現對感應馬達轉速的精確控制。

說到以逆變器控制感應馬達的方法,書中提了兩種:V/f控制與VVVF控制。

1. V/f控制

Vf固定控制

V/f控制,顧名思義,是一種維持電壓V與頻率f的比值固定的控制方法。

當比值固定時,即使頻率改變,馬達的磁通量、轉矩仍固定。

因為馬達的磁通量和轉矩T之間的關係可以使用下列公式表示:

$$T\propto \frac{\Phi^2}{f}$$

這個公式表明轉矩T和磁通量的平方成正比,與頻率f成反比。

而在V/f比值固定的情況下,頻率和電壓之間的比值保持不變,即:

$$V=常數\times f$$

然後,將這個等式代入磁通量和轉矩的關係公式:可以得到:

$$T\propto \frac{\Phi^2}{V}$$

這表示在V/f比值固定的情況下,轉矩 T和磁通量的平方成正比,電壓成反比。

因此,V/f比值固定時,即使頻率改變,馬達的磁通量、轉矩仍固定。

2. VVVF控制

此為另一常用的控制方法,較V/f控制進階。

VVVF控制的主要目標是在不同的工作條件下實現對馬達的高效、靈活控制

當固定V/f,轉速有其上限,這個上限轉速就叫做基本轉速

VVVF控制通常根據馬達的轉速區間采取不同的控制策略:

小於基本轉速時(低轉速區間)大於基本轉速時(高轉速區間)
在這個區間,VVVF控制採用V/f控制
也就是將電壓和頻率的比例保持不變。
這被稱為定轉矩控制
目的是在低轉速時提供較高的轉矩,
以應對啟動和低速運行時的需求。
在這個區間,VVVF控制固定電壓,
僅改變頻率,這被稱為定輸出控制
如此有助於提高馬達的運行效率,減少能耗,
同時確保穩定的運行。
要注意的是,大於基本轉速時,馬達的轉矩與轉速成反比,
這是因為固定電壓,增加頻率將降低馬達的轉矩。

總的來說,VVVF控制綜合了電壓和頻率的變化,以實現對感應馬達全速域的高效控制。

這種策略不僅能夠應對啟動和低速運行時的需求,還能夠在高速運行時保持穩定並節約能源。

這使得VVVF控制成為現代工業應用中常見且有效的馬達控制方法

3. 逆變器專用馬達

一般的感應馬達是標準馬達,也就是可以三相交流電直接驅動。

而針對V/f控制或VVVF控制等控制策略去優化的馬達,被稱為逆變器專用馬達。

一般的逆變器可控制標準馬達,不過如果改用逆變器專用馬達的話,效率會更好。

因為一般逆變器產生的輸出電壓和電流,通常不是純正弦波,而是包含了諧波。

這些諧波會在標準馬達中產生額外的熱量和電應力,降低其效率和壽命。

相較之下,逆變器專用馬達被設計來抵抗這些諧波,並且耗散更少能量,所以也更不會過熱。

四、重點整理

我們從感應馬達的基礎出發(將感應馬達視作標準馬達),

通過對感應馬達的基本了解,我們可以更清楚地認識到為何需要進階的控制方法(如逆變器控制:V/f控制、VVVF控制)。

最後,以作為標準馬達的一般感應馬達,與逆變器專用馬達作比較。

以下為本篇的重點整理:

  1. 原理與結構:感應馬達是一種交流馬達,它透過旋轉磁場驅動轉子,從而產生轉矩,而不需要電刷;至於轉子則由導電條構成,在兩端由環形導體連接,形成類似鼠籠的結構。
  2. 轉速與同步速率:感應馬達的轉速幾乎與交流電流的頻率成正比,但實際轉速會略慢於同步速率,這稱為轉差。這個轉差是必要的,以便在轉子上感應出電流。
  3. 逆變器控制:感應馬達可以在固定電壓和頻率的情況下穩定運轉,但若要控制轉速,則需要逆變器來實現控制。
  4. V/f固定控制:這是一種逆變器控制方法,透過維持電壓和頻率的比值固定,來穩定磁通量和轉矩。(適用於需要穩定轉矩的應用。)
  5. VVVF控制:是一種在不同轉速區間使用不同的控制策略,以提高效率並應對不同負載情況。
  6. 逆變器專用馬達:逆變器專用馬達設計用來抵抗逆變器產生的諧波,提高效率和壽命。

總結來說,感應馬達是一種常見的交流馬達,其工作原理和控制方法可以通過逆變器來實現精確控制,從而應對不同應用場景的需求。

補充:應用考量

在選擇和應用感應馬達時,需考慮以下因素:

  1. 負載特性:對於重負載啟動或需要高啟動轉矩的應用,選擇異步速度較高的馬達可能更合適。因為較高的異步速度(轉子速度與同步速度之間的差異)意味著轉子繞組會在旋轉磁場中切割更多的磁力線。這將導致較大的感應電流,從而產生較大的啟動轉矩。這種馬達適合於需要強大啟動力但不一定需要非常高效率的應用。
  2. 效率與經濟性:長時間運行的應用中,選擇效率高、異步速度低的馬達更為經濟。因為較低的異步速度意味著轉子與同步速度的差距較小,這會降低轉子中的感應電流,從而減少能量損耗,也較不易發熱。

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