BLDC開發筆記7.轉速和扭矩的影響因素和開關管的熱分析概述


轉速和扭矩的影響因素

在現代無刷直流永磁電動機的原理與設計一書中,有:

可見,空載轉速 \(n_0\) 和供電電壓 \(U\) 成正比關系(ΔU是管壓降可以忽略),和極對數 \(p\) 、匝數\(w_{\phi }\) 和氣隙磁通 \(\phi _{\delta 0}\) 成反比。高轉速電機,匝數必然越小。

扭矩 \(M_{cp}\) 和供電電壓 \(U\) 、極對數 \(p\) 、匝數\(w_{\phi }\) 和氣隙磁通 \(\phi _{\delta 0}\) 成正比。極對數越多,能承受的力越大;匝數越多,儲存的磁能越多,當然扭矩可以越大。

所以,在電機內部結構固定的情況下,我們可以通過改變供電電壓的大小來進行調速。而PWM脈沖寬度調制就是改變電壓的方式。頻率和占空比不同,一定時間內的有效電壓不同(通過積分計算面積再平均),占空比越高,轉速就越快。

在三相逆變電路中,載波方式有單橋臂載波和雙橋臂載波。單橋臂載波又分為上橋臂載波和下橋臂載波。一般使用單橋臂載波即可。

一般載波頻率選擇為10K-20K,和開關管的損耗與人耳聽到的頻率范圍有關,頻率太高,開關管的開關損耗越大;頻率太低電機發出電磁噪音。

開關管的熱分析概述

以上橋臂載波為例,下面Q1-Q5為MOSFET(懶得找圖了

先分析回路電流流向

假設Q1以15khz斬波,Q4恆通,當Q1開通時,繞組勵磁電流流向為:Q1->A->C->Q4,那么Q1關斷時,繞組電流流向則為:C->Q4->Q0->A。

可見,Q1關斷時時是靠下橋臂Q0的體二極管來續流。

其他相序是一樣的過程。這樣我們就能損耗出現在哪里,什么時候。

這里不做計算分析。在MOSFET里面再專門整理相關知識點。

上橋臂MOSFET 下橋臂MOSFET
開關損耗 較大 忽略(只有換相期間)
關斷損耗 較大 忽略(只有換相期間)
導通損耗 導通間隙 導通時間內持續
續流損耗
  1. 由於是靠下橋臂體二極管來續流,所以大電流時候要特別注意體二極管的功耗。電流越大,體二極管功耗占比就越大,這是常常忽略的點。大電流時候往往超過導通和開關損耗。
  2. 開關損耗:正比於開關頻率。在小功率電機里面占比大。

所以在大電流系統里面,因為續流損耗存在,下管功耗更大,下管的散熱問題需要重點分析。在電動自行車里面,會采用雙下管並聯方式來分擔功耗。

下橋臂載波方式分析過程與此類似,但續流是靠上橋臂來續流,並且是從電源端續流。在大電流系統,上管功耗更大。


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