淺析異步感應(yīng)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中單相電機(jī)變頻的調(diào)速技術(shù)

本文將主要依據(jù)以上3個問題，就單相電機(jī)繞組，主電路結(jié)構(gòu)及其控制技術(shù)，對國內(nèi)外單相電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的最新發(fā)展進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析和綜述，并在此基礎(chǔ)上對其發(fā)展方向加以探討。

單相電機(jī)的變頻調(diào)速技術(shù)卻還面臨著以下一些問題：

1)單相電機(jī)的繞組不同于三相電機(jī)，其主副繞組多為不對稱繞組，副繞組通常串聯(lián)了運(yùn)轉(zhuǎn)電容，給合成圓形旋轉(zhuǎn)磁場帶來新的問題;

2)單相電機(jī)用的變頻調(diào)速逆變主電路結(jié)構(gòu)同樣有其獨特的一面，存在如何獲得合理，高效的逆變電路的問題;

3)針對單相電機(jī)變頻調(diào)速，存在采用什么樣的控制技術(shù)，才能使得單相電機(jī)獲得與三相電機(jī)，甚至與直流電機(jī)一樣優(yōu)良的調(diào)速效果的問題。

1 單相電機(jī)繞組分析

根據(jù)單相電機(jī)合成磁場的分析[1]，單相電機(jī)的定子上嵌放有兩相繞組，設(shè)兩相繞組軸線在空間相距β電角度，兩相繞組中通入相位差為θ的電流，兩相合成圓形旋轉(zhuǎn)磁勢的條件是

(1)

式中：FM為主繞組磁勢幅值;

FA為副繞組磁勢幅值。

在單相電機(jī)中，定子兩相繞組軸線通常相距90°，為了獲得圓形旋轉(zhuǎn)磁勢，總希望兩相電流相位差等于90°。

參考文獻(xiàn)[2]給出了不對稱繞組單相電機(jī)的等效電路，依據(jù)此等效電路，當(dāng)空間電角度β和相位差θ均為90°時，電機(jī)在以下條件下滿足圓形旋轉(zhuǎn)磁場的要求，獲得最佳性能：

=1 (2)

式中：Imain為主繞組電流;

Iaux為副繞組電流;

a為副繞組與主繞組之間的匝數(shù)比。

繼而得出Imain=αIaux。

實際上，在電機(jī)的運(yùn)行過程中，時刻保持主副繞組電流比值恒定相當(dāng)困難，通常以Vaux=aVmain來近似實現(xiàn)電流比值的恒定。

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單相電機(jī)多為電容運(yùn)轉(zhuǎn)式電動機(jī)，副繞組中串聯(lián)的電容值，在工頻條件下能使電機(jī)獲得較好的運(yùn)行性能。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在低頻時，隨著電容容抗的增大，副繞組中流過的電流相位與主繞組不再成正交關(guān)系，于是電機(jī)出現(xiàn)過熱，轉(zhuǎn)矩降低，脈動轉(zhuǎn)矩增大等問題[3]。所以，目前采用的變頻電路均采用去掉電容，兩相繞組分別控制的方案。但是，去除電容也就意味著要增大加在副繞組上的電壓值。

2 逆變器主電路結(jié)構(gòu)拓?fù)?/p>

2.1 半橋逆變電路

由于只需要輸出兩相電壓，使得單相電機(jī)半橋逆變電路結(jié)構(gòu)簡單，僅僅需要4只功率變換器件組成兩個橋臂即可，如圖1所示。半橋逆變電路具有結(jié)構(gòu)簡單，功率開關(guān)器件數(shù)目最少，成本低廉，穩(wěn)定性高等優(yōu)點。

圖1 半橋逆變電路

但是，對于單相電機(jī)，采用半橋逆變電路面臨這樣一個問題：由于電機(jī)的兩相電流I1及I2在相位上相差90°，因而流向中性點N的兩相電流之和I是兩相電流的矢量和。

(3)

對于用兩只電容串聯(lián)構(gòu)造中點的電源，回饋電流I會使得前級變頻電源輸出電壓波動加大，迫使電源加大輸出電容;同時，由于負(fù)載不對稱帶來的直流偏量還會使得中點電位向正(或負(fù))方向持續(xù)漂移，給供電帶來極大影響。所以，如何獲得高質(zhì)量的雙極性直流電源是采用半橋逆變電路的關(guān)鍵所在。在參考文獻(xiàn)[4]中，提出了一種采用Cuk和Sepic電路并聯(lián)方式，來獲取雙極性直流電源的方式。但受到功率開關(guān)容量的限制，功率和輸出電壓的大小都有待提高，整個電路的實用性還有待驗證。

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2.2 全橋逆變電路

普通全橋逆變電路每相由4只功率開關(guān)器件組成，兩相繞組共需8只功率開關(guān)器件，如圖2所示。同半橋逆變電路相比，功率開關(guān)器件數(shù)量比為2：1，結(jié)構(gòu)上變得復(fù)雜，在穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)適用方面都不如半橋電路。但是，全橋逆變電路不再需要對稱正負(fù)輸出電源，而只需要單路穩(wěn)壓電源即可。兩相繞組的電流也不再對電源形成大的干擾。同時全橋電路的直流電壓利用率也比半橋電路要高。

鑒于開關(guān)器件的數(shù)目較多，在實際應(yīng)用中將圖2中中間兩只橋臂合二為一，成為兩套繞組的公共橋臂，就得到了圖3所示的兩相三橋臂全橋逆變電路[5]。其中的公共橋臂分別同左、右橋臂組合，構(gòu)成兩相全橋逆變。

圖2雙全橋逆變電路

圖3上三橋臂逆變電路

兩相三橋臂全橋逆變電路繼承了全橋逆變電路的優(yōu)點，同時有效地減少了開關(guān)器件的數(shù)目。在直流電壓Ud相同的情況下，其輸出電壓值可達(dá)到全橋電路的70%以上。在逆變橋結(jié)構(gòu)上，兩相三橋臂電路同三相半橋逆變電路完全一致，因此，容易從已有的六單元功率模塊移植過來使用，其輸出也可在三相同兩相之間靈活轉(zhuǎn)換。而目前三相逆變電路用的六單元功率模塊的發(fā)展已經(jīng)頗為成熟，尤其是在小功率應(yīng)用場合。

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3 控制技術(shù)

單相電機(jī)采用半橋逆變電路時，由于主電路結(jié)構(gòu)類似，諸如SPWM和SVPWM等調(diào)速技術(shù)可以方便地移植到單相電機(jī)調(diào)速中來。以下討論控制技術(shù)時，為了分析方便，均假設(shè)電機(jī)的兩相繞組對稱，即兩相繞組相同，空間上相互垂直。同時假定正負(fù)電源對稱，幅值恒定，中性點N不因電流I的注入而浮動。

3.1 半橋SPWM控制

單相電機(jī)采用SPWM控制技術(shù)時，由于要保證兩相繞組中的電流相位差為90°，所以，兩路調(diào)制信號的相位相應(yīng)地也要設(shè)定為相差90°。SPWM控制的優(yōu)點是諧波含量低，濾波器設(shè)計簡單，容易實現(xiàn)調(diào)壓、調(diào)頻功能。但是，SPWM的缺點也很明顯，即直流電壓利用率低，適合模擬電路，不便于數(shù)字化方案的實現(xiàn)。

3.2 半橋SVPWM控制[6]

依據(jù)電機(jī)學(xué)的知識可知，電壓空間矢量

同氣隙磁場

之間存在如下關(guān)系：

(4)

通過控制電壓空間矢量來控制電機(jī)氣隙磁場的旋轉(zhuǎn)，所以SVPWM控制又稱為磁鏈軌跡控制。

開關(guān)器件S1和S2，S3和S4的開關(guān)邏輯互補(bǔ)，則4只開關(guān)器件只能產(chǎn)生4個電壓矢量。依據(jù)參考文獻(xiàn)[6]的作圖方法可得到圖4所示的電壓矢量圖。

圖4 電壓矢量定義

從矢量圖來看，在兩相半橋逆變電路中，不會產(chǎn)生零電壓矢量。為了合成一個幅值為Uα，相角為α的電壓矢量，在矢量分解時，其X軸的分量要有E1和E2共同完成，而Y軸分量要由E3和E4共同完成。

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在一個開關(guān)周期T內(nèi)，E1作用的時間為t1，則E2作用的時間為T-t1。E3作用的時間為t2，而E4作用的時間為T-t2。根據(jù)矢量分解可以得到式(5)和式(6)(矢量E1，E2，E3，E4的大小均為Ud/2)

t1=

T(5)

t2=

T(6)

又因t1(t2)(<=)T

，所以?Ud/2。即半橋逆變電路在采用SVPWM控制時，輸出相電壓的最大值為Ud/2。

3.3 兩相三橋臂全橋逆變SPWM控制[7]

采用SPWM控制時，由N1及N2構(gòu)成的公共橋臂要同時接入電機(jī)的兩相繞組中，所以在調(diào)制時，公共橋臂的調(diào)制波就不同于A及B橋臂的調(diào)制波。

整個逆變電路具體調(diào)制方法為：在載波相同的情況下，A及B相調(diào)制波為正弦波，相位上A相超前B相90°(電機(jī)正轉(zhuǎn)，反之，B相超前A相90°，則電機(jī)反轉(zhuǎn));公共橋臂則采用恒定占空比的方法調(diào)制，上下橋臂占空比均為50%，如圖5所示。

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如此在A及B繞組上得到幅值相等，相位相差90°的正弦電壓。電壓幅值與調(diào)制度m成正比。當(dāng)m=1時，輸出電壓峰值達(dá)到最大，為Ud/2。依據(jù)電機(jī)的V/f曲線和輸出電壓與m的關(guān)系，即可實現(xiàn)兩相電機(jī)的變壓變頻調(diào)速控制。

3.4 兩相三橋臂全橋逆變SVPWM控制[5]

逆變電路中，功率器件的每一種通電模式，都能在電機(jī)中生成一支空間電壓矢量。對于兩相三橋臂逆變電路，根據(jù)同一橋臂上下開關(guān)互補(bǔ)導(dǎo)通的原則，三個橋臂共產(chǎn)生8種開關(guān)組合模式，可以在電機(jī)繞組上得到8支空間電壓矢量，它們以V(A，N，B)來表示。其中A=1時，表示A1導(dǎo)通，A2關(guān)斷;A=0時，表示A1關(guān)斷，A2導(dǎo)通，其余類推。8支矢量如表1所列。

圖6 兩相三橋臂電壓空間矢量定義

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4 結(jié)語

1)單相電機(jī)逆變主電路的結(jié)構(gòu)主要分為全橋和半橋兩種。半橋電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，要求前級電源能穩(wěn)定提供正負(fù)對稱輸出。

2)全橋逆變電路，由于兩相三橋臂需要的開關(guān)器件相對較少，易于采用三相電路中六單元功率模塊，比起8只開關(guān)器件組成的全橋逆變電路優(yōu)勢明顯。

3)半橋電路采用SPWM和SVPWM控制時，輸出電壓最大值相同;在全橋電路中，SVPWM的直流電壓利用率比SPWM要高出41%。SVPWM控制易于數(shù)字化的實現(xiàn)，合理安排矢量作用順序，能有效減小開關(guān)損耗。

4)從以上控制方案來看，普遍存在的問題為直流電壓利用率較低。如何提升電壓利用率是單相電機(jī)變頻調(diào)速要克服的問題之一。單相電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場中存在有3次及5次等低頻諧波，所以，在選用控制方案時要注意低頻諧波的削弱。單相電機(jī)兩套繞組垂直分布，彼此之間的互感接近于零，在采用更復(fù)雜的控制策略，如轉(zhuǎn)矩直接控制時，會起到簡化復(fù)雜程度的作用;同時，還可以利用兩套繞組電流之和來確定磁場的位置，為電機(jī)氣隙磁場的檢測提供了一個有效的途徑。