單相電機變頻調速技術介紹

摘要：單相電機變頻調速具有相當的實際意義。依據其調速的基本理論，就其常用的功率主電路部分和控制方案進行了詳細的分析和綜述，討論了目前研究工作中存在的問題，并對其發(fā)展的方向進行了展望，給出了一些個人的觀點。

關鍵詞：變頻調速;單相電機;拓撲;控制策略

0 引言

變頻調速技術在異步感應電機調速系統(tǒng)中，以其優(yōu)異的調速和啟動性能、高功率因數和節(jié)電效果，而被公認為最具發(fā)展前途的調速手段。

只有兩套繞組的單相交流異步電動機，結構簡單，生產成本低廉，使用維護方便，在小功率電機應用方面，如電冰箱、洗衣機、電風扇、空調等家用電器，汽車附件等領域占據主導地位。但是其工作效率低，僅為60%～70%，運行性能差，啟動轉矩小，一般不能應用在需要調速的場合，其轉速的調節(jié)主要采用調節(jié)端電壓和改變電機極對數的方法，調速效果已經越來越不能滿足生產和生活的需要。為了彌補單相電機調速方面的缺陷，追求更高的性能，人們把更多的目光投向了無刷直流電機、永磁同步電機和開關磁阻電機等。盡管這些電機在工作效率、穩(wěn)定性和出力等方面表現(xiàn)出眾，然而他們共同的致命缺點就是成本太高，難以普及。隨著變頻調速技術的日漸成熟，其在單相電機中應用的研究也逐漸開展起來。

盡管三相電機的變頻調速技術已經日漸成熟，但是，單相電機的變頻調速技術卻還面臨著以下一些問題：

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

2)單相電機用的變頻調速逆變主電路結構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)針對單相電機變頻調速，存在采用什么樣的控制技術，才能使得單相電機獲得與三相電機，甚至與直流電機一樣優(yōu)良的調速效果的問題。

本文將主要依據以上3個問題，就單相電機繞組，主電路結構及其控制技術，對國內外單相電機變頻調速技術的最新發(fā)展進行了較為詳細的分析和綜述，并在此基礎上對其發(fā)展方向加以探討。

1 單相電機繞組分析

根據單相電機合成磁場的分析[1]，單相電機的定子上嵌放有兩相繞組，設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。

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

參考文獻[2]給出了不對稱繞組單相電機的等效電路，依據此等效電路，當空間電角度β和相位差θ均為90°時，電機在以下條件下滿足圓形旋轉磁場的要求，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比。

繼而得出Imain=αIaux。

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

單相電機多為電容運轉式電動機，副繞組中串聯(lián)的電容值，在工頻條件下能使電機獲得較好的運行性能。當電機運行在低頻時，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系，于是電機出現(xiàn)過熱，轉矩降低，脈動轉矩增大等問題[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 逆變器主電路結構拓撲

2.1 半橋逆變電路

由于只需要輸出兩相電壓，使得單相電機半橋逆變電路結構簡單，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構簡單，功率開關器件數目最少，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，采用半橋逆變電路面臨這樣一個問題：由于電機的兩相電流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，由于負載不對稱帶來的直流偏量還會使得中點電位向正(或負)方向持續(xù)漂移，給供電帶來極大影響。所以，如何獲得高質量的雙極性直流電源是采用半橋逆變電路的關鍵所在。在參考文獻[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。

2.2 全橋逆變電路

普通全橋逆變電路每相由4只功率開關器件組成，兩相繞組共需8只功率開關器件，如圖2所示。同半橋逆變電路相比，功率開關器件數量比為2：1，結構上變得復雜，在穩(wěn)定性和經濟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。

鑒于開關器件的數目較多，在實際應用中將圖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，構成兩相全橋逆變。

圖2雙全橋逆變電路