單相電機的變頻調速技術(shù)綜述

摘要：單相電機變頻調速具有相當的實(shí)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(jìn)行了詳細的分析和綜述，討論了目前研究工作中存在的問(wèn)題，并對其發(fā)展的方向進(jìn)行了展望，給出了一些個(gè)人的觀(guān)點(diǎn)。

關(guān)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(shù)在異步感應電機調速系統中，以其優(yōu)異的調速和啟動(dòng)性能、高功率因數和節電效果，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(dòng)機，結構簡(jiǎn)單，生產(chǎn)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(fēng)扇、空調等家用電器，汽車(chē)附件等領(lǐng)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(dòng)轉矩小，一般不能應用在需要調速的場(chǎng)合，其轉速的調節主要采用調節端電壓和改變電機極對數的方法，調速效果已經(jīng)越來(lái)越不能滿(mǎn)足生產(chǎn)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(wú)刷直流電機、永磁同步電機和開(kāi)關(guān)磁阻電機等。盡管這些電機在工作效率、穩定性和出力等方面表現出眾，然而他們共同的致命缺點(diǎn)就是成本太高，難以普及。隨著(zhù)變頻調速技術(shù)的日漸成熟，其在單相電機中應用的研究也逐漸開(kāi)展起來(lái)。

盡管三相電機的變頻調速技術(shù)已經(jīng)日漸成熟，但是，單相電機的變頻調速技術(shù)卻還面臨著(zhù)以下一些問(wèn)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(chēng)繞組，副繞組通常串聯(lián)了運轉電容，給合成圓形旋轉磁場(chǎng)帶來(lái)新的問(wèn)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(wèn)題;

3)針對單相電機變頻調速，存在采用什么樣的控制技術(shù)，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(wèn)題。

本文將主要依據以上3個(gè)問(wèn)題，就單相電機繞組，主電路結構及其控制技術(shù)，對國內外單相電機變頻調速技術(shù)的最新發(fā)展進(jìn)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(chǎng)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(xiàn)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(xiàn)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(chēng)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(shí)，電機在以下條件下滿(mǎn)足圓形旋轉磁場(chǎng)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(shí)際上，在電機的運行過(guò)程中，時(shí)刻保持主副繞組電流比值恒定相當困難，通常以Vaux=aVmain來(lái)近似實(shí)現電流比值的恒定。

單相電機多為電容運轉式電動(dòng)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(shí)，隨著(zhù)電容容抗的增大，副繞組中流過(guò)的電流相位與主繞組不再成正交關(guān)系，于是電機出現過(guò)熱，轉矩降低，脈動(dòng)轉矩增大等問(wèn)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(zhù)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(jiǎn)單，僅僅需要4只功率變換器件組成兩個(gè)橋臂即可，如圖1所示。半橋逆變電路具有結構簡(jiǎn)單，功率開(kāi)關(guān)器件數目最少，成本低廉，穩定性高等優(yōu)點(diǎn)。

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(gè)問(wèn)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(diǎn)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(diǎn)的電源，回饋電流I會(huì )使得前級變頻電源輸出電壓波動(dòng)加大，迫使電源加大輸出電容;同時(shí)，由于負載不對稱(chēng)帶來(lái)的直流偏量還會(huì )使得中點(diǎn)電位向正(或負)方向持續漂移，給供電帶來(lái)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[4]中，提出了一種采用Cuk和Sepic電路并聯(lián)方式，來(lái)獲取雙極性直流電源的方式。但受到功率開(kāi)關(guān)容量的限制，功率和輸出電壓的大小都有待提高，整個(gè)電路的實(shí)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(kāi)關(guān)器件組成，兩相繞組共需8只功率開(kāi)關(guān)器件，如圖2所示。同半橋逆變電路相比，功率開(kāi)關(guān)器件數量比為2：1，結構上變得復雜，在穩定性和經(jīng)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(chēng)正負輸出電源，而只需要單路穩壓電源即可。兩相繞組的電流也不再對電源形成大的干擾。同時(shí)全橋電路的直流電壓利用率也比半橋電路要高。

鑒于開(kāi)關(guān)器件的數目較多，在實(shí)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