單相電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)綜述

摘要：單相電機(jī)變頻調(diào)速具有相當(dāng)?shù)膶?shí)際意義。依據(jù)其調(diào)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(xì)的分析和綜述，討論了目前研究工作中存在的問題，并對(duì)其發(fā)展的方向進(jìn)行了展望，給出了一些個(gè)人的觀點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速；單相電機(jī)；拓?fù)?；控制策?

0??? 引言

??? 變頻調(diào)速技術(shù)在異步感應(yīng)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，以其優(yōu)異的調(diào)速和啟動(dòng)性能、高功率因數(shù)和節(jié)電效果，而被公認(rèn)為最具發(fā)展前途的調(diào)速手段。

??? 只有兩套繞組的單相交流異步電動(dòng)機(jī)，結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本低廉，使用維護(hù)方便，在小功率電機(jī)應(yīng)用方面，如電冰箱、洗衣機(jī)、電風(fēng)扇、空調(diào)等家用電器，汽車附件等領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。但是其工作效率低，僅為60％～70％，運(yùn)行性能差，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，一般不能應(yīng)用在需要調(diào)速的場合，其轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)主要采用調(diào)節(jié)端電壓和改變電機(jī)極對(duì)數(shù)的方法，調(diào)速效果已經(jīng)越來越不能滿足生產(chǎn)和生活的需要。為了彌補(bǔ)單相電機(jī)調(diào)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(jī)、永磁同步電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)等。盡管這些電機(jī)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(diǎn)就是成本太高，難以普及。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的日漸成熟，其在單相電機(jī)中應(yīng)用的研究也逐漸開展起來。

??? 盡管三相電機(jī)的變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)日漸成熟，但是，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(duì)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(dú)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(duì)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。

??? 本文將主要依據(jù)以上3個(gè)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(duì)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(duì)其發(fā)展方向加以探討。

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：F_M為主繞組磁勢幅值；

????? F_A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(duì)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(shí)，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：I_main為主繞組電流；

????? I_aux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I_main=αI_aux。

??? 實(shí)際上，在電機(jī)的運(yùn)行過程中，時(shí)刻保持主副繞組電流比值恒定相當(dāng)困難，通常以V_aux=aV_main來近似實(shí)現(xiàn)電流比值的恒定。

??? 單相電機(jī)多為電容運(yùn)轉(zhuǎn)式電動(dòng)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(shí)，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(dòng)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)?

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(gè)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(diǎn)。

圖1??? 半橋逆變電路

??? 但是，對(duì)于單相電機(jī)，采用半橋逆變電路面臨這樣一個(gè)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(diǎn)N的兩相電流之和I是兩相電流的矢量和。

??? （3）

??? 對(duì)于用兩只電容串聯(lián)構(gòu)造中點(diǎn)的電源，回饋電流I會(huì)使得前級(jí)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(fù)載不對(duì)稱帶來的直流偏量還會(huì)使得中點(diǎn)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(gè)電路的實(shí)用性還有待驗(yàn)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(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(duì)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(duì)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。

??? 鑒于開關(guān)器件的數(shù)目較多，在實(shí)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(diǎn)，同時(shí)有效地減少了開關(guān)器件的數(shù)目。在直流電壓U_d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。

3??? 控制技術(shù)

??? 單相電機(jī)采用半橋逆變電路時(shí)，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(shí)，為了分析方便，均假設(shè)電機(jī)的兩相繞組對(duì)稱，即兩相繞組相同，空間上相互垂直。同時(shí)假定正負(fù)電源對(duì)稱，幅值恒定，中性點(diǎn)N不因電流I的注入而浮動(dòng)。

3.1??? 半橋SPWM控制

??? 單相電機(jī)采用SPWM控制技術(shù)時(shí)，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(hào)的相位相應(yīng)地也要設(shè)定為相差90°。SPWM控制的優(yōu)點(diǎn)是諧波含量低，濾波器設(shè)計(jì)簡單，容易實(shí)現(xiàn)調(diào)壓、調(diào)頻功能。但是，SPWM的缺點(diǎn)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(shí)現(xiàn)。半橋SPWM控制技術(shù)的研究已經(jīng)相當(dāng)成熟，有關(guān)的文獻(xiàn)資料也比較多，在此不再做過多的分析。

3.2??? 半橋SVPWM控制[6]

??? 依據(jù)電機(jī)學(xué)的知識(shí)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(gè)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(huì)產(chǎn)生零電壓矢量。為了合成一個(gè)幅值為U_α，相角為α的電壓矢量，在矢量分解時(shí)，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。

??? 在一個(gè)開關(guān)周期T內(nèi)，E₁作用的時(shí)間為t₁，則E₂作用的時(shí)間為T－t₁。E₃作用的時(shí)間為t₂，而E₄作用的時(shí)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U_d/2）

??? t₁=T（5）

??? t₂=T（6）

又因t₁(t₂)(<=)T，所以?U_d/2。即半橋逆變電路在采用SVPWM控制時(shí)，輸出相電壓的最大值為U_d/2。

3.3??? 兩相三橋臂全橋逆變SPWM控制[7]

??? 采用SPWM控制時(shí)，由N₁及N₂構(gòu)成的公共橋臂要同時(shí)接入電機(jī)的兩相繞組中，所以在調(diào)制時(shí)，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(gè)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。

圖5??? 兩相三橋臂SPWM波形

??? 根據(jù)圖示的電路工作波形，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)輸出電壓的平均值：

??? =＋(－U_d)dt=U_d（7）

??? 在SPWM調(diào)制中，D=(1＋msinωt)，代入式(7)可得：(t)=mU_dsinωt。當(dāng)開關(guān)頻率遠(yuǎn)大于輸出電壓頻率時(shí)，輸出電壓的瞬時(shí)值u_o(t)≈(t)。

??? 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(shí)，輸出電壓峰值達(dá)到最大，為U_d/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(shí)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(duì)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(gè)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(shí)，表示A₁導(dǎo)通，A₂關(guān)斷；A=0時(shí)，表示A₁關(guān)斷，A₂導(dǎo)通，其余類推。8支矢量如表1所列。

表1??? 8支空間電壓矢量關(guān)系組合

??? 忽略繞組電阻壓降時(shí)，非零電壓矢量的幅值為

??? |V(1,0,0)|=|V(0,0,1)|=|V(0,1,1)|=|V(1,1,0)|=U_d（8）

??? |V(1,0,1)|=|V(0,1,0)|=U_d（9）

??? 8支矢量中，兩個(gè)零矢量位于坐標(biāo)原點(diǎn)，其余6支根據(jù)繞組軸線以圖6所示方式分布。電壓空間矢量都可以由與之相鄰的兩個(gè)基本矢量和零矢量組合而成。矢量V(1,0,1)和V(0,1,0)在矢量合成時(shí)可有可無。為了計(jì)算的方便，只使用4只位于坐標(biāo)軸上矢量和兩只零矢量來合成電壓空間矢量。

圖6??? 兩相三橋臂電壓空間矢量定義

??? （10）

??? t₁=

??? t₂=（11）

??? t₀=T－t₁－t₂由t₁＋t₂(<=)T，得(<=)Ud/，即輸出相電壓最大值為Ud/。

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(jí)電源能穩(wěn)定提供正負(fù)對(duì)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(duì)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(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)，會(huì)起到簡化復(fù)雜程度的作用；同時(shí)，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(gè)有效、簡便的途徑。