單相電機變頻調速技術綜述
摘要:單相電機變頻調速具有相當?shù)膶嶋H意義。依據(jù)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。
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/162379.htm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(shù)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(jù)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(shù)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(jù)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(jù)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(jù)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(shù)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(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,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(shù)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(shù)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
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