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)洌豢刂撇呗?

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。

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）

對于用兩只電容串聯(lián)構(gòu)造中點(diǎn)的電源，回饋電流I會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(fù)載不對稱帶來的直流偏量還會使得中點(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(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