本實(shí)用新型涉及電機(jī)調(diào)速技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及了一種單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)異步電動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

單相異步電動(dòng)機(jī)，因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、堅(jiān)固耐用、維護(hù)量少及可用于惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，已得到了極其廣泛的應(yīng)用。但由于其平滑調(diào)速比較困難,且存在起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小、起動(dòng)電流大等缺點(diǎn)，單相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速的應(yīng)用與研究相對(duì)落后于三相交流電動(dòng)機(jī)。

單相異步電動(dòng)機(jī)有單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)式、單相電容起動(dòng)式、單相雙值電容起動(dòng)式、單相罩極式等。也可以分為帶離心起動(dòng)開關(guān)的單相電動(dòng)機(jī)和不帶離心開關(guān)的單相電動(dòng)機(jī)。單相異步電動(dòng)機(jī)大都為1.5kW以下的小功率電動(dòng)機(jī)或者微特電動(dòng)機(jī)，功率雖然小，但在市場(chǎng)上的占有量卻很大,因此研究與發(fā)展其調(diào)速方式具有，現(xiàn)實(shí)意義?，F(xiàn)有的調(diào)速方式有變極調(diào)速，調(diào)壓調(diào)速，變頻調(diào)速等方式，但是都或多或少的存在問(wèn)題，如調(diào)速范圍窄，調(diào)速不能很好貼合異步電動(dòng)機(jī)特性曲線，啟動(dòng)電容受到?jīng)_擊容易燒毀等等。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中調(diào)速范圍窄，調(diào)速不能很好貼合異步電動(dòng)機(jī)特性曲線，啟動(dòng)電容受到?jīng)_擊容易燒毀的缺點(diǎn)，提供了一種單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)異步電動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)。

本實(shí)用新型解決了調(diào)速范圍窄，調(diào)速不能很好貼合異步電動(dòng)機(jī)特性曲線，啟動(dòng)電容受到?jīng)_擊容易燒毀問(wèn)題，本設(shè)計(jì)方案利用了三相逆變器代替啟動(dòng)電容?？刂破髦邪帉懞玫能浖?，能通過(guò)控制器控制三相逆變器的調(diào)制過(guò)程，從而達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型通過(guò)下述技術(shù)方案得以解決：

一種單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)異步電動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，包括電位器、控制器、異步電動(dòng)機(jī)和三相逆變器；電位器與控制器連接，三相逆變器串聯(lián)在控制器的異步電動(dòng)機(jī)之間；控制器包括采樣單元、計(jì)算單元、調(diào)制單元、判斷單元和控制單元；計(jì)算單元包括電壓計(jì)算模塊和頻率計(jì)算模塊；采樣單元用于采樣電位器的值并將數(shù)據(jù)傳送給電壓計(jì)算模塊；電壓計(jì)算模塊用于計(jì)算調(diào)制電壓并將數(shù)據(jù)傳送給頻率計(jì)算模塊，頻率計(jì)算模塊用于根據(jù)V/F比例計(jì)算運(yùn)行頻率并將數(shù)據(jù)傳送給調(diào)制單元；調(diào)制單元用于計(jì)算調(diào)制分量并將數(shù)據(jù)傳送給判斷單元；判斷單元用于判斷是否進(jìn)行電壓畸變，并將判斷結(jié)果傳送給控制單元；控制單元用于輸出調(diào)制比例，控制三相逆變器的調(diào)制過(guò)程。

本系統(tǒng)通過(guò)三相逆變器調(diào)制出完整的兩路相位相差90度的電壓信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)極低運(yùn)行電磁噪音。本系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)機(jī)應(yīng)用的特點(diǎn)優(yōu)化了三相逆變器調(diào)制的電壓利用率，同時(shí)不會(huì)帶來(lái)明顯的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。

作為優(yōu)選，電動(dòng)機(jī)主副繞組之間不接入啟動(dòng)電容。異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電容作用是使主副繞組上的電壓信號(hào)相位相差90電角度，本系統(tǒng)中采用逆變器代替了啟動(dòng)電容的作用，因此不用接入啟動(dòng)電容。

作為優(yōu)選，三相逆變器的U相接在單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)異步電動(dòng)機(jī)的主繞組輸入端；V相接在單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)異步電動(dòng)機(jī)的主副繞組公共端；W相接在單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)異步電動(dòng)機(jī)的副繞組的輸入端。變頻器調(diào)制出的兩路正弦信號(hào)能夠同時(shí)到達(dá)電機(jī)的主副繞組，能夠減少誤差和損耗。

本實(shí)用新型由于采用了以上技術(shù)方案，具有顯著的技術(shù)效果：調(diào)速范圍更廣，運(yùn)行時(shí)電磁噪音極低，電壓利用率提高，運(yùn)行狀態(tài)更加匹配異步電動(dòng)機(jī)的特性，更加優(yōu)化不同速度段的工作效率。

附圖說(shuō)明

圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例1的電路示意圖。

圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例1控制器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例1的流程圖。

圖4是本實(shí)用新型的調(diào)制解調(diào)電壓矢量模型圖。

圖5是主副繞組電壓關(guān)系正弦展開示意圖。

圖6是第Ⅱ象限的調(diào)制變化示意圖

以上附圖中各數(shù)字標(biāo)號(hào)所指代的部位名稱如下：其中，1—θ角、2—完整正弦調(diào)制的最大電壓、3—正交坐標(biāo)X軸、4—調(diào)制可利用最大電壓、5—正交坐標(biāo)Y軸、6—主繞組電壓正弦展開、7—副繞組電壓正弦展開、8—合成電壓矢量的正弦展開、9—超出調(diào)制范圍的部分。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

實(shí)施例1

如圖1所示，本實(shí)施例1使用一個(gè)MCU控制器采樣電位器的值獲取目標(biāo)調(diào)制速度，MCU控制器根據(jù)電位器值控制三相逆變器調(diào)制出兩路相位相差90電角度的正弦信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)異步電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)。其中三相逆變器的U相接在單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)異步電動(dòng)機(jī)的主繞組輸入端；V相接在單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)異步電動(dòng)機(jī)的主副繞組公共端；W相接在單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)異步電動(dòng)機(jī)的副繞組的輸入端。

如圖2所示，控制器包括采樣單元、計(jì)算單元、調(diào)制單元、判斷單元和控制單元；計(jì)算單元包括電壓計(jì)算模塊和頻率計(jì)算模塊；采樣單元用于采樣電位器的值并將數(shù)據(jù)傳送給電壓計(jì)算模塊；電壓計(jì)算模塊用于計(jì)算調(diào)制電壓并將數(shù)據(jù)傳送給頻率計(jì)算模塊，頻率計(jì)算模塊用于根據(jù)V/F比例計(jì)算運(yùn)行頻率并將數(shù)據(jù)傳送給調(diào)制單元；調(diào)制單元用于計(jì)算調(diào)制分量并將數(shù)據(jù)傳送給判斷單元；判斷單元用于判斷是否進(jìn)行電壓畸變，并將判斷結(jié)果傳送給控制單元；控制單元用于計(jì)算交替畸變值，并輸出調(diào)制比例，控制三相逆變器的調(diào)制過(guò)程。

如圖3所示，一種單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)異步電動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，使用時(shí)包括以下步驟:

第一步，采樣單元采樣電位器的輸出電壓的大小。

第二步，計(jì)算單元電壓計(jì)算模塊根據(jù)電位器外接電壓和輸出電壓計(jì)算調(diào)制電壓。

第三步，計(jì)算單元頻率計(jì)算模塊根據(jù)電機(jī)的特性合理調(diào)整V/F比例，再根據(jù)V/F比例由調(diào)制電壓計(jì)算得到運(yùn)行頻率。

第四步，調(diào)制單元根據(jù)運(yùn)行頻率積分得到電動(dòng)機(jī)主副繞組相位相差90電角度的正弦信號(hào)調(diào)制分量。

第五步，判斷單元判斷合成調(diào)制量是否超過(guò)完整的正弦調(diào)制點(diǎn)，若不超過(guò)則跳轉(zhuǎn)到第七步；若超過(guò)則向控制單元發(fā)送信號(hào)。

第六步，控制單元接收信號(hào)，計(jì)算交替畸變值，保證三相逆變器調(diào)制出的兩路繞組電壓中只有一路繞組電壓畸變，在一個(gè)調(diào)制周期中兩路繞組電壓交替畸變。

第七步，控制單元向三相逆變器輸出調(diào)制比例，由三相逆變器進(jìn)行調(diào)制；同時(shí)跳轉(zhuǎn)到第一步。

如圖4所示，這里規(guī)定電壓方向V→W、V→U為電壓矢量的正。

在此模型中正交坐標(biāo)X軸3表示V和W的電壓關(guān)系，Y軸5表示V相和U相的電壓關(guān)系。正好表示主副繞組相位差為90度。同時(shí)根據(jù)電壓矢量方向的規(guī)定，將一個(gè)電周期分成4個(gè)相位。θ角1為輸入電源的電角度，隨著θ角1的增加，X軸的V相和W相的電壓呈COS變化，Y軸的V和U的電壓呈SIN變化，最終調(diào)制出兩路相位相差90度的正弦信號(hào)。θ角1的增加的速率決定了調(diào)制的頻率，調(diào)制電壓比例由圖1所示電位器決定。根據(jù)交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩——轉(zhuǎn)差曲線特性，根據(jù)電機(jī)的特性合理的調(diào)整V/F比例從而調(diào)整轉(zhuǎn)差，從而優(yōu)化輸出轉(zhuǎn)矩特性。同時(shí)根據(jù)交流電機(jī)的勵(lì)磁特性根據(jù)電機(jī)的特性合理的調(diào)整V/F比例可以防止勵(lì)磁飽和而導(dǎo)致的功率因數(shù)下降。在風(fēng)機(jī)應(yīng)用中，負(fù)載大約與轉(zhuǎn)速的平方成正比關(guān)系，調(diào)制V/F值可以針對(duì)不同速度下負(fù)載的變化優(yōu)化的電機(jī)運(yùn)行的效率。

如圖5所示，相位差90度的兩個(gè)正弦波疊加如公式1所示：

此公式也能表示調(diào)制分量的合成過(guò)程，sin(θ)和cos(θ)表示主副繞組的調(diào)制分量，表示合成調(diào)制量。這樣如果要保證合成電壓矢量的正弦展開8是完整的正弦電壓信號(hào)，最大可調(diào)制電壓為/2*直流母線電壓。在這種情況下面，最大電壓利用率為70.3％；為改善電壓利用率，這里采取了電壓交替畸變的方法，具體實(shí)現(xiàn)如下：

根據(jù)圖4和圖5所示，根據(jù)圖4中所述的電壓方向的規(guī)定，在Ⅰ、Ⅲ象限的時(shí)候主副繞組都可實(shí)現(xiàn)最大電壓調(diào)制，在Ⅱ、Ⅳ象限，由于V相為公共接線端，連接V的橋臂在一個(gè)調(diào)制周期之內(nèi)分別需要實(shí)現(xiàn)電壓方向W→V,V→U(Ⅱ象限)或者V→W和U→V(Ⅳ象限)，這樣根據(jù)公式1所示無(wú)法實(shí)現(xiàn)最大電壓調(diào)制，為了減少轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)，這里采用了交替畸變的方法，即在Ⅱ象限時(shí)候，保證只有主繞組畸變，在Ⅳ象限時(shí)候保證只有副繞組畸變。這樣當(dāng)調(diào)制電壓低于/2*直流母線電壓時(shí)候，保持完整的正弦電壓，在調(diào)制電壓高于/2*直流母線電壓時(shí)候，采用交替畸變的方法，提高電壓利用率。經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證，這種方法在風(fēng)機(jī)應(yīng)用中，不會(huì)帶來(lái)明顯的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。

如圖6所示，從圖中可以看出當(dāng)圖4中θ角1隨著逆時(shí)針逐漸增加的時(shí)候，電壓矢量U→V逐漸變小，電壓矢量V→W逐步變大，在這個(gè)象限中，U相的調(diào)制比例為U→V調(diào)制比例與V→W調(diào)制比例的和。根據(jù)公式1可知，調(diào)制電壓幅值超過(guò)/2*直流母線電壓的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)U相的總調(diào)制值超過(guò)最大調(diào)制量的情況，這樣保證V→W調(diào)制比例，而限制U→V的調(diào)制比例，這樣實(shí)際上是保證了副繞組的調(diào)制比例。同理在Ⅳ象限的時(shí)候，也會(huì)出類似情況，在系統(tǒng)中處理為保證主繞組的調(diào)制比例。從而在一個(gè)調(diào)制周期中實(shí)現(xiàn)交替畸變。這樣在實(shí)際的調(diào)制中，在第Ⅱ象限產(chǎn)生畸變的是副繞組，

在Ⅳ象限時(shí)產(chǎn)生畸變的是主繞組。這樣合成的電壓矢量只在Ⅱ象限和Ⅳ象限畸變，電壓利用率計(jì)算如下：

平均電壓利用率＝峰值電壓*0.5+峰值電壓*0.5*0.707

平均電壓利用率＝峰值電壓*0.853

這樣在最大電壓調(diào)制的時(shí)候電壓平均利用率能有原來(lái)的70.7％提高到85.3％。

總之，以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例，凡依本實(shí)用新型申請(qǐng)專利范圍所作的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本實(shí)用新型專利的涵蓋范圍。