一種單相電容運轉異步電動機無級調速系統的制作方法

本實用新型涉及電機調速技術領域，尤其涉及了一種單相電容運轉異步電動機無級調速系統。

背景技術：

單相異步電動機，因其具有結構簡單、價格低廉、堅固耐用、維護量少及可用于惡劣環境等優點，已得到了極其廣泛的應用。但由于其平滑調速比較困難,且存在起動轉矩小、起動電流大等缺點，單相異步電動機調速的應用與研究相對落后于三相交流電動機。

單相異步電動機有單相電容運轉式、單相電容起動式、單相雙值電容起動式、單相罩極式等。也可以分為帶離心起動開關的單相電動機和不帶離心開關的單相電動機。單相異步電動機大都為1.5kW以下的小功率電動機或者微特電動機，功率雖然小，但在市場上的占有量卻很大,因此研究與發展其調速方式具有，現實意義。現有的調速方式有變極調速，調壓調速，變頻調速等方式，但是都或多或少的存在問題，如調速范圍窄，調速不能很好貼合異步電動機特性曲線，啟動電容受到沖擊容易燒毀等等。

技術實現要素：

本實用新型針對現有技術中調速范圍窄，調速不能很好貼合異步電動機特性曲線，啟動電容受到沖擊容易燒毀的缺點，提供了一種單相電容運轉異步電動機無級調速系統。

本實用新型解決了調速范圍窄，調速不能很好貼合異步電動機特性曲線，啟動電容受到沖擊容易燒毀問題，本設計方案利用了三相逆變器代替啟動電容。控制器中包含編寫好的軟件，能通過控制器控制三相逆變器的調制過程，從而達到控制電動機轉速的目的。

為了解決上述技術問題，本實用新型通過下述技術方案得以解決：

一種單相電容運轉異步電動機無級調速系統，包括電位器、控制器、異步電動機和三相逆變器；電位器與控制器連接，三相逆變器串聯在控制器的異步電動機之間；控制器包括采樣單元、計算單元、調制單元、判斷單元和控制單元；計算單元包括電壓計算模塊和頻率計算模塊；采樣單元用于采樣電位器的值并將數據傳送給電壓計算模塊；電壓計算模塊用于計算調制電壓并將數據傳送給頻率計算模塊，頻率計算模塊用于根據V/F比例計算運行頻率并將數據傳送給調制單元；調制單元用于計算調制分量并將數據傳送給判斷單元；判斷單元用于判斷是否進行電壓畸變，并將判斷結果傳送給控制單元；控制單元用于輸出調制比例，控制三相逆變器的調制過程。

本系統通過三相逆變器調制出完整的兩路相位相差90度的電壓信號，從而實現極低運行電磁噪音。本系統根據風機應用的特點優化了三相逆變器調制的電壓利用率，同時不會帶來明顯的轉矩波動。

作為優選，電動機主副繞組之間不接入啟動電容。異步電動機啟動電容作用是使主副繞組上的電壓信號相位相差90電角度，本系統中采用逆變器代替了啟動電容的作用，因此不用接入啟動電容。

作為優選，三相逆變器的U相接在單相電容運轉異步電動機的主繞組輸入端；V相接在單相電容運轉異步電動機的主副繞組公共端；W相接在單相電容運轉異步電動機的副繞組的輸入端。變頻器調制出的兩路正弦信號能夠同時到達電機的主副繞組，能夠減少誤差和損耗。

本實用新型由于采用了以上技術方案，具有顯著的技術效果：調速范圍更廣，運行時電磁噪音極低，電壓利用率提高，運行狀態更加匹配異步電動機的特性，更加優化不同速度段的工作效率。

附圖說明

圖1是本實用新型實施例1的電路示意圖。

圖2是本實用新型實施例1控制器結構示意圖。

圖3是本實用新型實施例1的流程圖。

圖4是本實用新型的調制解調電壓矢量模型圖。

圖5是主副繞組電壓關系正弦展開示意圖。

圖6是第Ⅱ象限的調制變化示意圖

以上附圖中各數字標號所指代的部位名稱如下：其中，1—θ角、2—完整正弦調制的最大電壓、3—正交坐標X軸、4—調制可利用最大電壓、5—正交坐標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—超出調制范圍的部分。

具體實施方式

下面結合附圖與實施例對本實用新型作進一步詳細描述。

實施例1

如圖1所示，本實施例1使用一個MCU控制器采樣電位器的值獲取目標調制速度，MCU控制器根據電位器值控制三相逆變器調制出兩路相位相差90電角度的正弦信號來實現單相電容運轉異步電動機的無級調速運轉。其中三相逆變器的U相接在單相電容運轉異步電動機的主繞組輸入端；V相接在單相電容運轉異步電動機的主副繞組公共端；W相接在單相電容運轉異步電動機的副繞組的輸入端。

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

如圖3所示，一種單相電容運轉異步電動機無級調速系統，使用時包括以下步驟:

第一步，采樣單元采樣電位器的輸出電壓的大小。

第二步，計算單元電壓計算模塊根據電位器外接電壓和輸出電壓計算調制電壓。

第三步，計算單元頻率計算模塊根據電機的特性合理調整V/F比例，再根據V/F比例由調制電壓計算得到運行頻率。

第四步，調制單元根據運行頻率積分得到電動機主副繞組相位相差90電角度的正弦信號調制分量。

第五步，判斷單元判斷合成調制量是否超過完整的正弦調制點，若不超過則跳轉到第七步；若超過則向控制單元發送信號。

第六步，控制單元接收信號，計算交替畸變值，保證三相逆變器調制出的兩路繞組電壓中只有一路繞組電壓畸變，在一個調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制比例，由三相逆變器進行調制；同時跳轉到第一步。

如圖4所示，這里規定電壓方向V→W、V→U為電壓矢量的正。

在此模型中正交坐標X軸3表示V和W的電壓關系，Y軸5表示V相和U相的電壓關系。正好表示主副繞組相位差為90度。同時根據電壓矢量方向的規定，將一個電周期分成4個相位。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，最終調制出兩路相位相差90度的正弦信號。θ角1的增加的速率決定了調制的頻率，調制電壓比例由圖1所示電位器決定。根據交流電機的轉矩——轉差曲線特性，根據電機的特性合理的調整V/F比例從而調整轉差，從而優化輸出轉矩特性。同時根據交流電機的勵磁特性根據電機的特性合理的調整V/F比例可以防止勵磁飽和而導致的功率因數下降。在風機應用中，負載大約與轉速的平方成正比關系，調制V/F值可以針對不同速度下負載的變化優化的電機運行的效率。

如圖5所示，相位差90度的兩個正弦波疊加如公式1所示：

此公式也能表示調制分量的合成過程，sin(θ)和cos(θ)表示主副繞組的調制分量，表示合成調制量。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，最大可調制電壓為/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，具體實現如下：

根據圖4和圖5所示，根據圖4中所述的電壓方向的規定，在Ⅰ、Ⅲ象限的時候主副繞組都可實現最大電壓調制，在Ⅱ、Ⅳ象限，由于V相為公共接線端，連接V的橋臂在一個調制周期之內分別需要實現電壓方向W→V,V→U(Ⅱ象限)或者V→W和U→V(Ⅳ象限)，這樣根據公式1所示無法實現最大電壓調制，為了減少轉矩的波動，這里采用了交替畸變的方法，即在Ⅱ象限時候，保證只有主繞組畸變，在Ⅳ象限時候保證只有副繞組畸變。這樣當調制電壓低于/2*直流母線電壓時候，保持完整的正弦電壓，在調制電壓高于/2*直流母線電壓時候，采用交替畸變的方法，提高電壓利用率。經過實際驗證，這種方法在風機應用中，不會帶來明顯的轉矩波動。

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

在Ⅳ象限時產生畸變的是主繞組。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

這樣在最大電壓調制的時候電壓平均利用率能有原來的70.7％提高到85.3％。

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