一種單相感應電機的波形調制方法及裝置的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種單相感應電機的波形調制方法及裝置，該方法包括以下步驟：鎖定所述三相橋繞組電路中的某一相的開關狀態以獲取副繞組電壓相位角處于各個區間內的調制波；計算所述調制波的波形發生局部畸變時的臨界相位角；依據所述臨界相位角重新計算所述調制波的W相調制占空比DW。實施本發明的有益效果是，通過鎖定某一相開關狀態的方法，提高直流母線電壓利用率；并通過在波形出現畸變時，即在波形凹陷區間重新計算DW，適當壓低波峰附近波形、填補另一相的凹陷，并保證電壓波形沒有跳躍點，從而降低諧波畸變率。
【專利說明】
-種單相感應電機的波形調制方法及裝置
技術領域
[0001] 本發明設及電器傳動技術領域，尤其設及一種單相感應電機的波形調制方法及裝 置。
【背景技術】
[0002] 單相感應電動機因結構簡單、不需要配套=相動力電源、使用方便等特點，在家用 電器等產品與系統中得到廣泛應用。為了實現節能減排的目標，迫切需要對運些也實施變 頻節能控制。另外，在新能源領域，近年來光伏揚水系統的應用市場不斷擴大，變頻調速控 制更是實現最大功率點跟蹤控制的必要手段，而標稱功率2.2kWW下的水累采用單相感應 電動機的占有相當大的比例。但是，常規的變頻調速主要針對=相交流電機，而針對單相感 應電動機的變頻控制尚缺乏深入研究和成熟產品。
[0003] 感應電動機的運行要求定子繞組能夠提供旋轉磁場，=相感應電動機通過=相對 稱的定子繞組和輸入電源，產生理想的旋轉磁場。而單相感應電動機的定子通常由直交的 主繞組和副繞組構成，若僅簡單地施加單相交流電，只能產生交變駐波磁場，電機無法正常 啟動與運行。目前，最常用的方法是通過在副繞組中串聯輔助電容，使得主/副繞組電流的 相位差為V2(圖la),從而形成旋轉磁場。因此，對于單相感應電動機的變頻調速控制，有幾 種可選方案。
[0004] 方案1:不改變單相感應電動機的結構與接線形式，由單H橋變頻器提供滿足V/f特 性要求的單相PWM變頻電壓，實現變頻調速控制（圖Ib),具有電路結構與控制方法簡單的優 點。但是，由于副繞組中輔助電容的存在，使得主/副繞組電路阻抗的頻率特性差異大，無法 在全頻率范圍內使兩者的電流保持合理的相位差，從而影響調頻運行特性。對一臺單相深 井潛水累的實驗結果表明，即使配置了最佳輔助電容，最低啟動頻率為35化，啟動后的最低 運行頻率為25化，將會嚴重影響系統的運行范圍和效率。另外，PWM電壓會導致輔助電容中 脈動電流的增加，影響其使用壽命。
[0005] 方案2:去除輔助電容，采用雙H橋的兩相逆變電路（圖Ic)分別對主繞組和副繞組 施加大小相等、相位差為V2的交流電壓。具有控制簡單、直流母線電壓利用率高的優點。但 是，需要使用8個開關器件并對其實施控制，成本高、通用性差。而且大部分單相感應電動機 已在內部將主/副繞組的一端聯在一起，作為公共輸入端，應用現場難W將主/副繞組徹底 分開。
[0006] 方案3:利用現有的變頻器或逆變器產品，將=相逆變電路的輸出端(U、V、W)分別 與單相電累的副繞組A、主繞組M和公共端C相接，對兩個繞組施加不同的電壓（圖Id)。其最 大的優點就是無需新的硬件開發，通用性好。但是，對電壓波形的要求發生了變化，且由于 公共端的存在，無法實現對主/副繞組完全獨立的控制，需要改變輸出波形調制方法。
[0007] 常規的=相正弦調制法最簡單明了。W副繞組的電壓相位為基準，主繞組電壓相 位滯后V2,調制波為
[000引
[0009]
[0010] 巧
[0011] 式（1)(2)中，Du、Dv、Dw:各相調制占空比，范圍為0~1;Um:主繞組電壓，單位為V;Ua: 副繞組電壓，單位為V;Udc:直流母線電壓，單位為V;m:調制率，范圍為0~1;0:副繞組電壓相 位角，單位為rad。
[0012]調制波與輸出電壓波形如圖2a及圖化所示。由此可見，電壓波形良好，但直流母線 電壓最大利用率(m=l時)僅為無法滿足高頻運行時的電壓要求。
[0013] TP巧賠 Hib}主惚因出Il'報;％At.
[0014] 餅
[0015]
[0016] (4)
[0017] 范圍為0~1，Du、Dv和Dw將被限值。因此，輸出電 壓的峰值能夠滿足要求，但波形出現崎變，有效值減小，如圖3a及圖3b所示。當m=l時，輸出 電壓波形接近=角波，諧波崎變率為13.4%，有效值為相同峰值正弦電壓的0.826倍，即通 過正弦超調，可將直流母線電壓利用率由0.707提高至0.826。但高速運行時，仍將面臨電壓 偏低、諧波電流增加等問題。
【發明內容】
[0018] 本發明的目的在于提供一種單相感應電機的波形調制方法及裝置，解決現有技術 中各種單相感應電機變頻調速控制方案的不足。
[0019] 本發明的技術方案實現如下：
[0020] 本發明的一個目的在于提供一種單相感應電機的波形調制方法，提供=相橋繞組 電路，包括W下步驟：
[0021] 鎖定所述=相橋繞組電路中的某一相的開關狀態W獲取副繞組電壓相位角處于 各個區間內的調制波；
[0022] 計算所述調制波的波形發生局部崎變時的臨界相位角；
[0023] 依據所述臨界相位角重新計算所述調制波的W相調制占空比。
[0024] 在本發明所述的波形調制方法中，所述鎖定所述=相橋繞組電路中的某一相的開 關狀態W獲取各個區間內副繞組電壓相位角的調制波的步驟包括W下子步驟：
[00巧]鎖定所述^相橋繞組電路中的乂相的開關狀態^獲取-^^^:^<^區間內的調制 波：
[0026]
[0027] 嫌W獲取? < 9 < ?區間內的調制波： 4 4
[002引
[0029] 狀態W獲取-罕 <<-芋區間內的調制 4 4 波：
[0030]
[0031] 狀態W獲取Sf < 0 < 區間內的調制 4 4 波：
[0032]
[003引其中，0為副繞組電壓相位角，Du為財目調制占空比，Dv為V相調制占空比，Dw為W相調 制占至比，m為調制率。
[0034] 在本發明所述的波形調制方法中，所述計算所述調制波的波形發生局部崎變時的 臨界相位角的步驟包括W下子步驟：
[0035] 當所述調制波的波形發生局部崎變時，獲取所述調制率:褲> 1/居；
[0036] 依據m(sin目0+COS目0) = 1計算所述臨界相位角：
[0037]
[0038] 其中，目日為臨界相位角。
[0039] 在本發明所述的波形調制方法中，所述依據所述臨界相位角重新計算所述調制波 的W相調制占空比的步驟包括：
[0040] 當目0<目<2-目0時計算胖相調制占空比：
[0041]
[0042] 當jt+0〇<0<33t/2-目0時計算W相調制占空比：
[0043]
[0044] 另一方面，提供一種單相感應電機的波形調制裝置，包括：
[0045] 調制波獲取模塊，用于鎖定所述=相橋繞組電路中的某一相的開關狀態W獲取副 繞組電壓相位角處于各個區間內的調制波；
[0046] 臨界相位角計算模塊，用于計算所述調制波的波形發生局部崎變時的臨界相位 角；
[0047] 占空比重算模塊，用于依據所述臨界相位角重新計算所述調制波的W相調制占空 比。
[004引在本發明所述的波形調制裝置中，所述調制波獲取模塊包括：
[0049]第一區間調制子模塊，用于鎖定所述=相橋繞組電路中的V相的開關狀態W獲取 …-|<巧<-爭區間內的調制波：
[(K)加]
[0051] 喬繞組電路中的財目的開關狀態W獲取 < O < -'4
[0化2]
[0053] 喬繞組電路中的V相的開關狀態W獲取 3冗 。 -- < 臺< 4
[0化4]
[0055] 喬繞組電路中的財目的開關狀態W獲取 逆《谷< 4'
[0化6]
[0057] 其中，0為副繞組電壓相位角，Du為財目調制占空比，Dv為V相調制占空比，Dw為W相調 制占至比，m為調制率。
[0058] 在本發明所述的波形調制裝置中，所述臨界相位角計算模塊包括：
[0059] 調制率獲取子模塊，用于當所述調制波的波形發生局部崎變時，獲取所述調制率：
[0061]
[0060] 臨界相位角計算子模塊，用于依據m( sin目o+cos目0) = I計算所述臨界相位角：
[0062]
[0063] 比重算模塊包括：
[0064] .計算W相調制占空比：
[00 化]
[0066] 2-目〇時計算W相調制占空比：
[0067]
[0068] 因此，本發明的有益效果是，通過鎖定某一相開關狀態的方法，提高直流母線電壓 利用率；并通過在波形出現崎變時，即在波形凹陷區間重新計算Dw,適當壓低波峰附近波 形、填補另一相的凹陷，并保證電壓波形沒有跳躍點，從而降低了諧波崎變率。
【附圖說明】
[0069] 下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中：
[0070] 圖Ia為單相感應電機的副繞組的結構示意圖；
[0071] 圖化為單相感應電機的H橋繞組的結構示意圖；
[0072] 圖Ic為單相感應電機的雙H橋繞組的結構示意圖；
[0073] 圖Id為單相感應電機的S相橋繞組的結構示意圖；
[0074] 圖2a為m = 0.卵寸相位角與占空比的正弦調制波形示意圖；
[0075] 圖化為m = 0.卵寸相位角與輸出電壓的正弦調制波形示意圖；
[0076] 圖3a為m = 0.卵寸相位角與占空比的正弦超調波形示意圖；
[0077] 圖3b為m = 0.卵寸相位角與輸出電壓的正弦超調波形示意圖；
[0078] 圖4為本發明提供的一種單相感應電機的波形調制方法流程圖；
[0079] 圖5a為本發明提供的m = 0.5時相位角與占空比的母線巧位調制波形示意圖；
[0080] 圖化為本發明提供的m = 0.5時相位角與輸出電壓的母線巧位調制波形示意圖；
[0081] 圖5c為本發明提供的m = 0.卵寸相位角與占空比的母線巧位調制波形示意圖；
[0082] 圖5d為本發明提供的m = 0.9時相位角與輸出電壓的母線巧位調制波形示意圖；
[0083] 圖6a為正弦超調法的30化電流波形圖；
[0084] 圖化為正弦超調法的50化電流波形圖；
[0085] 圖6c為母線巧位法的30化電流波形圖；
[0086] 圖6d為母線巧位法的50化電流波形圖。
【具體實施方式】
[0087] 為了對本發明的技術特征、目的和效果有更加清楚的理解，W下將對照附圖詳細 說明本發明的【具體實施方式】。應當理解，W下說明僅為本發明實施例的具體闡述，不應W此 限制本發明的保護范圍。
[0088] 本發明提供一種單相感應電機的波形調制方法及裝置，其目的在于，進一步提高 直流母線電壓利用率，提供一種母線巧位調制法。通過鎖定某一相開關狀態的方法，提高直 流母線電壓利用率;并通過在波形出現崎變時，即在波形凹陷區間重新計算Dw,適當壓低波 峰附近波形、填補另一相的凹陷，并保證電壓波形沒有跳躍點，從而降低了諧波崎變率。
[0089] 參見圖4,圖4為本發明提供的一種單相感應電機的波形調制方法流程圖，該波形 調制方法（即母線巧位調制法)包括W下步驟S1-S3:
[0090] Sl、鎖定所述=相橋繞組電路中的某一相的開關狀態W獲取副繞組電壓相位角處 于各個區間內的調制波;該步驟通過鎖定某一相的開關狀態，保證正負峰值電壓的輸出，調 制波計
[0091] (5)
[0092] (6)
[oow] 巧
[0094] 腳
[009引其中，0為副繞組電壓相位角，Du為財目調制占空比，Dv為V相調制占空比，Dw為W相調 制占至比，m為調制率。
[0096] S2、計算所述調制波的波形發生局部崎變時的臨界相位角；參見圖5a-5d，圖5a-5d 為不同調制率不同調制率下的調制波與輸出電壓波形，當w< I !時，每段鎖相長度為V 2,能夠輸出理想的正弦波；當奇時，每段鎖相長度逐漸增加，波形出現局部崎變，并 有跳躍點；當m=l時，每段鎖相長度增至加/4,峰值電壓符合要求，直流母線利用率達到 0.957，但電壓波形崎變明顯，諧波崎變率為15.6%。對此，提出一種改良的方法，在波形凹 陷區間重新計算Dw,適當壓低波峰附近波形、填補另一相的凹陷，并保證電壓波形沒有跳躍 點。
[0097] ，可得
[0098] (9)
[0099] S3、依據所述臨界相位角重新計算所述調制波的W相調制占空比。需要重新計算Dw 的區間及其計算公式如下：
[0100] 反巧 1
[0101]
(峭
[0102] 區間 2:31+目 〇<0<3jt/2-白 0
[0103]
(11)
[0104] 故式(5)~式（11)構成了本發明的核屯、。圖5a-5d為不同調制率下的調制波與輸出 電壓波形，主繞組電壓在正半周下降和負半周上升過程中的部分區間、副繞組電壓在正半 周上升和負半周下降過程中的部分區間出現崎變，其余區間保持良好的正弦波形。當m=l 時，每半周電壓波形由=角波和正弦波組成。與母線錯位法相比較，直流母線電壓利用率降 為0.913，但諧波崎變率大幅降為8.7%。
[0105] 此外，本發明還提供一種單相感應電機的波形調制裝置，該裝置可通過計算機程 序軟件完成，該裝置包括：
[0106] 調制波獲取模塊，用于鎖定所述=相橋繞組電路中的某一相的開關狀態W獲取副 繞組電壓相位角處于各個區間內的調制波；
[0107] 臨界相位角計算模塊，用于計算所述調制波的波形發生局部崎變時的臨界相位 角；
[0108] 占空比重算模塊，用于依據所述臨界相位角重新計算所述調制波的W相調制占空 比。
[0109] 優選的，所述調制波獲取模塊包括：
[0110] 第一區間調制子模塊，用于鎖定所述=相橋繞組電路中的V相的開關狀態W獲取 -f-伊<f區間內的調制波：
[0111]
[0112] :目橋繞組電路中的財目的開關狀態W獲取 -<B<- 4
[0113] ;
[0114] :目橋繞組電路中的V相的開關狀態W獲取 苗《谷< A
[0115] ；
[0116] 第四區間調制子模塊，用于鎖定所述=相橋繞組電路中的U相的開關狀態W獲取 氣~ "T"區間內的調制波： 4 4
[0117]
[011引其中，0為副繞組電壓相位角，Du為財目調制占空比，Dv為V相調制占空比，Dw為W相調 制占至比，m為調制率。
[0119] 優選的，所述臨界相位角計算模塊包括：
[0120] 調制率獲取子模塊，用于當所述調制波的波形發生局部崎變時，獲取所述調制率： ^ g /' V, 2 :
[0121] 臨界相位角計算子模塊，用于依據111(3；[]10〇+(3〇30〇) = 1計算所述臨界相位角：
[0122]
[0123] 其中，00為臨界相位角。
[0124] 優選的，所述占空比重算模塊包括：
[0125] 笠一反間雷當子檀訣，巧干巧目n<0<2-目0時計算W相調制占空比：
[0126]
[0127] 第二區間重算子模塊，用于當31+0〇<0<331/2-目〇時計算W相調制占空比：
[012 引
：'
[0129] 本發明的方法及裝置適用于常規的=相變頻器或逆變器，通過相應的軟件程序即 能容易地實現。
[0130] 本發明還提供一具體實施例：實施例的系統構成與圖Id相同，負載為一臺標稱功 率750W、揚程56m、流量2m3A的單相深井潛水累。為了比較和驗證本發明控制方式的效果， 分別W正弦超調法和母線巧位法對水累實施變頻調速控制(5~50化），系統均能穩定運行， 實驗結果如表1所示，其中相位差是指主繞組電流與副繞組電流的相位差。圖6a-6d為部分 電流波形。低于40化時，電流波形良好，主/副繞組電流的相位差穩定在V2左右；高于40化 時，電壓波形崎變導致電流波形崎變，電流相位差也隨之變化;受直流母線電壓利用率的影 響，50Hz時正弦超調法的輸出電壓為169V、水累輸入功率為1287W，而母線巧位法的輸出電 壓為196V、水累輸入功率為1405W，且電流波形得到明顯改善。
[0131] 表1兩種調制方法的實驗結果
[0132]
[0133] 本文提供了實施例的各種操作。在一個實施例中，所述的一個或多個操作可W構 成一個或多個計算機可讀介質上存儲的計算機可讀指令，其在被電子設備執行時將使得計 算設備執行所述操作。描述一些或所有操作的順序不應當被解釋為暗示運些操作必需是順 序相關的。本領域技術人員將理解具有本說明書的益處的可替代的排序。而且，應當理解， 不是所有操作必需在本文所提供的每個實施例中存在。
[0134] 而且，本文所使用的詞語"優選的"意指用作實例、示例或例證。奉文描述為"優選 的"任意方面或設計不必被解釋為比其他方面或設計更有利。相反，詞語"優選的"的使用旨 在W具體方式提出概念。如本申請中所使用的術語"或"旨在意指包含的"或"而非排除的 "或"。即，除非另外指定或從上下文中清楚/'X使用A或B"意指自然包括排列的任意一個。 即，如果X使用A;X使用B;或X使用A和B二者，則氣使用A或B"在前述任一示例中得到滿足。
[0135] 而且，盡管已經相對于一個或多個實現方式示出并描述了本公開，但是本領域技 術人員基于對本說明書和附圖的閱讀和理解將會想到等價變型和修改。本公開包括所有運 樣的修改和變型，并且僅由所附權利要求的范圍限制。特別地關于由上述組件(例如元件、 資源等)執行的各種功能，用于描述運樣的組件的術語旨在對應于執行所述組件的指定功 能(例如其在功能上是等價的）的任意組件(除非另外指示），即使在結構上與執行本文所示 的本公開的示范性實現方式中的功能的公開結構不等同。此外，盡管本公開的特定特征已 經相對于若干實現方式中的僅一個被公開，但是運種特征可W與如可W對給定或特定應用 而言是期望和有利的其他實現方式的一個或多個其他特征組合。而且，就術語"包括"、"具 有"、"含有"或其變形被用在【具體實施方式】或權利要求中而言，運樣的術語旨在W與術語 "包含"相似的方式包括。
[0136] 本發明實施例中的各功能單元可W集成在一個處理模塊中，也可W是各個單元單 獨物理存在，也可W兩個或兩個W上單元集成在一個模塊中。上述集成的模塊既可W采用 硬件的形式實現，也可W采用軟件功能模塊的形式實現。所述集成的模塊如果W軟件功能 模塊的形式實現并作為獨立的產品銷售或使用時，也可W存儲在一個計算機可讀取存儲介 質中。上述提到的存儲介質可W是只讀存儲器，磁盤或光盤等。上述的各裝置或系統，可W 執行相應方法實施例中的方法。
[0137] 綜上所述，雖然本發明已W優選實施例掲露如上，但上述優選實施例并非用W限 制本發明，本領域的普通技術人員，在不脫離本發明的精神和范圍內，均可作各種更動與潤 飾，因此本發明的保護范圍W權利要求界定的范圍為準。
【主權項】
1. 一種單相感應電機的波形調制方法，提供三相橋繞組電路，其特征在于，包括以下步 驟： 鎖定所述三相橋繞組電路中的某一相的開關狀態以獲取副繞組電壓相位角處于各個 區間內的調制波； 計算所述調制波的波形發生局部畸變時的臨界相位角； 依據所述臨界相位角重新計算所述調制波的W相調制占空比。2. 根據權利要求1所述的波形調制方法，其特征在于，所述鎖定所述三相橋繞組電路中 的某一相的開關狀態以獲取各個區間內副繞組電壓相位角的調制波的步驟包括以下子步 驟：其中，Θ為副繞組電壓相位角，Du為U相調制占空比，Dv為V相調制占空比，Dw為W相調制占 空比，m為調制率。3. 根據權利要求2所述的波形調制方法，其特征在于，所述計算所述調制波的波形發生 局部畸變時的臨界相位角的步驟包括以下子步驟： 當所述調制波的波形發生局部畸變時，獲取所述調制率：依據m(sin0Q+cos0()) = 1計算所述臨界相位角： 其中，θ〇為臨界相位角。4. 根據權利要求3所述的波形調制方法，其特征在于，所述依據所述臨界相位角重新計 算所述調制波的W相調制占空比的步驟包括： 當θ〇< θ<2-θ〇時計算W相調制占空比：當jt+0q<0<33t/2-9()時計算W相調制占空比：5. -種單相感應電機的波形調制裝置，其特征在于，包括： 調制波獲取模塊，用于鎖定所述三相橋繞組電路中的某一相的開關狀態以獲取副繞組 電壓相位角處于各個區間內的調制波； 臨界相位角計算模塊，用于計算所述調制波的波形發生局部畸變時的臨界相位角； 占空比重算模塊，用于依據所述臨界相位角重新計算所述調制波的W相調制占空比。6. 根據權利要求5所述的波形調制裝置，其特征在于，所述調制波獲取模塊包括： 第一區間調制子模塊，用于鎖定所述三相橋繞組電路中的V相的開關狀態以獲取區間內的調制波：第二區間調制子模塊，用于鎖定所述三相橋繞組電路中的U相的開關狀態以獲取'區間內的調制波：第三區間調制子模塊，用于鎖定所述三相橋繞組電路中的V相的開關狀態以獲取區間內的調制波：第四區間調制子模塊，用于鎖定所述三相橋繞組電路中的U相的開關狀態以獲取-區間內的調制波：其中，Θ為副繞組電壓相位角，Du為U相調制占空比，Dv為V相調制占空比，Dw為W相調制占 空比，m為調制率。7. 根據權利要求6所述的波形調制裝置，其特征在于，所述臨界相位角計算模塊包括： 調制率獲取子模塊，用于當所述調制波的波形發生局部畸變時，獲取所述調制率：臨界相位角計算子模塊，用于依據m(sin0〇+cos0()) = 1計算所述臨界相位角：其中，θ〇為臨界相位角。8. 根據權利要求7所述的波形調制裝置，其特征在于，所述占空比重算模塊包括： 第一區間重算子模塊，用于當θ〇<θ<2-θ〇時計算W相調制占空比：第二區間重算子模塊，用于當Ji+9Q<0<33i/2-0Q時計算W相調制占空比：
【文檔編號】H02P27/04GK105827173SQ201610223318
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年4月11日
【發明人】陳銳堅, 徐政, 施洪峰
【申請人】深圳天源新能源股份有限公司