邵力耕，武炎明，徐春曉

(大連交通大學(xué) 電氣信息學(xué)院，遼寧 大連 116028)

0 引言

在小功率應(yīng)用領(lǐng)域，單相異步電機(jī)廣泛用于家用電器和功率小于5 kW的輕工設(shè)備中［1］，它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、運(yùn)行可靠和噪音低等。通過調(diào)節(jié)端電壓和改變極對數(shù)的傳統(tǒng)調(diào)速方法已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足生產(chǎn)和生活的需要，而變頻調(diào)速技術(shù)以其優(yōu)異的調(diào)速和起動(dòng)性能、高功率因數(shù)和節(jié)電效果，在異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用越來越廣泛。但目前變頻調(diào)速的研究主要集中在三相電動(dòng)機(jī)上，目前對單相電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速研究重視不夠，但是單相電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的研究在工程上有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文采用雙極性SPWM脈寬調(diào)制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了小功率單相電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速，通過仿真驗(yàn)證了理論的可行性，并且通過加入LC濾波器，進(jìn)一步改善了電動(dòng)機(jī)調(diào)速效果，能夠滿足單相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速要求，而且單相電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速具有低功耗、壽命長、可靠性高等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于家用電器行業(yè)。

1 SPWM控制

1.1SPWM控制方法

單相交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速常采用交-直-交變頻器，就是把單相交流電整流成直流電，再經(jīng)脈沖寬度調(diào)制變成單相可變頻率、可變電壓的交流電，驅(qū)動(dòng)單相交流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，其核心是通過變頻器產(chǎn)生適當(dāng)?shù)淖冾l電源［2］。圖1是變頻調(diào)速結(jié)構(gòu)框圖，主要由整流橋、直流電容、逆變器、LC濾波器、單相異步電動(dòng)機(jī)和SPWM控制器組成。

圖1 變頻調(diào)速結(jié)構(gòu)框圖

常見的生成SPWM波形的方法有自然采樣法、規(guī)則采樣法和不對稱規(guī)則采樣法等。規(guī)則采樣法和不對稱規(guī)則采樣法對算法要求較高，產(chǎn)生的SPWM波形精度不如自然采樣法，因此采用自然采樣法做仿真。其基本原理是利用高頻三角載波與控制正弦波進(jìn)行比較，從而產(chǎn)生調(diào)制的SPWM波，為滿足逆變的需要，減少電壓諧波含量，采用雙極性調(diào)制，使輸出電壓不含偶次諧波。對于逆變器而言，采用單相半橋SPWM逆變電路，它具有控制方式簡單、成本低廉、濾波設(shè)計(jì)容易等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)頻調(diào)壓功能。

單相電動(dòng)機(jī)的定子繞組是在空間呈正交狀態(tài)，為了產(chǎn)生圓形磁場，獲得較好的電機(jī)性能，在采用 SPWM技術(shù)的時(shí)候，就需要保證兩相繞組中的電流相位差為90度。

1.2 雙極性SPWM控制仿真

SPWM采用的波為頻率為 f的正弦波 u=umsinωt，ωt=2πf，三角載波uc的幅值ucm，頻率為fc，載波比N，即 N=fc/f，調(diào)制比m=um/ucm。

自然采樣法是通過u與ucm比較產(chǎn)生SPWM波的，逆變器輸出電壓在±ud間切換，工程上對SPWM逆變器通常采用電壓平均值模型進(jìn)行輸出電壓計(jì)算。當(dāng)載波頻率遠(yuǎn)高于輸出電壓基頻且調(diào)制度m≤1時(shí)，可知基波電壓u1m滿足關(guān)系式:u1m=mud，這表明在m≤1和fc?f的條件下，SPWM逆變輸出電壓的基波幅值隨調(diào)制深度m線性變化。因此通過控制調(diào)制信號，可方便的調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓的頻率和幅值。

利用MATLAB提供的Simulink工具可建立雙極性SPWM變頻控制信號仿真模型如圖2所示。對于自然采樣法產(chǎn)生SPWM波，三角載波頻率設(shè)置為1 kHz，正弦波頻率設(shè)置為50 Hz，調(diào)制比m=0.8，可以看到正弦波與三角載波經(jīng)過邏輯模塊，當(dāng)正弦波大于載波時(shí)輸出高電平，否則輸出低電平;SPWM波經(jīng)反相器產(chǎn)生另一路SPWM波，兩路SPWM波經(jīng)分離器輸出四路控制信號。圖3為一路SPWM變頻控制信號仿真波形。

圖2 SPWM變頻控制信號發(fā)生器仿真模型

圖3 SPWM變頻控制信號發(fā)生器仿真波形

2 單相電動(dòng)機(jī)變頻電路及仿真分析

單相電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速模型如圖4，交流電源設(shè)置電壓有效值為220 V，頻率為50 Hz，濾波電容C的大小為2F，單相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)類型設(shè)置為電容起動(dòng)式，額定電壓220 V，頻率50 Hz，功率180 W，負(fù)載轉(zhuǎn)矩設(shè)置為1 N·m，在Powergui中設(shè)置為離散仿真模式，采樣時(shí)間為5×10-5s，通過調(diào)節(jié)調(diào)制正弦波的頻率來改變單相電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。圖5～圖7分別給出正弦波頻率為50 Hz、40 Hz和30 Hz時(shí)，逆變器輸出電流、異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波形的仿真結(jié)果。

圖4 單相電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速電路圖

從圖5～圖7可以看到，隨著控制信號頻率的降低，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐步降低，正弦波頻率在50 Hz時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速大約在1 500 r/min;在40 Hz時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速大約在1 100 r/min;在30 Hz時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速大約在850 r/min;并且電動(dòng)機(jī)達(dá)到相應(yīng)額定轉(zhuǎn)速的響應(yīng)時(shí)間也逐漸減少。電動(dòng)機(jī)在低頻控制下，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大，相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大。電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過程中，逆變器電流波動(dòng)較大，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，電流類似于正弦波，但諧波含量較高。

圖5 50 Hz時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及逆變器輸出電流

圖6 40 Hz時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及逆變器輸出電流

上述單相半橋逆變器輸出的SPWM波中含有大量的諧波，需要設(shè)計(jì)合理的濾波器濾掉高次諧波，使輸出電壓更接近于正弦波。常用的LC濾波器有串、并聯(lián)型LC濾波器。并聯(lián)型LC濾波器存在基波電流也流過電感，導(dǎo)致電感體積增大，而串聯(lián)型LC濾波器在高頻下會(huì)導(dǎo)致諧振［3］，這里主要是濾除高次諧波，所選用并聯(lián)LC濾波器，如圖1所示。

圖7 30 Hz時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及逆變器輸出電流

圖8 50 Hz時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及逆變器輸出電流

對LC濾波器選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)，電感L阻抗大于輸出諧波等效阻抗，電容C阻抗小于負(fù)載等效阻抗，逆變器輸出電壓中諧波落在L上，負(fù)載電壓諧波減小［4］。電容C對諧波電流的阻抗小，使諧波電流大部分流入濾波電容中，負(fù)載中高次諧波電流變小。

選取 LC 濾波器參數(shù)［5］，濾波電感 L=3.5×10-3H，濾波電容C=8.5×10-4F，將濾波器接入逆變電路中，其他參數(shù)不變，得到逆變器輸出電流、異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波形的仿真結(jié)果(如圖8、圖9所示)。

圖9 30 Hz時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及逆變器輸出電流

從仿真結(jié)果來看，加入LC濾波器后，并不影響電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，正弦波頻率在50 Hz時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速約1 500 r/min;在30 Hz時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速約為850 r/min。經(jīng)濾波后電動(dòng)機(jī)的響應(yīng)速度更快，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性有所提高。逆變器輸出的電流經(jīng)濾波后，電流接近于正弦波，畸變程度減小。

3 結(jié)束語

通過MATLAB/Simlink軟件仿真和分析單相異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速，可以看到，改變正弦波頻率可以達(dá)到單相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速的目的。當(dāng)頻率在30～50 Hz的范圍內(nèi)，逆變器加入LC濾波器后，可以使電動(dòng)機(jī)達(dá)到穩(wěn)定速度的時(shí)間更短，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)有所降低。

當(dāng)正弦波在調(diào)頻30 Hz以上時(shí)，逆變器輸出的電流在濾除高次諧波后，電流更接近正弦波。這種變頻調(diào)速的方法可以使單相異步電動(dòng)機(jī)有較好調(diào)速性能，可以滿足工程的需要。

［1］YUTTANA KUSMSUWAN，Watcharin srirattanawichaikul and suttichai premrudeepreechacharn，analysis of a 2-phase induction motor using dynamic modelbased on MATLAB/Simulink［C］， International conference on the role of universities in hand-on education Rajamangala university oftechnology lanna， Chiang-Mai， Thailand， 23 -29 August 2009.

［2］蔣霞，姜齊榮，嚴(yán)干貴，等.高壓變頻調(diào)速中LC濾波電容與異步電機(jī)之間的自激［J］，電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2003，27(4):45-49.

［3］周雪松，何杰，馬幼捷，等.級聯(lián)多電平逆變器的頻譜分析及濾波器設(shè)計(jì)［J］，高電壓技術(shù)，2008，34(9):1937-1943.

［4］鞏瑞春，董海.單相 SPWM逆變器輸出電壓濾波效果研究［J］.陰山學(xué)刊，2013，27(4):42-44.

［5］張立廣，劉正中.SPWM逆變電源LC濾波器的研究與設(shè)計(jì)［J］，電子設(shè)計(jì)工程，2014，22(6):172-174.