一种单相电容运转异步电动机无级调速系统的制作方法

本实用新型涉及电机调速技术领域，尤其涉及了一种单相电容运转异步电动机无级调速系统。

背景技术：

单相异步电动机，因其具有结构简单、价格低廉、坚固耐用、维护量少及可用于恶劣环境等优点，已得到了极其广泛的应用。但由于其平滑调速比较困难,且存在起动转矩小、起动电流大等缺点，单相异步电动机调速的应用与研究相对落后于三相交流电动机。

单相异步电动机有单相电容运转式、单相电容起动式、单相双值电容起动式、单相罩极式等。也可以分为带离心起动开关的单相电动机和不带离心开关的单相电动机。单相异步电动机大都为1.5kW以下的小功率电动机或者微特电动机，功率虽然小，但在市场上的占有量却很大,因此研究与发展其调速方式具有，现实意义。现有的调速方式有变极调速，调压调速，变频调速等方式，但是都或多或少的存在问题，如调速范围窄，调速不能很好贴合异步电动机特性曲线，启动电容受到冲击容易烧毁等等。

技术实现要素：

本实用新型针对现有技术中调速范围窄，调速不能很好贴合异步电动机特性曲线，启动电容受到冲击容易烧毁的缺点，提供了一种单相电容运转异步电动机无级调速系统。

本实用新型解决了调速范围窄，调速不能很好贴合异步电动机特性曲线，启动电容受到冲击容易烧毁问题，本设计方案利用了三相逆变器代替启动电容。控制器中包含编写好的软件，能通过控制器控制三相逆变器的调制过程，从而达到控制电动机转速的目的。

为了解决上述技术问题，本实用新型通过下述技术方案得以解决：

一种单相电容运转异步电动机无级调速系统，包括电位器、控制器、异步电动机和三相逆变器；电位器与控制器连接，三相逆变器串联在控制器的异步电动机之间；控制器包括采样单元、计算单元、调制单元、判断单元和控制单元；计算单元包括电压计算模块和频率计算模块；采样单元用于采样电位器的值并将数据传送给电压计算模块；电压计算模块用于计算调制电压并将数据传送给频率计算模块，频率计算模块用于根据V/F比例计算运行频率并将数据传送给调制单元；调制单元用于计算调制分量并将数据传送给判断单元；判断单元用于判断是否进行电压畸变，并将判断结果传送给控制单元；控制单元用于输出调制比例，控制三相逆变器的调制过程。

本系统通过三相逆变器调制出完整的两路相位相差90度的电压信号，从而实现极低运行电磁噪音。本系统根据风机应用的特点优化了三相逆变器调制的电压利用率，同时不会带来明显的转矩波动。

作为优选，电动机主副绕组之间不接入启动电容。异步电动机启动电容作用是使主副绕组上的电压信号相位相差90电角度，本系统中采用逆变器代替了启动电容的作用，因此不用接入启动电容。

作为优选，三相逆变器的U相接在单相电容运转异步电动机的主绕组输入端；V相接在单相电容运转异步电动机的主副绕组公共端；W相接在单相电容运转异步电动机的副绕组的输入端。变频器调制出的两路正弦信号能够同时到达电机的主副绕组，能够减少误差和损耗。

本实用新型由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：调速范围更广，运行时电磁噪音极低，电压利用率提高，运行状态更加匹配异步电动机的特性，更加优化不同速度段的工作效率。

附图说明

图1是本实用新型实施例1的电路示意图。

图2是本实用新型实施例1控制器结构示意图。

图3是本实用新型实施例1的流程图。

图4是本实用新型的调制解调电压矢量模型图。

图5是主副绕组电压关系正弦展开示意图。

图6是第Ⅱ象限的调制变化示意图

以上附图中各数字标号所指代的部位名称如下：其中，1—θ角、2—完整正弦调制的最大电压、3—正交坐标X轴、4—调制可利用最大电压、5—正交坐标Y轴、6—主绕组电压正弦展开、7—副绕组电压正弦展开、8—合成电压矢量的正弦展开、9—超出调制范围的部分。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步详细描述。

实施例1

如图1所示，本实施例1使用一个MCU控制器采样电位器的值获取目标调制速度，MCU控制器根据电位器值控制三相逆变器调制出两路相位相差90电角度的正弦信号来实现单相电容运转异步电动机的无级调速运转。其中三相逆变器的U相接在单相电容运转异步电动机的主绕组输入端；V相接在单相电容运转异步电动机的主副绕组公共端；W相接在单相电容运转异步电动机的副绕组的输入端。

如图2所示，控制器包括采样单元、计算单元、调制单元、判断单元和控制单元；计算单元包括电压计算模块和频率计算模块；采样单元用于采样电位器的值并将数据传送给电压计算模块；电压计算模块用于计算调制电压并将数据传送给频率计算模块，频率计算模块用于根据V/F比例计算运行频率并将数据传送给调制单元；调制单元用于计算调制分量并将数据传送给判断单元；判断单元用于判断是否进行电压畸变，并将判断结果传送给控制单元；控制单元用于计算交替畸变值，并输出调制比例，控制三相逆变器的调制过程。

如图3所示，一种单相电容运转异步电动机无级调速系统，使用时包括以下步骤:

第一步，采样单元采样电位器的输出电压的大小。

第二步，计算单元电压计算模块根据电位器外接电压和输出电压计算调制电压。

第三步，计算单元频率计算模块根据电机的特性合理调整V/F比例，再根据V/F比例由调制电压计算得到运行频率。

第四步，调制单元根据运行频率积分得到电动机主副绕组相位相差90电角度的正弦信号调制分量。

第五步，判断单元判断合成调制量是否超过完整的正弦调制点，若不超过则跳转到第七步；若超过则向控制单元发送信号。

第六步，控制单元接收信号，计算交替畸变值，保证三相逆变器调制出的两路绕组电压中只有一路绕组电压畸变，在一个调制周期中两路绕组电压交替畸变。

第七步，控制单元向三相逆变器输出调制比例，由三相逆变器进行调制；同时跳转到第一步。

如图4所示，这里规定电压方向V→W、V→U为电压矢量的正。

在此模型中正交坐标X轴3表示V和W的电压关系，Y轴5表示V相和U相的电压关系。正好表示主副绕组相位差为90度。同时根据电压矢量方向的规定，将一个电周期分成4个相位。θ角1为输入电源的电角度，随着θ角1的增加，X轴的V相和W相的电压呈COS变化，Y轴的V和U的电压呈SIN变化，最终调制出两路相位相差90度的正弦信号。θ角1的增加的速率决定了调制的频率，调制电压比例由图1所示电位器决定。根据交流电机的转矩——转差曲线特性，根据电机的特性合理的调整V/F比例从而调整转差，从而优化输出转矩特性。同时根据交流电机的励磁特性根据电机的特性合理的调整V/F比例可以防止励磁饱和而导致的功率因数下降。在风机应用中，负载大约与转速的平方成正比关系，调制V/F值可以针对不同速度下负载的变化优化的电机运行的效率。

如图5所示，相位差90度的两个正弦波叠加如公式1所示：

此公式也能表示调制分量的合成过程，sin(θ)和cos(θ)表示主副绕组的调制分量，表示合成调制量。这样如果要保证合成电压矢量的正弦展开8是完整的正弦电压信号，最大可调制电压为/2*直流母线电压。在这种情况下面，最大电压利用率为70.3％；为改善电压利用率，这里采取了电压交替畸变的方法，具体实现如下：

根据图4和图5所示，根据图4中所述的电压方向的规定，在Ⅰ、Ⅲ象限的时候主副绕组都可实现最大电压调制，在Ⅱ、Ⅳ象限，由于V相为公共接线端，连接V的桥臂在一个调制周期之内分别需要实现电压方向W→V,V→U(Ⅱ象限)或者V→W和U→V(Ⅳ象限)，这样根据公式1所示无法实现最大电压调制，为了减少转矩的波动，这里采用了交替畸变的方法，即在Ⅱ象限时候，保证只有主绕组畸变，在Ⅳ象限时候保证只有副绕组畸变。这样当调制电压低于/2*直流母线电压时候，保持完整的正弦电压，在调制电压高于/2*直流母线电压时候，采用交替畸变的方法，提高电压利用率。经过实际验证，这种方法在风机应用中，不会带来明显的转矩波动。

如图6所示，从图中可以看出当图4中θ角1随着逆时针逐渐增加的时候，电压矢量U→V逐渐变小，电压矢量V→W逐步变大，在这个象限中，U相的调制比例为U→V调制比例与V→W调制比例的和。根据公式1可知，调制电压幅值超过/2*直流母线电压的时候，会出现U相的总调制值超过最大调制量的情况，这样保证V→W调制比例，而限制U→V的调制比例，这样实际上是保证了副绕组的调制比例。同理在Ⅳ象限的时候，也会出类似情况，在系统中处理为保证主绕组的调制比例。从而在一个调制周期中实现交替畸变。这样在实际的调制中，在第Ⅱ象限产生畸变的是副绕组，

在Ⅳ象限时产生畸变的是主绕组。这样合成的电压矢量只在Ⅱ象限和Ⅳ象限畸变，电压利用率计算如下：

平均电压利用率＝峰值电压*0.5+峰值电压*0.5*0.707

平均电压利用率＝峰值电压*0.853

这样在最大电压调制的时候电压平均利用率能有原来的70.7％提高到85.3％。

总之，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，凡依本实用新型申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本实用新型专利的涵盖范围。