一种单相感应电机的波形调制方法及装置的制造方法

文档序号:10473309
一种单相感应电机的波形调制方法及装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种单相感应电机的波形调制方法及装置,该方法包括以下步骤:锁定所述三相桥绕组电路中的某一相的开关状态以获取副绕组电压相位角处于各个区间内的调制波;计算所述调制波的波形发生局部畸变时的临界相位角;依据所述临界相位角重新计算所述调制波的W相调制占空比DW。实施本发明的有益效果是,通过锁定某一相开关状态的方法,提高直流母线电压利用率;并通过在波形出现畸变时,即在波形凹陷区间重新计算DW,适当压低波峰附近波形、填补另一相的凹陷,并保证电压波形没有跳跃点,从而降低谐波畸变率。
【专利说明】
-种单相感应电机的波形调制方法及装置
技术领域
[0001] 本发明设及电器传动技术领域,尤其设及一种单相感应电机的波形调制方法及装 置。
【背景技术】
[0002] 单相感应电动机因结构简单、不需要配套=相动力电源、使用方便等特点,在家用 电器等产品与系统中得到广泛应用。为了实现节能减排的目标,迫切需要对运些也实施变 频节能控制。另外,在新能源领域,近年来光伏扬水系统的应用市场不断扩大,变频调速控 制更是实现最大功率点跟踪控制的必要手段,而标称功率2.2kWW下的水累采用单相感应 电动机的占有相当大的比例。但是,常规的变频调速主要针对=相交流电机,而针对单相感 应电动机的变频控制尚缺乏深入研究和成熟产品。
[0003] 感应电动机的运行要求定子绕组能够提供旋转磁场,=相感应电动机通过=相对 称的定子绕组和输入电源,产生理想的旋转磁场。而单相感应电动机的定子通常由直交的 主绕组和副绕组构成,若仅简单地施加单相交流电,只能产生交变驻波磁场,电机无法正常 启动与运行。目前,最常用的方法是通过在副绕组中串联辅助电容,使得主/副绕组电流的 相位差为V2(图la),从而形成旋转磁场。因此,对于单相感应电动机的变频调速控制,有几 种可选方案。
[0004] 方案1:不改变单相感应电动机的结构与接线形式,由单H桥变频器提供满足V/f特 性要求的单相PWM变频电压,实现变频调速控制(图Ib),具有电路结构与控制方法简单的优 点。但是,由于副绕组中辅助电容的存在,使得主/副绕组电路阻抗的频率特性差异大,无法 在全频率范围内使两者的电流保持合理的相位差,从而影响调频运行特性。对一台单相深 井潜水累的实验结果表明,即使配置了最佳辅助电容,最低启动频率为35化,启动后的最低 运行频率为25化,将会严重影响系统的运行范围和效率。另外,PWM电压会导致辅助电容中 脉动电流的增加,影响其使用寿命。
[0005] 方案2:去除辅助电容,采用双H桥的两相逆变电路(图Ic)分别对主绕组和副绕组 施加大小相等、相位差为V2的交流电压。具有控制简单、直流母线电压利用率高的优点。但 是,需要使用8个开关器件并对其实施控制,成本高、通用性差。而且大部分单相感应电动机 已在内部将主/副绕组的一端联在一起,作为公共输入端,应用现场难W将主/副绕组彻底 分开。
[0006] 方案3:利用现有的变频器或逆变器产品,将=相逆变电路的输出端(U、V、W)分别 与单相电累的副绕组A、主绕组M和公共端C相接,对两个绕组施加不同的电压(图Id)。其最 大的优点就是无需新的硬件开发,通用性好。但是,对电压波形的要求发生了变化,且由于 公共端的存在,无法实现对主/副绕组完全独立的控制,需要改变输出波形调制方法。
[0007] 常规的=相正弦调制法最简单明了。W副绕组的电压相位为基准,主绕组电压相 位滞后V2,调制波为
[000引
[0009]
[0010] 巧
[0011] 式(1)(2)中,Du、Dv、Dw:各相调制占空比,范围为0~1;Um:主绕组电压,单位为V;Ua: 副绕组电压,单位为V;Udc:直流母线电压,单位为V;m:调制率,范围为0~1;0:副绕组电压相 位角,单位为rad。
[0012]调制波与输出电压波形如图2a及图化所示。由此可见,电压波形良好,但直流母线 电压最大利用率(m=l时)仅为无法满足高频运行时的电压要求。
[0013] TP巧賠 Hib}主惚因出Il'报;%At.
[0014] 饼
[0015]
[0016] (4)
[0017] 范围为0~1,Du、Dv和Dw将被限值。因此,输出电 压的峰值能够满足要求,但波形出现崎变,有效值减小,如图3a及图3b所示。当m=l时,输出 电压波形接近=角波,谐波崎变率为13.4%,有效值为相同峰值正弦电压的0.826倍,即通 过正弦超调,可将直流母线电压利用率由0.707提高至0.826。但高速运行时,仍将面临电压 偏低、谐波电流增加等问题。

【发明内容】

[0018] 本发明的目的在于提供一种单相感应电机的波形调制方法及装置,解决现有技术 中各种单相感应电机变频调速控制方案的不足。
[0019] 本发明的技术方案实现如下:
[0020] 本发明的一个目的在于提供一种单相感应电机的波形调制方法,提供=相桥绕组 电路,包括W下步骤:
[0021] 锁定所述=相桥绕组电路中的某一相的开关状态W获取副绕组电压相位角处于 各个区间内的调制波;
[0022] 计算所述调制波的波形发生局部崎变时的临界相位角;
[0023] 依据所述临界相位角重新计算所述调制波的W相调制占空比。
[0024] 在本发明所述的波形调制方法中,所述锁定所述=相桥绕组电路中的某一相的开 关状态W获取各个区间内副绕组电压相位角的调制波的步骤包括W下子步骤:
[00巧]锁定所述^相桥绕组电路中的乂相的开关状态^获取-^^^:^<^区间内的调制 波:
[0026]
[0027] 嫌W获取? < 9 < ?区间内的调制波: 4 4
[002引
[0029] 状态W获取-罕 <<-芋区间内的调制 4 4 波:
[0030]
[0031] 状态W获取Sf < 0 < 区间内的调制 4 4 波:
[0032]
[003引其中,0为副绕组电压相位角,Du为財目调制占空比,Dv为V相调制占空比,Dw为W相调 制占至比,m为调制率。
[0034] 在本发明所述的波形调制方法中,所述计算所述调制波的波形发生局部崎变时的 临界相位角的步骤包括W下子步骤:
[0035] 当所述调制波的波形发生局部崎变时,获取所述调制率:裤> 1/居;
[0036] 依据m(sin目0+COS目0) = 1计算所述临界相位角:
[0037]
[0038] 其中,目日为临界相位角。
[0039] 在本发明所述的波形调制方法中,所述依据所述临界相位角重新计算所述调制波 的W相调制占空比的步骤包括:
[0040] 当目0<目<2-目0时计算胖相调制占空比:
[0041]
[0042] 当jt+0〇<0<33t/2-目0时计算W相调制占空比:
[0043]
[0044] 另一方面,提供一种单相感应电机的波形调制装置,包括:
[0045] 调制波获取模块,用于锁定所述=相桥绕组电路中的某一相的开关状态W获取副 绕组电压相位角处于各个区间内的调制波;
[0046] 临界相位角计算模块,用于计算所述调制波的波形发生局部崎变时的临界相位 角;
[0047] 占空比重算模块,用于依据所述临界相位角重新计算所述调制波的W相调制占空 比。
[004引在本发明所述的波形调制装置中,所述调制波获取模块包括:
[0049]第一区间调制子模块,用于锁定所述=相桥绕组电路中的V相的开关状态W获取 …-|<巧<-争区间内的调制波:
[(K)加]
[0051] 乔绕组电路中的財目的开关状态W获取 < O < -'4
[0化2]
[0053] 乔绕组电路中的V相的开关状态W获取 3冗 。 -- < 台< 4
[0化4]
[0055] 乔绕组电路中的財目的开关状态W获取 逆《谷< 4'
[0化6]
[0057] 其中,0为副绕组电压相位角,Du为財目调制占空比,Dv为V相调制占空比,Dw为W相调 制占至比,m为调制率。
[0058] 在本发明所述的波形调制装置中,所述临界相位角计算模块包括:
[0059] 调制率获取子模块,用于当所述调制波的波形发生局部崎变时,获取所述调制率:
[0061]
[0060] 临界相位角计算子模块,用于依据m( sin目o+cos目0) = I计算所述临界相位角:
[0062]
[0063] 比重算模块包括:
[0064] .计算W相调制占空比:
[00 化]
[0066] 2-目〇时计算W相调制占空比:
[0067]
[0068] 因此,本发明的有益效果是,通过锁定某一相开关状态的方法,提高直流母线电压 利用率;并通过在波形出现崎变时,即在波形凹陷区间重新计算Dw,适当压低波峰附近波 形、填补另一相的凹陷,并保证电压波形没有跳跃点,从而降低了谐波崎变率。
【附图说明】
[0069] 下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明,附图中:
[0070] 图Ia为单相感应电机的副绕组的结构示意图;
[0071] 图化为单相感应电机的H桥绕组的结构示意图;
[0072] 图Ic为单相感应电机的双H桥绕组的结构示意图;
[0073] 图Id为单相感应电机的S相桥绕组的结构示意图;
[0074] 图2a为m = 0.卵寸相位角与占空比的正弦调制波形示意图;
[0075] 图化为m = 0.卵寸相位角与输出电压的正弦调制波形示意图;
[0076] 图3a为m = 0.卵寸相位角与占空比的正弦超调波形示意图;
[0077] 图3b为m = 0.卵寸相位角与输出电压的正弦超调波形示意图;
[0078] 图4为本发明提供的一种单相感应电机的波形调制方法流程图;
[0079] 图5a为本发明提供的m = 0.5时相位角与占空比的母线巧位调制波形示意图;
[0080] 图化为本发明提供的m = 0.5时相位角与输出电压的母线巧位调制波形示意图;
[0081] 图5c为本发明提供的m = 0.卵寸相位角与占空比的母线巧位调制波形示意图;
[0082] 图5d为本发明提供的m = 0.9时相位角与输出电压的母线巧位调制波形示意图;
[0083] 图6a为正弦超调法的30化电流波形图;
[0084] 图化为正弦超调法的50化电流波形图;
[0085] 图6c为母线巧位法的30化电流波形图;
[0086] 图6d为母线巧位法的50化电流波形图。
【具体实施方式】
[0087] 为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解,W下将对照附图详细 说明本发明的【具体实施方式】。应当理解,W下说明仅为本发明实施例的具体阐述,不应W此 限制本发明的保护范围。
[0088] 本发明提供一种单相感应电机的波形调制方法及装置,其目的在于,进一步提高 直流母线电压利用率,提供一种母线巧位调制法。通过锁定某一相开关状态的方法,提高直 流母线电压利用率;并通过在波形出现崎变时,即在波形凹陷区间重新计算Dw,适当压低波 峰附近波形、填补另一相的凹陷,并保证电压波形没有跳跃点,从而降低了谐波崎变率。
[0089] 参见图4,图4为本发明提供的一种单相感应电机的波形调制方法流程图,该波形 调制方法(即母线巧位调制法)包括W下步骤S1-S3:
[0090] Sl、锁定所述=相桥绕组电路中的某一相的开关状态W获取副绕组电压相位角处 于各个区间内的调制波;该步骤通过锁定某一相的开关状态,保证正负峰值电压的输出,调 制波计
[0091] (5)
[0092] (6)
[oow] 巧
[0094] 脚
[009引其中,0为副绕组电压相位角,Du为財目调制占空比,Dv为V相调制占空比,Dw为W相调 制占至比,m为调制率。
[0096] S2、计算所述调制波的波形发生局部崎变时的临界相位角;参见图5a-5d,图5a-5d 为不同调制率不同调制率下的调制波与输出电压波形,当w< I !时,每段锁相长度为V 2,能够输出理想的正弦波;当奇时,每段锁相长度逐渐增加,波形出现局部崎变,并 有跳跃点;当m=l时,每段锁相长度增至加/4,峰值电压符合要求,直流母线利用率达到 0.957,但电压波形崎变明显,谐波崎变率为15.6%。对此,提出一种改良的方法,在波形凹 陷区间重新计算Dw,适当压低波峰附近波形、填补另一相的凹陷,并保证电压波形没有跳跃 点。
[0097] ,可得
[0098] (9)
[0099] S3、依据所述临界相位角重新计算所述调制波的W相调制占空比。需要重新计算Dw 的区间及其计算公式如下:
[0100] 反巧 1
[0101]
(峭
[0102] 区间 2:31+目 〇<0<3jt/2-白 0
[0103]
(11)
[0104] 故式(5)~式(11)构成了本发明的核屯、。图5a-5d为不同调制率下的调制波与输出 电压波形,主绕组电压在正半周下降和负半周上升过程中的部分区间、副绕组电压在正半 周上升和负半周下降过程中的部分区间出现崎变,其余区间保持良好的正弦波形。当m=l 时,每半周电压波形由=角波和正弦波组成。与母线错位法相比较,直流母线电压利用率降 为0.913,但谐波崎变率大幅降为8.7%。
[0105] 此外,本发明还提供一种单相感应电机的波形调制装置,该装置可通过计算机程 序软件完成,该装置包括:
[0106] 调制波获取模块,用于锁定所述=相桥绕组电路中的某一相的开关状态W获取副 绕组电压相位角处于各个区间内的调制波;
[0107] 临界相位角计算模块,用于计算所述调制波的波形发生局部崎变时的临界相位 角;
[0108] 占空比重算模块,用于依据所述临界相位角重新计算所述调制波的W相调制占空 比。
[0109] 优选的,所述调制波获取模块包括:
[0110] 第一区间调制子模块,用于锁定所述=相桥绕组电路中的V相的开关状态W获取 -f-伊<f区间内的调制波:
[0111]
[0112] :目桥绕组电路中的財目的开关状态W获取 -<B<- 4
[0113] ;
[0114] :目桥绕组电路中的V相的开关状态W获取 苗《谷< A
[0115] ;
[0116] 第四区间调制子模块,用于锁定所述=相桥绕组电路中的U相的开关状态W获取 气~ "T"区间内的调制波: 4 4
[0117]
[011引其中,0为副绕组电压相位角,Du为財目调制占空比,Dv为V相调制占空比,Dw为W相调 制占至比,m为调制率。
[0119] 优选的,所述临界相位角计算模块包括:
[0120] 调制率获取子模块,用于当所述调制波的波形发生局部崎变时,获取所述调制率: ^ g /' V, 2 :
[0121] 临界相位角计算子模块,用于依据111(3;[]10〇+(3〇30〇) = 1计算所述临界相位角:
[0122]
[0123] 其中,00为临界相位角。
[0124] 优选的,所述占空比重算模块包括:
[0125] 笠一反间雷當子檀诀,巧干巧目n<0<2-目0时计算W相调制占空比:
[0126]
[0127] 第二区间重算子模块,用于当31+0〇<0<331/2-目〇时计算W相调制占空比:
[012 引
:'
[0129] 本发明的方法及装置适用于常规的=相变频器或逆变器,通过相应的软件程序即 能容易地实现。
[0130] 本发明还提供一具体实施例:实施例的系统构成与图Id相同,负载为一台标称功 率750W、扬程56m、流量2m3A的单相深井潜水累。为了比较和验证本发明控制方式的效果, 分别W正弦超调法和母线巧位法对水累实施变频调速控制(5~50化),系统均能稳定运行, 实验结果如表1所示,其中相位差是指主绕组电流与副绕组电流的相位差。图6a-6d为部分 电流波形。低于40化时,电流波形良好,主/副绕组电流的相位差稳定在V2左右;高于40化 时,电压波形崎变导致电流波形崎变,电流相位差也随之变化;受直流母线电压利用率的影 响,50Hz时正弦超调法的输出电压为169V、水累输入功率为1287W,而母线巧位法的输出电 压为196V、水累输入功率为1405W,且电流波形得到明显改善。
[0131] 表1两种调制方法的实验结果
[0132]
[0133] 本文提供了实施例的各种操作。在一个实施例中,所述的一个或多个操作可W构 成一个或多个计算机可读介质上存储的计算机可读指令,其在被电子设备执行时将使得计 算设备执行所述操作。描述一些或所有操作的顺序不应当被解释为暗示运些操作必需是顺 序相关的。本领域技术人员将理解具有本说明书的益处的可替代的排序。而且,应当理解, 不是所有操作必需在本文所提供的每个实施例中存在。
[0134] 而且,本文所使用的词语"优选的"意指用作实例、示例或例证。奉文描述为"优选 的"任意方面或设计不必被解释为比其他方面或设计更有利。相反,词语"优选的"的使用旨 在W具体方式提出概念。如本申请中所使用的术语"或"旨在意指包含的"或"而非排除的 "或"。即,除非另外指定或从上下文中清楚/'X使用A或B"意指自然包括排列的任意一个。 即,如果X使用A;X使用B;或X使用A和B二者,则气使用A或B"在前述任一示例中得到满足。
[0135] 而且,尽管已经相对于一个或多个实现方式示出并描述了本公开,但是本领域技 术人员基于对本说明书和附图的阅读和理解将会想到等价变型和修改。本公开包括所有运 样的修改和变型,并且仅由所附权利要求的范围限制。特别地关于由上述组件(例如元件、 资源等)执行的各种功能,用于描述运样的组件的术语旨在对应于执行所述组件的指定功 能(例如其在功能上是等价的)的任意组件(除非另外指示),即使在结构上与执行本文所示 的本公开的示范性实现方式中的功能的公开结构不等同。此外,尽管本公开的特定特征已 经相对于若干实现方式中的仅一个被公开,但是运种特征可W与如可W对给定或特定应用 而言是期望和有利的其他实现方式的一个或多个其他特征组合。而且,就术语"包括"、"具 有"、"含有"或其变形被用在【具体实施方式】或权利要求中而言,运样的术语旨在W与术语 "包含"相似的方式包括。
[0136] 本发明实施例中的各功能单元可W集成在一个处理模块中,也可W是各个单元单 独物理存在,也可W两个或两个W上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可W采用 硬件的形式实现,也可W采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果W软件功能 模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时,也可W存储在一个计算机可读取存储介 质中。上述提到的存储介质可W是只读存储器,磁盘或光盘等。上述的各装置或系统,可W 执行相应方法实施例中的方法。
[0137] 综上所述,虽然本发明已W优选实施例掲露如上,但上述优选实施例并非用W限 制本发明,本领域的普通技术人员,在不脱离本发明的精神和范围内,均可作各种更动与润 饰,因此本发明的保护范围W权利要求界定的范围为准。
【主权项】
1. 一种单相感应电机的波形调制方法,提供三相桥绕组电路,其特征在于,包括以下步 骤: 锁定所述三相桥绕组电路中的某一相的开关状态以获取副绕组电压相位角处于各个 区间内的调制波; 计算所述调制波的波形发生局部畸变时的临界相位角; 依据所述临界相位角重新计算所述调制波的W相调制占空比。2. 根据权利要求1所述的波形调制方法,其特征在于,所述锁定所述三相桥绕组电路中 的某一相的开关状态以获取各个区间内副绕组电压相位角的调制波的步骤包括以下子步 骤:其中,Θ为副绕组电压相位角,Du为U相调制占空比,Dv为V相调制占空比,Dw为W相调制占 空比,m为调制率。3. 根据权利要求2所述的波形调制方法,其特征在于,所述计算所述调制波的波形发生 局部畸变时的临界相位角的步骤包括以下子步骤: 当所述调制波的波形发生局部畸变时,获取所述调制率:依据m(sin0Q+cos0()) = 1计算所述临界相位角: 其中,θ〇为临界相位角。4. 根据权利要求3所述的波形调制方法,其特征在于,所述依据所述临界相位角重新计 算所述调制波的W相调制占空比的步骤包括: 当θ〇< θ<2-θ〇时计算W相调制占空比:当jt+0q<0<33t/2-9()时计算W相调制占空比:5. -种单相感应电机的波形调制装置,其特征在于,包括: 调制波获取模块,用于锁定所述三相桥绕组电路中的某一相的开关状态以获取副绕组 电压相位角处于各个区间内的调制波; 临界相位角计算模块,用于计算所述调制波的波形发生局部畸变时的临界相位角; 占空比重算模块,用于依据所述临界相位角重新计算所述调制波的W相调制占空比。6. 根据权利要求5所述的波形调制装置,其特征在于,所述调制波获取模块包括: 第一区间调制子模块,用于锁定所述三相桥绕组电路中的V相的开关状态以获取区间内的调制波:第二区间调制子模块,用于锁定所述三相桥绕组电路中的U相的开关状态以获取'区间内的调制波:第三区间调制子模块,用于锁定所述三相桥绕组电路中的V相的开关状态以获取区间内的调制波:第四区间调制子模块,用于锁定所述三相桥绕组电路中的U相的开关状态以获取-区间内的调制波:其中,Θ为副绕组电压相位角,Du为U相调制占空比,Dv为V相调制占空比,Dw为W相调制占 空比,m为调制率。7. 根据权利要求6所述的波形调制装置,其特征在于,所述临界相位角计算模块包括: 调制率获取子模块,用于当所述调制波的波形发生局部畸变时,获取所述调制率:临界相位角计算子模块,用于依据m(sin0〇+cos0()) = 1计算所述临界相位角:其中,θ〇为临界相位角。8. 根据权利要求7所述的波形调制装置,其特征在于,所述占空比重算模块包括: 第一区间重算子模块,用于当θ〇<θ<2-θ〇时计算W相调制占空比:第二区间重算子模块,用于当Ji+9Q<0<33i/2-0Q时计算W相调制占空比:
【文档编号】H02P27/04GK105827173SQ201610223318
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年4月11日
【发明人】陈锐坚, 徐政, 施洪峰
【申请人】深圳天源新能源股份有限公司
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