CN102064726A - 用于单相感应电机的可控双电源串联的非对称逆变器 - Google Patents

Abstract

用于单相感应电机的可控双电源串联的非对称逆变器，属于电力电子技术领域，本发明为解决单相感应电机采用的逆变电源导致电机存在速度波动的问题。本发明包括两个直流电源DC1和DC2、两个开关管Sm1和Sm2、三相全桥逆变电路，DC1、Sm1和DC2依次串联，DC1和Sm1串联后的两端并联Sm2，DC1、Sm1和DC2依次串联后的一个输出端连接三相全桥逆变电路的一个输入端，另一个输出端连接三相全桥逆变电路的另一个输入端，主线圈的匝数N₁与辅助线圈的匝数N₂不相等，匝数多的线圈并联在第一、三桥臂的两个输出端之间，匝数少的线圈并联在第二、四桥臂的两个输出端之间，Sm1和Sm2状态互补，DC1大于DC2。

Description

用于单相感应电机的可控双电源串联的非对称逆变器

技术领域

本发明涉及用于单相感应电机的可控双电源串联的非对称逆变器，属于电力电子技术领域。

背景技术

单相感应电机是一类应用时间最早、应用范围最广的、单相电源供电和小功率应用的单相感应电机。对其进行调速改造，或在新生产的电机中配置性能好的控制系统，具有提高运行性能和节约能源的重要意义。它的两组定子线圈(主线圈L_Q和辅助线圈L_D)通常以正交的方式放置，加到两个线圈的定子电源应有90度的相位差，以保证形成定子旋转磁场使转子转动。图1是单相异步电机的模型示意图，其中两个定子绕组分别用L_Q和L_D表示。转子绕组用α和β表示。ω为转子角速度。α相绕组的轴线与D相绕组L_D的轴线的夹角θ角为空间位移变量。

产生两线圈正交控制电压的方法有两种：第一种方法是辅助线圈L_D串联某些电气元件再与主线圈L_Q并联，只需一个定子控制电压，因此可使用单相交流电源；第二种方法是两个线圈分别加入正交的定子控制电压，这也就是两相交流电源分别控制。

现有技术中，对单相感应电机实行两相分别控制方式，其控制电路参见图2所示。

由于电力电子技术和微处理器技术的不断发展，从单相交流电源整流逆变为多相交流电能的技术已经成熟，为单相感应电机的两相分别控制技术提供了技术基础。而单相交流电机的两相分别控制技术可以省去电容器、便于调速、便于使用和三相交流电机类似的控制技术，因此已广泛应用于单相感应电机的控制中。

单相电机运行条件：

单相感应电机有如下基本关系

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{U_Q}=-{\stackrel{\·}{E}}_Q+j{X}_{\mathrm{Q\σ}}\\ \stackrel{\·}{U_D}=-{\stackrel{\·}{E}}_D+j{X}_{\mathrm{D\σ}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中是主线圈的外加电源电压，

是主线圈的感应电动势，X_Qσ是主线圈的漏电抗，

是辅助线圈的外加电源电压，

是辅助线圈的感应电动势，X_Dσ是辅助线圈的漏电抗。

一般近似地认为两相绕组的漏抗比等于匝数比的平方，即：

X_Qσ/X_Dσ≈(N_Q/N_D)²                            (2)

在单相电机对称运行时，应有：

${\stackrel{\·}{E}}_Q/{\stackrel{\·}{E}}_D=j{(N_Q/N_D)}^2---\left(3\right)$

这样，就得到对称运行时的电压条件，

${\stackrel{\·}{U}}_Q/{\stackrel{\·}{U}}_D=j(N_Q/N_D)---\left(4\right)$

即两个线圈所承受的电压应与两个线圈对应的匝数成正比。

图2所示的逆变器中，交流电经AC-DC转换模块后转变成直流，即相当于直流电源，该直流电源经稳压、再经桥式逆变电路逆变为交流信号分别加到单相感应电机的两个绕组L_Q和L_D上，由于供电电路的对称性，两个绕组上所加的交流电压的幅值是一样的。但是，单相感应电机的两个绕组都是不对称的，也就是不相等，这就会使单相感应电机的定子旋转磁动势的轨迹不是圆形的，而是椭圆形的，其结果是单相感应电机在运行时转一圈中的速度不相等，也就是单相感应电机运行时会有速度波动。

发明内容

本发明目的是为了解决单相感应电机采用的逆变电源导致电机存在速度波动的问题，提供了一种用于单相感应电机的可控双电源串联的非对称逆变器。

本发明用于单相感应电机的可控双电源串联的非对称逆变器的第一种方案：

它包括第一直流电源DC1、第一电源控制开关管Sm1、第二直流电源DC2、第二电源控制开关管Sm2和三相全桥逆变电路，第一直流电源DC1、第一电源控制开关管Sm1和第二直流电源DC2依次串联，第一直流电源DC1和第一电源控制开关管Sm1串联后的两端并联第二电源控制开关管Sm2，第一直流电源DC1、第一电源控制开关管Sm1和第二直流电源DC2依次串联后的一个输出端连接三相全桥逆变电路的一个输入端，第一直流电源DC1、第一电源控制开关管Sm1和第二直流电源DC2依次串联后的另一个输出端连接三相全桥逆变电路的另一个输入端，单相感应电机的主线圈L_Q并联在第一桥臂的输出端和第三桥臂的输出端之间，单相感应电机的辅助线圈L_D并联在第二桥臂的输出端和第三桥臂的输出端之间，单相感应电机的主线圈的匝数N₁大于辅助线圈的匝数N₂，第一电源控制开关管Sm1和第二电源控制开关管Sm2的开关状态互补，第一直流电源DC1两端电压大于第二直流电源DC2两端电压。

本发明用于单相感应电机的可控双电源串联的非对称逆变器的第二种方案：

它包括第一直流电源DC1、第一电源控制开关管Sm1、第二直流电源DC2、第二电源控制开关管Sm2和三相全桥逆变电路，第一直流电源DC1、第一电源控制开关管Sm1和第二直流电源DC2依次串联，第一直流电源DC1和第一电源控制开关管Sm1串联后的两端并联第二电源控制开关管Sm2，第一直流电源DC1、第一电源控制开关管Sm1和第二直流电源DC2依次串联后的一个输出端连接三相全桥逆变电路的一个输入端，第一直流电源DC1、第一电源控制开关管Sm1和第二直流电源DC2依次串联后的另一个输出端连接三相全桥逆变电路的另一个输入端，单相感应电机的辅助线圈L_D并联在第一桥臂的输出端和第三桥臂的输出端之间，单相感应电机的主线圈L_Q并联在第二桥臂的输出端和第三桥臂的输出端之间，单相感应电机的主线圈的匝数N₁小于辅助线圈的匝数N₂，第一电源控制开关管Sm1和第二电源控制开关管Sm2的开关状态互补，第一直流电源DC1两端电压大于第二直流电源DC2两端电压。

本发明的优点：本发明提供的逆变器根据单相感应电机主辅线圈的匝数情况来加不同幅值的电压，即加到电机绕组上的电压幅值与绕组的匝数成正比，承担电压幅值变化调节任务的第一直流电源根据三相全桥中开关管的导通状态，按照符合要求的逻辑关系，由第一电源控制开关管Sm1控制其开关，本发明所述逆变器的两个电源分别设置一个控制它开关状态的开关管，这样设置，提高了两个电源的可控性，尤其是当第二电源控制开关管Sm2导通时，第一电源控制开关管Sm1的关断可以避免第二电源控制开关管Sm2导通对第一直流电源DC1的影响；因此，这种两个电源分别串联控制开关的方案，提高了电源系统的稳定性，更加具有实用性。

本发明所述逆变器使得加载到主辅线圈上的电压是随着工作状态在有规律的变化，并非一成不变，使得单相感应电机能够运行平稳，减少转速波动，获得更好的运行效果。

附图说明

图1是背景技术中单相感应电机绕组结构示意图；

图2是背景技术中单相感应电机所采用的逆变器结构示意图；

图3是本发明用于单相感应电机的可控双电源串联的非对称逆变器结构示意图；

图4是实施方式二的结构示意图；

图5是各个开关的逻辑关系图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图3和图5说明本实施方式，本实施方式用于单相感应电机的可控双电源串联的非对称逆变器，它包括第一直流电源DC1、第一电源控制开关管Sm1、第二直流电源DC2、第二电源控制开关管Sm2和三相全桥逆变电路，第一直流电源DC1、第一电源控制开关管Sm1和第二直流电源DC2依次串联，第一直流电源DC1和第一电源控制开关管Sm1串联后的两端并联第二电源控制开关管Sm2，第一直流电源DC1、第一电源控制开关管Sm1和第二直流电源DC2依次串联后的一个输出端连接三相全桥逆变电路的一个输入端，第一直流电源DC1、第一电源控制开关管Sm1和第二直流电源DC2依次串联后的另一个输出端连接三相全桥逆变电路的另一个输入端，单相感应电机的主线圈L_Q并联在第一桥臂的输出端和第三桥臂的输出端之间，单相感应电机的辅助线圈L_D并联在第二桥臂的输出端和第三桥臂的输出端之间，单相感应电机的主线圈的匝数N₁大于辅助线圈的匝数N₂，即N₁＞N₂。第一电源控制开关管Sm1和第二电源控制开关管Sm2的开关状态互补，第一直流电源DC1两端电压大于第二直流电源DC2两端电压。

第一电源控制开关管Sm1用于控制第一直流电源DC1的开关状态，第二电源控制开关管Sm2用于控制第二直流电源DC2的开关状态。

三相全桥逆变电路由六个开关管组成，六个开关管分别为第一开关管S₁、第二开关管S₂、第三开关管S₃、第四开关管S₄、第五开关管S₅和第六开关管S₆，第一桥臂的上、下位置分别设置第一开关管S₁和第二开关管S₂，第二桥臂的上、下位置分别设置第三开关管S₃和第四开关管S₄，第三桥臂的上、下位置分别设置第五开关管S₅和第六开关管S₆，第二电源控制开关管Sm2的开关状态与六个开关管的开关状态之间的逻辑关系为：

式中，开关管取值为1表示该开关管导通，开关管取值为0表示该开关管关断。本实施方式的三相全桥逆变电路输出的交流电压我们只利用了其中的两相，一相加载在主线圈两端，另一相加载在辅助线圈上。

第一开关管S₁、第二开关管S₂、第三开关管S₃、第四开关管S₄、第五开关管S₅、第六开关管S₆、第一电源控制开关管Sm1和第二电源控制开关管Sm2采用自带体二极管的IGBT开关管或自带体二极管的MOSFET开关管。

每个开关管自带的体二极管为反向并联设置，当开关管采用IGBT开关管时，体二极管的阳极与IGBT开关管的发射极相连接，体二极管的阴极与IGBT开关管的集电极相连接；当开关管采用N型MOSFET开关管时，体二极管的阳极与MOSFET开关管的源极相连接，体二极管的阴极与MOSFET开关管的漏极相连接；当开关管采用P型MOSFET开关管时，体二极管的阳极与MOSFET开关管的漏极相连接，体二极管的阴极与MOSFET开关管的源极相连接。

DC1的逆变后交流电压值

与DC2的逆变后交流电压值

的值的和应等于主线圈的额定电压，即：

为使两个线圈所承受的电压应与两个线圈对应的匝数成正比，应满足如下关系

$({\tilde{U}}_1+{\tilde{U}}_2)/{\tilde{U}}_2=N_1/N_2---\left(6\right)$

因此得到：

${\tilde{U}}_1=(N_1/N_2-1)\×{\tilde{U}}_2---\left(7\right)$

为满足式(5)，应使逆变器对主线圈供电时场效应管开关关断，而在对辅助线圈供电时场效应管开关导通。故第二电源控制开关管Sm2的工作条件是：当S1导通、S4导通和S6同时导通，或者S2导通、S3导通、S5同时导通时，其处于关断状态。可写为如下关系：

$S_{m2}=\stackrel{\‾}{S_1\·S_4\·S_6+S_2\·S_3\·S_5}---\left(8\right)$

图5给出一个如式(8)所述逻辑关系的数字电路图。

在上述条件下，加到主线圈和辅助线圈的实际电压如表1所示：

表1

表1的每种状态只提及三个导通的开关管，未提及的另外三个开关管默认状态为关断。V_AC表示第一桥臂和第三桥臂之间的电压，V_BC表示第二桥臂和第三桥臂之间的电压；V_DC1表示第一直流电源DC1两端电压，V_DC2表示第二直流电源DC2两端电压。

下面给出一个具体的实施例，单相感应电机的额定电压为220V，开关采用型号为IRF840的场效应管，其参数为8.0A，500V。该电机定子主辅线圈的比值参数为：

k＝N₁/N₂＝1.1，此电机的单相感应电机的主线圈的匝数N₁大于辅助线圈的匝数N₂。即N₁＞N₂。

因而有

${\tilde{U}}_2={\tilde{U}}_1/(1.1-1)$

因此，得到：

由

和

的值可以求得第一直流电源DC1两端电压值和第二直流电源DC2的两端电压值。

具体实施方式二：下面结合图4和图5说明本实施方式，本实施方式用于单相感应电机的可控双电源串联的非对称逆变器，它包括第一直流电源DC1、第一电源控制开关管Sm1、第二直流电源DC2、第二电源控制开关管Sm2和三相全桥逆变电路，第一直流电源DC1、第一电源控制开关管Sm1和第二直流电源DC2依次串联，第一直流电源DC1和第一电源控制开关管Sm1串联后的两端并联第二电源控制开关管Sm2，第一直流电源DC1、第一电源控制开关管Sm1和第二直流电源DC2依次串联后的一个输出端连接三相全桥逆变电路的一个输入端，第一直流电源DC1、第一电源控制开关管Sm1和第二直流电源DC2依次串联后的另一个输出端连接三相全桥逆变电路的另一个输入端，单相感应电机的辅助线圈L_D并联在第一桥臂的输出端和第三桥臂的输出端之间，单相感应电机的主线圈L_Q并联在第二桥臂的输出端和第三桥臂的输出端之间，单相感应电机的主线圈的匝数N₁小于辅助线圈的匝数N₂，即N₁＜N₂。第一电源控制开关管Sm1和第二电源控制开关管Sm2的开关状态互补，第一直流电源DC1两端电压大于第二直流电源DC2两端电压。

第一电源控制开关管Sm1用于控制第一直流电源DC1的开关状态，第二电源控制开关管Sm2用于控制第二直流电源DC2的开关状态。

三相全桥逆变电路由六个开关管组成，六个开关管分别为第一开关管S₁、第二开关管S₂、第三开关管S₃、第四开关管S₄、第五开关管S₅和第六开关管S₆，第一桥臂的上、下位置分别设置第一开关管S₁和第二开关管S₂，第二桥臂的上、下位置分别设置第三开关管S₃和第四开关管S₄，第三桥臂的上、下位置分别设置第五开关管S₅和第六开关管S₆，第二电源控制开关管Sm2的开关状态与六个开关管的开关状态之间的逻辑关系为：式中，开关管取值为1表示该开关管导通，开关管取值为0表示该开关管关断。

第一开关管S₁、第二开关管S₂、第三开关管S₃、第四开关管S₄、第五开关管S₅、第六开关管S₆、第一电源控制开关管Sm1和第二电源控制开关管Sm2采用自带体二极管的IGBT开关管或自带体二极管的MOSFET开关管。

本实施方式的原理与实施方式一基本相同，唯一区别在于N₁＜N₂，主线圈和辅助线圈设置的位置互换即可，同理得到：

${\tilde{U}}_2=(N_2/N_1-1)\×{\tilde{U}}_1.$

其它都与实施方式一相同，这里不再赘述。

Claims (6)

1.用于单相感应电机的可控双电源串联的非对称逆变器，其特征在于，它包括第一直流电源(DC1)、第一电源控制开关管(Sm1)、第二直流电源(DC2)、第二电源控制开关管(Sm2)和三相全桥逆变电路，第一直流电源(DC1)、第一电源控制开关管(Sm1)和第二直流电源(DC2)依次串联，第一直流电源(DC1)和第一电源控制开关管(Sm1)串联后的两端并联第二电源控制开关管(Sm2)，第一直流电源(DC1)、第一电源控制开关管(Sm1)和第二直流电源(DC2)依次串联后的一个输出端连接三相全桥逆变电路的一个输入端，第一直流电源(DC1)、第一电源控制开关管(Sm1)和第二直流电源(DC2)依次串联后的另一个输出端连接三相全桥逆变电路的另一个输入端，单相感应电机的主线圈L_Q并联在第一桥臂的输出端和第三桥臂的输出端之间，单相感应电机的辅助线圈L_D并联在第二桥臂的输出端和第三桥臂的输出端之间，单相感应电机的主线圈的匝数N₁大于辅助线圈的匝数N₂，第一电源控制开关管(Sm1)和第二电源控制开关管(Sm2)的开关状态互补，第一直流电源(DC1)两端电压大于第二直流电源(DC2)两端电压。

2.根据权利要求1所述的用于单相感应电机的可控双电源串联的非对称逆变器，其特征在于，三相全桥逆变电路由六个开关管组成，六个开关管分别为第一开关管(S₁)、第二开关管(S₂)、第三开关管(S₃)、第四开关管(S₄)、第五开关管(S₅)和第六开关管(S₆)，第一桥臂的上、下位置分别设置第一开关管(S₁)和第二开关管(S₂)，第二桥臂的上、下位置分别设置第三开关管(S₃)和第四开关管(S₄)，第三桥臂的上、下位置分别设置第五开关管(S₅)和第六开关管(S₆)，第二电源控制开关管(Sm2)的开关状态与六个开关管的开关状态之间的逻辑关系为：

3.根据权利要求1或2所述的用于单相感应电机的可控双电源串联的非对称逆变器，其特征在于，第一开关管(S₁)、第二开关管(S₂)、第三开关管(S₃)、第四开关管(S₄)、第五开关管(S₅)、第六开关管(S₆)、第一电源控制开关管(Sm1)和第二电源控制开关管(Sm2)采用自带体二极管的IGBT开关管或自带体二极管的MOSFET开关管。

4.用于单相感应电机的可控双电源串联的非对称逆变器，其特征在于，它包括第一直流电源(DC1)、第一电源控制开关管(Sm1)、第二直流电源(DC2)、第二电源控制开关管(Sm2)和三相全桥逆变电路，第一直流电源(DC1)、第一电源控制开关管(Sm1)和第二直流电源(DC2)依次串联，第一直流电源(DC1)和第一电源控制开关管(Sm1)串联后的两端并联第二电源控制开关管(Sm2)，第一直流电源(DC1)、第一电源控制开关管(Sm1)和第二直流电源(DC2)依次串联后的一个输出端连接三相全桥逆变电路的一个输入端，第一直流电源(DC1)、第一电源控制开关管(Sm1)和第二直流电源(DC2)依次串联后的另一个输出端连接三相全桥逆变电路的另一个输入端，单相感应电机的辅助线圈L_D并联在第一桥臂的输出端和第三桥臂的输出端之间，单相感应电机的主线圈L_Q并联在第二桥臂的输出端和第三桥臂的输出端之间，单相感应电机的主线圈的匝数N₁小于辅助线圈的匝数N₂，第一电源控制开关管(Sm1)和第二电源控制开关管(Sm2)的开关状态互补，第一直流电源(DC1)两端电压大于第二直流电源(DC2)两端电压。

5.根据权利要求4所述的用于单相感应电机的可控双电源串联的非对称逆变器，其特征在于，三相全桥逆变电路由六个开关管组成，六个开关管分别为第一开关管(S₁)、第二开关管(S₂)、第三开关管(S₃)、第四开关管(S₄)、第五开关管(S₅)和第六开关管(S₆)，第一桥臂的上、下位置分别设置第一开关管(S₁)和第二开关管(S₂)，第二桥臂的上、下位置分别设置第三开关管(S₃)和第四开关管(S₄)，第三桥臂的上、下位置分别设置第五开关管(S₅)和第六开关管(S₆)，第二电源控制开关管(Sm2)的开关状态与六个开关管的开关状态之间的逻辑关系为：

6.根据权利要求4或5所述的用于单相感应电机的可控双电源串联的非对称逆变器，其特征在于，第一开关管(S₁)、第二开关管(S₂)、第三开关管(S₃)、第四开关管(S₄)、第五开关管(S₅)、第六开关管(S₆)、第一电源控制开关管(Sm1)和第二电源控制开关管(Sm2)采用自带体二极管的IGBT开关管或自带体二极管的MOSFET开关管。

Images