CN103795321A - 单相电容运转异步电动机变频驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种单相电容异步电动机变频驱动方法，基于成熟的三相变频器模块硬件技术，针对变频模块的三个输出端U、V、W，独创“二相变频矢量PWM”算法，精心选择“公共端”W的输出函数，使得两个差函数U-W、V-W是相差90o的两相正弦波，得到频率可调、相位差90o的两相驱动电源。将三个输出的两相变频器用于单相电容异步电机，将三个输出U、V、W端分别连接电动机的R、S、C端子，驱动电动机运行，运行时可改变电动机工作频率，实现单相电容运转异步电动机无级调速。该方法可驱动主、副绕组分别引出的“4线”电机和带“公共端”的“3线”电机。产品模块化、体积小、成本低、可靠性高。

Description

单相电容运转异步电动机变频驱动方法

技术领域

本发明属于单相电容运转异步电动机变频领域，具体涉及一种单相电容运转异步电动机变频驱动方法。

背景技术

单相电容运转异步电动机在工业和家用电器领域有极其广泛的应用。这种电机有两个绕组，一个主绕组和一个副绕组，通常工作电源是单相交流220V，副绕组驱动信号的相位超前主绕组90o。将主绕组接电源，而将副绕组串接一个电容器再接电源，利用电容的移相作用获得90o相位差。单相电容运转异步电动机结构简单，成本低廉，可单相运转，但调速比较麻烦。近年来，三相变频技术获得了很大的发展，随着微处理器控制技术和功率模块的日臻成熟和普及，变频器价格也大幅下降，使得采用变频技术实现单相电容运转异步电动机的无级调速成为可能。

大多数单相电容运转异步电动机的主、副绕组的其中一端是连在一起的，称为“公共端”（例如单相定频空调压缩机、冰箱压缩机、风机、水泵等）。这种电机只有三根引出线，分别是：主绕组（R）、副绕组（S）和公共端（C）。市面上流行的三相变频器并不能驱动单相电容运转异步电动机，而市场上现有的两相变频器产品很少（只查到一种ZL201220062874.6专利），该专利需要电动机的主、副绕组分别引出，不能有“公共端”，这种两相变频器仅能驱动少数“4线”电机，它有4个输出（2个接主绕组，2个接副绕组，不能将主、副绕组的其中一端相连，否则会造成变频器短路），不能利用成熟的变频功率模块。研发三个驱动输出的两相变频器有现实意义，它不仅可以驱动“4线”电机，还可以驱动带“公共端”的“3线”电机，更可贵的是可以利用技术成熟的的三相变频功率模块（它具有三个输出端U、V、W），使得产品模块化，体积小、成本低、可靠性高。

发明内容

本发明针对单相电容运转异步电动机变频驱动面临的难题，提出了一种单相电容运转异步电动机变频驱动方法，利用成熟的三相变频模块硬件技术，通过独创的“二相变频矢量PWM”算法，研发出三个输出的两相变频器来实现单相电容运转异步电动机的无级调速。

本发明所采用的技术方案如下：

单相电容运转异步电动机变频驱动方法，基于成熟的三相变频模块硬件技术，针对三相变频模块的三个输出端U、V、W，采用“二相变频矢量PWM”算法，精心选择“公共端”W的输出函数，使得两个差函数U-W、V-W是相差90o的两相正弦波，得到频率可调、相位差90o的两相驱动电源，经此得到三个输出的两相变频器。将两相变频器用于单相电容异步电机，将两相变频器功率模块的U、V、W端分别连接单相电容异步电机的R、S、C端子，驱动单相电容电机运行，运行时可以改变电机工作频率，实现单相电容异步电动机无级调速。

所述的“二相变频矢量PWM”算法包括以下步骤：

（1）、选择适合的三个三角函数曲线Fa(x)、Fb(x)、Fab(x)，令Fa(x)=K*Sin(x)；Fb(x)=K*Sin(60o-x)；Fab(x)=K[Sin(x)+Sin(60o-x)]，式中的“K”是幅度因子，其大小决定输出幅度，K的最大值Kmax与具体选用CPU的PWM定时器架构有关；

（2）、把一个周期正弦波360o分成12个区间（每个区30o），利用上面选择的函数值定义每个区间上U、V、W值；

（3）、将上一步骤得到的U、V、W值，装载到CPU的变频PWM定时器里，就可以得到相应的PWM信号输出；

（4）、根据所需输出幅度计算幅度因子，根据所需频率计算新的角度自变量x+Δx，将新的自变量带入计算，得到下一组U、V、W值，并持续进行下去，即可得到连续的输出。

所述的两相变频器在驱动单相电容运转异步电动机运转时，工作频率和输出电压成正比关系；高效算法减少了开关次数，降低了模块损耗，提高了母线电压利用率，最大输出电压接近输入电源电压幅度；采用中心对称PWM模式，可消除偶次谐波，改善了电磁兼容性能。

所述的三个输出的两相变频器既可以驱动主、副绕组分别引出的“4线”电机，更可以驱动常见的带“公共端”的“3线”电机。

相比现有技术，本发明的优点是：

1、硬件成熟稳定，产品模块化、体积小、成本低、可靠性高。

2、基于成熟的三相变频模块研发的三个输出的两相变频器，可以适用于常见的单相电容运转异步电动机（例如单相定频空调压缩机、冰箱压缩机、风机、水泵等）。

附图说明

图1为三相变频逆变器主回路等效电路图。

图2为两相变频逆变器主回路等效电路图。

图3为选择的三角函数。

图4为幅度因子Kmax=2400时定义的线性函数图。

图5 U、W、V相对于电源母线负极的理论波形。

图6 实拍U、W相对于电源母线负极的波形照片。

图7为精心选择的“W”“公共端”波形以及U-W和V-W理论波形。

图8为用滤波电路滤除PWM高频分量后，实拍的公共端“W”波形照片。

图9为二相变频理论输出波形图。

图10为实拍相位差90o的二相波形照片（PWM高频分量已滤除）。

图11为压频曲线图。

具体实施方式

如图1和图2所示分别为三相变频逆变器主回路等效电路图和两相变频逆变器主回路等效电路图。要想利用成熟的三相变频模块硬件技术实现如图2所示的三个输出的两相变频器来实现单相电容运转异步电动机的变频驱动，要合理利用三相变频模块的三个输出端U、V、W，最关键的问题就是精心选择“公共端”（W）的输出函数，使得差函数U-W符合主绕组要求，而差函数V-W符合副绕组要求，也就是说两个差函数U-W、V-W是相差90o的两相正弦波，实现该目标包括以下步骤：

1、假设三个三角函数曲线Fa(x)、Fb(x)、Fab(x)，如图3所示，令Fa(x)=K*Sin(x)；Fb(x)=K*Sin(60o-x)；Fab(x)=K[Sin(x)+Sin(60o-x)]，式中的“K”是幅度因子，其大小决定输出幅度，K的最大值Kmax与具体选用CPU的PWM定时器架构有关，例如我们选用的CPU取Kmax=2400；再定义两个线性函数：Xa(x)=1.561x+402、Xb(x)=1998-1.561x，我们将用这5个函数的线性组合来生成U、V、W值。

2、把一个周期正弦波360o分成12个区间（每个区30o），利用上面定义的函数生成每个区间上U、V、W值如下：

在第一区：U=Fa(α)，V=Fab(β)，W=0，U-W=Fa(α)，V-W=Fab(β)，

角度自变量：α：0o- 30o，β：30o- 60o；

在第二区：U=Fa(β)，V=Fb(α)，W=0，U-W=Fa(β)，V-W=Fb(α)，

角度自变量：α：0o- 30o，β：30o- 60o；

在第三区：U=Fab(α)，V=Fb(β)，W=0，U-W=Fab(α)，V-W=Fb(β)

角度自变量：α：0o- 30o，β：30o- 60o；

在第四区：U=Kmax，V=Kmax-Fab(β)-Fa(α)，W=Kmax-Fab(β)，U-W=Fab(β)，V-W=-Fa(α)，角度自变量：α：0o- 30o，β：30o- 60o；

在第五区：U=Xa(α)+Fb(α)，V=Xa(α)-Fa(β)，W=Xa(α)，U-W=Fb(α)，V-W=-Fa(β)，

角度自变量：α：0o- 30o，β：30o- 60o；

在第六区：U=Fb(β)+Fab(α)，V=0，W=Fab(α)，U-W=Fb(β)，V-W=-Fab(α)

角度自变量：α：0o- 30o，β：30o- 60o；

在第七区：U=Kmax-Fa(α)，V=Kmax-Fab(β)，W=Kmax，U-W=-Fa(α)，V-W=-Fab(β)

角度自变量：α：0o- 30o，β：30o- 60o；

在第八区：U=Kmax-Fa(β)，V=Kmax-Fb(α)，W=Kmax，U-W=-Fa(β)，V-W=-Fb(α)

角度自变量：α：0o- 30o，β：30o- 60o；

在第九区：U=Kmax-Fab(α)，V=Kmax-Fb(β)，W=Kmax，U-W=-Fab(α)，V-W=-Fb(β)，

角度自变量：α：0o- 30o，β：30o- 60o；

在第十区：U=0，V=Fab(β)+Fa(α)，W=Fab(β)，U-W=-Fab(β)，V-W=Fa(α)，

角度自变量：α：0o- 30o，β：30o- 60o；

在第十一区：U=Xb(α)-Fb(α)，V=Xb(α)+Fa(β)，W=Xb(α)，U-W=-Fb(α)，V-W=Fa(β)

角度自变量：α：0o- 30o，β：30o- 60o；

在第十二区：U=Kmax-Fab(α)-Fb(β)，V=Kmax，W=Kmax-Fab(α)，U-W=-Fb(β), V-W=Fab(α)，角度自变量：α：0o- 30o，β：30o- 60o；

其中，在第5区和第11区使用到的线性函数Xa(α)、线性函数Xb(α)是幅度因子最大值Kmax=2400时的线性函数，如图4所示。选取的“线性函数”一定要关于中心线对称，否则输出波形会包含直流分量，这是不能允许的，即Xa(α)的起点与Xb(α)的起点之和等于Kmax，而Xa(α)的终点与Xb(α)的终点之和也等于Kmax，即402+1998=1998+402=2400，在本项目中，角度自变量α：0o- 30o，对应的数据为0-1023，则Xa(α)=1.561α+402，Xb(α)=1998-1.561α。

3、算法运行结果实现：计算结果要装载到CPU的PWM定时器来生成PWM波形，由于PWM定时器有效范围：0～Kmax（K的最大值Kmax与CPU定时器结构有关），如果计算结果<0则只能取0，而计算结果>Kmax也只能取Kmax。因此，当输出幅度大时，就难免会产生失真。为了减少失真应根据“U-W”和“V-W”当时的幅度值来决定取舍，在区间5与区间11通过选择合适的“线性函数”（虽然此处采用线性函数并不是最佳的，但线性函数简单可以简化程序）让幅度大者失真较小，可以获得较好的运行效果，选取的“线性函数”一定要关于中心线对称，否则输出波形会包含直流分量。精心选择的“公共端”波形“W”以及U-W和V-W如图7所示，12个区间里区间1、2、3、7、8、9完全没有失真；区间4与区间10里“U-W”处于峰值无失真，“V-W”有失真；区间6与区间12“V-W”处于峰值无失真，“U-W”有失真；区间5与区间11“U-W”“V-W”都有一些失真。

至此，完成了基于三相变频硬件技术的三个输出的两相变频器软件设计，可直接用于单相电容异步电机变频驱动。将本发明的两相变频器用于单相定频空调试验，将压缩机原配的移相电容器拆除，将压缩机的R、S、C端子分别接二相变频器功率模块的U、V、W端，驱动单相电容压缩机，运行时可以改变工作频率，频率改变时输出电压也要跟着改变（软件通过修改幅度因子K就可以达到目的），频率低则电压也低，频率与电压的关系满足压频曲线图（图11），运行频率10Hz～55Hz，使原来的定频空调达到变频空调的功能，实际运行效果很好。

图5就是根据“二相变频矢量PWM”算法得到的U、W、V相对于电源母线负极的理论波形，灰色部分代表PWM脉冲，可见U、V有六分之一部分，W有二分之一部分为恒定的“高”或“低”电平，在此期间相应支路的开关器件停止动作，因而减少了开关次数，降低了模块损耗，还提高了电源母线的电压利用率，可以得到接近输入电源电压幅度的输出电压；PWM脉冲采用中心对称模式，可消除偶次谐波，提高了电磁兼容性能。图6是实拍的U、W相对于电源母线负极的波形照片。

用滤波电路滤除PWM高频分量后，实拍的公共端“W”波形如图8所示，和图7中的“W”理论波形图相比基本一致。

如图10所示为实拍相位差90o的二相波形照片（PWM高频分量已滤除），就是模块输出的实际波形，与理想的正弦波相比，稍有些失真，但实际运行结果表明，对电机正常运行没有影响。

Claims (4)

1.单相电容运转异步电动机变频驱动方法，其特征在于：基于成熟的三相变频器模块技术，针对三相变频模块的三个输出端U、V、W，采用“二相变频矢量PWM”算法，精心选择“公共端”W的输出函数，使得两个差函数U-W、V-W波形是相差90o的两相正弦波，得到频率可调、相位差90o的两相驱动电源，经此得到三个输出U、V、W的两相变频器；把两相变频器用于单相电容运转异步电动机，两相变频器功率模块的U、V、W端分别连接单相电容运转异步电动机的R、S、C端，驱动其运行，运行时可改变工作频率，实现单相电容运转异步电动机无级调速。

2.根据权利要求1所述的单相电容运转异步电动机变频驱动方法，其特征在于：所述的“二相变频矢量PWM”算法包括以下步骤：

（1）、选择适合的三个三角函数曲线Fa(x)、Fb(x)、Fab(x)，令Fa(x)=K*Sin(x)；Fb(x)=K*Sin(60o-x)；Fab(x)=K[Sin(x)+Sin(60o-x)]，式中的“K”是幅度因子，其大小决定输出幅度，K的最大值Kmax与具体选用CPU的PWM定时器架构有关；

（2）、把一个周期正弦波360o分成12个区间（每个区30o），利用上面选择的函数值定义每个区间上U、V、W值；

（3）、将上一步骤得到的U、V、W值，装载到CPU的变频PWM定时器里，就可以得到相应的PWM信号输出；

（4）、根据所需输出幅度计算幅度因子，根据所需频率计算新的角度自变量x+Δx，将新的自变量带入计算，得到下一组U、V、W值，并持续进行下去，即可得到连续的输出。

3.根据权利要求1所述的单相电容运转异步电动机变频驱动方法，其特征在于：所述的两相变频器在驱动单相电容运转异步电动机运转时，工作频率和输出电压成正比关系；高效算法减少开关次数，降低模块损耗，提高母线电压利用率，最大输出电压接近输入电源电压幅度；采用中心对称PWM模式，消除偶次谐波，改善电磁兼容性能。

4.根据权利要求1所述的单相电容运转异步电动机变频驱动方法，其特征在于：所述的三个输出的两相变频器既可以驱动主、副绕组分别引出的“4线”电机，更可以驱动常见的带“公共端”的“3线”电机。

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