CN104868820A - 电容运行式单相感应电机的调速方法和调速装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电容运行式单相感应电机的调速方法，该调速方法包括以下步骤：根据空间电压矢量计算过调制的调制度分界点，并以调制度分界点确定过调制区间；根据调制度所处的过调制区间计算空间电压矢量的幅值以及调制度对应的切换角度；根据切换角度将空间电压矢量的幅值分解至两相静止参考坐标系以获得两相电压；以及根据两相电压输出调制信号对三相逆变器进行控制以调节单相感应电机的转速。本发明的电容运行式单相感应电机的调速方法，可以实现电容运行式单相感应电机的变频调速，可以达到全范围调制度输出，转速更加接近给定转速。本发明还公开了一种电容运行式单相感应电机的调速装置。

Description

电容运行式单相感应电机的调速方法和调速装置

技术领域

本发明属于电器技术领域，尤其涉及一种电容运行式单相感应电机的调速方法和调速装置。

背景技术

单相感应电机的定子包括主绕组和副绕组即启动绕组，转子为笼型。单相感应电机运行主要包括电容启动式和电容运行式，电容运行式单相感应电机的连接电路如图1所示，电容运行式单相感应电机M的结构简单，由绕组W1'和绕组W2'组成，移相电容C'将绕组W2'的电流I2超前绕组W1'的电流I1有90度(电角度)，使得绕组W1'和绕组W2'在空间中形成旋转磁场F，如图2所示，电容运行式单相感应电机M变频调速主要是改变旋转磁场F的旋转速度ω'，调速方法主要有：1、单相H桥模式：连接电路图如图3所示，在此模式下，单相感应电机M的电压峰值最高为U^dc/₂，电压利用率低。2、单相空间矢量调试SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制)模式:其空间电压矢量分布如图4所示，在此模式下，如图4中内切圆为最大调制度，其半径为0.707，最大调制度只能达到0.707，不可以进行全范围调制。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种电容运行式单相感应电机的调速方法，该调速方法可以实现电容运行式单相感应电机的变频调速，可以达到全范围调制度输出，转速更加接近给定转速。

本发明的另一方面实施例提出一种电容运行式单相感应电机的调速装置。

为达到上述目的，本发明的一方面实施例提出一种电容运行式单相感应电机的调速方法，所述单相感应电机的第一绕组和第二绕组分别与三相逆变器连接，所述三相逆变器包括三个输出端，其中，所述第一绕组连接在所述三个输出端中的任意两个输出端之间，所述第二绕组连接在所述三个输出端中除去连接所述第一绕组的两个输出端后剩余的输出端与连接所述第一绕组的两个输出端中的任一输出端之间，所述调速方法包括以下步骤：根据空间电压矢量计算过调制的调制度分界点，并以所述调制度分界点确定过调制区间；根据调制度所处的过调制区间计算空间电压矢量的幅值以及所述调制度对应的切换角度；根据所述切换角度将所述空间电压矢量的幅值分解至两相静止参考坐标系以获得两相电压；以及根据所述两相电压输出调制信号对所述三相逆变器进行控制以调节所述单相感应电机的转速。

根据本发明实施例的电容运行式单相感应电机的调速方法，通过过调制处理，实现电容运行式单相感应电机的变频调速，可以全范围调制度输出，可以使得单相感应电机的转速更加接近给定转速。

其中，在本发明的一些实施例中，所述过调制区间包括第一过调制区间和第二过调制区间，所述第一过调制区间的调制度为0.707<M≤0.7989，所述第二过调制区间的调制度为0.7989<M≤1.128，其中，M为调制度。

具体地，在所述调制度处于所述第一过调制区间时，在第一扇区按照以下公式计算所述空间电压矢量的幅值以及所述调制度对应的切换角度：

$f(M,\mathrm{\&alpha;})=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&alpha;}*M^2,\mathrm{\&theta;}\&Element;(-\mathrm{\&alpha;},\mathrm{\&alpha;}]\\ \frac{1}{2}\tan (\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}-\mathrm{\&alpha;}),\mathrm{\&theta;}\&Element;(\mathrm{\&alpha;},\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}-\mathrm{\&alpha;})\end{array}\right.---\left(1\right)$

$\mathrm{\&pi;}{M}^2=4\mathrm{\&alpha;}{M}^2\text{+2tan}(\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}-\mathrm{\&alpha;})---\left(2\right)$

其中，f(M,α)为所述空间电压矢量的幅值，M为调制度，α为所述切换角度，θ为所述空间电压矢量的空间角度。

另外，在所述调制度处于所述第二过调制区间时，在第一扇区按照以下公式计算所述空间电压矢量的幅值以及所述调制度对应的切换角度：

$f(M,\mathrm{\&alpha;})=\left\{\begin{array}{c}\tan \mathrm{\&alpha;},\mathrm{\&theta;}\&Element;(\mathrm{\&alpha;},\mathrm{\&alpha;}]\\ \frac{1}{2}\tan (\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}-\mathrm{\&alpha;}),\mathrm{\&theta;}\&Element;(\mathrm{\&alpha;},\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}-\mathrm{\&alpha;})\end{array}\right.---\left(3\right)$

$\mathrm{\&pi;}{M}^2=4\tan \mathrm{\&alpha;+2tan}(\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}-\mathrm{\&alpha;})---\left(4\right)$

其中，f(M,α)为所述空间电压矢量的幅值，M为调制度，α为所述切换角度，θ为所述空间电压矢量的空间角度。

具体地，所述空间电压矢量处于第一扇区时，根据所述切换角度将所述空间电压矢量的幅值分解至两相静止参考坐标系以获得两相电压，具体包括：

在所述调制度处于所述第一过调制区时，按照以下公式将所述空间电压矢量的幅值分解至两相静止参考坐标系以获得两相电压：

$u_a=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{MCOS}\mathrm{\&theta;},\mathrm{\&theta;}\&Element;(\mathrm{\&alpha;},\mathrm{\&alpha;}]\\ \frac{\mathrm{COS\&theta;}}{2\mathrm{COS}(\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}-\mathrm{\&theta;})},\mathrm{\&theta;}\&Element;(\mathrm{\&alpha;},\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}-\mathrm{\&alpha;})\end{array}\right.---\left(5\right),$ $u_b=\left\{\begin{array}{c}M\sin \mathrm{\&theta;},\mathrm{\&theta;}\&Element;(\mathrm{\&alpha;},\mathrm{\&alpha;}]\\ \frac{\sin \mathrm{\&theta;}}{2\mathrm{COS}(\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}-\mathrm{\&theta;})},\mathrm{\&theta;}\&Element;(\mathrm{\&alpha;},\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}-\mathrm{\&alpha;})\end{array}\right.---\left(6\right),$

其中，u_a为两相静止参考坐标系(a，b)中的a轴的电压，u_b为b轴的电压，α为所述调制度对应的切换角度，θ为所述空间电压矢量的空间角度。

在所述调制度处于所述第二过调制区时，按照以下公式将所述空间电压矢量的幅值分解至两相静止参考坐标系以获得两相电压：

$u_a=\left\{\begin{array}{c}1,\mathrm{\&theta;}\&Element;(\mathrm{\&alpha;},\mathrm{\&alpha;}]\\ \frac{\mathrm{COS\&theta;}}{2\mathrm{COS}(\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}-\mathrm{\&theta;})},\mathrm{\&theta;}\&Element;(\mathrm{\&alpha;},\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}-\mathrm{\&alpha;})\end{array}\right.---\left(7\right),$ $u_b=\left\{\begin{array}{c}0,\mathrm{\&theta;}\&Element;(\mathrm{\&alpha;},\mathrm{\&alpha;}]\\ \frac{\sin \mathrm{\&theta;}}{2\mathrm{COS}(\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}-\mathrm{\&theta;})},\mathrm{\&theta;}\&Element;(\mathrm{\&alpha;},\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}-\mathrm{\&alpha;})\end{array}\right.---\left(8\right),$

其中，u_a为两相静止参考坐标系(a，b)中的a轴的电压，u_b为b轴的电压，α为所述调制度对应的切换角度，θ为所述空间电压矢量的空间角度。

进一步地，所述根据所述两相静止电压输出调制信号对所述三相逆变器进行控制以调节所述单相感应电机的转速，具体包括：根据所述两相电压输出两相正余弦PWM(PulseWidth Modulation，脉冲宽度调制)信号对所述三相逆变器进行控制以调节所述单相感应电机的转速。

为达到上述目的，本发明的另一方面实施例提出一种电容运行式单相感应电机的调速装置，该调速装置包括：三相逆变器，所述三相逆变器包括三个输出端，其中，单相感应电机的第一绕组连接在所述三个输出端中的任意两个输出端之间，所述单相感应电机的第二绕组连接在所述三个输出端中除去连接所述第一绕组的两个输出端后剩余的输出端与连接所述第一绕组的两个输出端中的任一输出端之间；控制器，所述控制器根据目标空间电压矢量计算过调制的调制度分界点，并以所述调制度分界点确定过调制区间，根据调制度所处的过调制区间计算空间电压矢量的幅值以及所述调制度对应的切换角度，以及根据所述切换角度将所述空间电压矢量的幅值分解至两相静止参考坐标系以获得两相电压，并根据所述两相静止电压输出调制信号对所述三相逆变器进行控制以调节所述单相感应电机的转速。

根据本发明实施例的电容运行式单相感应电机的调速装置，控制器进行过调制处理，实现电容运行式单相感应电机的变频调速，可以全范围调制度输出，可以使得单相感应电机的转速更加接近给定转速。

具体地，所述三相逆变器包括：U相桥臂，所述U相桥臂包括第一IGBT(Insulated GateBipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)和第二IGBT，其中，所述第一IGBT的第一端与所述控制器连接，所述第一IGBT的第二端与预设电源的第一端连接，所述第二IGBT的第一端与所述控制器连接，所述第二IGBT的第二端与所述预设电源的第二端连接，所述第二IGBT的第三端与所述第一IGBT的第三端连接，所述第二IGBT的第三端与所述第一IGBT的第三端之间具有第一输出端；V相桥臂，所述V相桥臂包括第三IGBT和第四IGBT，其中，所述第三IGBT的第一端与所述控制器连接，所述第三IGBT的第二端与所述预设电源的第一端连接，所述第四IGBT的第一端与所述控制器连接，所述第四IGBT的第二端与所述预设电源的第二端连接，所述第四IGBT的第三端与所述第三IGBT的第三端连接，所述第四IGBT的第三端与所述第三IGBT的第三端之间具有第二输出端，所述第二绕组的一端与所述第一输出端连接，所述第二绕组的另一端与所述第二输出端连接；W相桥臂，所述W相桥臂包括第五IGBT和第六IGBT，其中，所述第五IGBT的第一端与所述控制器连接，所述第五IGBT的第二端与所述预设电源的第一端连接，所述第六IGBT的第一端与所述控制器连接，所述第六IGBT的第二端与所述预设电源的第二端连接，所述第六IGBT的第三端与所述第五IGBT的第三端连接，所述第六IGBT的第三端与所述第五IGBT的第三端之间具有第三输出端，所述单相感应电机的第一绕组的一端与所述第二输出端连接，所述第一绕组的另一端与所述第三输出端连接。

其中，所述过调制区间包括第一过调制区间和第二过调制区间，所述第一过调制区间的调制度为0.707<M≤0.7989，所述第二过调制区间的调制度为0.7989<M≤1.128，其中，M为调制度。

进一步地，所述控制器还用于根据所述两相电压输出两相正余弦PWM信号对所述三相逆变器进行控制以调节所述单相感应电机的转速。

附图说明

图1是现有技术的电容运行式单相感应电机的电路连接示意图；

图2是现有技术的电容运行式单相感应电机的合成旋转磁场示意图；

图3是现有技术的一种电容运行式单相感应电机的调速方法的电路示意图；

图4是现有技术的另一种电容运行式单相感应电机的调速方法的最大调制度的示意图；

图5是根据本发明的一个实施例的电容运行式单相感应电机的调速方法的流程图；

图6是根据本发明的一个具体实施例的电容运行式单相感应电机的调制度超出现有调制范围现象的示意图；

图7是根据本发明的另一个实施例的电容运行式单相感应电机的调速方法中过调制区间的示意图；

图8是根据本发明的又一个实施例的电容运行式单相感应电机的调速方法中第一过调制区间的空间电压矢量的示意图；

图9是根据本发明的又一个实施例的电容运行式单相感应电机的调速方法中第二过调制区间的空间电压矢量的示意图；

图10是根据本发明的再一个实施例的两相正余弦PWM信号调制扇区的划分示意图；

图11是根据本发明的又一个实施例的两相正余弦PWM信号调制的占空比与扇区的对照表；

图12是根据本发明的另一个具体实施例的电容运行式单相感应电机的调速方法的流程图；

图13是根据本发明的一个具体实施例的过调制前后电容运行式单相感应电机的转速的对比表；

图14是根据本发明的另一个具体实施例的采用过调制与未采用过调制电流波形对比示意图；

图15是根据本发明的一个实施例的电容运行式单相感应电机的调速装置的框图；以及

图16是根据本发明的另一个实施例的电容运行式单相感应电机的调速装置的三相逆变器以及绕组的连接示意图。

附图标记：

调速装置1000，三相逆变器100和控制器200，第一IGBT101和第二IGBT102，第三IGBT103和第四IGBT104，第五IGBT105和第六IGBT106。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例的电容运行式单相感应电机的调速方法和调速装置。

首先对本发明实施例的电容运行式单相感应电机的调速方法进行说明。其中，如图15所示，单相感应电机的第一绕组W1和第二绕组W2分别与三相逆变器连接，第一绕组和第二绕组之间相差90电角度，三相逆变器包括三个输出端，其中，第一绕组W1连接在三个输出端中的任意两个输出端之间，第二绕组W2连接在三个输出端中除去连接第一绕组W1的两个输出端后剩余的输出端与连接第一绕组W1的两个输出端中的任一输出端之间。通过控制三相逆变器中的IGBT的通断和占空比调节单相感应电机的第一绕组W1和第二绕组W2的输出电压，进而调节旋转磁场的旋转速度。

图5为根据本发明的一个实施例的电容运行式单相感应电机的调速方法的流程图。如图5所示，该调速方法包括以下步骤：

S1,根据空间电压矢量计算过调制的调制度分界点，并以调制度分界点确定过调制区间。

具体地，单相感应电机的空间电压矢量在某个扇区有可能出现超出调制范围的现象，如图6所示，图6(1)为单相感应电机的第一绕组W1和第二绕组W2的电压波形示意图，其中，一个周期对应四个扇区，U_a和U_b分别为第一绕组W1和第二绕组W2的电压波形，θ为电压矢量的空间角度。图6(2)为对应的调制度的示意图，其中，虚线表示的圆形内为采用现有调速方法可以达到的调制度，最大可调的电压U_max对应最大调制度为0.707，而斜线部分即为超出调制范围的部分，例如位于第一扇区和第二扇区内，对应图6(1)中阴影部分。调制度超出调制范围时，三相逆变器实际输出的空间电压矢量例如U_s会发生畸变，针对此情况本发明实施例的调速方法中采用过调制的方式进行处理，例如从图6中可以看出，在U_max以内，调制度可以满足要求，U_max为内切圆，幅度为0.707，超出U_max需要采用过调制。由于磁场与电压的积分关系，可以利用一个扇区内的平均电压来实现过调制，过调制的调制度分界点可以通过平均电压或傅里叶变换，计算基波分量。在本发明实施例中，过调制区间包括第一过调制区间I和第二过调制区间II，其中，处于对称考虑，第一过调制区间I选择调制度M＝1的等效圆的内接正方形，调制度分界点为磁链矢量的幅值，如图7(1)所示，根据等效面积计算方法，内接正方形面积等于2，其等效圆面积＝πR²，进而可以计算R＝0.7989，也就是第一过调制区间I的调制度可以达到0.7989即第一过调制区间I的调制度分界点，具体地，第一过调制区间I的调制度为0.707<M≤0.7989。另外，第二过调制区II选择调制度M＝1的外接正方形，如图7(2)所示，同样地，根据等效面积计算方法，外接正方形的面积为4，其等效圆面积＝πR²＝4，进而可以计算R＝1.128，也就是第二过调制区II的调制度可以达到1.128即第二过调制区间II的调制度分界点，具体地，第二过调制区间II的调制度为0.7989<M≤1.128，其中，M为调制度。

S2，根据调制度所处的过调制区间计算空间电压矢量的幅值以及调制度对应的切换角度。

具体地，根据速度控制的V/F(电压/频率)曲线得出调制度，在调制度大于0.707且小于0.7989即调制度处于第一过调制区间I时，在第一过调制区间I计算切换点，如图8所示为第一过调制区间的电压矢量示意图，通过将图8中第一过调制区间I的轨迹波形进行傅里叶分解即可求得幅值，例如在第一扇区时，按照以下公式计算空间电压矢量的幅值和调制度对应的切换角度：

$f(M,\mathrm{\&alpha;})=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&alpha;}*M^2,\mathrm{\&theta;}\&Element;(-\mathrm{\&alpha;},\mathrm{\&alpha;}]\\ \frac{1}{2}\tan (\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}-\mathrm{\&alpha;}),\mathrm{\&theta;}\&Element;(\mathrm{\&alpha;},\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}-\mathrm{\&alpha;})\end{array}\right.---\left(1\right)$

$\mathrm{\&pi;}{M}^2=4\mathrm{\&alpha;}{M}^2\text{+2tan}(\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}-\mathrm{\&alpha;})---\left(2\right),$

其中，f(M,α)为空间电压矢量的幅值，M为调制度，α为切换角度，θ为空间电压矢量的空间角度。过调制方式中切换角度α不同，则计算空间电压矢量的公式不同，已知调制度和空间角度即可通过公式(1)和(2)计算获得空间电压矢量的幅值和调制度对应的切换角度。

具体地，在调制度大于0.7989且小于1.128即处于第二过调制区间II时，在第二过调制区间II计算切换点，如图9所示，为根据本发明的一个具体实施例的第二过调制区间的电压矢量示意图，在第二过调制区间II内，空间电压矢量的空间角度小于切换角度时，空间电压矢量维持在基本矢量的断点，空间角度大于切换角度，空间电压矢量回到四边形的定点。通过将图9中第二过调制区间II的轨迹波形进行傅里叶分解即可求得幅值，例如在第一扇区，按照以下公式计算空间电压矢量的幅值以及调制度对应的切换角度：

$f(M,\mathrm{\&alpha;})=\left\{\begin{array}{c}\tan \mathrm{\&alpha;},\mathrm{\&theta;}\&Element;(\mathrm{\&alpha;},\mathrm{\&alpha;}]\\ \frac{1}{2}\tan (\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}-\mathrm{\&alpha;}),\mathrm{\&theta;}\&Element;(\mathrm{\&alpha;},\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}-\mathrm{\&alpha;})\end{array}\right.---\left(3\right)$

$\mathrm{\&pi;}{M}^2=4\tan \mathrm{\&alpha;+2tan}(\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}-\mathrm{\&alpha;})---\left(4\right)$

其中，f(M,α)为空间电压矢量的幅值，M为调制度，α为切换角度，θ为空间电压矢量的空间角度。已知调制度和空间角度即可通过公式(3)和(4)计算获得空间电压矢量的幅值和调制度对应的切换角度。

S3，根据切换角度将空间电压矢量的幅值分解至两相静止参考坐标系以获得两相电压。

具体地，在过调制切换角度确定之后，根据切换角度将空间电压矢量分解至两相静止坐标系，例如两相静止参考坐标系(a，b)下，即将空间电压矢量分别投影至a轴和b轴，以获得两相电压。

以空间电压矢量处于第一扇区为例，具体地，在调制度处于第一过调制区间I时，按照以下公式将空间电压矢量的幅值分解至两相a、b坐标系下以获得两相电压：

$u_a=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{MCOS}\mathrm{\&theta;},\mathrm{\&theta;}\&Element;(\mathrm{\&alpha;},\mathrm{\&alpha;}]\\ \frac{\mathrm{COS\&theta;}}{2\mathrm{COS}(\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}-\mathrm{\&theta;})},\mathrm{\&theta;}\&Element;(\mathrm{\&alpha;},\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}-\mathrm{\&alpha;})\end{array}\right.---\left(5\right),$ $u_b=\left\{\begin{array}{c}M\sin \mathrm{\&theta;},\mathrm{\&theta;}\&Element;(\mathrm{\&alpha;},\mathrm{\&alpha;}]\\ \frac{\sin \mathrm{\&theta;}}{2\mathrm{COS}(\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}-\mathrm{\&theta;})},\mathrm{\&theta;}\&Element;(\mathrm{\&alpha;},\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}-\mathrm{\&alpha;})\end{array}\right.---\left(6\right),$

其中，u_a为两相静止参考坐标系(a，b)中的a轴的电压，u_b为b轴的电压，α为调制度对应的切换角度，θ为空间电压矢量的空间角度。

在调制度处于第二过调制区II时，按照以下公式将空间电压矢量的幅值分解至两相静止参考坐标系以获得两相电压：

$u_a=\left\{\begin{array}{c}1,\mathrm{\&theta;}\&Element;(\mathrm{\&alpha;},\mathrm{\&alpha;}]\\ \frac{\mathrm{COS\&theta;}}{2\mathrm{COS}(\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}-\mathrm{\&theta;})},\mathrm{\&theta;}\&Element;(\mathrm{\&alpha;},\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}-\mathrm{\&alpha;})\end{array}\right.---\left(7\right),$ $u_b=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{0,0}\&Element;(\mathrm{\&alpha;},\mathrm{\&alpha;}]\\ \frac{\sin \mathrm{\&theta;}}{2\mathrm{COS}(\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}-\mathrm{\&theta;})},\mathrm{\&theta;}\&Element;(\mathrm{\&alpha;},\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}-\mathrm{\&alpha;})\end{array}\right.---\left(8\right),$

其中，u_a为两相静止参考坐标系(a，b)中的a轴的电压，u_b为b轴的电压，α为调制度对应的切换角度，θ为空间电压矢量的空间角度。

S4，根据两相电压输出调制信号对三相逆变器进行控制以调节单相感应电机的转速。

具体地，例如根据获得的两相电压计算输出调制信号的占空比，即占空比可以由联想电压幅值表示，进而根据占空比控制三相逆变器的IGBT的通断，进而调制单相感应电机的电压及其旋转磁场，从而实现对单相感应电机的转速的调节。

进一步地，采用6个基本矢量的空间矢量进行调制会造成相电压的波形畸变，可以根据两相电压输出两相正余弦PWM信号对三相逆变器进行控制以调节单相感应电机的转速。具体地，如图10所示，为两相正余弦PWM信号调制的扇区示意图，图11为根据两相电压获得的两相正余弦PWM信号的占空比与扇区的对照表。如图16所示，三相逆变器包括U、V和W三相桥臂，每相桥臂包括上桥臂IGBT和下桥臂IGBT。例如，根据两相电压输出两相正余弦PWM信号调制三相逆变器的各相桥臂的IGBT的通断，例如在第一扇区时，U相桥臂的上桥臂IGBT的占空比为|u_a|+|U_b|，U相桥臂的下桥臂IGBT的占空比为1-|u_a|-|U_b|，V相上桥臂的IGBT的占空比为|U_b|，V相下桥臂的IGBT的占空比为1-|U_b|，W相桥臂的上桥臂IGBT处于常闭状态，W相下桥臂IGBT处于常开状态。根据前述获得的两相电压输出两相正余弦PWM信号对三相逆变器的IGBT进行控制，可以使得相电压波形更加平滑。

下面以一个具体实施例对本发明的电容运行式单相感应电机的调速方法进行说明，如图12所示，包括以下步骤：

S100,计算过调制分界点。

也就是计算第一过调制区间的分界点0.7989，和第二过调制区间的分界点1.128。

S200，判断调制度是否大于0.707。

如果调制度大于0.707，则执行步骤S400，否则执行步骤S300。

S300，输出两相正余弦PWM信号进行调制。

S400，判断调制度是否小于或等于0.7989。

如果小于0.7989，即0.707<M≤0.7989，则执行步骤S500。否则，即大于0.7989，即0.7989<M≤1.128，则执行步骤S600。

S500，在第一过调制区间计算空间电压矢量的幅值和调制度对应的切换角度，并进入步骤S700。

S600，在第二过调制区间计算空间电压矢量的幅值和调制度对应的切换角度，并进入步骤S700。

S700，计算获得两相静止坐标系下的两相电压，并进入步骤S300。

根据上述调速方法，在调制之后可以使得单相感应电机的转速更加接近给定转速。例如对于额定电压为220V，额定功率为0.37KW、额定转速为1390RPM的单相感应电机在空载状态下，采用本发明实施例的调速方法，通过上述变频变压的控制，过调制前后的单相感应电机的转速的对比如图13所示，可以看出，在通过过调制之后单相感应电机的转速更加接近于给定转速，例如给定转速为1380RPM时，调制度为0.92，处于第二过调制区间，进行过调制之前，单相感应电机的实际转速为1260RPM，而通过过调制之后单相感应电机的实际转速为1362RPM，已经非常接近给定转速，所以本发明实施例的调速方法，可以实现电容运行式单相感应电机的变频调速，不仅可以使得单相感应电机全范围调制度输出，单相感应电机的转速更加接近额定值。

另外，采用本发明实施例的调速方法的过调制时的两相电流波形与为进行过调制的两相电流波形的对比如图14所示，其中，图14(1)为未进行过调制的两相电流波形的示意图，图14(2)为采用过调制的两相电流波形的示意图。可以看出，采用过调制可以改善相电流，减少畸变。

根据本发明实施例的电容运行式单相感应电机的调速方法，通过过调制处理，实现电容运行式单相感应电机的变频调速，可以全范围调制度输出，单相感应电机的转速更加接近给定转速。另外，通过采用两相正余弦PWM信号调制，可以使得相电压波形更加平滑。

下面参照附图描述根据本发明的另一方面实施例提出的电容运行式单相感应电机的调速装置。图15为根据本发明的一个实施例的电容运行式单相感应电机的调速装置的框图。

如图15所示，本发明实施例的电容运行式单相感应电机的调速装置1000包括三相逆变器100和控制器200，三相逆变器100包括三个输出端例如输出端a1、a2和a3，其中，单相感应电机的第一绕组W1连接在三个输出端中的任意两个输出端之间，如图15所示，第一绕组W1连接于a3和a2，单相感应电机的第二绕组W2连接在三个输出端中除去连接第一绕组W1的两个输出端后剩余的输出端例如输出端a1与连接第一绕组W1的两个输出端中的任一输出端例如输出端a2之间。

进一步地，例如图16所示，三相逆变器100包括U相桥臂、V相桥臂和W相桥臂。

其中，U相桥臂包括第一IGBT101和第二IGBT102，第一IGBT101可以作为U相桥臂的上桥臂，第二IGBT102可以作为U相桥臂的下桥臂，第一IGBT101的第一端1与控制器200连接，第一IGBT101的第二端2与预设电源的第一端例如P端连接，第二IGBT102的第一端1与控制器200连接，第二IGBT102的第二端2与预设电源的第二端例如N端连接，第二IGBT102的第三端3与第一IGBT101的第三端3连接，第二IGBT102的第三端30与第一IGBT101的第三端3之间具有第一输出端例如a1。

V相桥臂包括第三IGBT103和第四IGBT104，其中，第三IGBT103可以作为V相桥臂的上桥臂，第四IGBT104可以作为V相桥臂的下桥臂，第三IGBT103的第一端1与控制器200连接，第三IGBT103的第二端2与预设电源的第一端连接，第四IGBT104的第一端1与控制器200连接，第四IGBT104的第二端2与预设电源的第二端连接，第四IGBT104的第三端3与第三IGBT103的第三端3连接，第四IGBT104的第三端3与第三IGBT103的第三端3之间具有第二输出端例如输出端a2，第二绕组W2的一端与第一输出端a1连接，第二绕组W2的另一端与第二输出端a2连接。

W相桥臂包括第五IGBT105和第六IGBT106，第五IGBT可以作为W相桥臂的上桥臂，第六IGBT106可以作为W相桥臂的下桥臂，第五IGBT105的第一端1与控制器200连接，第五IGBT105的第二端2与预设电源的第一端连接，第六IGBT106的第一端1与控制器200连接，第六IGBT106的第二端2与预设电源的第二端连接，第六IGBT106的第三端3与第五IGBT105的第三端3连接，第六IGBT106的第三端3与第五IGBT105的第三端3之间具有第三输出端例如输出端a3，单相感应电机的第一绕组W1的一端与第二输出端a2连接，第一绕组W1的另一端与第三输出端例如输出端a3连接。

控制器200根据目标空间电压矢量计算过调制的调制度分界点，并以调制度分界点确定过调制区间。具体地，调制度超出调制范围时，三相逆变器100实际输出的空间电压矢量会发生畸变，针对此情况本发明实施例的调速装置1000中，控制器200采用过调制的方式进行处理，例如从图6中可以看出，在U_max以内，调制度可以满足要求，U_max为内切圆，幅度为0.707，超出U_max需要采用过调制。由于磁场与电压的积分关系，可以利用一个扇区内的平均电压来实现过调制，过调制的调制度分界点可以通过平均电压或傅里叶变换，计算基波分量。在本发明实施例中，过调制区间包括第一过调制区间I和第二过调制区间II，其中，处于对称考虑，第一过调制区间I选择调制度M＝1的内接正方形，如图7(1)所示，根据等效面积的方法，进而控制器200计算第一过调制区间I的调制度可以达到0.7989即第一过调制区间I的调制度分界点，具体地，第一过调制区间I的调制度为0.707<M≤0.7989。另外，第二过调制区II选择调制度M＝1的外接正方形，如图7(2)所示，进而控制器200计算第二过调制区II的调制度可以达到1.128即第二过调制区间II的调制度分界点，具体地，第二过调制区间II的调制度为0.7989<M≤1.128，其中，M为调制度。

进而控制器200根据调制度所处的过调制区间计算空间电压矢量的幅值以及调制度对应的切换角度。具体地，控制器200根据电压频率曲线获得调制度，在调制度大于0.707且小于0.7989即调制度处于第一过调制区间I时，控制器200在第一过调制区间I计算切换点，如图8所示为第一过调制区间的电压矢量示意图，通过控制器200将图8中第一过调制区间I的轨迹波形进行傅里叶分解即可求得幅值，例如在第一扇区时，控制器200按照公式(1)和(2)计算空间电压矢量的幅值和调制度对应的切换角度；或者，在调制度大于0.7989且小于1.128即处于第二过调制区间II时，控制器200在第二过调制区间II计算切换点，如图9所示，为根据本发明的一个具体实施例的第二过调制区间的电压矢量示意图，在第二过调制区间内，空间电压矢量的空间角度小于切换角度时，空间电压矢量维持在基本矢量的断点，空间角度大于切换角度，空间电压矢量回到四边形的定点。通过控制器200将图9中第二过调制区间I的轨迹波形进行傅里叶分解即可求得幅值，例如在第一扇区，按照公式(3)和(4)计算空间电压矢量的幅值以及调制度对应的切换角度。

在过调制切换角度确定之后，控制器200根据切换角度将空间电压矢量的幅值分解至两相静止参考坐标系，例如两相静止参考坐标系(a，b)下，即将空间电压矢量分别投影至a轴和b轴，以获得两相电压。以空间电压矢量处于第一扇区为例，具体地，在调制度处于第一过调制区间I时，控制器200按照公式(5)和(6)将空间电压矢量的幅值分解至两相a、b坐标系下以获得两相电压；或者，在调制度处于第二过调制区II时，控制器200按照公式(7)和(8)将空间电压矢量的幅值分解至两相静止参考坐标系以获得两相电压。

然后，控制器200根据两相静止电压输出调制信号对三相逆变器100进行控制以调节单相感应电机的转速。例如控制器200根据获得的两相电压计算输出调制信号的占空比以控制三相逆变器100的IGBT的通断，进而调制单相感应电机的电压及其旋转磁场，从而实现对单相感应电机的转速的调节。

进一步地，采用6个基本矢量的空间矢量进行调制会造成相电压的波形畸变，控制器200还用于根据两相电压输出两相正余弦PWM信号对三相逆变器100进行控制以调节单相感应电机的转速。具体地，如图10所示，为两相正余弦PWM信号调制的扇区示意图，图11为根据两相电压获得的两相正余弦PWM信号的占空比与扇区的对照表。例如，控制器200根据两相电压输出两相正余弦PWM信号调制三相逆变器100的各相桥臂的IGBT的通断，例如在第一扇区时，U相桥臂的上桥臂IGBT的占空比为|u_a|+|U_b|，U相桥臂的下桥臂IGBT的占空比为1-|u_a|-|U_b|，V相上桥臂的IGBT的占空比为|U_b|，V相下桥臂的IGBT的占空比为1-|U_b|，W相桥臂的上桥臂IGBT处于常闭状态，W相下桥臂IGBT处于常开状态。控制器200根据前述获得的两相电压输出两相正余弦PWM信号对三相逆变器100的IGBT进行控制，可以使得相电压波形更加平滑。

根据本发明实施例的电容运行式单相感应电机的调速装置，控制器进行过调制处理，实现电容运行式单相感应电机的变频调速，可以全范围调制度输出，可以使得单相感应电机的转速更加接近给定转速。另外，控制器输出两相正余弦PWM信号调制，可以使得相电压波形更加平滑。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (11)

1.一种电容运行式单相感应电机的调速方法，其特征在于，所述单相感应电机的第一绕组和第二绕组分别与三相逆变器连接，所述三相逆变器包括三个输出端，其中，所述第一绕组连接在所述三个输出端中的任意两个输出端之间，所述第二绕组连接在所述三个输出端中除去连接所述第一绕组的两个输出端后剩余的输出端与连接所述第一绕组的两个输出端中的任一输出端之间，所述调速方法包括以下步骤：

根据空间电压矢量计算过调制的调制度分界点，并以所述调制度分界点确定过调制区间；

根据调制度所处的过调制区间计算空间电压矢量的幅值以及所述调制度对应的切换角度；

根据所述切换角度将所述空间电压矢量的幅值分解至两相静止参考坐标系以获得两相电压；以及

根据所述两相电压输出调制信号对所述三相逆变器进行控制以调节所述单相感应电机的转速。

2.如权利要求1所述的电容运行式单相感应电机的调速方法，其特征在于，所述过调制区间包括第一过调制区间和第二过调制区间，所述第一过调制区间的调制度为0.707<M≤0.7989，所述第二过调制区间的调制度为0.7989<M≤1.128，其中，M为调制度。

3.如权利要求2所述的电容运行式单相感应电机的调速方法，其特征在于，在所述调制度处于所述第一过调制区间时，在第一扇区按照以下公式计算所述空间电压矢量的幅值以及所述调制度对应的切换角度：

$f(M,\mathrm{\&alpha;})=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&alpha;}*M^2,\mathrm{\&theta;}\&Element;(-\mathrm{\&alpha;},\mathrm{\&alpha;}]\\ \frac{1}{2}\tan (\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}-\mathrm{\&alpha;}),\mathrm{\&theta;}\&Element;(\mathrm{\&alpha;},\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}-\mathrm{\&alpha;})\end{array}\right.---\left(1\right)$

$\mathrm{\&pi;}{M}^2=4\mathrm{\&alpha;}{M}^2\text{+2tan}(\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}-\mathrm{\&alpha;})---\left(2\right)$

其中，f(M,α)为所述空间电压矢量的幅值，M为调制度，α为所述切换角度，θ为所述空间电压矢量的空间角度。

4.如权利要求2所述的电容运行式单相感应电机的调速方法，其特征在于，在第一扇区内，在所述调制度处于所述第二过调制区间时，按照以下公式计算所述空间电压矢量的幅值以及所述调制度对应的切换角度：

$f(M,\mathrm{\&alpha;})=\left\{\begin{array}{c}\tan \mathrm{\&alpha;},\mathrm{\&theta;}\&Element;(\mathrm{\&alpha;},\mathrm{\&alpha;}]\\ \frac{1}{2}\tan (\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}-\mathrm{\&alpha;}),\mathrm{\&theta;}\&Element;(\mathrm{\&alpha;},\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}-\mathrm{\&alpha;})\end{array}---\right.\left(3\right)$

$\mathrm{\&pi;}{M}^2=4\tan \mathrm{\&alpha;+2tan}(\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}-\mathrm{\&alpha;})---\left(4\right)$

其中，f(M,α)为所述空间电压矢量的幅值，M为调制度，α为所述切换角度，θ为所述空间电压矢量的空间角度。

5.如权利要求2所述的电容运行式单相感应电机的调速方法，其特征在于，所述空间电压矢量处于第一扇区时，根据所述切换角度将所述空间电压矢量的幅值分解至两相静止参考坐标系以获得两相电压，具体包括：

在所述调制度处于所述第一过调制区时，按照以下公式将所述空间电压矢量的幅值分解至两相静止参考坐标系以获得两相电压：

$u_a=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{MCOS}\mathrm{\&theta;},\mathrm{\&theta;}\&Element;(\mathrm{\&alpha;},\mathrm{\&alpha;}]\\ \frac{\mathrm{COS\&theta;}}{2\mathrm{COS}(\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}-\mathrm{\&theta;})},\mathrm{\&theta;}\&Element;(\mathrm{\&alpha;},\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}-\mathrm{\&alpha;})\end{array}---\right.\left(5\right),$ $u_b=\left\{\begin{array}{c}M\sin \mathrm{\&theta;},\mathrm{\&theta;}\&Element;(\mathrm{\&alpha;},\mathrm{\&alpha;}]\\ \frac{\sin \mathrm{\&theta;}}{2\mathrm{COS}(\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}-\mathrm{\&theta;})},\mathrm{\&theta;}\&Element;(\mathrm{\&alpha;},\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}-\mathrm{\&alpha;})\end{array}\right.---\left(6\right),$

其中，u_a为两相静止参考坐标系(a，b)中的a轴的电压，u_b为b轴的电压，α为所述调制度对应的切换角度，θ为所述空间电压矢量的空间角度。

6.如权利要求5所述的电容运行式单相感应电机的调速方法，其特征在于，还包括：在所述调制度处于所述第二过调制区时，按照以下公式将所述空间电压矢量的幅值分解至两相静止参考坐标系以获得两相电压：

$u_a=\left\{\begin{array}{c}1,\mathrm{\&theta;}\&Element;(\mathrm{\&alpha;},\mathrm{\&alpha;}]\\ \frac{\mathrm{COS\&theta;}}{2\mathrm{COS}(\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}-\mathrm{\&theta;})},\mathrm{\&theta;}\&Element;(\mathrm{\&alpha;},\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}-\mathrm{\&alpha;})\end{array}\right.---\left(7\right),$ $u_b=\left\{\begin{array}{c}0,\mathrm{\&theta;}\&Element;(\mathrm{\&alpha;},\mathrm{\&alpha;}]\\ \frac{\sin \mathrm{\&theta;}}{2\mathrm{COS}(\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}-\mathrm{\&theta;})},\mathrm{\&theta;}\&Element;(\mathrm{\&alpha;},\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}-\mathrm{\&alpha;})\end{array}\right.---\left(8\right),$

其中，u_a为两相静止参考坐标系(a，b)中的a轴的电压，u_b为b轴的电压，α为所述调制度对应的切换角度，θ为所述空间电压矢量的空间角度。

7.如权利要求1所述的电容运行式单相感应电机的调速方法，其特征在于，所述根据所述两相静止电压输出调制信号对所述三相逆变器进行控制以调节所述单相感应电机的转速，具体包括：

根据所述两相电压输出两相正余弦PWM信号对所述三相逆变器进行控制以调节所述单相感应电机的转速。

8.一种电容运行式单相感应电机的调速装置，其特征在于，包括：

三相逆变器，所述三相逆变器包括三个输出端，其中，单相感应电机的第一绕组连接在所述三个输出端中的任意两个输出端之间，所述单相感应电机的第二绕组连接在所述三个输出端中除去连接所述第一绕组的两个输出端后剩余的输出端与连接所述第一绕组的两个输出端中的任一输出端之间；

控制器，所述控制器根据目标空间电压矢量计算过调制的调制度分界点，并以所述调制度分界点确定过调制区间，根据调制度所处的过调制区间计算空间电压矢量的幅值以及所述调制度对应的切换角度，以及根据所述切换角度将所述空间电压矢量的幅值分解至两相静止参考坐标系以获得两相电压，并根据所述两相静止电压输出调制信号对所述三相逆变器进行控制以调节所述单相感应电机的转速。

9.如权利要求8所述的电容运行式单相感应电机的调速装置，其特征在于，所述三相逆变器包括：

U相桥臂，所述U相桥臂包括第一IGBT和第二IGBT，其中，所述第一IGBT的第一端与所述控制器连接，所述第一IGBT的第二端与预设电源的第一端连接，所述第二IGBT的第一端与所述控制器连接，所述第二IGBT的第二端与所述预设电源的第二端连接，所述第二IGBT的第三端与所述第一IGBT的第三端连接，所述第二IGBT的第三端与所述第一IGBT的第三端之间具有第一输出端；

V相桥臂，所述V相桥臂包括第三IGBT和第四IGBT，其中，所述第三IGBT的第一端与所述控制器连接，所述第三IGBT的第二端与所述预设电源的第一端连接，所述第四IGBT的第一端与所述控制器连接，所述第四IGBT的第二端与所述预设电源的第二端连接，所述第四IGBT的第三端与所述第三IGBT的第三端连接，所述第四IGBT的第三端与所述第三IGBT的第三端之间具有第二输出端，所述第二绕组的一端与所述第一输出端连接，所述第二绕组的另一端与所述第二输出端连接；

W相桥臂，所述W相桥臂包括第五IGBT和第六IGBT，其中，所述第五IGBT的第一端与所述控制器连接，所述第五IGBT的第二端与所述预设电源的第一端连接，所述第六IGBT的第一端与所述控制器连接，所述第六IGBT的第二端与所述预设电源的第二端连接，所述第六IGBT的第三端与所述第五IGBT的第三端连接，所述第六IGBT的第三端与所述第五IGBT的第三端之间具有第三输出端，所述单相感应电机的第一绕组的一端与所述第二输出端连接，所述第一绕组的另一端与所述第三输出端连接。

10.如权利要求8所述的电容运行式单相感应电机的调速装置，其特征在于，所述过调制区间包括第一过调制区间和第二过调制区间，所述第一过调制区间的调制度为0.707<M≤0.7989，所述第二过调制区间的调制度为0.7989<M≤1.128，其中，M为调制度。

11.如权利要求8所述的电容运行式单相感应电机的调速装置，其特征在于，所述控制器还用于根据所述两相电压输出两相正余弦PWM信号对所述三相逆变器进行控制以调节所述单相感应电机的转速。