CN106452281A - 一种交流电机的调速方法及调速系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交流电机的调速方法及调速系统，该调速方法包括：步骤1，获取待输入至交流电机的原始交流电；步骤2，通过控制原始交流电的每半个周期的方式变换所述原始交流电的波形，使交流电的输入频率为变换前的1/N，得到变换后的交流电；其中，N为正整数；步骤3，使用波形变换后的交流电为所述交流电机供电，使得交流电机转速为原始交流电供电情况下交流电机转速的1/N；本发明调速系统包括控制单元和开关。本发明利用开关调节交流电的方式更改交流电机的供电波形，本发明的调速方法稳定可靠，可应用于对交流电机扭力要求较高的产品，如洗衣机、冰箱、空调等，该调速方法相应的控制电路制作成本低廉，因此，本发明具有广泛的应用场景。

Description

一种交流电机的调速方法及调速系统

技术领域

本发明涉及交流电机技术领域，更为具体来说，本发明涉及一种交流电机的调速方法及调速系统。

背景技术

交流电机因其运行可靠、使用寿命长、成本低廉及维护方便等优点，目前广泛应用于家用电器及工业设备领域。交流电机在实际应用时，由于产品功能或能耗标准的限制，需要对交流电机进行调速使用，传统的调速方法主要有以下几种。

一、机械式调速方法，这种方法主要通过加装齿轮变速装置或者柔性驱动带等机械结构方式实现对交流电机调速。但是，这种调速方式对机械结构的精度要求较高，而且发生故障时机械调速机构维修困难。

二、电子式功率控制方式，包括移相调压控制方式、PWM控制方式、转差率调整方式等方案，但是这些方式均是通过改变交流电的电压、电流或者交流电机自身转差率来控制速度，因而这种方案的弊病在于调速比很低，交流电机扭力随转速下降而损失严重，无法应用于调速要求高、高扭力、扭力不断变化的产品上，比如，无法应用于冰箱、空调压缩机、洗衣机等交流电机扭力要求很高的产品。

三、电子式变频控制方式，具体方法是先将原始交流电变为直流电，再将直流变化为频率随时可变的矩形波或者正弦波交流波形，即，该控制过程是交流变直流、直流变交流的逆变过程。但是，这种方式要求复杂的控制电路及昂贵的控制器件，导致传统交流电机转速变频控制的成本居高不下；另外，交流变直流、直流变交流的逆变过程不可避免地会产生许多的电子干扰波和大量的电能损失，导致交流电机电能利用率低。

因此，针对传统的交流电机调速方式存在的诸多问题，获得一种应用场合广、控制方法简单、资源利用率高、调速比高的交流电机的调速方法成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题和研究的重点。

发明内容

为克服现有交流电机调速技术存在的缺陷，本发明公开了一种交流电机的调速方法及调速系统，突破了传统交流电机调速方式的局限性，提高了电能的利用率，简化了调速方法，提高了调速比，而且本发明的调速方法简单、易实施。

为实现上述技术目的，本发明公开了一种交流电机的调速方法，该调速方法包括：

步骤1，获取待输入至交流电机的原始交流电；

步骤2，通过控制所述原始交流电的每半个周期的方式变换所述原始交流电的波形，使交流电的输入频率为变换前的1/N，得到变换后的交流电；其中，N为正整数；

步骤3，使用波形变换后的交流电为所述交流电机供电，使得交流电机转速为原始交流电供电情况下交流电机转速的1/N。

本发明创新地采用了控制原始交流电半周期的方法，使交流电机输入频率波形改变成原有频率的1/N，如将交流电机输入频率波形改变成原有频率的1/1、1/2、1/3、1/4等相对特定频率波形，实现一种对交流电机多档位速度控制的调速方案，使用本发明调速的交流电机具有很好的扭力保持性、具有较高的扭力，本发明能够提高调速比、提高电源效率，达到节约电能的效果，满足大部分的调速需求；另外，本发明对应的控制电路稳定可靠、制作成本低廉。

进一步地，步骤2中，通过开关控制原始交流电的每半个周期的方式变换所述原始交流电的波形，开关控制的方式能够较容易地实现多档位控制交流电机转速。

进一步地，所述原始交流电的波形为正弦波A，所述正弦波A的所有周期通过开关1和4输出；步骤3中，使用开关控制后的交流电为所述交流电机供电，交流电机转速为原始交流电供电情况下交流电机转速的1/1。

进一步地，原始交流电的波形为正弦波A，正弦波A的第1个半周期通过开关1和开关4正向输出成为正电压，关闭正弦波A的第2个半周期，正弦波A的第3个半周期通过开关2和开关3反向输出成为负电压，关闭正弦波A的第4个半周期，以上为一个完整的控制步骤；正弦波A的第5个半周期开始重复上述控制步骤，通过开关控制所述正弦波A的每半个周期的方式得到波形B；步骤3中，使用具有波形B的交流电为所述交流电机供电，交流电机转速为原始交流电供电情况下交流电机转速的1/2。

进一步地，原始交流电的波形为正弦波A，所述正弦波A的第1个半周期通过开关1和开关4正向输出成为正电压，关闭正弦波A的第2个半周期和第3个半周期，正弦波A的第4个半周期通过开关1和开关4正向输出成为负电压，关闭正弦波A的第5个半周期和第6个半周期，以上为一个完整的控制步骤；正弦波A的第7个半周期开始重复上述控制步骤，通过开关控制所述正弦波A的每半个周期的方式得到波形C；步骤3中，使用具有波形C的交流电为所述交流电机供电，交流电机转速为原始交流电供电情况下交流电机转速的1/3。

进一步地，原始交流电的波形为正弦波A，所述正弦波A的第一个半周期通过开关1和开关4正向输出成为正电压，关闭正弦波A的第2个半周期、第3个半周期及第4个半周期，正弦波A的第5个半周期通过开关2和开关3反向输出成为负电压，关闭第6个半周期、第7个半周期及第8个半周期，以上为一个完整的控制步骤；正弦波A的第9个半周期开始重复上述控制步骤，通过开关控制所述正弦波A的每半个周期的方式得到波形D；步骤3中，使用具有波形D的交流电为所述交流电机供电，交流电机转速为原始交流电供电情况下交流电机转速的1/4。

进一步地，步骤2中，变换所述原始交流电的波形，将交流电的输入频率为变换前的1/1或1/2或1/3或1/4；步骤3中，使交流电机转速在原始交流电供电情况下交流电机转速的1/1、1/2、1/3、1/4之间相互切换。

进一步地，步骤2中，开关为半导体开关，实现上述的关闭功能、正向及反向功能。

进一步地,步骤2中，利用零伏位的控制方式进行开关控制，使交流电的输入频率为原始交流电输入频率的1/N。

进一步地，步骤2中，通过外部信号触发控制单元控制开关的方式变换所述原始交流电的波形，使交流电机的转速在不同的档位间切换。

进一步地，四个开关中，其中两个开关用于控制向所述交流电机正向输入正电压，另外两个开关用于控制向所述交流电机反向输入。

本发明的另一个发明目的在于提供一种交流电机的调速系统，该系统包括控制单元和开关，控制单元与所述开关连接，开关设于电源与电机之间的线路上；控制单元，检测到待输入至交流电机的原始交流电信号时，发送控制信号至开关；通过开关控制所述原始交流电的每半个周期的方式变换所述原始交流电的波形，使交流电的输入频率为变换前的1/N，得到变换后的交流电后输出至交流电机；其中，N为正整数；

进一步地，开关包括开关1、开关2、开关3及开关4；所述原始交流电经过开关1和4成为正向输出，所述正向输出为：原始交流电的半周期为正电压时输出为正电压，原始交流电的半周期为负电压时输出成为负电压；所述原始交流电经过开关2和3成为反向输出，所述反向输出为：原始交流电的半周期为正电压时输出成为负电压，原始交流电的半周期为负电压时输出成为正电压；当调速系统只需1/1，1/3及1/3N，其中N为正整数，调速时，开关数量简化为正向输出情况下的2个开关。

本发明的有益效果为：本发明是一种多档位式控制交流电机转速的方法及调速系统，利用开关调节交流电的方式更改交流电机的供电波形，本发明的调速方法稳定可靠，可应用于对交流电机扭力要求较高的产品，如洗衣机、冰箱、空调等，该调速方法相应的控制电路制作成本低廉，因此，本发明具有广泛的应用场景。

附图说明

图1为实施例一中波形转换状态图。

图2为实施例二中波形转换状态图。

图3为实施例三中波形转换状态图。

图4为实施例四中波形转换状态图。

图5为本发明交流电机的调速方法对应的调速装置示意图。

图中，

1、正弦波A；2、波形B；3、波形C；4、波形D。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明进行详细的解释和说明。

实施例一：

如图1、5所示，本发明公开了一种交流电机的调速方法，该调速方法包括：

步骤1，获取待输入至交流电机的原始交流电，本实施例中，原始交流电为市电。

步骤2，变换上述原始交流电的波形，通过控制原始交流电的每半个周期的方式变换所述原始交流电的波形，使交流电的输入频率为变换前的1/N，得到变换后的交流电；其中，N为正整数，为1、2、3……。本实施例中，N选为1。

具体来说，原始交流电的波形为正弦波A1，所述正弦波A1所有周期通过开关1和4或者(开关2和3)输出。步骤3中，使用开关控制后的交流电为所述交流电机供电，交流电机转速为原始交流电供电情况下交流电机转速的1/1。

本实施例中，可以仅通过开关1、4控制波形输出，也可以仅通过开关2、3控制波形输出，也就是说，通过两个开关实现对正弦波A的控制，并且无须对每个半周期进行开关控制，只对电机开或关是进行开关控制，这种方式节省了一组开关，优化了本发明的调速方法。

步骤3，使用波形变换后的交流电为所述交流电机供电，输入交流电机的波形仍然为正弦波状态，保持了交流电机的耐久性能及交流电机本身的电源效率。

实施例二：

如图2、5所示，本发明公开了一种交流电机的调速方法，该调速方法包括：

步骤1，获取待输入至交流电机的原始交流电，本实施例中，原始交流电为市电。

步骤2，变换上述原始交流电的波形，通过控制原始交流电的每半个周期的方式变换所述原始交流电的波形，使交流电的输入频率为变换前的1/N，得到变换后的交流电；其中，N为正整数，为1、2、3……。本实施例中，N选为2。

具体来说，步骤2中，所述原始交流电的波形为正弦波A1，精确控制输入的正弦波A1的每个半周期，即对正弦波A1的每个半周期的波进行控制；通过开关控制正弦波A1得到波形B2，正弦波A1的第1个半周期通过开关1和开关4正向输出成为正电压，关闭正弦波A1的第2个半周期，正弦波A1的第3个半周期通过开关2和开关3反向输出成为负电压，关闭正弦波A1的第4个半周期，以上为一个完整的控制步骤；正弦波A1的第5个半周期开始重复上述控制步骤。本实施例中，通过外部信号触发控制单元控制开关的方式变换所述原始交流电的波形。

步骤3，使用波形变换后的交流电为所述交流电机供电，输入交流电机的波形仍然为正弦波特性，保持了交流电机的耐久性能及交流电机本身的电源效率。本实施例中，使用具有波形B2的交流电为所述交流电机供电，上述交流电机转速为原始交流电供电情况下交流电机转速的1/2。具有上述波形B2的交流电通过四个开关后输入至交流电机，当开关收到开启信号后，开关自动打开、为所述交流电机提供交流电，本发明利用的可控硅开关在控制单元的控制下能够准确地开关，产生上述波形B2，本发明控制交流电半周期时采用零伏位开关技术，可在每个波产生时，即刚从零伏变化时产生开关信号，因而避免了高电压、强电流对控制器和交流电机的冲击，减少了谐波和其他电磁干扰，保持了交流电机的耐久性能，同时提高了控制单元自身的电源效率，可实现经济、高效的交流电机调速方案。上述方法使得交流电机转速为原始交流电供电情况下交流电机转速的1/N。本实施例中，交流电机转速为原始交流电供电情况下交流电机转速的1/2。本实施例中，四个开关中，其中两个开关用于控制向所述交流电机输入正电压，如通过开关1和开关4将正电压输入至交流电机，另外两个开关用于控制向所述交流电机输入负电压，如通过开关2和开关3将负电压输入至交流电机，本实施例中，上述的开关1、2、3、4均为可控硅开关，本发明基于原有的交流波形上形成同步控制信号，由控制单元通过光耦控制双向可控硅进行开关控制。

本发明还公开了一种交流电机的调速系统，该系统包括控制单元和开关，控制单元与开关连接，开关设于电源与电机之间的线路上；控制单元，检测到待输入至交流电机的原始交流电信号时，发送控制信号至开关；控制原始交流电的每半个周期的方式变换原始交流电的波形，使交流电的输入频率为变换前的1/N，得到变换后的交流电后输出至交流电机；其中，N为正整数。在本发明的技术启示下，控制单元可通过单片机等控制机构实现。

本发明中，开关包括开关1、开关2、开关3及开关4，本发明的开关1至4既有关闭波形的作用，又有改变电压信号方向的作用，“关闭波形”可理解为开关关闭后使得相应时间段内的电源信号无法输入至交流电机；原始交流电经过开关1和开关4后输出为正电压，原始交流电经过开关2和开关3后输出为负电压。

实施例三：

如图3、5所示，本实施例与实施例一的交流电机的调速方法基本相同，其区别在于：

步骤2中，所述原始交流电的波形为正弦波A1，精确控制输入的原始交流电的每个半周期，即对正弦波A1的每个波进行控制；对于正弦波A1,通过开关处理正弦波A1得到波形C3，正弦波A1的第1个半周期通过开关1和开关4正向输出成为正电压，关闭正弦波A1的第2个半周期和第3个半周期，正弦波A1的第4个半周期通过开关1和开关4正向输出成为负电压，关闭正弦波A1的第5个半周期和第6个半周期，以上为一个完整的控制步骤；正弦波A1的第7个半周期开始重复上述控制步骤，波形C3表示的交流电输入频率为原始交流电输入频率的1/3。

步骤3中，具有所述波形C3的交流电通过两个开关后输入至交流电机，当开关收到开启信号后，开关自动打开、为上述交流电机提供交流电，使用具有波形C3的交流电为所述交流电机供电，本发明利用的可控硅开关在控制单元的控制下能够准确地开关，实现上述波形C3，上述交流电机转速为原始交流电供电情况下交流电机转速的1/3。本实施例中，仅用2个开关实现交流电机的1/3调速，因为波形A1的第一个半周期为正电压，第4个半周期正好是负电压，因此无需改变正负电压关系的反向输出，因此仅控制1/1，1/3或1/3N速度时只需要2个开关即可。本实例中上述的开关1、4均为可控硅开关。

本实施例中，可以仅通过开关1、4控制波形输出，也可以仅通过开关2、3控制波形输出，也就是说，通过两个开关实现对正弦波A的控制，这种方式节省了一组开关，优化了本发明的调速方法。

实施例四：

如图4、5所示，本实施例与实施例一的交流电机的调速方法基本相同，其区别在于：步骤2中，所述原始交流电的波形为正弦波A1，精确控制输入的原始交流电的每个半周期，即对正弦波A1的每个半周期的波进行控制；对于正弦波A1,通过开关处理正弦波A1得到波形D4，正弦波A1的第一个半周期通过开关1和开关4正向输出成为正电压，关闭正弦波A1的第2个半周期、第3个半周期及第4个半周期，正弦波A1的第5个半周期通过开关2和开关3反向输出成为负电压，关闭第6个半周期、第7个半周期及第8个半周期，以上为一个完整的控制步骤；正弦波A1的第9个半周期开始重复上述控制步骤。波形D4表示的交流电输入频率为原始交流电输入频率的1/4。

步骤3中，具有所述波形D4的交流电通过四个开关后输入至交流电机，当开关收到开启信号后，开关自动打开、为所述交流电机提供交流电,使用具有波形D4的交流电为所述交流电机供电，本发明利用的可控硅开关在控制单元的控制下能够准确地开关，实现上述波形D4，所述交流电机转速为原始交流电供电情况下交流电机转速的1/4。本实施例中，四个开关中，其中两个开关用于控制向所述交流电机正向输入成为正电压，如通过开关1和开关4正向输入成为交流电机的正电压，另外两个开关用于控制向所述交流电机反向输入成为负电压，如通过开关2和开关3反向输入成为交流电机的负电压，本实施例中，上述的开关1、2、3、4均为可控硅开关。

另外，步骤2中，变换所述原始交流电的波形，将交流电的输入频率为变换前的1/1或1/2或1/3或1/4；步骤3中，使交流电机转速在原始交流电供电情况下交流电机转速的1/1、1/2、1/3、1/4之间相互切换。

需要说明的是，上述实施例只给出了将交流电机输入频率调整为原有频率的1/2、1/3、1/4，但是，在本发明的技术启示下，可将交流电机输入频率调整为原有频率的1/N，比如N＝5、N＝6等等，实现对交流电机多档位速度控制。另外，输入交流电机的频率虽然是经过变化的1/2、1/3等1/N频率，但是，变频后的波形仍然具有原有50HZ频率的每个半周期特性，因需要控制的交流电机本身是基于50HZ市电标准的自感应方式交流电机，因此输入电流也会是接近于原来的1/2、1/3等，也不会发生强电流对于交流电机的冲击,并且对于交流电机的震动，噪音及耐久性等技术指标影响较少。

另外，本发明采用BTL回路，BTL是Bridge-Tied-Load的简称，即桥接式负载，目前主要用于几十伏以内电源模拟方式输出，本方案BTL回路的输入电源虽然是模拟方式，但整体启动方式为数码方式。本发明中，输入交流电机之前，只通过开关处理波形开闭和正反向即可。并且控制1/1，1/3，及1/3N速度时只需要2个或1个开关即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明实质内容上所作的任何修改、等同替换和简单改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种交流电机的调速方法，其特征在于，该调速方法包括：

步骤1，获取待输入至交流电机的原始交流电；

步骤2，通过控制所述原始交流电的每半个周期的方式变换所述原始交流电的波形，使交流电的输入频率为变换前的1/N，得到变换后的交流电；其中，N为正整数；

步骤3，使用波形变换后的交流电为所述交流电机供电，使得交流电机转速为原始交流电供电情况下交流电机转速的1/N。

2.根据权利要求1所述的交流电机的调速方法，其特征在于，步骤2中，通过开关控制所述原始交流电的每半个周期的方式变换所述原始交流电的波形。

3.根据权利要求2所述的交流电机的调速方法，其特征在于，步骤2中，所述原始交流电的波形为正弦波A，所述正弦波A的所有周期通过开关1和4输出；步骤3中，使用开关控制后的交流电为所述交流电机供电，交流电机转速为原始交流电供电情况下交流电机转速的1/1。

4.根据权利要求2所述的交流电机的调速方法，其特征在于，步骤2中，所述原始交流电的波形为正弦波A，所述正弦波A的第1个半周期通过开关1和开关4正向输出成为正电压，关闭正弦波A的第2个半周期，正弦波A的第3个半周期通过开关2和开关3反向输出成为负电压，关闭正弦波A的第4个半周期，以上为一个完整的控制步骤；正弦波A的第5个半周期开始重复上述控制步骤，通过开关控制所述正弦波A的每半个周期的方式得到波形B；步骤3中，使用具有波形B的交流电为所述交流电机供电，交流电机转速为原始交流电供电情况下交流电机转速的1/2。

5.根据权利要求2所述的交流电机的调速方法，其特征在于，步骤2中，所述原始交流电的波形为正弦波A，所述正弦波A的第1个半周期通过开关1和开关4正向输出成为正电压，关闭正弦波A的第2个半周期和第3个半周期，正弦波A的第4个半周期通过开关1和开关4正向输出成为负电压，关闭正弦波A的第5个半周期和第6个半周期，以上为一个完整的控制步骤；正弦波A的第7个半周期开始重复上述控制步骤，通过开关控制所述正弦波A的每半个周期的方式得到波形C；步骤3中，使用具有波形C的交流电为所述交流电机供电，交流电机转速为原始交流电供电情况下交流电机转速的1/3。

6.根据权利要求2所述的交流电机的调速方法，其特征在于，步骤2中，所述原始交流电的波形为正弦波A，所述正弦波A的第一个半周期通过开关1和开关4正向输出成为正电压，关闭正弦波A的第2个半周期、第3个半周期及第4个半周期，正弦波A的第5个半周期通过开关2和开关3反向输出成为负电压，关闭第6个半周期、第7个半周期及第8个半周期，以上为一个完整的控制步骤；正弦波A的第9个半周期开始重复上述控制步骤，通过开关控制所述正弦波A的每半个周期的方式得到波形D；步骤3中，使用具有波形D的交流电为所述交流电机供电，交流电机转速为原始交流电供电情况下交流电机转速的1/4。

7.根据权利要求2所述的交流电机的调速方法，其特征在于，步骤2中，变换所述原始交流电的波形，将交流电的输入频率为变换前的1/1或1/2或1/3或1/4；步骤3中，使交流电机转速在原始交流电供电情况下交流电机转速的1/1、1/2、1/3、1/4之间相互切换。

8.根据权利要求2至7中任一权利要求所述的交流电机的调速方法，其特征在于，步骤2中，所述开关为半导体开关，利用零伏位的控制方式进行开关控制，使交流电的输入频率为原始交流电输入频率的1/N；通过外部信号触发控制单元控制开关的方式变换所述原始交流电的波形，使交流电机的转速在不同的档位间切换。

9.一种交流电机的调速系统，其特征在于，该系统包括控制单元和开关，所述控制单元与所述开关连接，所述开关设于电源与电机之间的线路上；所述控制单元，检测到待输入至交流电机的原始交流电信号时，发送控制信号至开关；所述开关，控制所述原始交流电的每半个周期的方式变换所述原始交流电的波形，使交流电的输入频率为变换前的1/N，得到变换后的交流电后输出至交流电机；其中，N为正整数。

10.根据权利要求9所述的交流电机的调速系统，其特征在于，所述开关包括开关1、开关2、开关3及开关4；所述原始交流电经过开关1和4成为正向输出，所述正向输出为：原始交流电的半周期为正电压时输出为正电压，原始交流电的半周期为负电压时输出成为负电压；所述原始交流电经过开关2和3成为反向输出，所述反向输出为：原始交流电的半周期为正电压时输出成为负电压，原始交流电的半周期为负电压时输出成为正电压；当调速系统只需1/1，1/3及1/3N，其中N为正整数，调速时，开关数量简化为正向输出情况下的2个开关。