CN113422561A - Spim电机驱动电路及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种SPIM电机驱动电路及方法，包括驱动器和交流单元；所述驱动器与SPIM电机的第一绕组相连，包括倍压整流单元、直流母线和半桥逆变单元；所述倍压整流单元与所述直流母线相连，所述直流母线与所述半桥逆变单元相连，所述半桥逆变单元通过第一开关与所述第一绕组的第一端相连，所述第一绕组的第二端经过所述直流母线的中性点与所述倍压整流单元的输入交流电的一端相连，所述输入交流电的另一端通过第二开关与所述第一绕组的第一端相连；所述交流单元与所述SPIM电机的第二绕组相连。本发明的SPIM电机驱动电路及方法能够实现较小的启动电流和较小的能量损耗，且仅需提供SPIM电机所需的部分能量，且能够实现驱动控制和电网控制的热切换。

Description

SPIM电机驱动电路及方法
技术领域
本发明涉及单相异步电机(Single Phase Induction Motor，SPIM)，特别是涉及一种SPIM 电机驱动电路及方法。
背景技术
SPIM电机是指采用单相交流电源的异步电动机。由于只需要单相交流电，故SPIM电机具有使用方便、应用广泛、结构简单、成本低廉、噪声小、对无线电系统干扰小等优点，因而常用在功率不大的家用电器和小型动力机械中，如电风扇、洗衣机、电冰箱、空调、抽油烟机、电钻、医疗器械、小型风机及家用水泵等。
现有技术中，SPIM电机通常由定子、转子、轴承、机壳、端盖等构成。由于输出功率不大，SPIM电机的转子通常采用鼠笼型转子，定子上有一套工作绕组，称为主绕组(Main，简称为M绕组)，其在电动机的气隙中，只能产生正、负交变的脉振磁场，不能产生旋转磁场，故不能产生起动转矩。为了使电动机气隙中能产生旋转磁场，定子上还需要有套辅助绕组(Aux，简称为A绕组)。由于辅助绕组产生的磁场与主绕组的磁场在电动机气隙中合成产生旋转磁场，故电动机产生起动转矩，使得转子能够自行转动起来。
现有技术中的SPIM电机的启动方式如图1所示。但该方式下，主绕组启动电流过大，为额定电流的5-10倍，导致SPIM电机发热严重，造成了能源浪费。
SPIM电机启动后即开始进入运行状态，此时电容可保持如图1所示的连接方式，也可以采用如图2所示的部分连接方式，还可以采用如图3所示的仅主绕组连接方式。但是，上述SPIM电机运行方式下，由于SPIM电机设计本身不能保证启动与运行同时满足最优工作点，且电机磁链一般为椭圆形，故会导致转矩和转速波动，能耗较大；同时无法根据负载情况来调整控制所述SPIM电机处于最优工作点，也导致能耗较大。
当SPIM电机采用电力电子器件后，其可采用如图4-6所示的多种运行方式，具有启动电流小、磁链稳定控制、转速转矩波动小、能量损耗小、转速稳定控制等优点。但是， SPIM电机的所有能量均来自于驱动器，导致驱动器需要承受全部的电机功率。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种SPIM电机驱动电路及方法，能够实现较小的启动电流和较小的能量损耗，仅需提供SPIM电机所需的部分能量，且能够实现驱动控制和电网控制的热切换。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种SPIM电机驱动电路，包括驱动器和交流单元；所述驱动器与SPIM电机的第一绕组相连，包括倍压整流单元、直流母线和半桥逆变单元；所述倍压整流单元与所述直流母线相连，所述直流母线与所述半桥逆变单元相连，所述半桥逆变单元通过第一开关与所述第一绕组的第一端相连，所述第一绕组的第二端经过所述直流母线的中性点与所述倍压整流单元的输入交流电的一端相连，所述输入交流电的另一端通过第二开关与所述第一绕组的第一端相连；所述交流单元与所述SPIM电机的第二绕组相连。
于本发明一实施例中，所述半桥逆变单元采用两电平半桥逆变器或三电平半桥逆变器或多电平半桥逆变器。
于本发明一实施例中，所述直流母线采用两组串联的电解电容或电池。
于本发明一实施例中，所述倍压整流单元采用单相倍压电路或单相半桥倍压BOOST电路或单相倍压型BOOST PFC电路。
于本发明一实施例中，所述交流单元包括交流电源和电容；所述交流电源和所述电容串联后连接在所述第二绕组两端。
本发明提供一种SPIM电机驱动方法，应用于上述的SPIM电机驱动电路，包括以下步骤；
初始状态下，闭合第一开关，断开第二开关；
基于倍压整流单元将输入交流电转换为直流电，并将所述直流电输入直流母线；
基于所述直流母线将所述直流电输入半桥逆变单元；
基于所述半桥逆变单元将所述直流电转换为交流电，并将所述交流电输入SPIM电机的第一绕组，以驱动所述第一绕组；基于连接在所述SPIM电机的第二绕组上的交流单元，驱动所述第二绕组。
于本发明一实施例中，还包括当所述SPIM电机驱动完成或所述驱动器发生损坏时，断开所述第一开关，闭合所述第二开关，基于所述输入交流电驱动所述第一绕组，实现电网直接驱动电机。
于本发明一实施例中，所述半桥逆变单元采用三电平逆变器或多电平逆变器；所述倍压整流单元采用单相倍压电路或单相半桥倍压BOOST电路或单相倍压型BOOST PFC电路。
于本发明一实施例中，所述直流母线采用两组串联的电解电容或电池。
于本发明一实施例中，所述交流单元包括交流电源和电容；所述交流电源和所述电容串联后连接在所述第二绕组两端。
如上所述，本发明的SPIM电机驱动电路及方法，具有以下有益效果：
(1)由于将第二绕组通过电容接入电网，启动电流较小；由于将第一绕组连接于驱动电路上，实现了启动电流可控；
(2)能够通过调节第一绕组的电流，使得第一绕组和第二绕组的合成磁场为圆形，从而减少电机的损耗，提升电机效率；使得转矩转速波动更小，从而减少电机磨损，提升电机寿命；
(3)驱动器仅需提供电机所需的部分能量，另一部分能量直接由电网提供；
(4)通过对第一开关和第二开关的开断控制，能够实现SPIM电机的驱动控制到电网控制的热切换，且即使在驱动器发生损坏的情况下，也能够保证SPIM电机的正常运行。
附图说明
图1显示为现有技术中SPIM电机启动电路于一实施例中的结构示意图；
图2显示为现有技术中SPIM电机运行电路于第一实施例中的结构示意图；
图3显示为现有技术中SPIM电机运行电路于第二实施例中的结构示意图；
图4显示为现有技术中SPIM电机控制电路于第三实施例中的结构示意图；
图5显示为现有技术中SPIM电机控制电路于第四实施例中的结构示意图；
图6显示为现有技术中SPIM电机控制电路于第五实施例中的结构示意图；
图7显示为本发明的SPIM电机驱动电路于一实施例中的结构示意图；
图8显示为本发明的SPIM电机驱动方法于一实施例中的流程图。
元件标号说明
1 驱动器
11 倍压整流单元
12 直流母线
13 半桥逆变单元
2 交流单元
21 交流电源
22 电容
3 SPIM电机
31 第一绕组
32 第二绕组
S1 第一开关
S2 第二开关
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
本发明的SPIM电机驱动电路及方法通过将SPIM电机的第一绕组连接于驱动器，第二绕组连接于电网，从而由驱动器和电网协同实现SPIM电机所需能量的供给，同时实现了较小的启动电流和较小的能量损耗，并能够实现驱动控制和电网控制的热切换，极具实用性。其中，所述第一绕组和所述第二绕组构成了所述SPIM电机的主绕组和辅助绕组。即所述第一绕组为主绕组或辅助绕组，所述第二绕组为辅助绕组或主绕组。
如图7所示，于一实施例中，本发明的SPIM电机驱动电路包括驱动器1和交流单元2。其中，所述驱动器1用于驱动SPIM电机的第一绕组，所述交流单元2用于驱动SPIM电机的第二绕组，从而实现了较小的启动电流，且启动电流可控。
所述驱动器1与SPIM电机3的第一绕组31相连，包括倍压整流单元11、直流母线12和半桥逆变单元13。
所述倍压整流单元11与和所述直流母线12相连，用于将输入交流电转换为直流电，并将所述直流电输入直流母线12。具体地，所述倍压整流单元11采用单相倍压电路或单相半桥倍压BOOST电路或单相倍压型BOOST功率因数校正(Power Factor Correction，PFC)电路。在该实施例中，所述倍压整流单元11的输入端与电感相连，所述电感与输入交流电AC的一端相连，所述倍压整流单元11的两输出端分别与所述直流母线12的两端相连。
所述直流母线12与所述半桥逆变单元13相连，用于将所述直流电输入半桥逆变单元 13。具体地，所述直流母线12的两端分别与所述半桥逆变单元13的两输入端相连，用于承载所述倍压整流单元11生成的直流电，并将所述直流电输入所述半桥逆变单元13。于本发明一实施例中，所述直流母线12采用两组串联的电解电容或电池。
所述半桥逆变单元13通过第一开关S1与所述第一绕组31的第一端相连，所述第一绕组 31的第二端经过所述直流母线12的中性点与所述倍压整流单元11的输入交流电AC的一端相连，所述输入交流电AC的另一端通过第二开关S2与所述第一绕组31的第一端相连，所述输入交流电AC的另一端还通过电感连接与所述倍压整流单元11的输入端。具体地，所述半桥逆变单元13的输出端通过所述第一开关S1与所述第一绕组31的一端相连，用于将所述直流电转换为交流电，并将所述交流电输入SPIM电机3的第一绕组31，以驱动所述第一绕组31。于本发明一实施例中，所述半桥逆变单元13采用两电平半桥逆变器或三电平半桥逆变器或多电平半桥逆变器。
所述交流单元2与所述SPIM电机3的第二绕组32相连，通过输入交流电来驱动所述第二绕组32。于本发明一实施例中，所述交流单元2包括交流电源21和电容22。所述交流电源21和所述电容22串联后连接在所述第二绕组32两端来完成所述第二绕组32的驱动。
由于设置有所述第一开关K1和所述第二开关K2，通过开关的闭合和断开能够实现所述 SPIM电机的驱动控制和电网控制的热切换。
初始状态下，设置所述第一开关S1闭合，所述第二开关S2断开，所述SPIM电机采用驱动器驱动控制。
当所述SPIM电机驱动完成后，可以设置所述第一开关S1断开，所述第二开关S2闭合，所述SPIM电机由电网驱动。另外，若驱动器发生损坏，通过断开所述第一开关S1，闭合所述第二开关S2仍然可以使得所述SPIM电机正常运行。
如图8所示，于一实施例中，本发明的SPIM电机驱动电路的驱动方法包括以下步骤；
步骤S1、初始状态下，闭合第一开关，断开第二开关。
具体地，在初始状态下，所述SPIM电机由驱动器驱动。
步骤S2、基于倍压整流单元将输入交流电转换为直流电，并将所述直流电输入直流母线。
具体地，所述倍压整流单元采用单相倍压电路或单相半桥倍压BOOST电路或单相倍压型BOOST PFC电路。在该实施例中，所述倍压整流单元的中性点与电感相连，所述电感与输入交流电相连，所述倍压整流单元的两端分别与所述直流母线的两端相连。
步骤S3、基于所述直流母线将所述直流电输入半桥逆变单元。
具体地，所述直流母线的两端分别与所述半桥逆变单元的两输入端相连，用于承载所述倍压整流单元生成的直流电，并将所述直流电输入所述半桥逆变单元。于本发明一实施例中，所述直流母线采用两组串联的电解电容或电池。
步骤S4、基于所述半桥逆变单元将所述直流电转换为交流电，并将所述交流电输入 SPIM电机的第一绕组，以驱动所述第一绕组；基于连接在所述SPIM电机的第二绕组上的交流单元，驱动所述第二绕组。
具体地，所述半桥逆变单元能够实现直流电到交流电的转换，转换得到的交流电输入所述第一绕组来完成所述第一绕组的驱动。
具体地，所述交流单元包括交流电源和电容。所述交流电源和所述电容串联后连接在所述第二绕组两端来完成所述第二绕组的驱动。
优选地，本发明的SPIM电机驱动方法还包括调节所述第一绕组的电流，使所述第一绕组和所述第二绕组的合成磁场构成圆形，从而降低所述SPIM电机的损坏和磨损，提升所述 SPIM电机的能效和寿命。
优选地，本发明的SPIM电机驱动方法还包括当所述SPIM电机驱动完成或所述驱动器发生损坏时，断开所述第一开关，闭合所述第二开关，从而实现驱动控制到电网控制的热切换。
综上所述，本发明的SPIM电机驱动电路及方法由于将第二绕组通过电容接入电网，启动电流小；由于将第一绕组连接于驱动电路上，实现了启动电流可控；能够通过调节第一绕组的电流，使得第一绕组和第二绕组的合成磁场为圆形，从而减少电机的损耗，提升电机效率；使得转矩转速波动更小，从而减少电机磨损，提升电机寿命；驱动器仅需提供电机所需的部分能量，另一部分能量直接由电网提供；通过对第一开关和第二开关的开断控制，能够实现SPIM电机的驱动控制到电网控制的热切换，且即使在驱动器发生开关管损坏的情况下，也能够保证SPIM电机的正常运行。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种SPIM电机驱动电路，其特征在于：包括驱动器和交流单元；
所述驱动器与SPIM电机的第一绕组相连，包括倍压整流单元、直流母线和半桥逆变单元；所述倍压整流单元与所述直流母线相连，所述直流母线与所述半桥逆变单元相连，所述半桥逆变单元通过第一开关与所述第一绕组的第一端相连，所述第一绕组的第二端经过所述直流母线的中性点与所述倍压整流单元的输入交流电的一端相连，所述输入交流电的另一端通过第二开关与所述第一绕组的第一端相连；
所述交流单元与所述SPIM电机的第二绕组相连。
2.根据权利要求1所述的SPIM电机驱动电路，其特征在于：所述半桥逆变单元采用两电平半桥逆变器或三电平半桥逆变器或多电平半桥逆变器。
3.根据权利要求1所述的SPIM电机驱动电路，其特征在于：所述直流母线采用两组串联的电解电容或电池。
4.根据权利要求1所述的SPIM电机驱动电路，其特征在于：所述倍压整流单元采用单相倍压电路或单相半桥倍压BOOST电路或单相倍压型BOOST PFC电路。
5.根据权利要求1所述的SPIM电机驱动电路，其特征在于：所述交流单元包括交流电源和电容；所述交流电源和所述电容串联后连接在所述第二绕组两端。
6.一种SPIM电机驱动方法，应用于权利要求1-5之一所述的SPIM电机驱动电路，其特征在于：包括以下步骤；
初始状态下，闭合第一开关，断开第二开关；
基于倍压整流单元将输入交流电转换为直流电，并将所述直流电输入直流母线；
基于所述直流母线将所述直流电输入半桥逆变单元；
基于所述半桥逆变单元将所述直流电转换为交流电，并将所述交流电输入SPIM电机的第一绕组，以驱动所述第一绕组；基于连接在所述SPIM电机的第二绕组上的交流单元，驱动所述第二绕组。
7.根据权利要求6所述的SPIM电机驱动方法，其特征在于：还包括当所述SPIM电机驱动动完成或所述驱动器发生损坏时，断开所述第一开关，闭合所述第二开关，基于所述输入交流电驱动所述第一绕组，实现电网直接驱动电机。
8.根据权利要求6所述的SPIM电机驱动方法，其特征在于：所述半桥逆变单元采用两电平半桥逆变器或三电平半桥逆变器或多电平半桥逆变器；所述倍压整流单元采用单相倍压电路或单相半桥倍压BOOST电路或单相倍压型BOOST PFC电路。
9.根据权利要求6所述的SPIM电机驱动方法，其特征在于：所述直流母线采用两组串联的电解电容或电池。
10.根据权利要求6所述的SPIM电机驱动方法，其特征在于：所述交流单元包括交流电源和电容；所述交流电源和所述电容串联后连接在所述第二绕组两端。
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