家用電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的研討

摘 要：在家電電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速應(yīng)用中，其廣泛使用的電容分相式單相異步電動(dòng)機(jī)中的電容器與變頻器之間存在難以克服的相互影響。本文論述了家電電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速需要解決的上述問題及其處理方法。

關(guān)鍵詞：單相異步電動(dòng)機(jī) 變頻調(diào)速

中圖分類號：TM343+.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）10（a）-0106-01

電機(jī)的變頻調(diào)速，以其優(yōu)越的調(diào)速性能在企業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。但是，除變頻空調(diào)器以外，在其他家電中很少應(yīng)用。究其原因，主要是廣泛使用的電容分相式單相異步電動(dòng)機(jī)中的電容器與變頻器之間存在難以克服的相互影響。這里重點(diǎn)介紹處理這一問題的有效方法。

1 家電電動(dòng)機(jī)的類型及其調(diào)速

應(yīng)用在家電中的電動(dòng)機(jī)有單相異步電動(dòng)機(jī)、三相異步電動(dòng)機(jī)、無刷同步電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)，其中以單相異步電動(dòng)機(jī)為多。單相異步電動(dòng)機(jī)包括電容分相式、電阻分相式和罩極式，其中以電容分相式單相異步電動(dòng)機(jī)使用為多。該種類型的電動(dòng)機(jī)又可分為單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)式、單相電容啟動(dòng)式和單相雙電容式，如圖1，圖2所示。家電中電動(dòng)機(jī)常用的調(diào)速方法是調(diào)壓調(diào)速，雖然此調(diào)速方法簡單、成本低，但調(diào)速范圍小、穩(wěn)定性差和轉(zhuǎn)矩特性差，不能滿足使用要求。如果家電中的電動(dòng)機(jī)能采用變頻調(diào)速的方法，則具有較大的調(diào)速范圍、較好的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)矩特性，同時(shí)還有節(jié)能作用。

單相電容啟動(dòng)及運(yùn)轉(zhuǎn)異步電動(dòng)機(jī)接線圖（如圖1、2所示）。

2 家電電動(dòng)機(jī)應(yīng)用變頻器需要解決的問題

2.1 單相電源

家電一般采用單相交流電源，如果采用變頻調(diào)速，則變頻器主回路的整流環(huán)節(jié)只能采用單相橋式整流型式。相對三相橋式整流的變頻器而言，直流輸出的波紋系數(shù)大，應(yīng)更好地考慮電容濾波，電感平波的作用。

2.2 電容分相式單相異步電動(dòng)機(jī)

電容分相式單相異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用變頻器存在以下問題需要解決。（1）電容器的容量變化。運(yùn)行電容是按50Hz的交流電設(shè)計(jì)其容量的。由于電容器的電容量與電源頻率有關(guān)，變頻器的高頻載波會(huì)使電容器的容量發(fā)生變化，則主、輔繞組中的相位差不為90，電動(dòng)機(jī)不能形成圓形的旋轉(zhuǎn)磁場，運(yùn)行特性變差。（2）電容器的耐高頻能力。電容器的耐高頻能力一般只有幾百赫茲，而變頻器的高頻載波一般為3～5kHz，因此，高頻載波會(huì)對電容器產(chǎn)生危害，使電容器發(fā)熱，甚至爆炸。（3）電容器對變頻器的影響。由于電容器對電源具有吸收與釋放能量的作用，對變頻器可能造成波形的“死區(qū)”堵塞，使上下橋路同時(shí)導(dǎo)通短路、變頻器保護(hù)動(dòng)作停機(jī)，影響生產(chǎn)，甚至損壞變頻器的功率器件。（4）離心開關(guān)的對變頻器的影響。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速啟動(dòng)到一定值后，離心開關(guān)將輔繞組脫開，此時(shí)電動(dòng)機(jī)電流增大；由于離心開關(guān)的動(dòng)作與轉(zhuǎn)速有關(guān)，且動(dòng)作時(shí)有6倍左右額定工作電流的沖擊電流，會(huì)對變頻器產(chǎn)生影響與危害，所以，帶離心開關(guān)的單相電動(dòng)機(jī)不能用變頻器調(diào)速。

3 家電電動(dòng)機(jī)和變頻器的配合與改造方案

家電電動(dòng)機(jī)采用變頻調(diào)速，需要考慮的是既要發(fā)揮變頻調(diào)速的優(yōu)勢，又要使電動(dòng)機(jī)的性能得到充分發(fā)揮，因此在兩者的設(shè)計(jì)使用中就要考慮相互配合的問題。

3.1 電阻分相式單相異步電動(dòng)機(jī)和變頻器的配合

電阻分相式單相異步電動(dòng)機(jī)在家電中很少見到，主要是因?yàn)檩o繞組電流與主繞組電流的相位差較小（一般為30度左右），只能形成橢圓度較大的旋轉(zhuǎn)磁場，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與最大轉(zhuǎn)矩都較小。但是，諾設(shè)計(jì)為單向輸入三相輸出的變頻器，采用電感分相式接線方法，能使主、輔繞組電流的相位差約為90度，電動(dòng)機(jī)形成旋轉(zhuǎn)磁場，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與最大轉(zhuǎn)矩都較前者大，類似電容分相式單相電動(dòng)機(jī)。

3.2 電容分相式單相異步電動(dòng)機(jī)和變頻器的配合

帶有離心開關(guān)的電容分相式單相異步電動(dòng)機(jī)，首先考慮去掉離心開關(guān)，變頻器設(shè)計(jì)為單相輸入、單相輸出形式，能較好地發(fā)揮變頻器與電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是在變頻器與電動(dòng)機(jī)之間接電感L，目的是盡可能地把變頻器的高頻載波濾掉，而保留變頻基波，解決高頻載波對電容器的危害、影響輔繞組電流的移相角及電容器對變頻器的影響；另外適當(dāng)降低高頻載波的頻率也可以起到較好的改善作用。電容器C應(yīng)采用耐高頻、耐高壓的固定電容（不能使用電解電容）。

3.3 兩相異步電動(dòng)機(jī)和變頻器的配合

把電容分相式單相異步電動(dòng)機(jī)中的電容（包括離心開關(guān)）全部去掉，并把主、輔兩相繞組脫開，各自接上變頻器輸出的單相交流電源，即成為兩相異步電動(dòng)機(jī)。變頻器分別對主、輔繞組進(jìn)行變頻變壓控制，使兩繞組中的電流相位相差90，電動(dòng)機(jī)形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場，具有較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

3.4 三相異步電動(dòng)機(jī)和變頻器的配合

考慮到三相異步電動(dòng)機(jī)比單相異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行性能更好，把變頻器設(shè)計(jì)成單相輸入、三相輸出的形式。顯然，這種配合能很好地發(fā)揮變頻器與電動(dòng)機(jī)兩者的優(yōu)越性能。應(yīng)注意的是，變頻器輸出的是220V的三相變頻電源，應(yīng)接三相220V的電動(dòng)機(jī)。若電動(dòng)機(jī)是Y接法的380V電動(dòng)機(jī)，則要將Y接法改為△形接法。

綜上所述，從家電的容量考慮，小容量家電采用前兩種方案；較大容量的家電采用第二和第三種方案；大容量家電采用第四種方案。具體而言，空調(diào)采用第四種方案，電冰箱與洗衣機(jī)采用第二種和第三種方案，電風(fēng)扇采用前兩種方案為好。