單相異步電動(dòng)機(jī)脈沖調(diào)速方法的研究

張慧娟，孫宏斌，辛小南，羅楊瑞

(1.鄭州大學(xué)，河南鄭州450001;2.鄭州電視臺，河南鄭州450001;3.南陽供電公司，河南南陽473000)

0 引 言

單相異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、維修方便等特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)和日常生活的各個(gè)方面，尤其是家用電器、電動(dòng)工具、醫(yī)療器械等。但由于單相異步電動(dòng)機(jī)體積大、運(yùn)行性能差等缺點(diǎn)，一般只做成小容量的，現(xiàn)有產(chǎn)品功率通常從幾瓦到幾百瓦［1］。單相異步電動(dòng)機(jī)常用的調(diào)速方法有變極調(diào)速、調(diào)壓調(diào)速(如晶閘管調(diào)速、串電抗器調(diào)速和抽頭法調(diào)速)、變頻調(diào)速等。變頻調(diào)速設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、很少采用;串電抗器調(diào)速，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，容易調(diào)整調(diào)速比，但消耗的材料多，調(diào)速器體積大;抽頭法調(diào)速與串電抗器調(diào)速相比較，抽頭法調(diào)速用料省、耗電少，但是繞組嵌線和接線比較復(fù)雜［2］;晶閘管調(diào)速能實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，缺點(diǎn)是會(huì)產(chǎn)生一些電磁干擾，目前常用于吊式風(fēng)扇的調(diào)速上［3］。

本文介紹了一種通過改變脈沖寬度以改變單相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)速裝置的工作原理。該調(diào)速裝置可通過控制主電路中的電子開關(guān)，使電機(jī)兩端的電壓成脈沖形式，其有效值隨著電機(jī)端電壓脈沖寬度的大小而改變，從而達(dá)到了調(diào)速的目的。

1 單相異步電動(dòng)機(jī)基本工作原理

單相異步電動(dòng)機(jī)原理圖如圖1所示。通入單相交流電源，如果電容參數(shù)選擇的適當(dāng)，單相異步電動(dòng)機(jī)兩相繞組(空間相差90°)中的電流相位相差90°(設(shè) im=Imcos ωt，ia=Iacos(ωt+90°)［4］，當(dāng)單相異步電動(dòng)機(jī)的兩相繞組通入交流電時(shí)，在氣隙中會(huì)形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場，該旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1:

圖1 單相異步電動(dòng)機(jī)接線圖

將主繞組或者副繞組中的任何一個(gè)繞組的兩個(gè)電源接線位置對調(diào)即可改變氣隙旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向，從而改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向(轉(zhuǎn)向由電流超前相的軸線轉(zhuǎn)向電流滯后相的軸線)。

2 脈沖調(diào)速方法的分析

單相異步電動(dòng)機(jī)脈沖調(diào)速原理圖如圖2所示，該調(diào)速電路可分為三部分:單相交流電開關(guān)電路、產(chǎn)生超音頻信號的脈沖信號電路與電動(dòng)機(jī)電流續(xù)流電路。

圖2 單相異步電動(dòng)機(jī)脈沖調(diào)速原理圖

2.1 脈沖信號為高電平

如圖2所示，供電電源為220 V交流電，在單相交流電的正半周，即A端電壓為正，B端電壓為負(fù)期間，當(dāng)脈沖信號產(chǎn)生電路產(chǎn)生的脈沖信號為高電平時(shí)，開關(guān)S導(dǎo)通，電流流過電機(jī)M、三極管Q1發(fā)射極、基極，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，此時(shí)三極管Q1處于導(dǎo)通狀態(tài);由于二極管D1的存在，電流不能經(jīng)三極管Q1集電極流過，此時(shí)電流流通的路徑如圖3(a)所示。開關(guān)S閉合時(shí)，即電機(jī)工作于電動(dòng)狀態(tài)，單相異步電動(dòng)機(jī)電壓方程:

式中:Rm、Ra分別為主繞組和副繞組的電阻;Rc、C分別為電容器的電阻和電容。

在開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)處于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，電磁轉(zhuǎn)矩T克服負(fù)載制動(dòng)力矩而拖動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

2.2 脈沖信號為低電平

當(dāng)脈沖信號產(chǎn)生電路產(chǎn)生的脈沖信號為低電平時(shí)，開關(guān)S關(guān)斷，此時(shí)電阻R1流過一個(gè)極小的電流，為三極管Q1提供偏置電流，使三極管Q1繼續(xù)處于導(dǎo)通狀態(tài)，電機(jī)的感性電流經(jīng)三極管Q1的發(fā)射極、集電極、二極管D1，形成感性電流的續(xù)流電路，其流通路徑如圖3(b)所示。

圖3 電流流通路徑

開關(guān)S斷開時(shí)，即電機(jī)工作于短接狀態(tài)，由上述分析可知，此時(shí)電機(jī)兩端的電壓u為零，單相異步電動(dòng)機(jī)電壓方程:

在開關(guān)斷開時(shí)，電機(jī)兩端的外加電壓雖然為零，電機(jī)因慣性作用繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。由于續(xù)流電路的存在，定子電流逐漸減小，相應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩隨電流的減小而減小，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也隨之降低。

在單相交流電的負(fù)半周期間，即A端電壓為負(fù)、B端電壓為正時(shí)，同樣道理。在開關(guān)關(guān)斷期間，電機(jī)的感性電流經(jīng)二極管D2、三極管Q2的集電極、發(fā)射極，形成感性電流的續(xù)流電路［5］。

由此可知，不論開關(guān)處于什么狀態(tài)，電機(jī)內(nèi)部的電流是連續(xù)的，雖然在開關(guān)的開斷過程中，轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速會(huì)發(fā)生波動(dòng)，但開關(guān)的頻率很高，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變化并不明顯。

3 調(diào)速方法的仿真研究

本文根據(jù)單相異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型及脈寬調(diào)速方法的基本工作原理，建立了基于MATLAB/Simulink單相異步電動(dòng)機(jī)的脈寬調(diào)速仿真模型。單相異步電動(dòng)機(jī)選用Simulink中的單相電容異步電動(dòng)機(jī)，其參數(shù)如下:額定功率PN=50 W，fN=50 Hz，UN=220 V，p=2，運(yùn)行電容為 1.2 μF，總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J=0.000 3 kg·m2。負(fù)載為轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比的風(fēng)機(jī)類負(fù)載，仿真結(jié)果如下。

脈沖發(fā)生器的脈沖寬度設(shè)為99%，得到的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 脈寬為99%時(shí)的起動(dòng)過程仿真圖形

圖5 為全壓起動(dòng)1 s后脈沖寬度調(diào)為60%、20%時(shí)的仿真結(jié)果。

圖5 脈寬為60%和20%時(shí)的起動(dòng)過程仿真圖形

圖4 顯示當(dāng)脈沖寬度為99%時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1 226 r/min;圖5顯示當(dāng)脈沖寬度為60%和20%時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在714 r/min和129 r/min。當(dāng)脈沖寬度降到2%左右，電機(jī)轉(zhuǎn)速降為0。

4 結(jié) 語

本文基于脈沖調(diào)速方法設(shè)計(jì)調(diào)速電路，可使單相異步電動(dòng)機(jī)在寬廣的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。由于采用超音頻的脈沖信號，不會(huì)產(chǎn)生電磁噪聲。調(diào)速電路中可使用普通電子元件，而且數(shù)量少，因此調(diào)速裝置不僅體積小，而且成本低。該調(diào)速電路主要應(yīng)用于臺式、落地式和壁式電風(fēng)扇等風(fēng)扇類調(diào)速裝置中。單相異步電動(dòng)機(jī)脈沖調(diào)速方法屬于調(diào)壓調(diào)速，此單相異步電機(jī)脈沖調(diào)速系統(tǒng)與其他調(diào)速方案相比，不僅設(shè)計(jì)簡單，綜合成本低，而且易于實(shí)現(xiàn)，因此，具有實(shí)用價(jià)值。相信此脈沖調(diào)速方法在家用電器領(lǐng)域?qū)⒂懈鼜V闊的應(yīng)用前景。

［1］張保值.電機(jī)原理與應(yīng)用［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［2］何成軍.新型高效節(jié)能直流風(fēng)管式空調(diào)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.山東大學(xué)，2010.

［3］孫遜.單相異步電動(dòng)機(jī)常用調(diào)速方式淺析［J］.微特電機(jī)，2005(1):38－40.

［4］孫云鵬.單相異步電機(jī)及其應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1989.

［5］孫宏斌.單相交流電動(dòng)機(jī)無級調(diào)速電路:中國，CN101707471A［P］.2010－05－12.