單相異步電動機脈沖調速方法的研究

張慧娟，孫宏斌，辛小南，羅楊瑞

(1.鄭州大學，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

單相異步電動機具有結構簡單、成本低廉、維修方便等特點，被廣泛地應用于工業和日常生活的各個方面，尤其是家用電器、電動工具、醫療器械等。但由于單相異步電動機體積大、運行性能差等缺點，一般只做成小容量的，現有產品功率通常從幾瓦到幾百瓦［1］。單相異步電動機常用的調速方法有變極調速、調壓調速(如晶閘管調速、串電抗器調速和抽頭法調速)、變頻調速等。變頻調速設備結構復雜、成本高、很少采用;串電抗器調速，其優點是結構簡單，容易調整調速比，但消耗的材料多，調速器體積大;抽頭法調速與串電抗器調速相比較，抽頭法調速用料省、耗電少，但是繞組嵌線和接線比較復雜［2］;晶閘管調速能實現無級調速，缺點是會產生一些電磁干擾，目前常用于吊式風扇的調速上［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機轉速的調速裝置的工作原理。該調速裝置可通過控制主電路中的電子開關，使電機兩端的電壓成脈沖形式，其有效值隨著電機端電壓脈沖寬度的大小而改變，從而達到了調速的目的。

1 單相異步電動機基本工作原理

單相異步電動機原理圖如圖1所示。通入單相交流電源，如果電容參數選擇的適當，單相異步電動機兩相繞組(空間相差90°)中的電流相位相差90°(設 im=Imcos ωt，ia=Iacos(ωt+90°)［4］，當單相異步電動機的兩相繞組通入交流電時，在氣隙中會形成圓形旋轉磁場，該旋轉磁場的轉速n1:

圖1 單相異步電動機接線圖

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

2 脈沖調速方法的分析

單相異步電動機脈沖調速原理圖如圖2所示，該調速電路可分為三部分:單相交流電開關電路、產生超音頻信號的脈沖信號電路與電動機電流續流電路。

圖2 單相異步電動機脈沖調速原理圖

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端電壓為負期間，當脈沖信號產生電路產生的脈沖信號為高電平時，開關S導通，電流流過電機M、三極管Q1發射極、基極，驅動電動機運行，此時三極管Q1處于導通狀態;由于二極管D1的存在，電流不能經三極管Q1集電極流過，此時電流流通的路徑如圖3(a)所示。開關S閉合時，即電機工作于電動狀態，單相異步電動機電壓方程:

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。

在開關導通時，電機處于電動機狀態，電磁轉矩T克服負載制動力矩而拖動轉子旋轉。

2.2 脈沖信號為低電平

當脈沖信號產生電路產生的脈沖信號為低電平時，開關S關斷，此時電阻R1流過一個極小的電流，為三極管Q1提供偏置電流，使三極管Q1繼續處于導通狀態，電機的感性電流經三極管Q1的發射極、集電極、二極管D1，形成感性電流的續流電路，其流通路徑如圖3(b)所示。

圖3 電流流通路徑

開關S斷開時，即電機工作于短接狀態，由上述分析可知，此時電機兩端的電壓u為零，單相異步電動機電壓方程:

在開關斷開時，電機兩端的外加電壓雖然為零，電機因慣性作用繼續轉動。由于續流電路的存在，定子電流逐漸減小，相應的電磁轉矩隨電流的減小而減小，轉子轉速也隨之降低。

在單相交流電的負半周期間，即A端電壓為負、B端電壓為正時，同樣道理。在開關關斷期間，電機的感性電流經二極管D2、三極管Q2的集電極、發射極，形成感性電流的續流電路［5］。

由此可知，不論開關處于什么狀態，電機內部的電流是連續的，雖然在開關的開斷過程中，轉矩、轉速會發生波動，但開關的頻率很高，轉矩和轉速的變化并不明顯。

3 調速方法的仿真研究

本文根據單相異步電動機的數學模型及脈寬調速方法的基本工作原理，建立了基于MATLAB/Simulink單相異步電動機的脈寬調速仿真模型。單相異步電動機選用Simulink中的單相電容異步電動機，其參數如下:額定功率PN=50 W，fN=50 Hz，UN=220 V，p=2，運行電容為 1.2 μF，總轉動慣量 J=0.000 3 kg·m2。負載為轉矩與轉速的平方成正比的風機類負載，仿真結果如下。

脈沖發生器的脈沖寬度設為99%，得到的仿真結果如圖4所示。

圖4 脈寬為99%時的起動過程仿真圖形

圖5 為全壓起動1 s后脈沖寬度調為60%、20%時的仿真結果。

圖5 脈寬為60%和20%時的起動過程仿真圖形

圖4 顯示當脈沖寬度為99%時，電機轉速穩定在1 226 r/min;圖5顯示當脈沖寬度為60%和20%時，電機轉速穩定在714 r/min和129 r/min。當脈沖寬度降到2%左右，電機轉速降為0。

4 結 語

本文基于脈沖調速方法設計調速電路，可使單相異步電動機在寬廣的范圍內實現無級調速。由于采用超音頻的脈沖信號，不會產生電磁噪聲。調速電路中可使用普通電子元件，而且數量少，因此調速裝置不僅體積小，而且成本低。該調速電路主要應用于臺式、落地式和壁式電風扇等風扇類調速裝置中。單相異步電動機脈沖調速方法屬于調壓調速，此單相異步電機脈沖調速系統與其他調速方案相比，不僅設計簡單，綜合成本低，而且易于實現，因此，具有實用價值。相信此脈沖調速方法在家用電器領域將有更廣闊的應用前景。

［1］張保值.電機原理與應用［M］.北京:化學工業出版社，2006.

［2］何成軍.新型高效節能直流風管式空調的設計與實現［D］.山東大學，2010.

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

［4］孫云鵬.單相異步電機及其應用［M］.北京:機械工業出版社，1989.

［5］孫宏斌.單相交流電動機無級調速電路:中國，CN101707471A［P］.2010－05－12.