淺析異步感應電機調速系統中單相電機變頻的調速技術

本文將主要依據以上3個問題，就單相電機繞組，主電路結構及其控制技術，對國內外單相電機變頻調速技術的最新發展進行了較為詳細的分析和綜述，并在此基礎上對其發展方向加以探討。

單相電機的變頻調速技術卻還面臨著以下一些問題：

1)單相電機的繞組不同于三相電機，其主副繞組多為不對稱繞組，副繞組通常串聯了運轉電容，給合成圓形旋轉磁場帶來新的問題;

2)單相電機用的變頻調速逆變主電路結構同樣有其獨特的一面，存在如何獲得合理，高效的逆變電路的問題;

3)針對單相電機變頻調速，存在采用什么樣的控制技術，才能使得單相電機獲得與三相電機，甚至與直流電機一樣優良的調速效果的問題。

1 單相電機繞組分析

根據單相電機合成磁場的分析[1]，單相電機的定子上嵌放有兩相繞組，設兩相繞組軸線在空間相距β電角度，兩相繞組中通入相位差為θ的電流，兩相合成圓形旋轉磁勢的條件是

(1)

式中：FM為主繞組磁勢幅值;

FA為副繞組磁勢幅值。

在單相電機中，定子兩相繞組軸線通常相距90°，為了獲得圓形旋轉磁勢，總希望兩相電流相位差等于90°。

參考文獻[2]給出了不對稱繞組單相電機的等效電路，依據此等效電路，當空間電角度β和相位差θ均為90°時，電機在以下條件下滿足圓形旋轉磁場的要求，獲得最佳性能：

=1 (2)

式中：Imain為主繞組電流;

Iaux為副繞組電流;

a為副繞組與主繞組之間的匝數比。

繼而得出Imain=αIaux。

實際上，在電機的運行過程中，時刻保持主副繞組電流比值恒定相當困難，通常以Vaux=aVmain來近似實現電流比值的恒定。

單相電機多為電容運轉式電動機，副繞組中串聯的電容值，在工頻條件下能使電機獲得較好的運行性能。當電機運行在低頻時，隨著電容容抗的增大，副繞組中流過的電流相位與主繞組不再成正交關系，于是電機出現過熱，轉矩降低，脈動轉矩增大等問題[3]。所以，目前采用的變頻電路均采用去掉電容，兩相繞組分別控制的方案。但是，去除電容也就意味著要增大加在副繞組上的電壓值。

2 逆變器主電路結構拓撲

2.1 半橋逆變電路

由于只需要輸出兩相電壓，使得單相電機半橋逆變電路結構簡單，僅僅需要4只功率變換器件組成兩個橋臂即可，如圖1所示。半橋逆變電路具有結構簡單，功率開關器件數目最少，成本低廉，穩定性高等優點。

圖1 半橋逆變電路

但是，對于單相電機，采用半橋逆變電路面臨這樣一個問題：由于電機的兩相電流I1及I2在相位上相差90°，因而流向中性點N的兩相電流之和I是兩相電流的矢量和。

(3)

對于用兩只電容串聯構造中點的電源，回饋電流I