單相電容運轉異步電動機變頻驅動方法
【專利摘要】本發明公開一種單相電容異步電動機變頻驅動方法，基于成熟的三相變頻器模塊硬件技術，針對變頻模塊的三個輸出端U、V、W，獨創“二相變頻矢量PWM”算法，精心選擇“公共端”W的輸出函數，使得兩個差函數U-W、V-W是相差90o的兩相正弦波，得到頻率可調、相位差90o的兩相驅動電源。將三個輸出的兩相變頻器用于單相電容異步電機，將三個輸出U、V、W端分別連接電動機的R、S、C端子，驅動電動機運行，運行時可改變電動機工作頻率，實現單相電容運轉異步電動機無級調速。該方法可驅動主、副繞組分別引出的“4線”電機和帶“公共端”的“3線”電機。產品模塊化、體積小、成本低、可靠性高。
【專利說明】單相電容運轉異步電動機變頻驅動方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于單相電容運轉異步電動機變頻領域，具體涉及一種單相電容運轉異步電動機變頻驅動方法。
【背景技術】
[0002]單相電容運轉異步電動機在工業和家用電器領域有極其廣泛的應用。這種電機有兩個繞組，一個主繞組和一個副繞組，通常工作電源是單相交流220V，副繞組驅動信號的相位超前主繞組90°。將主繞組接電源，而將副繞組串接一個電容器再接電源，利用電容的移相作用獲得90°相位差。單相電容運轉異步電動機結構簡單，成本低廉，可單相運轉，但調速比較麻煩。近年來，三相變頻技術獲得了很大的發展，隨著微處理器控制技術和功率模塊的日臻成熟和普及，變頻器價格也大幅下降，使得采用變頻技術實現單相電容運轉異步電動機的無級調速成為可能。
[0003]大多數單相電容運轉異步電動機的主、副繞組的其中一端是連在一起的，稱為“公共端”(例如單相定頻空調壓縮機、冰箱壓縮機、風機、水泵等)。這種電機只有三根引出線，分別是:主繞組(R)、副繞組(S)和公共端(C)。市面上流行的三相變頻器并不能驅動單相電容運轉異步電動機，而市場上現有的兩相變頻器產品很少(只查到一種ZL201220062874.6專利)，該專利需要電動機的主、副繞組分別引出，不能有“公共端”，這種兩相變頻器僅能驅動少數“4線”電機，它有4個輸出(2個接主繞組，2個接副繞組，不能將主、副繞組的其中一端相連，否則會造成變頻器短路)，不能利用成熟的變頻功率模塊。研發三個驅動輸出的兩相變頻器有現實意義，它不僅可以驅動“4線”電機，還可以驅動帶“公共端”的“3線”電機，更可貴的是可以利用技術成熟的的三相變頻功率模塊(它具有三個輸出端U、V、W)，使得產品模塊化，體積小、成本低、可靠性高。
【發明內容】
[0004]本發明針對單相電容運轉異步電動機變頻驅動面臨的難題，提出了一種單相電容運轉異步電動機變頻驅動方法，利用成熟的三相變頻模塊硬件技術，通過獨創的“二相變頻矢量PWM”算法，研發出三個輸出的兩相變頻器來實現單相電容運轉異步電動機的無級調速。
[0005]本發明所采用的技術方案如下:
單相電容運轉異步電動機變頻驅動方法，基于成熟的三相變頻模塊硬件技術，針對三相變頻模塊的三個輸出端U、v、w，采用“二相變頻矢量PWM”算法，精心選擇“公共端”W的輸出函數，使得兩個差函數U-W、V-W是相差90°的兩相正弦波，得到頻率可調、相位差90°的兩相驅動電源，經此得到三個輸出的兩相變頻器。將兩相變頻器用于單相電容異步電機，將兩相變頻器功率模塊的U、V、W端分別連接單相電容異步電機的R、S、C端子，驅動單相電容電機運行，運行時可以改變電機工作頻率，實現單相電容異步電動機無級調速。
[0006]所述的“二相變頻矢量PWM”算法包括以下步驟: (I )、選擇適合的三個三角函數曲線Fa (X)、Fb (X)、Fab (X)，令Fa (x) =K*Sin (x)；Fb (X) =K*Sin (60° -x) ；Fab (x) =K[Sin (x) +Sin (60° _x)]，式中的 “K” 是幅度因子，其大小決定輸出幅度，K的最大值Kmax與具體選用CPU的PWM定時器架構有關；
(2)、把一個周期正弦波360°分成12個區間(每個區30°)，利用上面選擇的函數值定義每個區間上U、v、w值；
(3)、將上一步驟得到的U、V、W值，裝載到CPU的變頻PWM定時器里，就可以得到相應的PWM信號輸出；
(4)、根據所需輸出幅度計算幅度因子，根據所需頻率計算新的角度自變量χ+Λχ，將新的自變量帶入計算，得到下一組U、V、W值，并持續進行下去，即可得到連續的輸出。
[0007]所述的兩相變頻器在驅動單相電容運轉異步電動機運轉時，工作頻率和輸出電壓成正比關系；高效算法減少了開關次數，降低了模塊損耗，提高了母線電壓利用率，最大輸出電壓接近輸入電源電壓幅度；采用中心對稱PWM模式，可消除偶次諧波，改善了電磁兼容性能。
[0008]所述的三個輸出的兩相變頻器既可以驅動主、副繞組分別引出的“4線”電機，更可以驅動常見的帶“公共端”的“3線”電機。
[0009]相比現有技術，本發明的優點是:
1、硬件成熟穩定，產品模塊化、體積小、成本低、可靠性高。
[0010]2、基于成熟的三相變頻模塊研發的三個輸出的兩相變頻器，可以適用于常見的單相電容運轉異步電動機(例如單相定頻空調壓縮機、冰箱壓縮機、風機、水泵等)。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1為三相變頻逆變器主回路等效電路圖。
[0012]圖2為兩相變頻逆變器主回路等效電路圖。
[0013]圖3為選擇的三角函數。
[0014]圖4為幅度因子Kmax=2400時定義的線性函數圖。
[0015]圖5 U、W、V相對于電源母線負極的理論波形。
[0016]圖6實拍U、W相對于電源母線負極的波形照片。
[0017]圖7為精心選擇的“W” “公共端”波形以及U-W和V-W理論波形。
[0018]圖8為用濾波電路濾除PWM高頻分量后，實拍的公共端“W”波形照片。
[0019]圖9為二相變頻理論輸出波形圖。
[0020]圖10為實拍相位差90°的二相波形照片(PWM高頻分量已濾除)。
[0021]圖11為壓頻曲線圖。
【具體實施方式】
[0022]如圖1和圖2所示分別為三相變頻逆變器主回路等效電路圖和兩相變頻逆變器主回路等效電路圖。要想利用成熟的三相變頻模塊硬件技術實現如圖2所示的三個輸出的兩相變頻器來實現單相電容運轉異步電動機的變頻驅動，要合理利用三相變頻模塊的三個輸出端U、V、W，最關鍵的問題就是精心選擇“公共端”(W)的輸出函數，使得差函數U-W符合主繞組要求，而差函數V-W符合副繞組要求，也就是說兩個差函數U-W、v-W是相差90°的兩相正弦波，實現該目標包括以下步驟:
1、假設三個三角函數曲線Fa(X)、Fb (X)、Fab (X),如圖3所示，令Fa(x) =K*Sin (X)；Fb (X) =K*Sin (60° -x) ；Fab (x) =K[Sin (x) +Sin (60° _x)]，式中的 “K” 是幅度因子，其大小決定輸出幅度，K的最大值Kmax與具體選用CPU的PWM定時器架構有關，例如我們選用的CPU取 Kmax=2400 ;再定義兩個線性函數:Xa(x)=l.561x+402、Xb (x) =1998-1.561x，我們將用這5個函數的線性組合來生成U、V、W值。
[0023]2、把一個周期正弦波360°分成12個區間(每個區30°)，利用上面定義的函數生成每個區間上U、V、W值如下:
在第一區:U=Fa ( a ), V=Fab ( β ), W=O, U-W=Fa ( α ), V-W=Fab ( β )，
角度自變量:α:0° - 30°，β:30°- 60° ；
在第二區:U=Fa ( β )，V=Fb ( α )，W=0，U-W=Fa ( β )，V-W=Fb ( α )， 角度自變量:α:0° - 30°，β:30°- 60° ；
在第三區:U=Fab (α), V=Fb (β ), W=O, U-W=Fab ( α )，V-W=Fb ( β )
角度自變量:α:0° - 30°，β:30°- 60° ；
在第四區:U=Kmax, V=Kmax-Fab(β)-Fa ( α), W=Kmax-Fab(β), U-W=Fab(β)，V-W=-Fa(a)，角度自變量:α:0°- 30°，β:30°- 60° ；
在第五區:U=Xa ( α ) +Fb ( α )，V=Xa ( α ) -Fa ( β )，W=Xa ( α )，U-W=Fb ( α )，V-W=-Fa ( β )，
角度自變量:α:0° - 30°，β:30°- 60° ；
在第六區:U=Fb ( β ) +Fab ( α ), V=O, W=Fab ( α ), U-W=Fb ( β ), V-W=-Fab ( α )
角度自變量:α:0° - 30°，β:30°- 60° ；
在第七區:U=Kmax_Fa ( α ), V=Kmax-Fab ( β ), W=Kmax, U-W=-Fa ( α ), V-W=-Fab ( β )
角度自變量:α:0° - 30°，β:30°- 60° ；
在第八區:U=Kmax_Fa ( β ), V=Kmax-Fb ( α ), W=Kmax, U-W=-Fa ( β ), V-W=-Fb ( α )
角度自變量:α:0° - 30°，β:30°- 60° ；
在第九區:U=Kmax_Fab ( α ), V=Kmax-Fb ( β ), W=Kmax, U-W=-Fab ( α ), V-W=-Fb ( β ),
角度自變量:α:0° - 30°，β:30°- 60° ；
在第十區:U=0, V=Fab ( β ) +Fa ( α ), W=Fab ( β ), U-W=-Fab ( β ), V-W=Fa ( α ),
角度自變量:α:0° - 30°，β:30°- 60° ；
在第十一區:U=Xb ( α ) -Fb ( α )，V=Xb ( α ) +Fa ( β )，W=Xb ( α )，U-W=-Fb ( α )，V-W=Fa (β )
角度自變量:α:0° - 30°，β:30°- 60° ；
在第十二區:U=Kmax-Fab(α)-Fb(β), V=Kmax, W=Kmax-Fab(α), U-W=-Fb(β),V-W=Fab( α)，角度自變量:α:0°- 30°，β:30°- 60° ；
其中，在第5區和第11區使用到的線性函數Xa(a)、線性函數XbU)是幅度因子最大值Kmax=2400時的線性函數，如圖4所示。選取的“線性函數”一定要關于中心線對稱，否則輸出波形會包含直流分量，這是不能允許的，即XaU)的起點與XbU)的起點之和等于Kmax，而Xa( α )的終點與Xb ( α )的終點之和也等于Kmax，即402+1998=1998+402=2400，在本項目中，角度自變量α:0°- 30°，對應的數據為0-1023，則Xa(a )=1.561α+402，Xb (a )=1998-1.561 α。[0024]3、算法運行結果實現:計算結果要裝載到CPU的PWM定時器來生成PWM波形，由于PWM定時器有效范圍:0?Kmax (K的最大值Kmax與CPU定時器結構有關)，如果計算結果〈O則只能取O,而計算結果>Kmax也只能取Kmax。因此,當輸出幅度大時,就難免會產生失真。為了減少失真應根據“U-W”和“V-W”當時的幅度值來決定取舍，在區間5與區間11通過選擇合適的“線性函數”(雖然此處采用線性函數并不是最佳的，但線性函數簡單可以簡化程序)讓幅度大者失真較小，可以獲得較好的運行效果，選取的“線性函數”一定要關于中心線對稱，否則輸出波形會包含直流分量。精心選擇的“公共端”波形“W”以及U-W和V-W如圖7所示，12個區間里區間1、2、3、7、8、9完全沒有失真；區間4與區間10里“U-W”處于峰值無失真，“V-W”有失真；區間6與區間12 “V-W”處于峰值無失真，“U-W”有失真；區間5與區間11 “U-W” “V-W”都有一些失真。
[0025]至此，完成了基于三相變頻硬件技術的三個輸出的兩相變頻器軟件設計，可直接用于單相電容異步電機變頻驅動。將本發明的兩相變頻器用于單相定頻空調試驗，將壓縮機原配的移相電容器拆除，將壓縮機的R、S、C端子分別接二相變頻器功率模塊的U、V、W端，驅動單相電容壓縮機，運行時可以改變工作頻率，頻率改變時輸出電壓也要跟著改變(軟件通過修改幅度因子K就可以達到目的)，頻率低則電壓也低，頻率與電壓的關系滿足壓頻曲線圖(圖11)，運行頻率IOHz?55Hz，使原來的定頻空調達到變頻空調的功能，實際運行效果很好。
[0026]圖5就是根據“二相變頻矢量PWM”算法得到的U、W、V相對于電源母線負極的理論波形，灰色部分代表PWM脈沖，可見U、V有六分之一部分，W有二分之一部分為恒定的“高”或“低”電平，在此期間相應支路的開關器件停止動作，因而減少了開關次數，降低了模塊損耗，還提高了電源母線的電壓利用率，可以得到接近輸入電源電壓幅度的輸出電壓；PWM脈沖采用中心對稱模式，可消除偶次諧波，提高了電磁兼容性能。圖6是實拍的U、W相對于電源母線負極的波形照片。
[0027]用濾波電路濾除PWM高頻分量后，實拍的公共端“W”波形如圖8所示，和圖7中的“W”理論波形圖相比基本一致。
[0028]如圖10所示為實拍相位差90°的二相波形照片(PWM高頻分量已濾除)，就是模塊輸出的實際波形，與理想的正弦波相比，稍有些失真，但實際運行結果表明，對電機正常運行沒有影響。
【權利要求】
1.單相電容運轉異步電動機變頻驅動方法，其特征在于:基于成熟的三相變頻器模塊技術，針對三相變頻模塊的三個輸出端U、V、W，采用“二相變頻矢量PWM”算法，精心選擇“公共端”W的輸出函數，使得兩個差函數υ-W、V-W波形是相差90°的兩相正弦波，得到頻率可調、相位差90°的兩相驅動電源，經此得到三個輸出U、V、W的兩相變頻器；把兩相變頻器用于單相電容運轉異步電動機，兩相變頻器功率模塊的U、V、W端分別連接單相電容運轉異步電動機的R、S、C端，驅動其運行，運行時可改變工作頻率，實現單相電容運轉異步電動機無級調速。
2.根據權利要求1所述的單相電容運轉異步電動機變頻驅動方法，其特征在于:所述的“二相變頻矢量PWM”算法包括以下步驟: (I )、選擇適合的三個三角函數曲線Fa (X)、Fb (X)、Fab (X)，令Fa (x) =K*Sin (x)；Fb (X) =K*Sin (60° -x) ；Fab (x) =K[Sin (x) +Sin (60° _x)]，式中的 “K” 是幅度因子，其大小決定輸出幅度，K的最大值Kmax與具體選用CPU的PWM定時器架構有關； (2)、把一個周期正弦波360°分成12個區間(每個區30°)，利用上面選擇的函數值定義每個區間上U、V、W值； (3)、將上一步驟得到的U、V、W值，裝載到CPU的變頻PWM定時器里，就可以得到相應的PWM信號輸出； (4)、根據所需輸出幅度計算幅度因子，根據所需頻率計算新的角度自變量χ+Λχ，將新的自變量帶入計算，得到下一組U、V、W值，并持續進行下去，即可得到連續的輸出。
3.根據權利要求1所述的單相電容運轉異步電動機變頻驅動方法，其特征在于:所述的兩相變頻器在驅動單相電容運轉異步電動機運轉時，工作頻率和輸出電壓成正比關系；高效算法減少開關次數，降低模塊損耗，提高母線電壓利用率，最大輸出電壓接近輸入電源電壓幅度；采用中心對稱PWM模式，消除偶次諧波，改善電磁兼容性能。
4.根據權利要求1所述的單相電容運轉異步電動機變頻驅動方法，其特征在于:所述的三個輸出的兩相變頻器既可以驅動主、副繞組分別引出的“4線”電機，更可以驅動常見的帶“公共端”的“3線”電機。
【文檔編號】H02P25/04GK103795321SQ201410032326
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年1月22日 優先權日:2014年1月22日
【發明者】鮑健, 張鑠, 高立新, 熊魯源, 汪陽, 黃祥, 岳丹 申請人:合肥科瑞電子有限責任公司