1、 PDF外文： http:/ 1 中文 4840 字 出处： CPES Annual Meeting. 2000: 202-209 基于随机脉宽调制的调速控制 西恩卡门，艾瑞克柏尼迪特，福瑞斯特菲特，尼米思 帕特尔 ，阿卜杜拉候麦菲尔 （电力电子系统中心，电气工程学院，北卡罗来纳州大学， 格林斯伯勒 , NC 27411 美国） 电话 : (336) 334-3151, 传真 : (336) 334-7934 摘要 :在 PWM 的开关频率的作用下 脉冲宽度调制（ &
2、nbsp;PWM ）电力电子系统往往产生 噪声。 例如，在风扇/风机驱动中，该风机使用 的驱动器应使用“扩展频谱的 PWM ”技术 （也称为随机脉宽调制）， 在运用这种技术时要特别注意通过 duckwork 的噪声。本文说明了随机开关条件 的控制策略和仿真结果。该系统包括一个单相感应电机，通过连接该电机的主要和辅助绕组通过电桥来作为一个不对称三相负载和升压电路来产生直流母线电压 。 1.前言 单相感应电机是世界上应用最为广泛的小功率电机中的一种。尤其应用于三相电力供应不方便的家居和商业等领域。 然而，单相电机的调速通常通过非电的手段，例如在电机全速运行的情况下控制阀门开
3、度以调节机械功的输出，或者通过切换绕组 来改变电机的极对数来满足不同操作条件的要求 1。 只有为数不多的几个方案被变频器使用来实现单相电机的速度连续变化。 其中的一个方法是采用单相整流器来控制共给电机辅助绕组的电压相角，然而主要绕组仍然有交流电源供电 2。 献中提出用单相变频电源驱动标准电机的性能，用的是 未经修改的电容式运转电机。 这些情况表明，标准电机的工作性能十分受到限制，同时表明控制共给辅助绕组的单相电压的相角可以实现调速操作 2。 另一种解决单相调速驱动系统发展问题的办法是对输入的交流电整流生成直流电压，并且用由变压变频（ VVVF）逆变 器驱动系
4、统给三相电机提供能量。 经对比唯一的变化是， 传统的三相驱动系统降低由单相交流电源提供的直流电压。 然而，单相电机调速驱动系统对于大多数 工 况仍然是有相当的吸引力的， 因为由于机械、结构或只是成本的限制，三相电机还不能容易的取代现有的电机。 另外，因为单相电机在大多数情况下是不平衡的两相电机，任何成熟的 单相电机调速控制器几乎都可以控制平衡的两相电机。这将适用于其他领域，比如小型电机，这种条件下，与三相绕组的设置相比两相绕组在物理上更容易安排。 本文介绍的对单相感应电机实现连续的调速的方法是采用随机脉宽调制和 升压斩波器。 针对电机的主要绕组和辅助绕组的调
5、制策略与不平衡的两相绕组在 60HZ 的设置一样。 对 正弦波脉宽调制（ SPWM） 和随机脉宽调制（ RPWM）在相同的参数下的仿真结果进行了比较。 结果表明，采用随机脉宽调制的方案可以减少噪声。 2 2.系统 介绍 调速技术的发展水平可以个更好的比较，在这里可以认为是理想的转换条件如图 15例中，输入端和输出端都是由晶闸管组成的全桥，输入端是单相桥（这是必须的，因为假设电源为单相），输出端是三相桥。在理想情况下假定此电机是三相鼠笼式感应电机，从而保证以相对低的成本实现良好的效率。 这种转换器总共有 10 个晶闸管，显然是个成本高的方案。
6、 单相供应 三相 鼠笼式异步电动机 图 1 理想调速拖动系统 图 2 展示了由纽约国际公司 6-8驱动器。 单相供电电源 单相 鼠笼式异步电动机 图 2 电压泵升两相调速传动系统 四个输入端的晶闸管开关改为
7、一个二极管全桥和一个单一晶闸管组成的升压斩波器，晶闸管开关减少至七个。 为了防止转换失败单相电机通常用于直接与单相电源相连。 该升压斩波器允许泵生的直流电压链接到更高的电 压上而不是简单的实现了二极管全桥。 这允许使用常规单相电机，这种方案需要额定电压更大的电压以得到比额定速度大的转速。 3.操作原理 大多数的单相电机具有两个绕组结构，这种结构在物理上使电机定子上的电角度偏移 90 度。绕组 3 往往是不对称的，在这种情况下，主要绕组会有更大的额定电流。 此外，辅助绕组通过一系列电容连接到交流电源，如图 3所示，以它的电流比主绕组的电流超前约 90 度。 在
8、两绕组中时间和空间正交的电流生成不平衡的两相旋转磁场，这个磁场确保一些甚至在静止时也会生成转矩。 单相电机无论是作为电容运行，这种情况下辅助绕 组永久通电，还是作为电容启动，这种情况下当电机速度提升时离心开关会将辅助绕组从电路中切离。 辅助绕组电容启动单相电机连续运行时通常不额定，但是只在电机低速运行时产生电机启动转矩。 图 3 电容运行式单相感应电动机 必须选好一组电容，使主要绕组和辅助绕组中的电流在时间上相差 90 度，实现除了不平衡电流角度下 对两相操作。 然而，这个最佳条件只在特定的电机转速时发生，这是因为两个绕组的有效阻抗都随转差率的变化而变化很
9、大。传统的单相电机有时通过使用两组电容来改善这种状况， 对电容启动 /电容运行进行配置，以便 使时间和位移正 交的电流至少在电机静止和正常运行时产生。 对于变速控制来说， 供给主要绕组和辅助绕组的应该是变频电压，这种电压的幅值和相位要协调以保持绕组电流在任何时间都正交。 实现这一目标的一种方法是利用脉宽调制桥来产生需要的基波交流电压。 另一种方法是使用 6个开关的三相 PWM，连接于电机的作为不平衡负载的两相绕组之间，如图 2。这是一个更具经济效益的解决方案，尤其是当人们意识到电力电子开关中的 6 个元件现已作为一个 电力电子功率模块（不到几千瓦）。不过请注意，与电机的
10、额定电流相比开关的额定值必须增加到 倍，因为 中性相负载即 经过两相绕组的电流总和不为零（不像三相绕组的中性线）。 在实际应用中， 考虑到当今电力电子开关的额定值，对于小功率电机来说 这将不是一个 重要的限制。 为了控制具有这种转换器的单相电机，必须 确定电机如何响应通过两个绕组的变频电压，同时还要确定控制策略，以 最有效的实现保持绕组电流在任何频率都正交的目标。 另外，对于一个简单的控制器来说，会更容易的调节绕组电压正交，纠正绕组阻抗角的偏差。 4.非对称绕组感应电机 为了便于分析，我们可以考虑使用非对称两相异步电机。可以通过用于分析三相异步电机的 dq模型来简单分析这种电机。 对 不对称两相异步电机的 dq 模型的详细推到在 9中描述。非对称两相 电机的等效电路图如图 4所示。 2
