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單相電機變頻調速技術綜述
摘要：單相電機變頻調速具有相當的實際意義。依據其調速的基本理論，就其常用的功率主電路部分和控制方案進行了詳細的分析和綜述，討論了目前研究工作中存在的問題，并對其發展的方向進行了展望，給出了一些個人的觀點。引言
變頻調速技術在異步感應電機調速系統中，以其優異的調速和啟動性能、高功率因數和節電效果，而被公認為最具發展前途的調速手段。
只有兩套繞組的單相交流異步電動機，結構簡單，生產成本低廉，使用維護方便，在小功率電機應用方面，如電冰箱、洗衣機、電風扇、空調等家用電器，汽車附件等領域占據主導地位。但是其工作效率低，僅為60％～70％，運行性能差，啟動轉矩小，一般不能應用在需要調速的場合，其轉速的調節主要采用調節端電壓和改變電機極對數的方法，調速效果已經越來越不能滿足生產和生活的需要。為了彌補單相電機調速方面的缺陷，追求更高的性能，人們把更多的目光投向了無刷直流電機、永磁同步電機和開關磁阻電機等。盡管這些電機在工作效率、穩定性和出力等方面表現出眾，然而他們共同的致命缺點就是成本太高，難以普及。隨著變頻調速技術的日漸成熟，其在單相電機中應用的研究也逐漸開展起來。
盡管三相電機的變頻調速技術已經日漸成熟，但是，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。
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。
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
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：
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。
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。
對于用兩只電容串聯構造中點的電源，回饋電流I會使得前級變頻電源輸出電壓波動加大，迫使電源加大輸出電容；同時，由于負載不對稱帶來的直流偏量還會使得中點電位向正（或負）方向持續漂移，給供電帶來極大影響。所以，如何獲得高質量的雙極性直流電源是采用半橋逆變電路的關鍵所在。在參考文獻[4]中，提出了一種采用Cuk和Sepic電路并聯方式，來獲取雙極性直流電源的方式。但受到功率開關容量的限制，功率和輸出電壓的大小都有待提高，整個電路的實用性還有待驗證。
2.2 全橋逆變電路
普通全橋逆變電路每相由4只功率開關器件組成，兩相繞組共需8只功率開關器件，如圖2所示。同半橋逆變電路相比，功率開關器件數量比為2：1，結構上變得復雜，在穩定性和經濟適用方面都不如半橋電路。但是，全橋逆變電路不再需要對稱正負輸出電源，而只需要單路穩壓電源即可。兩相繞組的電流也不再對電源形成大的干擾。同時全橋電路的直流電壓利用率也比半橋電路要高。
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