两相交流电机的变频控制研究

摘 要：本文对两相交流电机的运行模式进行了推导，分析了两相交流电机的实现方法，研究了两相交流电机的变频控制策略，对于以转子磁场定向的两相交流电机矢量控制系统，研究控制策略的可行性。

关键词：两相交流电机；变频控制；改进

随着高性能变频调速技术在感应电机中应用的越来越广泛，使得感应电机的调速性能有了很大的提高，高性能调速技术因此在两相电机中的进步也越来越快。两相交流电机即将单相电机的运行绕组、起动绕组改为对称的两绕组和同时参与运行。相对于单相电机，两相交流电机的转矩效率、能量密度方面都有了较大提高，调速性能也较好。传统的单相电机，由于运行电容的影响，在非额定情况下，其调速性能受到很大的影响，所以去除电容，将单相异步电机变为两相异步电机，并使它与电力电子技术相结合，进行变频调速技术的研究是当今的主流。本文从两相交流电机的特点与矢量控制入手，对两相交流电机在SVPWM的实现方法作了介绍与讨论，研究了两相交流电机的控制策略，讨论了两相交流电机的发展趋势与发展方向。

一、两相交流电机的特点

两相交流电机的副绕组上去掉了电容或电抗器，使得电机的两相绕组对称并且同时参与起动和运行工作。在运用矢量控制时，由于两相绕组对称，能够使电机产生圆形旋转磁场。单相电机的副绕组上带有分相电容，在等效电机模型中仍然带有分相电容，而分相电容的参数与电机的转速密切相关，因此在调速时单相电机的运行性能会受到很大的影响。单相电机的副绕组只参与起动而不参与运行工作。单相电机的两相绕组阻数不同，因此等效后的单相电机都有不对称性，所以电机产生的磁场为椭圆形。在运用矢量控制时，两相电机与单相电机相比减少了对称变换这一步骤，实现起来更方便。

当前国内外单相异步电动机变频调速技术的研究，是将单相电机看作两相电机模型来进行研究。在两相电机的模型中，单相电机的主绕组和副绕组的工作方式与原来有较大的区别：副绕组不仅仅承担电机起动作用，而将参与到电机的整个运行过程中；副绕组不再需要串电抗器或者电容器，而是采用变频器给两相电机的两个绕组分别供电，获得较小的起动电流、较大的起动转矩和较好的运行性能，电机工作在变频调速状态下。从国内外研究的现状来看，变频调速技术是两相电机调速控制的主要发展方向。

二、两相交流电机矢量控制

交流电机是一个多变量、强耦合、非线性的庞大系统。矢量控制主要是以转子磁场定向控制的成功运用使得交流异步电机变频调速性能发挥出来，甚至超过直流电机的调速性能。使交流异步电机变频调速在电机的调速领域里占有越来越重要的地位。两相交流电机矢量控制原理为：将两相交流电机的两相定子交流电，经坐标变换后，分解为励磁电流分量和转矩电流分量，通过对两者的直接控制，求得类似与直流电机的控制量再经坐标反变换，求得交流电机控制量，通过设定控制量实现两相交流电机的变频调速控制。

矢量控制可分为转子磁场定向矢量控制、定子磁场定向矢量控制和气隙磁场定向矢量控制三种类型，其中定子磁场定向矢量控制与气隙磁场定向矢量控制不能实现磁场与转矩电流之间的解耦，无法实现良好的转矩控制，因此系统选用以转子磁场定向的矢量控制。矢量控制要以以下三点为原则：一是忽略两相交流电机的磁路饱和，可以认为各相绕组的互感与自感都为线性。二是忽略铁心的损耗。三是不考虑温度和频率的变化对两相交流电机相关参数的影响。

三、两相交流电机的空间矢量脉宽调制（SVPWM）控制策略的实现

空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术是从电机的角度出发，其目的在于使电机产生圆形旋转磁场]，是根据逆变器空间电压矢量的变换来控制逆变器的一种控制方法。最早是由日本学者提出的，目前已成功运用于三相交流电机的控制当中。是通过正弦电源供电使得交流电机产生理想的圆形磁链为目的。根据要求决定逆变器中开关管的开关状态，为使电机的实际的磁链能尽可能逼近理想的圆形轨迹，进而产生PWM波形。SVPWM的特点是直流电压利用率高，并且开关次数少，减少了开关损耗，进而减小了驱动电机的电流电压的谐波信号，便于实现数字化控制。在电压矢量合成时，给定电压矢量是由其所在扇区的两个相邻基本电压矢量合成，因此要计算作用在这两个基本电压上的时间。在确定基本电压作用时间后，需要合理安排基本电压空间矢量的作用顺序。其顺序的安排一般需要遵循尽可能减少开关管的关次数和相邻电压矢量的切换只能有一个桥臂的开关管动作两个原则。

四、磁场定向与解耦

在两相交流电机的矢量控制中Park变换与Park反变换是必不可少的。Park变换的定义是在dq坐标系下使d轴与转子磁链重合，让q轴超前d轴90度的电角度，并且使坐标系在空间以同步角速度旋转。这种坐标变换实现了将两相静止坐标系向两相旋转坐标系的转换。定子电流的励磁分量用于产生转子磁链与转矩分量无关。定子电流的励磁分量与转矩分量是解耦的。当转子磁链保持不变时，输出转矩与转矩分量成比例，因此可以分别控制励磁分量和转矩分量，实现单独控制电机的转矩和磁链。

五、两相交流电机的变频控制的发展趋势

到目前为止，电机的变频调速技术研究主要集中在三相交流电机上，对于单相电机变频调速技术的研究较少，尤其是对两相交流电机的研究。目前对单相电机变频调速的研究，是将单相电机去掉副绕组上的电容器而看作两相电机，副绕组不但参与启动工作而且参与运行工作，电机采用变频器供电，使得电机的起动电流小，起动转矩大。从国外来看，两相电机变频调速技术的研究是从上世纪90年代开始的，其研究内容主要包括两相电机逆变器的结构、逆变器的控制策略，以及电机的控制方法等方面。近几年来，关于两相电机变频调速技术的文章发表明显增加，其中研究矢量控制用于单相异步电机，研究了无速度传感器的单相异步电机矢量控制方面较多。两相交流电机变频调速技术研究在国内开始的时间晚，研究的也较少。从总体来看，两相交流电机变频调速技术的发展远远比不上三相电机的变频调速技术，对两相电机变频调速技术的研究目前还基本处于理论研究和实验开发阶段。

两相交流电机的变频控制有很多地方还需要进一步研究。一是仿真方面的完善：两相交流电机的变频控制系统往往只搭建了基于SVPWM控制两相交流电机变频调速系统，对于系统内部的具体模块没有做更好的处理。比如说为了使仿真系统更接近实际系统可以增设IGBT的死区时间。增加对两相交流电机的参数辨识可以大大提高系统控制精度。二是硬件方面的完善：系统可以增加温度保护电路，以免在运行时温度过高影响系统的可靠性。增加能耗制动，可以避免在停机时因电流过大而烧坏元器件。三是软件方面的完善：可以增加更多控制电机程序和按钮，比如加速程序及按钮，减少程序及按钮。另外，由于两相交流电机一般用于小功率、低成本的场合，研究无速度传感器的电机控制技术，可以大幅度降低系统的成本，提高两相电机调速系统在应用中的竞争力。

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