单相异步电动机双极性SPWM变频调速仿真研究

邵力耕，武炎明，徐春晓

(大连交通大学 电气信息学院，辽宁 大连 116028)

0 引言

在小功率应用领域，单相异步电机广泛用于家用电器和功率小于5 kW的轻工设备中［1］，它的特点是结构简单、价格低廉、运行可靠和噪音低等。通过调节端电压和改变极对数的传统调速方法已远远不能满足生产和生活的需要，而变频调速技术以其优异的调速和起动性能、高功率因数和节电效果，在异步感应电动机调速系统中应用越来越广泛。但目前变频调速的研究主要集中在三相电动机上，目前对单相电动机的变频调速研究重视不够，但是单相电动机变频调速的研究在工程上有重要的现实意义。

本文采用双极性SPWM脉宽调制技术，实现了小功率单相电动机变频调速，通过仿真验证了理论的可行性，并且通过加入LC滤波器，进一步改善了电动机调速效果，能够满足单相异步电动机变频调速要求，而且单相电动机变频调速具有低功耗、寿命长、可靠性高等特点，可以广泛应用于家用电器行业。

1 SPWM控制

1.1SPWM控制方法

单相交流异步电动机变频调速常采用交-直-交变频器，就是把单相交流电整流成直流电，再经脉冲宽度调制变成单相可变频率、可变电压的交流电，驱动单相交流电动机实现变频调速，其核心是通过变频器产生适当的变频电源［2］。图1是变频调速结构框图，主要由整流桥、直流电容、逆变器、LC滤波器、单相异步电动机和SPWM控制器组成。

图1 变频调速结构框图

常见的生成SPWM波形的方法有自然采样法、规则采样法和不对称规则采样法等。规则采样法和不对称规则采样法对算法要求较高，产生的SPWM波形精度不如自然采样法，因此采用自然采样法做仿真。其基本原理是利用高频三角载波与控制正弦波进行比较，从而产生调制的SPWM波，为满足逆变的需要，减少电压谐波含量，采用双极性调制，使输出电压不含偶次谐波。对于逆变器而言，采用单相半桥SPWM逆变电路，它具有控制方式简单、成本低廉、滤波设计容易等优点，可以实现调频调压功能。

单相电动机的定子绕组是在空间呈正交状态，为了产生圆形磁场，获得较好的电机性能，在采用 SPWM技术的时候，就需要保证两相绕组中的电流相位差为90度。

1.2 双极性SPWM控制仿真

SPWM采用的波为频率为 f的正弦波 u=umsinωt，ωt=2πf，三角载波uc的幅值ucm，频率为fc，载波比N，即 N=fc/f，调制比m=um/ucm。

自然采样法是通过u与ucm比较产生SPWM波的，逆变器输出电压在±ud间切换，工程上对SPWM逆变器通常采用电压平均值模型进行输出电压计算。当载波频率远高于输出电压基频且调制度m≤1时，可知基波电压u1m满足关系式:u1m=mud，这表明在m≤1和fc≫f的条件下，SPWM逆变输出电压的基波幅值随调制深度m线性变化。因此通过控制调制信号，可方便的调节逆变器输出电压的频率和幅值。

利用MATLAB提供的Simulink工具可建立双极性SPWM变频控制信号仿真模型如图2所示。对于自然采样法产生SPWM波，三角载波频率设置为1 kHz，正弦波频率设置为50 Hz，调制比m=0.8，可以看到正弦波与三角载波经过逻辑模块，当正弦波大于载波时输出高电平，否则输出低电平;SPWM波经反相器产生另一路SPWM波，两路SPWM波经分离器输出四路控制信号。图3为一路SPWM变频控制信号仿真波形。

图2 SPWM变频控制信号发生器仿真模型

图3 SPWM变频控制信号发生器仿真波形

2 单相电动机变频电路及仿真分析

单相电动机变频调速模型如图4，交流电源设置电压有效值为220 V，频率为50 Hz，滤波电容C的大小为2F，单相异步电动机的启动类型设置为电容起动式，额定电压220 V，频率50 Hz，功率180 W，负载转矩设置为1 N·m，在Powergui中设置为离散仿真模式，采样时间为5×10-5s，通过调节调制正弦波的频率来改变单相电动机转速。图5～图7分别给出正弦波频率为50 Hz、40 Hz和30 Hz时，逆变器输出电流、异步电动机的转速和转矩波形的仿真结果。

图4 单相电动机变频调速电路图

从图5～图7可以看到，随着控制信号频率的降低，电动机转速逐步降低，正弦波频率在50 Hz时，电动机转速大约在1 500 r/min;在40 Hz时，电动机转速大约在1 100 r/min;在30 Hz时，电动机转速大约在850 r/min;并且电动机达到相应额定转速的响应时间也逐渐减少。电动机在低频控制下，电动机的转矩波动较大，相应的电动机转速波动较大。电动机在启动过程中，逆变器电流波动较大，转速稳定后，电流类似于正弦波，但谐波含量较高。

图5 50 Hz时电动机转速、转矩及逆变器输出电流

图6 40 Hz时电动机转速、转矩及逆变器输出电流

上述单相半桥逆变器输出的SPWM波中含有大量的谐波，需要设计合理的滤波器滤掉高次谐波，使输出电压更接近于正弦波。常用的LC滤波器有串、并联型LC滤波器。并联型LC滤波器存在基波电流也流过电感，导致电感体积增大，而串联型LC滤波器在高频下会导致谐振［3］，这里主要是滤除高次谐波，所选用并联LC滤波器，如图1所示。

图7 30 Hz时电动机转速、转矩及逆变器输出电流

图8 50 Hz时电动机转速、转矩及逆变器输出电流

对LC滤波器选择适当的参数，电感L阻抗大于输出谐波等效阻抗，电容C阻抗小于负载等效阻抗，逆变器输出电压中谐波落在L上，负载电压谐波减小［4］。电容C对谐波电流的阻抗小，使谐波电流大部分流入滤波电容中，负载中高次谐波电流变小。

选取 LC 滤波器参数［5］，滤波电感 L=3.5×10-3H，滤波电容C=8.5×10-4F，将滤波器接入逆变电路中，其他参数不变，得到逆变器输出电流、异步电动机的转速和转矩波形的仿真结果(如图8、图9所示)。

图9 30 Hz时电动机转速、转矩及逆变器输出电流

从仿真结果来看，加入LC滤波器后，并不影响电动机的转速，正弦波频率在50 Hz时，电动机转速约1 500 r/min;在30 Hz时电动机转速约为850 r/min。经滤波后电动机的响应速度更快，电动机的转速稳定性有所提高。逆变器输出的电流经滤波后，电流接近于正弦波，畸变程度减小。

3 结束语

通过MATLAB/Simlink软件仿真和分析单相异步电动机的变频调速，可以看到，改变正弦波频率可以达到单相异步电动机调速的目的。当频率在30～50 Hz的范围内，逆变器加入LC滤波器后，可以使电动机达到稳定速度的时间更短，电动机的转速波动有所降低。

当正弦波在调频30 Hz以上时，逆变器输出的电流在滤除高次谐波后，电流更接近正弦波。这种变频调速的方法可以使单相异步电动机有较好调速性能，可以满足工程的需要。

［1］YUTTANA KUSMSUWAN，Watcharin srirattanawichaikul and suttichai premrudeepreechacharn，analysis of a 2-phase induction motor using dynamic modelbased on MATLAB/Simulink［C］， International conference on the role of universities in hand-on education Rajamangala university oftechnology lanna， Chiang-Mai， Thailand， 23 -29 August 2009.

［2］蒋霞，姜齐荣，严干贵，等.高压变频调速中LC滤波电容与异步电机之间的自激［J］，电力系统自动化，2003，27(4):45-49.

［3］周雪松，何杰，马幼捷，等.级联多电平逆变器的频谱分析及滤波器设计［J］，高电压技术，2008，34(9):1937-1943.

［4］巩瑞春，董海.单相 SPWM逆变器输出电压滤波效果研究［J］.阴山学刊，2013，27(4):42-44.

［5］张立广，刘正中.SPWM逆变电源LC滤波器的研究与设计［J］，电子设计工程，2014，22(6):172-174.