一種雙相感應電動機控制實驗裝置的設計

韓林睿， 鄧永紅

(華北科技學院 信息與控制技術研究所，河北 廊坊 065201)

0 引 言

自交流感應電動機流行以來，三相與單相感應電動機調速控制的研究是大家關注的焦點，而目前人們開始將目光轉向雙相感應電動機，尤其是在航天起動系統與油田測井勘探等領域已經有了較為廣泛的應用。然而，目前雙相電動機的學術課程與實驗在高校較缺乏，為能夠使大學生進行雙相電動機控制的實驗，了解雙相電動機的控制，設計搭建了雙相電動機控制實驗裝置[1-6]。

雙相感應電動機的基本結構包括轉子與定子兩大部分，定子無論是采用分布繞組還是集中繞組，均分為雙相，且雙相繞組的軸線在空間上相距90°的電氣角[7]。因此，為輸出穩定的雙相90°電壓，逆變電路可以采用空間矢量脈寬調制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM) 技術。相比于采用正弦波脈寬調制(Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM)技術方式， SVPWM 方式諧波含量低，開關損耗小，已廣泛應用于各類電動機驅動控制中[8-13]。SiC 功率器件與 Si 器件相比在功耗、開關頻率和工作結溫上的優勢能有效提高電動機驅動器的效率和功率密度，更能適應飛機和其他行業電動機對驅動器的要求[14-16]。本文基于SPWM技術，采用SiC 功率器件設計了一種雙相感應電動機控制實驗裝置，通過實驗測試驗證了裝置對雙向電動機穩定的變頻驅動能力。

1 實驗裝置設計方案

雙相感應電動機控制實驗裝置設計方案框圖如圖1所示，主要由3個模塊構成，分別是整流逆變模塊、濾波模塊雙向電動機模塊。

圖1 雙相感應電動機控制實驗裝置設計框圖

圖1中的整流逆變模塊使用了6個開關(或1個IGBT智能功率模塊)。其中T1與T22個開關和2個二極管用于功率因素校正的整流器，其他4個開關(S1、S2、S3、S4)及其相應的二極管用于兩相變頻。此驅動方式可以提高輸入功率因數并減少輸出電壓的諧波[17]。

同時實驗使用將分相電容去掉的單相雙值電容感應電動機，將其改造為有2個獨立繞組的雙相感應電動機,如圖2所示。圖2中虛線將U1與Z1接線端子處斷開連接U1與Z1,即將其改造為兩個獨立繞組的雙相感應電動機。

2 SVPWM控制算法

2.1 兩相逆變器的空間矢量

圖3顯示了當4個開關被調整時在兩相逆變器中形成的4種開關狀態，分別標記為4項空間矢量:V1、V2、V3、V4?；?個單獨開關的4個可能組合，標記為“0”表示連接到直流負級輸出端，開關的導通方向如圖示中向上?！?”代表一個連接到直流正極輸出端，開關的導通方向如圖示中向下。

圖2 單相雙值電容的電動機控制實驗裝置方案框圖

圖3 逆變器的開關狀態圖

圖4 逆變器兩相開關的空間矢量圖

2.2 兩相逆變器的SVPWM中開關時間確定

如圖5所示，設定V′是處于象限Ⅰ的參考向量，它是由4個空間矢量V1、V2、V3、V4決定的。將V′分解至V1和V2空間矢量上，得到V′在V1和V2上的持續時間t1和t2?？臻g矢量的采樣間隔為Ts，則引入ΔV作為V′滿足采樣間隔Ts的補充向量。

但由于沒有零矢量，采樣間隔的剩余時間應在主象限(象限I)和對角線象限(象限III)度過。因此定義向量(V′+ΔV/2)為主象限I的主向量;則向量(-ΔV/2)為相應的約束向量。

圖5 SVPWM中開關時間的確定

將向量(V′+ΔV/2)分解至V1和V2空間矢量上，其持續時間為t10與t20；將向量(-ΔV/2)分解至V3和V4上，其持續時間t21與t11，根據以上參數，可以得到采樣間隔如下：

Ts=t10+t20+t11+t21

(1)

同時可以根據下式:

(2)

(3)

得出t10、t20、t21與t11的算法方程:

(4)

式中:|>V′+ΔV|為空間矢量的最大電壓值，V；|>V′+ΔV/2|為主向量的相應電壓值，V；|>-ΔV/2|為約束向量的相應電壓值，V；θ為圖4中參考向量與空間矢量V1的夾角;Udc為單相交流供電經過T1與T22個開關和2個二極管整流后，得到的直流電壓，V；Ts為采樣時間，s。

2.3 SVPWM中開關切換順序的確定

當參考矢量V1停留在任何扇區時，為了使兩相逆變器中的SVPWM電壓波形達到最佳，需要修改開關順序。正確的開關順序可以使轉矩紋波最小化并降低平均開關頻率。兩相SVPWM中的開關順序的確定為兩相對稱調制。為了實現參考向量V′、4個空間向量和4個時間長度，必須在采樣時間內由4個開關來調整，相關調整式為

TsV′=t10V1+t20V2+t11V3+t21V4

(5)

當A相的逆變腳打開1次開關，B相的逆變腳的開關在此期間進行2次切換。為了保證輸出電壓在扇區之間的邊界處變得連續，開關順序如圖6所示。

(a) 象限Ⅰ>

設A相逆變腳打開1次開關的持續時間為TA;B相逆變腳在此期間的2次開關切換持續時間分別為TB1和TB2。每象限的TA、TB1和TB2是不同的，根據圖6，整理以下兩相對稱調制的開關狀態表(見表1)，表中D為當信號發生變化時邊緣觸發的方向。

表1 SVPWM開關狀態表

3 實驗結果與分析

如圖7所示為一雙相感應電動機控制實驗裝置現場測試圖片。實驗目的：驗證雙相感應電動機控制實驗裝置在空載的工況下，正常輸出兩相達成90°輸出相位差。

圖7 雙相感應電動機控制實驗裝置現場測試

實驗通過提供50、100、200 V的電源輸入電壓，使用濾波器測試輸出結果。輸出結果如圖8所示。

(a) 50 V>

圖8波形圖中C1與C2并分別代表逆變器兩相輸出，兩相輸出在升壓過程中的相位差如圖中P2，始終保持約90°的輸出，誤差不超1°。輸出平均電壓均為輸入電壓的1/2，波形穩定，驗證了以上SVPWM的逆變算法正確，雙相感應電動機控制實驗裝置能實現對雙相電動機的穩定控制。

4 結 論

雙相感應電動機控制實驗裝置采用SVPWM技術對雙相電動機進行驅動已經通過實驗驗證，能夠實現對雙相感應電動機的有效控制，能夠輸出穩定的互差90°的電壓波形。將該實驗引入電動機教學實踐，能夠補充目前雙相電動機控制實驗教學的空白，能全面提升學生對于電動機控制的認識，學習與了解到對新型SVPWM技術的應用。