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开门 - 如何在车库门应用中使用单相交流感应电机和8 位单片 机完成低成本设计和分析 ________________________________________________ Justin Bauer 对用于开启车库门等应用的小型交流感应电机而言，使用三相逆变器电路 可以极低的成本实现速度控制和软启动。这些固定分相电容式（PSC）电 机在所有电机类型中可谓是最简单的，也是上述应用领域使用最广泛的电 机类型。它们的启动转矩和启动电流都小，但可能会因为采用无极性电容 而效率低下，这些电容往往在电机中最先损坏。 如果两个绕组之间的相位差不足，这类单相电机就无法运行，因此它们也 常被称为双相电机。而在输入信号和绕组之间放置一个电容便可以产生接 近90˚的相位差。 开关通常使用继电器来代替，通过交换两个相位（超前变为滞后，滞后变 为超前）来实现方向控制。电容值通常由电机制造商规定，对功率低于 0.75 kW 也就是我们正在讨论的这种电机类型而言，电容值一般介于5 至 50 µF 范围内。应慎重选择电容，以便修正功率因数来获取最大的功率效 率。图1 展示的是一个传统交流感应电机的拓扑结构。 图1：传统交流感应电机的拓扑结构；电容提供所需相位差以产生旋转磁 场。 额定电压通常很高，大约为220至450V ，具体取决于输入电压。由于两端 接的是交流电压，因而不允许电容有极性。如果电容出现故障，电机也会 随之停止转动。因此，能否选择正确的电容也是至关重要的。 1 在实际情况下，电容也是具有电阻的，当RMS交流纹波电流流过时，由于 电容的等效串联电阻，会产生热量。在选择固定电容时，我们应权衡静止 状态的启动转矩性能和运行时的转矩波动抑制性能。由于电容的额定伏安 值较高，它通常会被选择来满足最低的启动性能要求，但这也导致了运行 效率低下。 对于两个绕组不同的电机，就需要给两个相位提供不同的电压。这种不对 称是由于电容和电机的电感形成了谐振电路。这样就造成了其中一个绕组 电压升高，导致了电流不平均。 然而，三相逆变器可以被用来代替固定电容，如图2所示。这使得我们可 以通过给各个绕组施加适量的电压来调整电机的转速，从而避免有些较弱 的绕组出现过载现象。 图2：配有三个半桥的单相逆变器；6个PWM信号被用于驱动相连的鼠笼 式PSC电机 2 若异步驱动线圈，即使没有电容电机也仍然可以旋转。这可以通过在软件 中创建三个相位来实现。这些三相电压可以互为基准，由此分别在两个电 机绕组上产生两个波形。只需取其中一个的相位作为基准或中性相位，即 可创建两个波形。这三个相位的创建可以借助PWM技术在软件中轻松实 现。 比较 我们可以进行下面这些测试将PSC运行方法和不带运行电容的逆变器方法 做比较。它们是：转矩测试，描述电机变频驱动的效果；加速和速度测 试，确定哪种方法可以使电机轴转动最快以及负载加速到底有多快；效率 测试，比较输出功率和输入功率的实际分量并测量功率因数和其它导致低 效的因素。 这三个测试涵盖了电机控制领域最广泛的设计考量。所有测试都无需使用 有别于其他测试的特殊装置。针对三个独立测试所做的各个分析可以使用 相同的数据子集。测试装置如图3所示。 图3：测功机上的测试装置 该测试使用0.19 kW 、布线配置均衡的单相电机。两个绕组具有相同的电 阻和电感。一个霍尔效应传感器被用于测量电机轴的转速。输入是单相两 线制220V/60Hz 电源。输出被馈送到逆变器上的两个端子。 PC接口运行Magtrol的M-Test 7软件。可编程控制器把软件中的测试设置 应用到测功机上，并读取所施加的转矩。功率分析仪读取和记录所有其它 读数。 3 从转矩测试开始，我们明显发现，若满足电机设计标准，则频率在50至60 Hz之间时电机拥有约0.75 Nm的最高启动转矩。频率高于和低于60 Hz时 转矩较低。然而，低频率并不能产生恒定的转矩曲线。频率低于60 Hz就 需要微调电压频率比，以避免造成电机损耗和电机驱动的不准确。在最大 电压下，应保持频率低于60 Hz。 低频会导致电感阻抗减小。对这一降低的阻抗施加高电压，则会提高定子 电流，从而产生更高的转矩。此时需要进行微调来确保转矩曲线