单相电动机调速方法及其实现[1]1

单相电动机调速方法及其实现

2009-04-20 19:15:58

本文介绍在三速单相电动机中采用分时接通的方法提高电动机的转速档次，使电动机具有二十档转速的调速能力和更好的节能效果。 这种方法无需增加较多的硬件，仅在控制器中采用新的调速程序，即可达到提高风扇风速档次和节能的目的。 前言 目前，三速单相电动机结构简单，成本较低，控制方便，它使电风扇具备高、中、低三档转速，提高了电风扇的供风质量，因此，这种单相电动机在家用电风扇得到广泛的应用。但是，当需要进一步提高电风扇的质量和品位时，仅具有三档转速的单相电动机就不能满足电风扇的要求，必须提高单相电动机的调速能力。我们使用无触点开关分时接通的方法，在硬件电路基本不变的条件下，使三速单相电动机具有二十档转速的调速能力。 1 三速单相电动机开关调速的原理 三速单相电动机调速电路如图1所示， L、M、H分别为单相电动机的低速抽头、中速抽头和高速抽头，单相电动机采用电容运行方式，三个抽头与电源的连接由三个双向晶闸管TL、TM、TH来控制，当TL导通时电动机的低速抽头与电源连接，电动机低速运转，同样，TM导通时电动机中速运转，TH导通时电动机高速运转。我们采用分时接通L、M、H的方法，可以调节电动机的转速，使三速单相电动机获得多于三档转速的变速能力。设电源频率为50HZ，其周期为0.02S，取调速周期TS=8T（T为电源周期），低速调速时，调速周期内不接通任何一个晶闸管，则电动机的转速0，调速周期内全接通晶闸管TL，则电动机低速运转，但如果在8个电源周期内，N个周期接通晶闸管TL（0≤N≤8），其他时间不接通，那么，在电动机的低速下可获得8档更低的转速。同样，中速调速时，调速周期内全接通晶闸管TL，则电动机低速运转，全接通晶闸管TM，则电动机中速运转，如果在8个电源周期内N个周期接通晶闸管TM，（8-N）个周期接通TL，那么在电动机的低速和中速之间可获得8档转速。同样道理，在中速和高速间又可获得8档转速。由此可见采用分时接通的方法，可以使只有三档转速的三速单相电动机具有二十四档转速的调速能力。 2 三速单相电动机开关调速的硬件和软件设计 三速单相电动机调速电路如图1所示，某家用电风扇的单相电动机采用单片机ATMEL89C2051控制，单片机的输出端口P1.5、P1.6、P1.7经反相器与晶闸管TL、TM、TH的控制极连接，当P1.5=“0”时，晶闸管导通，电动机可低速运转，反之，P1.5=“1”时，晶闸管截止，电动机停转，即由P1.5输出电位控制电动机的低速档；同样，由P1.6输出电位控制电动机的中速档，P1.7控制电动机的高速档。同步电路每个电源周期产生一个脉冲信号，并在电源电压由负变正时产生脉冲的下降沿。同步信号由INT0中断口输入单片机。三速单相电动机开关调速的控制方法如下：在每个电源电源电压由负变正过零时，同步电路产生一个脉冲信号，向单片机申请中断，单片机响应中断后执行调速程序，按给定的转速代码输出转速信号，调节电动机转速。取调速周期Ts=8T（T为电源周期），调速程序必须经过8次中断才能输出一个转速代码的转速，在调速周期内不能接受新的转速代码，否则电动机的转速将不受控制。在调速程序中，采用一个存储单元（34H）作为转速输入单元，另一个存储单元（37H）作为电源周期指示器，记录已经输出的电源周期，控制器需要改变风扇的转速时，随时可以向（34H）单元写入转速代码，但只有电源周期指示器的数值为零时，调速程序才能将（34H）单元的数据变成实际输出的信号。电源周期指示器的初始值为00H，INT0每中断一次调速周期定时器加1，直至电源周期指示器为08H时，重新清零，并且读入转速输入单元（34H）的数据。 在调速程序中，我们采用8位数据记录风扇的转速代码，其中低3位（b2b1b0）表示接通比例N，第4、5位（b4b3）表示接通档次，高3位（b7b6b5）不用。接通档次表示调速为低速调速、中速调速还是高速调速，其

值为b4b3={00B，01B，10B，11B}，当接通档次为00B时，在转速代码设定的接通比例内接通晶闸管TL，接通比例外不接通晶闸管；当接通档次为01B时，在转速代码设定的接通比例内接通晶闸管TM，接通比例外接通晶闸管TL，当接通档次为10B时，在转速代码设定的接通比例内接通晶闸管TH，接通比例外接通晶闸管TM；当接通档次为11B时，接通比例只有00H一种，这时在整个调速周期内接通晶闸管TH，电动机高速运转。接通比例的取值范围000B-111B，由此可知，转速代码的取值范围为00H-18H，总共25个代码，其中00H为零速，01H-08H为低速档代码，09H-10H为中速档代码，11H-18H为高速档代码。所以电动机除零速外共有二十四档转速。这样定义转速代码的优点是三档转速的代码时连续的，并且代码的大小与转速的高低相关。 调速程序的控制算法如图2所示，电源周期指示器指示在一个调速周期内已经过的电源周期的数目，其初值为00H，N为转速代码中的接通比例。 INT0每中断一次电源周期指示器的值加1，直至08H时重新置零，因此，可以用电源周期指示器来控制接通晶闸管的电源周期数，实现转速代码中接通比例对电动机转速的控制。为了便于编程，我们引入一个控制位c，在转速代码设定的接通比例范围内，控制位置c=1，在转速代码设定的接通比例范围之外控制位置c=0，再根据转速代码的接通档次，可以算出需要接通晶闸管的代码，即 晶闸管的代码（t1t0）=（接通档次位b4b3）+控制位（c） 这里晶闸管的代码t1t0={00B，01B，10B，11B}，其中00B表示不接通，01B表示晶闸管TL，10B表示晶闸管TM，11B表示晶闸管TH。晶闸管代码算出之后即可根据晶闸管代码与控制信号的逻辑关系获得相应的控制信号，输出相对应的信号，对电动机的转速进行控制。晶闸管代码与输出控制信号的逻辑关系为： 根据上述控制算法，我们编写控制程序，实验证实上述方法可以调节三速单相电动机的转速，使仅有三档转速的电动机具备二十四档转速的调速能力，但这个方法有一些缺点，主要是： 1）电动机的转矩是脉动的，使电动机的机械噪声增大，必须采取良好的润滑和防止转子轴向运动的措施减少噪声。为了在调速周期内电动机的转矩较为平滑，减少脉动，可采用改进的控制位波形如图3所示，在接通比例不变的前提下，平均分布接通控制位，减少电动机转矩的脉动程度，从而减低电动机的噪声。

2）低速档接通比例较低时，电风扇的风叶出现蠕行，不能正常送风，必须限制最小转速代码。可去掉低速档转速代码中最低接通比例的四个代码，保留转速较高的二十档转速。 实验证实，采用改进的控制位波形和限制最小转速代码之后，三速单相电动机在风扇应用中取得较好的调速和节能效果。三速单相电动机开关调速的实验测试结果如下： 本试验电动机所带的负载为风扇，有关技术数据如下： 额定电压：220V±10%，额定频率：50Hz，风叶直径：300mm， 转速：高-1150 r/min 中-900 r/min 低-600r/min。 3 结束语 在家用电风扇控制电路中，采用晶闸管分时接通的方法，可以使仅有高、中、低三档转速的单相电动机具有二十档转速的调速能力，这种方法无需增加较多的硬件，仅在控制程序中采用新的调速算法，即可达到提高风扇风速档次的目的，同时，电风扇的功率在调速时能随着转速下降而减少，使风扇具有良好的节能效果。 这种方法的主要缺点是： 1）电动机的转矩是脉动的，使电风扇的机械噪声增大。 2）低速档接通比例较低时，电风扇的风叶出现蠕行，不能正常送风。 对1）个问题，采用改进的控制位波形数据，在接通比例不变的前提下，平均分布接通控制位，减少电动机转矩的脉动程度，同时，采取良好的润滑和防止转子轴向运动的措施，减低电动机的噪声。对2）个问题，采用限制最小转速代码即可防止电风扇在低速运行时风叶蠕行，不能送风。实验证实，采用改进的控制位波形和限制最小转速代码之后，三速单相电动机在风扇应用中取得较好的调速效果和节能效果。

单相异步电动机的定义

单相异步电动机(single-phase asynchronous motor)是靠220V单相交流电源供电的一类电动机，它

适用于只有单相电源(single-phase power)的小型工业设备和家用电器中。

单相异步电动机的工作原理

在交流电机中，当定子绕组通过交流电流时，建立了电枢磁动势，它对电机能量转换和运行性能都有很大影响。所以单相交流绕组通入单相交流产生脉振磁动势，该磁动势可分解为两个幅值相等、转速相反的旋转磁动势和，从而在气隙中建立正传和反转磁场和。这两个旋转磁场切割转子导体，并分别在转子导体中

产生感应电动势和感应电流 。

该电流与磁场相互作用产生正、反电磁转矩。正向电磁转矩企图使转子正转；反向电磁转矩企图使转子反

转。这两个转矩叠加起来就是推动电动机转动的合成转矩。

不论是还是，他们的大小与转差率的关系和三相异步电动机的情况是一样的。若电动机的转速是， 则对正转磁场而言，转差率为： 对反转磁场而言，转差率为：

单相异步电动机的T-s曲线见左图

由图可知单相异步电动机的主要特点有：

（1）n=0,s=1,T=T++ T- =0，说明单相异步电动机无启动转矩，如不采取其他措施，电动机不能启

动。

（2）当s≠1时， T≠0，T无固定方向，它取决于s的正、负。

（3）由于反向转矩存在，使合成转矩也随之减小，鼓单相异步电动机的过载能力较低。

罩极式单相电机的工作原理

定子通入电流以后，部分磁通穿过短路环，并在其中产生感应电流。短路环中的电流阻碍磁通的变化，致

使有短路环部分和没有短路环部分产生的磁通有了相位差，从而形成旋转磁场，使转子转起来。

上图中电机的转动方向：瞬时针旋转。因为没有短路环部分的磁通比有短路环部分的磁通领先。

电容分相式起动工作原理

启动时开关K闭合，使两绕组电流I1,I2相位差约为90°，从而产生旋转磁场，电机转起来；转动正

常以后离心开关被甩开，启动绕组被切断。

单相异步电机的使用

单相异步电动机功率小，主要制成小型电机。它的应用非常广泛，如家用电器（洗衣机、电冰箱、电风扇）、

电动工具（如手电钻）、医用器械、自动化仪表等。

本文介绍一种简易电机调速电路，不用机械齿轮转化来变速，改善了机械设备使用的效率。

此简易电子调速电路适用于220V市电的单相电动机，电机额定电流在6.5A以内，功率在1kW左右，适用于家庭电风扇、吊扇电机及其它单相电机，若电路加以修改，则可作调光、电磁振动调压、电风扇温度自动变速器等用途。其电路如图1所示。

硅二极管VD1~VD4构成一个桥式全波整流电路，电桥与电机串联在电路中，电桥对可控硅VS提供全波整流电压。当VS接通时，电桥呈现本电机串联的低阻电路。当图1中A点为负半周时，电流经电机、VD1、VS、R1、VD3构成回路，当B 点为正半周时电流经VD2、VS、R1、VD4、电机M构成回路，电机端得到的是交变电流。电机两端的电压大小主要决定于可控硅VS的导通程度，只要改变可控硅的导通角，就可以改变VS的压降，电机两端的电压也变化，达到调压调速的目的，电机端电压Um=U1-UVD1-Uvs-UR1-UVD3，上式中，UVD1、UVD3的压降均很小，而反馈UR1也不大，故电机端电压就简化为Um=U1-Uvs。

可控硅VS的触发脉冲靠一只简单的单结晶体管VS电路产生，电容器C2通过电阻R4、R5充电到稳压管DW的稳定电压UZ，当C2充电到单结晶体管的峰点电压时，单结晶体管就触发，输出脉冲而使可控硅导通。在单结晶体管发射极电压充分衰减后，单结晶体管就断开，VS一经接通，那么a、b两点之间的电压就下降到稳压管DW的稳定电压UZ以下，电容器C2再充电就依赖于点a到b点间的电压，因稳压管的电压已经降低到它的导通区域以外，点a到b点的电压取决于电动机的电流、R1和VS导通时的电压降。这样，当VS 导通时，电容器C2的充电电流取决于电动机的电流，在这种情况下便得到了反馈，这就使得电动机在

低速时转矩所受损失的问题得到补救。

反馈电阻R1的数值经过实验得出，因此，VS在导通周期的时间内，电容C2便不能充电到足以再对单结晶体管触发的高压，然而，电容C2会充电到电动机电流所决定的某一数值。如果在某一导通周期电动机的电流增加，则C2上的电压也增加，故在下一周期开始时，C2就不需那么长的时间才能充电到单晶体的峰点电压。这种情况下，触发角就被减少了（导通角更大），加到电机上的方根电压就成比例增加，致使有效转矩增加。二极管VD5和电容器C1防止在导通期中由于触发单结晶体所造成的反馈，反馈电阻R1的取值具体如附表所示。

R2为限流电阻，它应保证稳定DW1 在稳压范围，稳定电流在10~20mA 左右，它并保证了脉冲移相角，当R2增大，移相角减小，电机两端的电压调节范围减少。

R4应保证电机两端电压的上限值，当R4增大时，输出到电机的电压上限下降。

R3是作单结晶体管温度补偿之用，当R3增大时，温度特性就要好一些，本电路也适用于可逆电机调速之用，负载端电压调节范围从35~215V连续可调。若负载为电机或电磁振动线圈，它不要求对转矩进行补偿，则电路可以进一步简化，电路如图2所示，其工作原理同图1，输出电压主调节范围是35~215V，R1的作用是保证VS输出脉冲的幅度，R1增大，则输出脉冲也增加，若作调光，则可将负载改作灯泡即可。

若负载电压最大值不需要很高，则可将桥式整流电路改为半波整流，其输出至负载的电压调节范围为30～100V，其工作原理同前。电原理图如图3所示。风扇调速电路如图4所示，电路采用了热敏电阻，当环境温度上升或下降时，其电阻值发生变化，导致VT2的不断变化，使可控硅导通角前后移动，改变电扇两端的电压，风扇电机的转速即随之变化。当环境温度上升时，电风扇转速高，反之则低。

选用元件时，二极管VD1~VD4耐压要高于400V，额定电流大于0.4A；可控硅VS耐压大于500V，额定电流为1A；单结晶体管BT35分压比η大于0.5； 三极管3CG14的β大于80。

电路装好后，把风扇接在电路中，调整RP使风扇正好停转，然后用一把电烙铁靠近热敏电阻，热敏电阻变高时，风扇转速变快。电烙铁离开热敏电阻，温度降低，转速应变慢，工作时RP应调到适当位置