1、單相電動機調(diào)速方法及其實現(xiàn)     2009-04-20 19:15:58  本文介紹在三速單相電動機中采用分時接通的方法提高電動機的轉(zhuǎn)速檔次，使電動機具有二十檔轉(zhuǎn)速的調(diào)速能力和更好的節(jié)能效果。 這種方法無需增加較多的硬件，僅在控制器中采用新的調(diào)速程序，即可達到提高風扇風速檔次和節(jié)能的目的。 前言 目前，三速單相電動機結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，控制方便，它使電風扇具備高、中、低三檔轉(zhuǎn)速，提高了電風扇的供風質(zhì)量，因此，這種單相電動機在家用電風扇得到廣泛的應(yīng)用。但是，當需要進一步提高電風扇的質(zhì)量和品位時，僅具有三檔轉(zhuǎn)速的單相電動機就不能滿足電風扇的要求，

2、必須提高單相電動機的調(diào)速能力。我們使用無觸點開關(guān)分時接通的方法，在硬件電路基本不變的條件下，使三速單相電動機具有二十檔轉(zhuǎn)速的調(diào)速能力。 1 三速單相電動機開關(guān)調(diào)速的原理 三速單相電動機調(diào)速電路如圖1所示， L、M、H分別為單相電動機的低速抽頭、中速抽頭和高速抽頭，單相電動機采用電容運行方式，三個抽頭與電源的連接由三個雙向晶閘管TL、TM、TH來控制，當TL導通時電動機的低速抽頭與電源連接，電動機低速運轉(zhuǎn)，同樣，TM導通時電動機中速運轉(zhuǎn)，TH導通時電動機高速運轉(zhuǎn)。我們采用分時接通L、M、H的方法，可以調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速，使三速單相電動機獲得多于三檔轉(zhuǎn)速的變速能力。設(shè)電源頻率為50HZ，其周期為0.

3、02S，取調(diào)速周期TS=8T（T為電源周期），低速調(diào)速時，調(diào)速周期內(nèi)不接通任何一個晶閘管，則電動機的轉(zhuǎn)速0，調(diào)速周期內(nèi)全接通晶閘管TL，則電動機低速運轉(zhuǎn)，但如果在8個電源周期內(nèi)，N個周期接通晶閘管TL（0N8），其他時間不接通，那么，在電動機的低速下可獲得8檔更低的轉(zhuǎn)速。同樣，中速調(diào)速時，調(diào)速周期內(nèi)全接通晶閘管TL，則電動機低速運轉(zhuǎn)，全接通晶閘管TM，則電動機中速運轉(zhuǎn)，如果在8個電源周期內(nèi)N個周期接通晶閘管TM，（8-N）個周期接通TL，那么在電動機的低速和中速之間可獲得8檔轉(zhuǎn)速。同樣道理，在中速和高速間又可獲得8檔轉(zhuǎn)速。由此可見采用分時接通的方法，可以使只有三檔轉(zhuǎn)速的三速單相電動機具有二十四

4、檔轉(zhuǎn)速的調(diào)速能力。 2 三速單相電動機開關(guān)調(diào)速的硬件和軟件設(shè)計 三速單相電動機調(diào)速電路如圖1所示，某家用電風扇的單相電動機采用單片機ATMEL89C2051控制，單片機的輸出端口P1.5、P1.6、P1.7經(jīng)反相器與晶閘管TL、TM、TH的控制極連接，當P1.5=“0”時，晶閘管導通，電動機可低速運轉(zhuǎn)，反之，P1.5=“1”時，晶閘管截止，電動機停轉(zhuǎn)，即由P1.5輸出電位控制電動機的低速檔；同樣，由P1.6輸出電位控制電動機的中速檔，P1.7控制電動機的高速檔。同步電路每個電源周期產(chǎn)生一個脈沖信號，并在電源電壓由負變正時產(chǎn)生脈沖的下降沿。同步信號由INT0中斷口輸入單片機。三速單相電動機開關(guān)調(diào)

5、速的控制方法如下：在每個電源電源電壓由負變正過零時，同步電路產(chǎn)生一個脈沖信號，向單片機申請中斷，單片機響應(yīng)中斷后執(zhí)行調(diào)速程序，按給定的轉(zhuǎn)速代碼輸出轉(zhuǎn)速信號，調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速。取調(diào)速周期Ts=8T（T為電源周期），調(diào)速程序必須經(jīng)過8次中斷才能輸出一個轉(zhuǎn)速代碼的轉(zhuǎn)速，在調(diào)速周期內(nèi)不能接受新的轉(zhuǎn)速代碼，否則電動機的轉(zhuǎn)速將不受控制。在調(diào)速程序中，采用一個存儲單元（34H）作為轉(zhuǎn)速輸入單元，另一個存儲單元（37H）作為電源周期指示器，記錄已經(jīng)輸出的電源周期，控制器需要改變風扇的轉(zhuǎn)速時，隨時可以向（34H）單元寫入轉(zhuǎn)速代碼，但只有電源周期指示器的數(shù)值為零時，調(diào)速程序才能將（34H）單元的數(shù)據(jù)變成實際輸出的信

6、號。電源周期指示器的初始值為00H，INT0每中斷一次調(diào)速周期定時器加1，直至電源周期指示器為08H時，重新清零，并且讀入轉(zhuǎn)速輸入單元（34H）的數(shù)據(jù)。 在調(diào)速程序中，我們采用8位數(shù)據(jù)記錄風扇的轉(zhuǎn)速代碼，其中低3位（b2b1b0）表示接通比例N，第4、5位（b4b3）表示接通檔次，高3位（b7b6b5）不用。接通檔次表示調(diào)速為低速調(diào)速、中速調(diào)速還是高速調(diào)速，其值為b4b3=00B，01B，10B，11B，當接通檔次為00B時，在轉(zhuǎn)速代碼設(shè)定的接通比例內(nèi)接通晶閘管TL，接通比例外不接通晶閘管；當接通檔次為01B時，在轉(zhuǎn)速代碼設(shè)定的接通比例內(nèi)接通晶閘管TM，接通比例外接通晶閘管TL，當接通檔次為1

7、0B時，在轉(zhuǎn)速代碼設(shè)定的接通比例內(nèi)接通晶閘管TH，接通比例外接通晶閘管TM；當接通檔次為11B時，接通比例只有00H一種，這時在整個調(diào)速周期內(nèi)接通晶閘管TH，電動機高速運轉(zhuǎn)。接通比例的取值范圍000B-111B，由此可知，轉(zhuǎn)速代碼的取值范圍為00H-18H，總共25個代碼，其中00H為零速，01H-08H為低速檔代碼，09H-10H為中速檔代碼，11H-18H為高速檔代碼。所以電動機除零速外共有二十四檔轉(zhuǎn)速。這樣定義轉(zhuǎn)速代碼的優(yōu)點是三檔轉(zhuǎn)速的代碼時連續(xù)的，并且代碼的大小與轉(zhuǎn)速的高低相關(guān)。 調(diào)速程序的控制算法如圖2所示，電源周期指示器指示在一個調(diào)速周期內(nèi)已經(jīng)過的電源周期的數(shù)目，其初值為00H，N

8、為轉(zhuǎn)速代碼中的接通比例。 INT0每中斷一次電源周期指示器的值加1，直至08H時重新置零，因此，可以用電源周期指示器來控制接通晶閘管的電源周期數(shù)，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速代碼中接通比例對電動機轉(zhuǎn)速的控制。為了便于編程，我們引入一個控制位c，在轉(zhuǎn)速代碼設(shè)定的接通比例范圍內(nèi)，控制位置c=1，在轉(zhuǎn)速代碼設(shè)定的接通比例范圍之外控制位置c=0，再根據(jù)轉(zhuǎn)速代碼的接通檔次，可以算出需要接通晶閘管的代碼，即 晶閘管的代碼（t1t0）=（接通檔次位b4b3）+控制位（c） 這里晶閘管的代碼t1t0=00B，01B，10B，11B，其中00B表示不接通，01B表示晶閘管TL，10B表示晶閘管TM，11B表示晶閘管TH。晶閘管代碼

9、算出之后即可根據(jù)晶閘管代碼與控制信號的邏輯關(guān)系獲得相應(yīng)的控制信號，輸出相對應(yīng)的信號，對電動機的轉(zhuǎn)速進行控制。晶閘管代碼與輸出控制信號的邏輯關(guān)系為： 根據(jù)上述控制算法，我們編寫控制程序，實驗證實上述方法可以調(diào)節(jié)三速單相電動機的轉(zhuǎn)速，使僅有三檔轉(zhuǎn)速的電動機具備二十四檔轉(zhuǎn)速的調(diào)速能力，但這個方法有一些缺點，主要是： 1）電動機的轉(zhuǎn)矩是脈動的，使電動機的機械噪聲增大，必須采取良好的潤滑和防止轉(zhuǎn)子軸向運動的措施減少噪聲。為了在調(diào)速周期內(nèi)電動機的轉(zhuǎn)矩較為平滑，減少脈動，可采用改進的控制位波形如圖3所示，在接通比例不變的前提下，平均分布接通控制位，減少電動機轉(zhuǎn)矩的脈動程度，從而減低電動機的噪聲。 2）低速檔

10、接通比例較低時，電風扇的風葉出現(xiàn)蠕行，不能正常送風，必須限制最小轉(zhuǎn)速代碼?？扇サ舻退贆n轉(zhuǎn)速代碼中最低接通比例的四個代碼，保留轉(zhuǎn)速較高的二十檔轉(zhuǎn)速。 實驗證實，采用改進的控制位波形和限制最小轉(zhuǎn)速代碼之后，三速單相電動機在風扇應(yīng)用中取得較好的調(diào)速和節(jié)能效果。三速單相電動機開關(guān)調(diào)速的實驗測試結(jié)果如下： 本試驗電動機所帶的負載為風扇，有關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)如下： 額定電壓：220V±10%，額定頻率：50Hz，風葉直徑：300mm， 轉(zhuǎn)速：高-1150 r/min 中-900 r/min 低-600r/min。 3 結(jié)束語 在家用電風扇控制電路中，采用晶閘管分時接通的方法，可以使僅有高、中、低三檔轉(zhuǎn)速

11、的單相電動機具有二十檔轉(zhuǎn)速的調(diào)速能力，這種方法無需增加較多的硬件，僅在控制程序中采用新的調(diào)速算法，即可達到提高風扇風速檔次的目的，同時，電風扇的功率在調(diào)速時能隨著轉(zhuǎn)速下降而減少，使風扇具有良好的節(jié)能效果。 這種方法的主要缺點是： 1）電動機的轉(zhuǎn)矩是脈動的，使電風扇的機械噪聲增大。 2）低速檔接通比例較低時，電風扇的風葉出現(xiàn)蠕行，不能正常送風。 對1）個問題，采用改進的控制位波形數(shù)據(jù)，在接通比例不變的前提下，平均分布接通控制位，減少電動機轉(zhuǎn)矩的脈動程度，同時，采取良好的潤滑和防止轉(zhuǎn)子軸向運動的措施，減低電動機的噪聲。對2）個問題，采用限制最小轉(zhuǎn)速代碼即可防止電風扇在低速運行時風葉蠕行，不能送風。

12、實驗證實，采用改進的控制位波形和限制最小轉(zhuǎn)速代碼之后，三速單相電動機在風扇應(yīng)用中取得較好的調(diào)速效果和節(jié)能效果。單相異步電動機的定義單相異步電動機(single-phase asynchronous motor)是靠220V單相交流電源供電的一類電動機，它適用于只有單相電源(single-phase power)的小型工業(yè)設(shè)備和家用電器中。單相異步電動機的工作原理在交流電機中，當定子繞組通過交流電流時，建立了電樞磁動勢，它對電機能量轉(zhuǎn)換和運行性能都有很大影響。所以單相交流繞組通入單相交流產(chǎn)生脈振磁動勢，該磁動勢可分解為兩個幅值相等、轉(zhuǎn)速相反的旋轉(zhuǎn)磁動勢和，從而在氣隙中建立正傳和反轉(zhuǎn)磁場和。這兩個

13、旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子導體，并分別在轉(zhuǎn)子導體中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流 。 該電流與磁場相互作用產(chǎn)生正、反電磁轉(zhuǎn)矩。正向電磁轉(zhuǎn)矩企圖使轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)；反向電磁轉(zhuǎn)矩企圖使轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)。這兩個轉(zhuǎn)矩疊加起來就是推動電動機轉(zhuǎn)動的合成轉(zhuǎn)矩。      不論是還是，他們的大小與轉(zhuǎn)差率的關(guān)系和三相異步電動機的情況是一樣的。若電動機的轉(zhuǎn)速是，則對正轉(zhuǎn)磁場而言，轉(zhuǎn)差率為：對反轉(zhuǎn)磁場而言，轉(zhuǎn)差率為：單相異步電動機的T-s曲線見左圖  由圖可知單相異步電動機的主要特點有： （1）n=0,s=1,T=T+ T- =0，說明單相異步電動機無啟動轉(zhuǎn)矩，如不采取其他措施

14、，電動機不能啟動。 （2）當s1時， T0，T無固定方向，它取決于s的正、負。（3）由于反向轉(zhuǎn)矩存在，使合成轉(zhuǎn)矩也隨之減小，鼓單相異步電動機的過載能力較低。  罩極式單相電機的工作原理定子通入電流以后，部分磁通穿過短路環(huán)，并在其中產(chǎn)生感應(yīng)電流。短路環(huán)中的電流阻礙磁通的變化，致使有短路環(huán)部分和沒有短路環(huán)部分產(chǎn)生的磁通有了相位差，從而形成旋轉(zhuǎn)磁場，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)起來。上圖中電機的轉(zhuǎn)動方向：瞬時針旋轉(zhuǎn)。因為沒有短路環(huán)部分的磁通比有短路環(huán)部分的磁通領(lǐng)先。電容分相式起動工作原理啟動時開關(guān)K閉合，使兩繞組電流I1,I2相位差約為90°，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，電機轉(zhuǎn)起來；轉(zhuǎn)動正常以后離心

15、開關(guān)被甩開，啟動繞組被切斷。單相異步電機的使用單相異步電動機功率小，主要制成小型電機。它的應(yīng)用非常廣泛，如家用電器（洗衣機、電冰箱、電風扇）、電動工具（如手電鉆）、醫(yī)用器械、自動化儀表等。 本文介紹一種簡易電機調(diào)速電路，不用機械齒輪轉(zhuǎn)化來變速，改善了機械設(shè)備使用的效率。此簡易電子調(diào)速電路適用于220V市電的單相電動機，電機額定電流在6.5A以內(nèi)，功率在1kW左右，適用于家庭電風扇、吊扇電機及其它單相電機，若電路加以修改，則可作調(diào)光、電磁振動調(diào)壓、電風扇溫度自動變速器等用途。其電路如圖1所示。硅二極管VD1VD4構(gòu)成一個橋式全波整流電路，電橋與電機串聯(lián)在電路中，電橋?qū)煽毓鑆S提供全波

16、整流電壓。當VS接通時，電橋呈現(xiàn)本電機串聯(lián)的低阻電路。當圖1中A點為負半周時，電流經(jīng)電機、VD1、VS、R1、VD3構(gòu)成回路，當B 點為正半周時電流經(jīng)VD2、VS、R1、VD4、電機M構(gòu)成回路，電機端得到的是交變電流。電機兩端的電壓大小主要決定于可控硅VS的導通程度，只要改變可控硅的導通角，就可以改變VS的壓降，電機兩端的電壓也變化，達到調(diào)壓調(diào)速的目的，電機端電壓Um=U1-UVD1-Uvs-UR1-UVD3，上式中，UVD1、UVD3的壓降均很小，而反饋UR1也不大，故電機端電壓就簡化為Um=U1-Uvs?？煽毓鑆S的觸發(fā)脈沖靠一只簡單的單結(jié)晶體管VS電路產(chǎn)生，電容器C2通過電阻R4、R5充

17、電到穩(wěn)壓管DW的穩(wěn)定電壓UZ，當C2充電到單結(jié)晶體管的峰點電壓時，單結(jié)晶體管就觸發(fā)，輸出脈沖而使可控硅導通。在單結(jié)晶體管發(fā)射極電壓充分衰減后，單結(jié)晶體管就斷開，VS一經(jīng)接通，那么a、b兩點之間的電壓就下降到穩(wěn)壓管DW的穩(wěn)定電壓UZ以下，電容器C2再充電就依賴于點a到b點間的電壓，因穩(wěn)壓管的電壓已經(jīng)降低到它的導通區(qū)域以外，點a到b點的電壓取決于電動機的電流、R1和VS導通時的電壓降。這樣，當VS 導通時，電容器C2的充電電流取決于電動機的電流，在這種情況下便得到了反饋，這就使得電動機在低速時轉(zhuǎn)矩所受損失的問題得到補救。反饋電阻R1的數(shù)值經(jīng)過實驗得出，因此，VS在導通周期的時間內(nèi)，電容C2便不能充

18、電到足以再對單結(jié)晶體管觸發(fā)的高壓，然而，電容C2會充電到電動機電流所決定的某一數(shù)值。如果在某一導通周期電動機的電流增加，則C2上的電壓也增加，故在下一周期開始時，C2就不需那么長的時間才能充電到單晶體的峰點電壓。這種情況下，觸發(fā)角就被減少了（導通角更大），加到電機上的方根電壓就成比例增加，致使有效轉(zhuǎn)矩增加。二極管VD5和電容器C1防止在導通期中由于觸發(fā)單結(jié)晶體所造成的反饋，反饋電阻R1的取值具體如附表所示。R2為限流電阻，它應(yīng)保證穩(wěn)定DW1 在穩(wěn)壓范圍，穩(wěn)定電流在1020mA 左右，它并保證了脈沖移相角，當R2增大，移相角減小，電機兩端的電壓調(diào)節(jié)范圍減少。R4應(yīng)保證電機兩端電壓的上限值，當R4增大時，輸出到電機的電壓上限下降。R3是作單結(jié)晶體管溫度補償之用，當R3增大時，溫度特性就要好一些，本電路也適用于可逆電機調(diào)速之用，負載端電壓調(diào)節(jié)范圍從35215V連續(xù)可調(diào)。若負載為電機或電磁振動線圈，它不要求對轉(zhuǎn)矩進行補償，則電路可以進一步簡化，電路如圖2所示，其工作原理同圖1，輸出電壓主調(diào)節(jié)范圍是35215V，R1的作用是保證VS輸出脈沖的幅度，R1增大，則輸出脈沖也增加，若作調(diào)光，則可將負載改作燈泡即可。若負載電壓最大值不需要很高，則可將橋式整流電路改為半波整流，其輸出至負載的電壓調(diào)節(jié)范圍為30100V，其工作原理同前。電原理