交流斬波調(diào)壓方法

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1、電動機節(jié)能器的研制2008-7-1812:59:001、引言異步電動機作為最重要的動力裝置，在當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用，是電能的主要消耗者。單就我國而論，異步電機廣泛應(yīng)用于各類電力拖動系統(tǒng)中，耗用電能約占全國耗電總量的50%以上。電動機一般都是按照最大負(fù)載下能正常工作為條件來選擇的，但在實際使用中，電機卻經(jīng)常是在中載、輕載，甚至在空載狀態(tài)下運行。因此，電動機的負(fù)載率低，其效率和功率因數(shù)較低，造成很大的電能浪費，所以研究異步電動機起動降耗及節(jié)能經(jīng)濟(jì)運行具有重要的現(xiàn)實意義[1?3]。2、節(jié)能原理眾所周知，三相移相觸發(fā)器

2、在額定負(fù)載的情況下工作效率最高，而在輕載或空載狀態(tài)下的工作效率是非常低的。這是因為電動機要連續(xù)工作，必須消耗一定的能量以提供磁場。當(dāng)供給電動機的端電壓恒定時，產(chǎn)生磁場也保持恒定。在額定轉(zhuǎn)速下，磁場消耗的能量保持恒定，與負(fù)載所需的轉(zhuǎn)矩?zé)o關(guān)，支持負(fù)載轉(zhuǎn)矩的能量大小取決于電磁轉(zhuǎn)矩的大小。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速會稍微下降(轉(zhuǎn)差率增大)，使得感應(yīng)的轉(zhuǎn)子電流上升以增加電磁轉(zhuǎn)矩。相反，如果需要的負(fù)載轉(zhuǎn)矩減少，轉(zhuǎn)子電流下降定子電流也相應(yīng)下降。但在端電壓恒定的情況下，定子提供磁場的電流在任何負(fù)載轉(zhuǎn)矩條件下將保持恒定。結(jié)果是感應(yīng)電動機的效率隨負(fù)載

3、的減少而降低。因此，改變電機的工作電壓，提高輕/空載的工作效率。使加在電動機上的電壓大小跟隨負(fù)載變化，負(fù)載輕時電壓也低，這樣降低了電動機的有功功率、無功功率及其損耗達(dá)到節(jié)能的目的。目前的電動機輕載調(diào)壓節(jié)能控制，較多采用以功率因數(shù)角為控制量，針對實際負(fù)載率相應(yīng)調(diào)節(jié)定子電壓，使電動機保持較高的功率因數(shù)，同時兼顧效率。但在實用上存在功率因數(shù)角難以準(zhǔn)確測量的缺點，而且在不同的負(fù)載率下并不一定取得充分的節(jié)能效果。而我們采用易于實現(xiàn)的負(fù)載電流控制法[2]，即在近似條件下，只要使電機定子電壓隨定子電流按一定比例變化就能保持電動機高效運行，故以電

4、動機的定子電壓與定子電流的比值作為控制目標(biāo)，當(dāng)電機負(fù)載變化時，通過改變電動機定子電壓，維持定子電壓與定子電流的比值不變，實現(xiàn)電機的節(jié)能運行。3、硬件設(shè)計系統(tǒng)主要由PIC16F873微控制器[4]、鍵盤與顯示模塊[5]、電流和電壓檢測模塊和單相交流調(diào)壓模塊，下面主要介紹交流調(diào)壓模塊。3.1交流斬波調(diào)壓原理[6]交流調(diào)壓有兩種方式：相控調(diào)壓和斬控調(diào)壓。但是相控整流技術(shù)具有許多不可克服的缺陷，如受觸發(fā)角影響的低功率因數(shù)、慢的動態(tài)響應(yīng)速度、輸出低次諧波豐富以及嚴(yán)重的電網(wǎng)諧波電流污染等。而交流斬波控制調(diào)壓技術(shù)具有僅取決于負(fù)載的功率因數(shù)、快的

5、動態(tài)響應(yīng)速度、寬的線性調(diào)壓范圍以及輸人輸出易于濾波高度正弦化等優(yōu)點。目前在中小功率的交流調(diào)壓領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。交流斬波調(diào)壓方式不象傳統(tǒng)的相控調(diào)壓方式，在電源電壓的一個周期內(nèi)把正弦波砍去幾塊，而是使用開關(guān)元件將正弦波斬成許多小塊，當(dāng)采用定頻調(diào)寬斬波方式時，其斬波過程如圖1所示。此時用占空比D＝τ/T來控制輸出電壓的大小。當(dāng)斬波頻率fs選定時，斬波周期TS為定值，輸出電壓的大小取決于占空比D的大小。當(dāng)D=O時，開關(guān)元件完全關(guān)斷，輸出電壓為零；當(dāng)D=1時，開關(guān)元件完全開通，輸出全電壓。交流斬波調(diào)壓的輸出：其中，交流斬波調(diào)壓的輸入為，調(diào)制

6、比N=fs/f。有式（1）可見，輸出電壓由與輸入電壓同頻的基波，以及高次諧波組成。通過一個低通濾波器，易濾掉高次諧波部分。經(jīng)濾波輸出為：uo(t)=Dui(t)，即可通過調(diào)節(jié)占空比D，線性調(diào)節(jié)輸出電壓。3.2主電路的設(shè)計與仿真目前交流斬波調(diào)壓主電路的結(jié)構(gòu)有多種，但接感性負(fù)載時，輸出電壓每各周期會出現(xiàn)兩處的失控狀態(tài)，經(jīng)過LC低通濾波器后，輸出電壓波形與正弦波形相比有較大的失真。感性成分越小，失真也越小，電阻性負(fù)載幾乎為純正弦輸出。為了消除失控現(xiàn)象，引入Z源網(wǎng)絡(luò)的交流斬波調(diào)壓電路如圖2所示[7]。圖2交流斬波調(diào)壓主電路原理圖調(diào)壓電路由

7、整流橋、Z源網(wǎng)絡(luò)和MOSFET等組成。Z源網(wǎng)絡(luò)：由一個包含電感L1、L2和電容器C1、C2的二端口網(wǎng)絡(luò)接成X形。Z源網(wǎng)絡(luò)既可以在電壓型模式下工作，也可以在電流型模式下工作，本電路應(yīng)用的是其電壓模式。由于有Z源網(wǎng)絡(luò)，調(diào)壓電路可以承受短路，這樣兩個互補的POWERMOSFET驅(qū)動信號中間就不需要死區(qū)，使得硬件電路更加簡單，提高了可靠性，也降低了成本。圖2中，MOSFET管Q1負(fù)責(zé)控制主回路的導(dǎo)通情況；MOSFET管Q2為Q1關(guān)斷時的電流沖量提供續(xù)流通道，Q1和Q2的驅(qū)動信號相位互補；C3和L3組成LC濾波電路。out1和out2為輸出

8、口，即負(fù)載電機接口?？煽毓枰葡嘤|發(fā)器在一個觸發(fā)周期內(nèi)，觸發(fā)脈沖為高電平時，Q1開通，主回路導(dǎo)通，電路中電流流通順序為電源，D1～D4組成的整流橋，Z源網(wǎng)絡(luò)，電機，電源；當(dāng)觸發(fā)脈沖為低電平時，Q1截止，主回路斷開，此時由D5～D8組成的整流橋和Q2共