单相电动机调速方法及其实现.doc

单相电动机调速方法及其实现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 1 三速单相三速单相 电动机开关调速的原理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 2 三速单相电动机开关调速的硬件和软件设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，有关技术数据本试验电动机所带的负载为风扇，有关技术数据 如下：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 3 结束语结束语 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：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。