工频电源情况下2极电机高于同步转速3000r/min运行时必须使用变频器调速，对于单相微型电动机来说存在装置体积大、费用高和工程经济性差等问题，通过一种简便可行的成倍调高电机转速的途径，达到成倍调高电机转速的目的。设计和构建了倍频驱动器以调控电机输入电压，使得单相微型电动机在二倍于原来转速下平稳运行；样机实验表明，倍频驱动器能够有效调控电压频率和幅值以满足电机在成倍调高转速时的驱动需要，实现了成倍调高电机转速的目的。构建的倍频驱动器由常用电力电子器件构成，结构简单，成本低廉，益于电机调速实现降耗节能。

关键词：微型电动机  转速调节  倍频驱动器  降耗节能

引言

电机驱动系统降耗节能需要电机调速，工频50Hz电源供电时，2极电机的最高转速只能接近于同步转速3000r/min。对于风机泵类负载，希望电机转速可以达到6000、12000r/min，除了使用变频器调整输入电机电压频率外，现无其它技术可以实现。利用变频器调速可以实现电机在6000r/min等数倍同步转速下运行达到无级调速。对于要求电机高于工频同步转速且只需要成倍调高转速的应用情况，因变频器体积和价格因素不适于微型电机使用^[1-5]。针对这些问题，提出一种在工频电源下成倍调高电机转速的控制途径，实现单相微型电机在二倍原转速平稳运行，对于简化调速系统不必要功能、降低成本具有重要意义^[6-8]。

2  倍频调速基本原理

实现成倍调高电机转速的简单有效途径是控制输入电机电压频率，使电压频率成倍增大，进而使电机转速跟随频率成倍升高。设计倍频驱动器，其结构包括桥式整流电路和频率振荡控制回路。首先，电源电压经桥式整流电路处理，电压频率增大一倍；然后利用频率振荡控制回路将整流电路输出电压分量中直流分量滤除掉，调整剩余的交流电压分量以降低畸变率，变成满足电能质量要求的倍频电压来驱动电机^[9-12]。在倍频电压驱动下工作，就能实现电机在二倍原转速下运行。设计调速途径运行原理如图1所示。

图1  倍频调速基本原理

Fig.1  The theory of multiply increasing

 the motor speed

3  倍频驱动器构建

设计倍频驱动器结构如图2所示。二极管构成桥式整流电路，电感、电容、电阻和构成频率振荡控制器，为微型感应电动机。为工频电源电压，为整流电路输出电压，为倍频驱动器输出电压。

为验证工频电源下成倍调高单相微型电机转速途径的可行性，本部分利用MATLAB软件对设计倍频驱动器进行仿真并进行理论性说明。

图2  倍频驱动器结构

Fig.2  Frequency multiplication driver structure

设工频电源电压为：。其中为电压幅值，频率。利用软件仿真倍频驱动器，得到电源电压波形如图3所示，整流电路输出电压波形如图4所示。

图3  电源电压波形

Fig.3  The waveform of source power voltage

图4  桥式整流电路输出电压波形

Fig.4  The waveform of rectifier output voltage

由图3和图4电压波形对比可知，经桥式整流电路处理，电压频率增大一倍，电压波形函数变为：。将电压波形函数用正弦函数和余弦函数构成的无穷级数来表示，展开成傅立叶级数：

 (1)

式(1)中：是电压值恒定的直流分量；是频率为，幅值为的标准正弦基波分量；后面的其它分量为高次谐波。

利用频率振荡控制器中电感通直流阻交流功能将电压中的直流分量滤掉，使其消耗在电感支路电阻上。利用电容隔直流通交流及滤除高次谐波的功能将电压中的直流分量进一步滤除，同时在一定程度上滤除电压中的高次谐波。控制回路中电阻用于中断供电后给电容放电，保护元器件及人身安全。

利用软件仿真，得到倍频驱动器输出电压波形如图5所示。

图5  倍频驱动器输出电压波形

Fig.5  The waveform of frequency multiplication

driver output voltage

由图5可知，倍频驱动器输出电压波形周期为0.01s，频率为100Hz。工频电源电压经倍频驱动器处理后，变成滤除直流分量及高次谐波，频率增大一倍的标准正弦交流电压。将此交流电压施加到电机绕组两端作为驱动电压，电机的同步速度将升高一倍，即可实现电机在二倍原转速下运行。通过软件仿真分析，理论验证了调速途径的可行性。

4  电机倍频调速实验及分析

倍频驱动器中各个元器件的特性和参数对电机倍速运行效果的影响很大，同时电机和电感受磁路饱和等非线性因素影响也很大，软件仿真分析只能理论验证调速途径的可行性，难以准确计算和确定这些参数值。因此，需通过电机倍频调速实验加以调整和择优。

4.1  电机倍频调速实验研究

电机倍频调速实验状态如图6所示。

图6  电机倍频调速实验状态

Fig.6  Experimental status of the motor speed contorl

电机选用普通小型罩极电机YJF4808型换风扇暖风机电机，并改变绕组降低电机运行电压至行业规定安全电压36V以下，以保护实验研究人员安全。电机改造后运行参数见表1工频电源供电情况。电感线圈使用铁芯和铜线绕制，兼顾电感值尽量大及电阻值尽量小等因素后，绕制的电感线圈实测电感值为400mH，内阻为2.7。在电感一定的条件下，改变电容和电阻、电阻，通过实验研究参数变化对电机倍频调速效果的影响。为保证实验准确性消除实验偶然性，采用电容和电阻、电阻参数值排列组合方式共进行100组实验。其中电容选用5种容量：33、100、133、220、470；电阻选用5种阻值：1、5、10、50、100；电阻选用4种阻值：50、100、5.1k、20k。

实验验证：电阻小于10时，对倍频驱动器输出电压波形影响较小，电机能在二倍原转速运行。在电机能以二倍原转速运行的实验中，除电容外，其余电容和电阻相互组合，倍频驱动器都能输出接近正弦波的交流电压。兼顾电压幅值和波形正弦程度，选定倍频驱动器参数：电容为133、电阻为10，电阻为5.1。此时，电机运行参数见表1倍频驱动器供电情况，由示波器对倍频驱动器输出电压进行采样。采样波形如图7所示。

表1  电机倍频调速实验结果

Tab.1  Multiply increase the motor speed test results

图7  倍频驱动器输出电压采样波形

Fig.7  The sampled waveform of frequency

multiplication driver output voltage

4.2  倍频驱动器性能分析

由图7可知，电压波形周期为10ms，频率为100Hz，倍频驱动器实现电压倍频效果。

由表1电机倍频调速实验结果可知，电机供电电源由工频电源供电变为倍频驱动器供电后，电机转速从2100r/min变为4085r/min，实现电机倍频调速运行的目的。

理想状况下，电机输入电压波形应该是标准正弦波以保证电机平稳运转。但倍频驱动器输出电压是经过各种电力电子器件处理后得到的，电压波形不一定是特别标准的正弦波，需使用电压正弦波畸变率来衡量。利用谐波分析程序分析图7倍频电压波形，得到不同次数谐波幅值占基波百分比结果如图8所示。并计算得到倍频电压波形畸变率为2.11%，符合电压波形畸变率不超过5%的国家规定。

图8  谐波幅值占基波的百分比分析图

Fig.8  The harmonic amplitude percentage of

the fundamenral wave

通过以上分析可知，设计的倍频驱动器对工频电源电压的倍频调控效果相当好，波形畸变率低，适用于电机二倍速运行。

5  结论

本文针对2极电机提出了工频电源下成倍调高单相微型电机转速的控制途径。根据调整电压频率控制电机转速的思想，设计了简易可靠的倍频驱动器。通过软件对倍频驱动器仿真分析及电机倍频调速运行实验，验证了工频电源下成倍调高电机转速途径的可行性。

设计的倍频驱动器原理结构简单，采用常用的电力电子器件，成本低廉，易于市场推广。在电机需要工作于数倍同步转速的高速场合适合代替现有变频调速，对简化调速系统原理及降低控制成本有重要意义。

由于电压倍频后直流分量不可供电机使用，采取电阻消耗的方法。控制回路仅采用一个电容器件滤除高次谐波，会有少量高次谐波输入电机。如何更加合理有效的处理直流分量及高次谐波有待进一步深入研究。

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