對用于開啟車庫門等應(yīng)用的小型交流感應(yīng)電機(jī)而言，使用三相逆變器電路可以極低的成本實現(xiàn)速度控制和軟啟動。這些固定分相電容式（PSC）電機(jī)在所有電機(jī)類型中可謂是最簡單的，也是上述應(yīng)用領(lǐng)域使用最廣泛的電機(jī)類型。它們的啟動轉(zhuǎn)矩和啟動電流都小，但可能會因為采用無極性電容而效率低下，這些電容往往在電機(jī)中最先損壞。

如果兩個繞組之間的相位差不足，這類單相電機(jī)就無法運行，因此它們也常被稱為雙相電機(jī)。而在輸入信號和繞組之間放置一個電容便可以產(chǎn)生接近90?的相位差。

開關(guān)通常使用繼電器來代替，通過交換兩個相位（超前變?yōu)闇螅瑴笞優(yōu)槌埃﹣韺崿F(xiàn)方向控制。電容值通常由電機(jī)制造商規(guī)定，對功率低于0.75 kW也就是我們正在討論的這種電機(jī)類型而言，電容值一般介于5至50 μF范圍內(nèi)。應(yīng)慎重選擇電容，以便修正功率因數(shù)來獲取最大的功率效率。圖1展示的是一個傳統(tǒng)交流感應(yīng)電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖 1：傳統(tǒng)交流感應(yīng)電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；電容提供所需相位差以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場

在實際情況下，電容也是具有電阻的，當(dāng)RMS交流紋波電流流過時，由于電容的等效串聯(lián)電阻，會產(chǎn)生熱量。在選擇固定電容時，我們應(yīng)權(quán)衡靜止?fàn)顟B(tài)的啟動轉(zhuǎn)矩性能和運行時的轉(zhuǎn)矩波動抑制性能。由于電容的額定伏安值較高，它通常會被選擇來滿足最低的啟動性能要求，但這也導(dǎo)致了運行效率低下。

對于兩個繞組不同的電機(jī)，就需要給兩個相位提供不同的電壓。這種不對稱是由于電容和電機(jī)的電感形成了諧振電路。這樣就造成了其中一個繞組電壓升高，導(dǎo)致了電流不平均。

然而，三相逆變器可以被用來代替固定電容，如圖2所示。這使得我們可以通過給各個繞組施加適量的電壓來調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而避免有些較弱的繞組出現(xiàn)過載現(xiàn)象。

圖2：配有三個半橋的單相逆變器；6個PWM信號被用于驅(qū)動相連的鼠籠式PSC電機(jī)

若異步驅(qū)動線圈，即使沒有電容電機(jī)也仍然可以旋轉(zhuǎn)。這可以通過在軟件中創(chuàng)建三個相位來實現(xiàn)。這些三相電壓可以互為基準(zhǔn)，由此分別在兩個電機(jī)繞組上產(chǎn)生兩個波形。只需取其中一個的相位作為基準(zhǔn)或中性相位，即可創(chuàng)建兩個波形。這三個相位的創(chuàng)建可以借助PWM技術(shù)在軟件中輕松實現(xiàn)。

比較

我們可以進(jìn)行下面這些測試將PSC運行方法和不帶運行電容的逆變器方法做比較。它們是：轉(zhuǎn)矩測試，描述電機(jī)變頻驅(qū)動的效果；加速和速度測試，確定哪種方法可以使電機(jī)軸轉(zhuǎn)動最快以及負(fù)載加速到底有多快；效率測試，比較輸出功率和輸入功率的實際分量并測量功率因數(shù)和其它導(dǎo)致低效的因素。

這三個測試涵蓋了電機(jī)控制領(lǐng)域最廣泛的設(shè)計考量。所有測試都無需使用有別于其他測試的特殊裝置。針對三個獨立測試所做的各個分析可以使用相同的數(shù)據(jù)子集。測試裝置如圖3所示。

圖3：測功機(jī)上的測試裝置

該測試使用0.19 kW、布線配置均衡的單相電機(jī)。兩個繞組具有相同的電阻和電感。一個霍爾效應(yīng)傳感器被用于測量電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速。輸入是單相兩線制220V/60Hz電源。輸出被饋送到逆變器上的兩個端子。

PC接口運行Magtrol的M-Test 7軟件?？?a href="http://www.socialnewsupdate.com/v/tag/1315/" target="_blank">編程控制器把軟件中的測試設(shè)置應(yīng)用到測功機(jī)上，并讀取所施加的轉(zhuǎn)矩。功率分析儀讀取和記錄所有其它讀數(shù)。

從轉(zhuǎn)矩測試開始，我們明顯發(fā)現(xiàn)，若滿足電機(jī)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，則頻率在50至60 Hz之間時電機(jī)擁有約0.75 Nm的最高啟動轉(zhuǎn)矩。頻率高于和低于60 Hz時轉(zhuǎn)矩較低。然而，低頻率并不能產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)矩曲線。頻率低于60 Hz就需要微調(diào)電壓頻率比，以避免造成電機(jī)損耗和電機(jī)驅(qū)動的不準(zhǔn)確。在最大電壓下，應(yīng)保持頻率低于60 Hz。

低頻會導(dǎo)致電感阻抗減小。對這一降低的阻抗施加高電壓，則會提高定子電流，從而產(chǎn)生更高的轉(zhuǎn)矩。此時需要進(jìn)行微調(diào)來確保轉(zhuǎn)矩曲線為線性。

兩種方法產(chǎn)生的曲線形狀大有不同。電容方法的啟動轉(zhuǎn)矩更大一點，而且在60 Hz時比逆變器配電盤加速更快。逆變器配電盤產(chǎn)生的是類似于D類設(shè)計電機(jī)的曲線，而PSC運行拓?fù)洚a(chǎn)生的是類似于A類的轉(zhuǎn)矩曲線。由固定電容引起的不等電壓幅度又造成了定子內(nèi)勵磁磁通的不等幅度。由于這種特殊電機(jī)各個繞組的阻抗相同，逆變器配電盤試圖在各個繞組創(chuàng)建等量的電流。因為驅(qū)動拓?fù)浯嬖谶@些差異，轉(zhuǎn)矩曲線的形狀并不相似。

現(xiàn)在來看看當(dāng)轉(zhuǎn)子被鎖住時的啟動轉(zhuǎn)矩，如果設(shè)置逆變器只在調(diào)制頻率為60 Hz時轉(zhuǎn)動電機(jī)，那么逆變器就無法帶動與PSC方法相同大小的負(fù)載。然而，逆變器配電盤可以使用變頻驅(qū)動來帶動更大的負(fù)載。設(shè)計人員必須還要權(quán)衡大的啟動轉(zhuǎn)矩與效率和速度之間的關(guān)系。

控制電壓和頻率最明顯的好處就是設(shè)計人員可以控制電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速。它旋轉(zhuǎn)的越快，負(fù)載就能越早被推挽至最終值。對于車庫門或門控系統(tǒng)應(yīng)用而言，這將是一個關(guān)鍵的設(shè)計中標(biāo)亮點。

逆變器配電盤

因此，逆變器配電盤使得電機(jī)的性能優(yōu)于采用PSC方法驅(qū)動的相同電機(jī)。PSC方法只能以一個頻率驅(qū)動電機(jī)，所以轉(zhuǎn)速無法超過其同步轉(zhuǎn)速。

逆變器配電盤可以被構(gòu)建成一個特定于應(yīng)用的平臺而非一個通用演示板。然而，它提供了很多輸入和輸出（I/O）接口以便用戶操作和修改。逆變器被設(shè)計成可以驅(qū)動單相或三相交流感應(yīng)電機(jī)。配電盤概觀如圖4所示，使用了Microchip的PIC16F1509單片機(jī)。

圖4：整個系統(tǒng)的頂層概觀

該配電盤在設(shè)計時考慮到了靈活性，因此可以選擇使用或不使用其中的某些特性來達(dá)到最優(yōu)化的目的。大部分I/O接口使用默認(rèn)代碼，但是仍然有足夠的空間允許開發(fā)人員進(jìn)行自定義修改。I2C線路也可以自由添加任意從設(shè)備。

部分I/O接口可以通過多路復(fù)用方式共用一個引腳，以此來增加可以使用的I/O接口數(shù)量。通過兩個四通道光電耦合器和一個單通道光電耦合器，可獨立滿足各用戶接口的要求。

配電盤提供兩個開關(guān)按鈕和兩個電位器。同時，另有連接插頭用于連接外部I/O，比如車庫門開啟觸發(fā)傳感器。這兩個電位器光電耦合電路中的晶體管工作在其放大區(qū)。由于光耦LED不具有線性I-V曲線，因此輸出是近似線性的。每個電位器會消耗30 mA范圍內(nèi)的大電流。

數(shù)字按鈕和輔助輸入均已配置為電平變化中斷輸入（IoC）。這使得CPU無需不停檢查引腳的電壓電平。無論何時檢測到一個IoC，都必須讀取ADC讀數(shù)來確定是哪一個輸入引起的中斷。

運行

當(dāng)PIC16F1509單片機(jī)進(jìn)行引腳初始化并停止電機(jī)時，電機(jī)處于空閑狀態(tài)。當(dāng)啟動按鈕被按下時，電機(jī)使用軟啟動方法開始運轉(zhuǎn)，以線性方式調(diào)節(jié)頻率和電壓，以便電機(jī)可以緩慢提升到運行速度。當(dāng)軟啟動操作完成時，電機(jī)便轉(zhuǎn)到了運行狀態(tài)。

在主控制循環(huán)內(nèi)，電機(jī)速度和電流跳變點會被不斷查詢。一旦檢測到過流現(xiàn)象，電機(jī)就會被停止，而LED狀態(tài)燈會閃爍以提示出現(xiàn)故障。通常會使用剎車按鈕或軟停止來使電機(jī)停止運行返回到空閑狀態(tài)。

結(jié)論

用于車庫門等應(yīng)用的交流感應(yīng)電機(jī)可選擇由逆變器配電盤代替?zhèn)鹘y(tǒng)電容來驅(qū)動。這使我們只需要較低的成本就可以為電機(jī)添加速度控制和軟啟動功能。該逆變器配電盤采用了Microchip的PIC16F1509 8位單片機(jī)。