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[摘 要]随着我国农村现代化水平的不断提高，各式各样的机电一体化工具在生产、生活中广泛应用。单相异步电动机因其供电方便、价格便宜、体积小巧，成了拖动小功率负载设备的电动机首选，但因诸多因素使得这类电动机在实际应用中故障频发、性能低下、极易烧毁。如果以单片机作为运算控制器，用通用IGBT搭建逆变电路，将通用变频器功能进行选择性地移植。设计一种适用于绝大多数单相异步电动机的变频驱动器，将使单相异步电动机的可靠性、使用寿命和机械性能大幅提升，这对单相异步电动机更好地服务于我国农村现代化建设意义重大。
[关键词]单相异步电动机，变频器，单片机，IBGT
中图分类号：TM306 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）30-0082-01
1 单相双容值异步电动机
单相异步电动机（Single-phase Asynchronous Motor）是以单相～220V电作为供电源的一类电动机。其中单相电容起动与运转异步电动机因启动速度快、启动转矩大、综合性能好等特点，在农村小型化农业生产设备中应用最为广泛，众多厂商也将其简称为单相双容值异步电动机。
1.1 结构和原理
单相双容值异步电动机的结构和普通三相异步电动机非常相似，其工作原理是：电动机停止状态时离心开关常闭触点闭合，当单相220V正弦电源接通后，由于启动电容和运行电容的存在，使得启动绕组中电流相位和运行绕组中电流相位相差90度，又因为电动机内部启动绕组和运行绕组在空间上相差90度，这样在空间中产生两相旋转磁场，在旋转磁场作用下转子获得转动力矩；待电机转速提升到一定数值，离心开关自动将启动电容断开，致使启动绕组中的电流下降到正常运转范围，电动机完全进入正常运转状态，切断电源后电机随惯性自由减速停车。
1.2 常见故障及原因分析
在农村单相双容值异步电动机被大量应用于压面机、和面机、粉碎机、铡草机、玉米脱皮机、玉米脱粒机、小型搅拌机和三角提升机等生产设备中。大量的农村电气设备维修实践中发现这类电机常见故障及原因如下：
1）启动电容器爆裂：启动电流过大或启动过于频繁，使电解电容发生极间击穿短路。
2）运转电容器失容：电机长期过载、过热或启动绕组匝间短路，加速运行电容老化。
3）离心开关触点烧毁：电源电压不稳、电机堵转、频繁启动、长时间过载或运转电容器失容，使离开关在大电流状态下频繁动作，加速触点老化至其烧毁。
4）启动绕组匝间短路：启动负荷过重或长期过载使用，电机运行温度过高导致启动绕组绝缘层老化、破损。
5）绕组全部烧毁：电源电压较低、超负荷使用或绕组间发生短路。
2 变频调速技术及两相变频器
2.1 变频调速原理
变频调速技术是通过交-直-交变换改变三相电源的频率和电压，实现电动机转速、转矩与功率的精细化控制，已经历了数十年的发展，各项技术相比非常成熟，功能日益完善，是交流异步电动机驱动器的发展主流。
2.2 变频驱动的特点
变频器驱动器可以根据电动机实际需要调节电源的电压和频率，具有软件正反转、软启动、自动制动和过流、过压、过载、过温、漏电等保护功能。如果将此项技术应用于单相异步电动机，会使其性能在以下几方面得到大幅提升：
1）采用U/F恒转矩方式启动，将会大幅降压启动电流、提高启动转矩、缩短启动时间，从而减少启动过程发热、增强电机过载能力、延长设备使用寿命、提高整机工作效率。
2）变频驱动单元替代了“双电容+离心开关”启动机构，使电动机结构简化、维护方便、可靠性大幅提升。
3）利用变频驱动器使电动机在空载（轻载）时以恒功率方式运行，转速高于额定转速10%左右，借助传动机构转动惯量储存一部分机械能；当负荷增大时使电动机以恒转矩方式运行，转速降低转矩提升（约15%）；负荷突变瞬间机械储存或者释放，使设备的平稳性更好、过载能力更强。
3 单相异步电动机变频驱动器
3.1 硬件结构与原理
两相变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动、检测电路和运算控制单元组成。整流、滤波和逆变电路构成强电回路，将单相交流220V电源先转换为直流并进行平滑、滤波，然后由IGBT构成的“双H桥”电路在单片机的控制下逆变为相应频率和伏值的两相交流电压；制动电路在电动机停止过程中发挥作用，利用直流能耗制动原理迫使电动机迅速停车；检测电路时时测量系统输入、输出和中间环节关键点的电压与电流，单片机根据这些测量数据计算系统控制参数，使系统正常工作的同时实现设备的各种智能保护；运算控制单元的核心是单片机，其作用是根据程序对检测电路传回的信号进行处理，计算和输出各种控制信号，是整个系统的大脑。
3.2 算法与程序设计
两相变频器的单片机控制程序中，最核心的部分是“IGBT双H桥”驱动程序，其主要功能是输出4路同步SPWM脉冲信号，实现两相交流电源电压和频率在一定范围内连续、独立且精确可调。当频率F0确定时正弦信号的幅值和输出两相交流电源电压之间呈单值函数关系；定时器T0的TH0和TL0寄存器初值与输出电源频率也存在线性关系。其算法的基本思路是：正弦信号和调制信号进行比较，得到SPWM脉冲序列，再由单片机的定时器T0产生单位时间信号，根据单位时间信号将SPWM序列从四个I/O口同步输出，经功率放大电路控制IGBT的导通与截止。频率为F0、2*F0及电压为100%和60%几种组合情况下SPWM脉冲信号如图1所示：
4 总结
本文通过对单相双容值异步电动机的工作原理、常见故障及其原因分析，归纳出了这类电动机故障多、容易烧和性能低的主要原因；紧紧围绕这些缺点在通用变频技术中找到了改进和优化思路；最后通过算法设计、信号与电路仿真，探索出了一种以51单片机和通用IGBT为核心的两相变频器设计思路；如果用此变频器作为单机异步电动机的驱动器，将对单相异步电动机综合性能提升产生重大促进作用。
参考文献
[1] 李敬梅.《电力拖动控制线路与技能训练》[M].4版.中国劳动社会保障出版社.2002.
[2] 百度百科.《单相电动机》[EB/OL]. http：//baike.baidu.com/view/2437194.htm？fr=aladdin.
[关键词]单相异步电动机，变频器，单片机，IBGT
中图分类号：TM306 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）30-0082-01
1 单相双容值异步电动机
单相异步电动机（Single-phase Asynchronous Motor）是以单相～220V电作为供电源的一类电动机。其中单相电容起动与运转异步电动机因启动速度快、启动转矩大、综合性能好等特点，在农村小型化农业生产设备中应用最为广泛，众多厂商也将其简称为单相双容值异步电动机。
1.1 结构和原理
单相双容值异步电动机的结构和普通三相异步电动机非常相似，其工作原理是：电动机停止状态时离心开关常闭触点闭合，当单相220V正弦电源接通后，由于启动电容和运行电容的存在，使得启动绕组中电流相位和运行绕组中电流相位相差90度，又因为电动机内部启动绕组和运行绕组在空间上相差90度，这样在空间中产生两相旋转磁场，在旋转磁场作用下转子获得转动力矩；待电机转速提升到一定数值，离心开关自动将启动电容断开，致使启动绕组中的电流下降到正常运转范围，电动机完全进入正常运转状态，切断电源后电机随惯性自由减速停车。
1.2 常见故障及原因分析
在农村单相双容值异步电动机被大量应用于压面机、和面机、粉碎机、铡草机、玉米脱皮机、玉米脱粒机、小型搅拌机和三角提升机等生产设备中。大量的农村电气设备维修实践中发现这类电机常见故障及原因如下：
1）启动电容器爆裂：启动电流过大或启动过于频繁，使电解电容发生极间击穿短路。
2）运转电容器失容：电机长期过载、过热或启动绕组匝间短路，加速运行电容老化。
3）离心开关触点烧毁：电源电压不稳、电机堵转、频繁启动、长时间过载或运转电容器失容，使离开关在大电流状态下频繁动作，加速触点老化至其烧毁。
4）启动绕组匝间短路：启动负荷过重或长期过载使用，电机运行温度过高导致启动绕组绝缘层老化、破损。
5）绕组全部烧毁：电源电压较低、超负荷使用或绕组间发生短路。
2 变频调速技术及两相变频器
2.1 变频调速原理
变频调速技术是通过交-直-交变换改变三相电源的频率和电压，实现电动机转速、转矩与功率的精细化控制，已经历了数十年的发展，各项技术相比非常成熟，功能日益完善，是交流异步电动机驱动器的发展主流。
2.2 变频驱动的特点
变频器驱动器可以根据电动机实际需要调节电源的电压和频率，具有软件正反转、软启动、自动制动和过流、过压、过载、过温、漏电等保护功能。如果将此项技术应用于单相异步电动机，会使其性能在以下几方面得到大幅提升：
1）采用U/F恒转矩方式启动，将会大幅降压启动电流、提高启动转矩、缩短启动时间，从而减少启动过程发热、增强电机过载能力、延长设备使用寿命、提高整机工作效率。
2）变频驱动单元替代了“双电容+离心开关”启动机构，使电动机结构简化、维护方便、可靠性大幅提升。
3）利用变频驱动器使电动机在空载（轻载）时以恒功率方式运行，转速高于额定转速10%左右，借助传动机构转动惯量储存一部分机械能；当负荷增大时使电动机以恒转矩方式运行，转速降低转矩提升（约15%）；负荷突变瞬间机械储存或者释放，使设备的平稳性更好、过载能力更强。
3 单相异步电动机变频驱动器
3.1 硬件结构与原理
两相变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动、检测电路和运算控制单元组成。整流、滤波和逆变电路构成强电回路，将单相交流220V电源先转换为直流并进行平滑、滤波，然后由IGBT构成的“双H桥”电路在单片机的控制下逆变为相应频率和伏值的两相交流电压；制动电路在电动机停止过程中发挥作用，利用直流能耗制动原理迫使电动机迅速停车；检测电路时时测量系统输入、输出和中间环节关键点的电压与电流，单片机根据这些测量数据计算系统控制参数，使系统正常工作的同时实现设备的各种智能保护；运算控制单元的核心是单片机，其作用是根据程序对检测电路传回的信号进行处理，计算和输出各种控制信号，是整个系统的大脑。
3.2 算法与程序设计
两相变频器的单片机控制程序中，最核心的部分是“IGBT双H桥”驱动程序，其主要功能是输出4路同步SPWM脉冲信号，实现两相交流电源电压和频率在一定范围内连续、独立且精确可调。当频率F0确定时正弦信号的幅值和输出两相交流电源电压之间呈单值函数关系；定时器T0的TH0和TL0寄存器初值与输出电源频率也存在线性关系。其算法的基本思路是：正弦信号和调制信号进行比较，得到SPWM脉冲序列，再由单片机的定时器T0产生单位时间信号，根据单位时间信号将SPWM序列从四个I/O口同步输出，经功率放大电路控制IGBT的导通与截止。频率为F0、2*F0及电压为100%和60%几种组合情况下SPWM脉冲信号如图1所示：
4 总结
本文通过对单相双容值异步电动机的工作原理、常见故障及其原因分析，归纳出了这类电动机故障多、容易烧和性能低的主要原因；紧紧围绕这些缺点在通用变频技术中找到了改进和优化思路；最后通过算法设计、信号与电路仿真，探索出了一种以51单片机和通用IGBT为核心的两相变频器设计思路；如果用此变频器作为单机异步电动机的驱动器，将对单相异步电动机综合性能提升产生重大促进作用。
参考文献
[1] 李敬梅.《电力拖动控制线路与技能训练》[M].4版.中国劳动社会保障出版社.2002.
[2] 百度百科.《单相电动机》[EB/OL]. http：//baike.baidu.com/view/2437194.htm？fr=aladdin.