CN113315447B - Spim电机驱动电路及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种SPIM电机驱动电路及方法，包括第一绕组驱动单元和第二绕组驱动单元；所述第一绕组驱动单元用于驱动所述第一绕组；所述第二绕组驱动单元包括驱动单元、交流单元和开关单元，用于在所述开关单元的控制下，基于所述驱动单元或所述交流单元驱动所述第二绕组。本发明的SPIM电机驱动电路及方法能够实现较小的启动电流和较小的能量损耗，且电机运行时驱动器仅需提供SPIM电机所需的部分能量，且能够实现驱动控制和电网控制的热切换。

Description

SPIM电机驱动电路及方法
技术领域
本发明涉及单相异步电机(Single Phase Induction Motor，SPIM)，特别是涉及一种SPIM 电机驱动电路及方法。
背景技术
SPIM电机是指采用单相交流电源的异步电动机。由于只需要单相交流电，故SPIM电机具有使用方便、应用广泛、结构简单、成本低廉、噪声小、对无线电***干扰小等优点，因而常用在功率不大的家用电器和小型动力机械中，如电风扇、洗衣机、电冰箱、空调、抽油烟机、电钻、医疗器械、小型风机及家用水泵等。
现有技术中，SPIM电机通常由定子、转子、轴承、机壳、端盖等构成。由于输出功率不大，SPIM电机的转子通常采用鼠笼型转子，定子上有一套工作绕组，称为主绕组(Main，简称为M绕组)，其在电动机的气隙中，只能产生正、负交变的脉振磁场，不能产生旋转磁场，故不能产生起动转矩。为了使电动机气隙中能产生旋转磁场，定子上还需要有套辅助绕组(Aux，简称为A绕组)。由于辅助绕组产生的磁场与主绕组的磁场在电动机气隙中合成产生旋转磁场，故电动机产生起动转矩，使得转子能够自行转动起来。
现有技术中的SPIM电机的启动方式如图1所示。但该方式下，主绕组启动电流过大，为额定电流的5-10倍，导致SPIM电机发热严重，造成了能源浪费。
SPIM电机启动后即开始进入运行状态，此时电容可保持如图1所示的连接方式，也可以采用如图2所示的部分连接方式，还可以采用如图3所示的仅主绕组连接方式。但是，上述SPIM电机运行方式下，由于SPIM电机设计本身不能保证启动与运行同时满足最优工作点，且电机磁链一般为椭圆形，故会导致转矩和转速波动，能耗较大；同时无法根据负载情况来调整控制所述SPIM电机处于最优工作点，也导致能耗较大。
当SPIM电机采用电力电子器件后，其可采用如图4-6所示的多种运行方式，具有启动电流小、磁链稳定控制、转速转矩波动小、能量损耗小、转速稳定控制等优点。但是， SPIM电机的所有能量均来自于驱动器，导致驱动器需要承受全部的电机功率。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种SPIM电机驱动电路及方法，能够实现较小的启动电流和较小的能量损耗，仅需提供SPIM电机所需的部分能量，且能够实现驱动控制和电网控制的热切换。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种SPIM电机驱动电路，包括第一绕组驱动单元和第二绕组驱动单元；所述第一绕组驱动单元用于驱动所述第一绕组；所述第二绕组驱动单元包括驱动单元、交流单元和开关单元，用于在所述开关单元的控制下，基于所述驱动单元或所述交流单元驱动所述第二绕组。
于本发明一实施例中，所述第一绕组驱动单元采用交流电源。
于本发明一实施例中，所述第一绕组驱动单元包括整流单元、直流母线和逆变单元。
于本发明一实施例中，所述驱动单元包括倍压整流单元、直流母线和半桥逆变单元；所述交流单元采用输入交流电，所述开关单元包括第一开关和第二开关；所述倍压整流单元与所述直流母线相连，所述直流母线与所述半桥逆变单元相连，所述半桥逆变单元通过所述第一开关与所述第二绕组的第一端相连，所述第二绕组的第二端经过所述直流母线的中性点与所述输入交流电的一端相连，所述输入交流电的另一端通过所述第二开关与所述第二绕组的第一端相连。
于本发明一实施例中，所述半桥逆变单元采用两电平半桥逆变器或三电平半桥逆变器；所述倍压整流单元采用单相倍压整流电路。
于本发明一实施例中，所述直流母线采用两组串联的电解电容或电池。
于本发明一实施例中，所述驱动单元包括整流单元、直流母线和逆变单元，所述交流单元采用输入交流电，所述开关单元包括第一开关和第二开关；所述整流单元和所述直流母线相连，所述直流母线和所述逆变单元相连，所述逆变单元通过所述第一开关与所述第二绕组相连，所述交流单元通过所述第二开关与所述第二绕组相连。
于本发明一实施例中，所述逆变单元采用两电平逆变器、三电平逆变器。
本发明提供一种SPIM电机驱动方法，应用于上述的SPIM电机驱动电路，包括以下步骤；
基于第一绕组驱动单元驱动所述第一绕组；
SPIM电机启动时，控制第二绕组驱动单元的开关单元，基于第二绕组驱动单元的驱动单元驱动所述第二绕组。
于本发明一实施例中，还包括当所述SPIM电机启动完成或所述驱动单元的开关管发生损坏时，控制所述开关单元，基于所述第二绕组驱动单元的交流单元驱动所述第二绕组。
如上所述，本发明的SPIM电机驱动电路及方法，具有以下有益效果：
(1)启动电流小，启动平稳可控；
(2)能够通过调节绕组的电流，使得第一绕组和第二绕组的合成磁场为圆形，从而减少电机的损耗，提升电机效率；使得转矩转速波动更小，从而减少电机磨损，提升电机寿命；
(3)驱动电路仅需提供电机所需的部分能量，另一部分能量直接由电网提供；
(4)通过开关控制，能够实现SPIM电机的驱动控制到电网控制的热切换，且即使在驱动器开关管发生损坏的情况下，也能够保证SPIM电机的正常运行。
附图说明
图1显示为现有技术中SPIM电机启动电路于一实施例中的结构示意图；
图2显示为现有技术中SPIM电机运行电路于第一实施例中的结构示意图；
图3显示为现有技术中SPIM电机运行电路于第二实施例中的结构示意图；
图4显示为现有技术中SPIM电机控制电路于第三实施例中的结构示意图；
图5显示为现有技术中SPIM电机控制电路于第四实施例中的结构示意图；
图6显示为现有技术中SPIM电机控制电路于第五实施例中的结构示意图；
图7显示为本发明的SPIM电机驱动电路于一实施例中的结构示意图；
图8显示为本发明的SPIM电机驱动电路于另一实施例中的结构示意图；
图9显示为本发明的SPIM电机驱动方法于一实施例中的流程图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
本发明的SPIM电机驱动电路及方法通过将SPIM电机的其中一个绕组上选择性地采用驱动控制和电网控制，实现了由驱动器和电网协同进行SPIM电机所需能量的供给，同时实现了较小的启动电流和较小的能量损耗，极具实用性。其中，所述SPIM电机的第一绕组和第二绕组构成了所述SPIM电机的主绕组和辅助绕组。即所述第一绕组为主绕组或辅助绕组，所述第二绕组为辅助绕组或主绕组。
本发明的SPIM电机驱动电路包括第一绕组驱动单元和第二绕组驱动单元。所述第一绕组驱动单元用于驱动所述第一绕组。所述第二绕组驱动单元包括驱动单元、交流单元和开关单元，用于在所述开关单元的控制下，基于所述驱动单元或所述交流单元驱动所述第二绕组。
下面通过具体实施例来进一步阐述本发明的SPIM电机驱动电路。
实施例一
如图7所示，在该实施例中，所述第一绕组为辅助绕组，所述第二绕组为主绕组。
于本发明一实施例中，所述第一绕组驱动单元1采用交流电源。具体地，所述所述第一绕组驱动单元1与所述SPIM电机2的辅助绕组21相连，通过输入交流电来驱动所述辅助绕组21。优选地，所述一绕组驱动单元1包括交流电源11和电容12。所述交流电源11和所述电容12串联后连接在所述辅助绕组21两端来完成所述辅助绕组21的驱动。
于本发明一实施例中，所述第二绕组驱动单元3包括驱动单元31、交流单元32和开关单元33。所述驱动单元31包括倍压整流单元311、直流母线312和半桥逆变单元313。所述交流单元32采用输入交流电；所述开关单元33包括第一开关S1和第二开关S2。
所述倍压整流单元311与所述直流母线312相连，用于将所述交流单元32的输入交流电 AC转换为直流电，并将所述直流电输入直流母线312。具体地，所述倍压单元311采用单相倍压电路。在该实施例中，所述倍压整流单元311的输入端与电感相连，所述电感与所述输入交流电AC的一端相连，所述倍压整流单元311的两输出端分别与所述直流母线312的两端相连。
所述直流母线312与所述半桥逆变单元313相连，用于将所述直流电输入半桥逆变单元 313。具体地，所述直流母线312的两端分别与所述半桥逆变单元313的两输入端相连，用于承载所述倍压整流单元311生成的直流电，并将所述直流电输入所述半桥逆变单元313。于本发明一实施例中，所述直流母线312采用两组串联的电解电容或电池。
所述半桥逆变单元313通过所述第一开关S1与主绕组22的第一端相连，所述主绕组22 的第二端经过所述直流母线312的中性点与所述输入交流电AC的一端相连，所述输入交流电AC的另一端通过所述第二开关S2与所述主绕组22的第一端相连。具体地，所述半桥逆变单元313的输出端通过所述第一开关S1与所述主绕组22的一端相连，用于将所述直流电转换为交流电，并将所述交流电输入SPIM电机2的主绕组22，以驱动所述主绕组22。于本发明一实施例中，所述半桥逆变单元313采用两电平逆变器或三电平逆变器。
由于设置有所述第一开关S1和所述第二开关S2，通过开关的闭合和断开能够实现所述SPIM电机的驱动控制和电网控制的热切换。
初始状态下，设置所述第一开关S1闭合，所述第二开关S2断开，所述SPIM电机采用驱动控制。当所述SPIM电机驱动完成后，可以设置所述第一开关S1断开，所述第二开关S2闭合，所述SPIM电机由电网驱动。另外，若驱动器开关管发生损坏，通过断开所述第一开关S1，闭合所述第二开关S2仍然可以使得所述SPIM电机正常运行。
实施例二
如图8所示，在该实施例中，所述第一绕组为主绕组，所述第二绕组为辅助绕组。
于本发明一实施例中，所述第一绕组驱动单元包括整流单元、直流母线和逆变单元1a。所述整流单元与所述直流母线相连，用于将输入交流电Vac转换为直流电，并将所述直流电输入所述直流母线。具体地，所述整流单元采用单相不控整流电路、单相BOOST整流电路、图腾柱结构整流电路或倍压整流电路。优选地，所述整流单元可采用两电平整流电路，也可以采用三电平整流电路或多电平整流电路。只要将输入交流电转换为直流电的整流电路均在本发明的保护范围之列。在该实施例中，所述整流单元的两输入端间串联有所述输入交流电Vac和电感，两输出端分别与所述直流母线的两端相连。所述直流母线与所述逆变单元 1a相连，用于将所述直流电输入所述逆变单元1a。具体地，所述直流母线的两端分别与所述逆变单元1a的两输入端相连，用于承载所述整流单元生成的直流电，并将所述直流电输入所述逆变单元1a。于本发明一实施例中，所述直流母线采用电解电容或电池。所述逆变单元1a 与SPIM电机2a的主绕组21a相连，用于将交流电输入所述主绕组21a。其中，所述逆变单元1a的两输出端分别连接在所述主绕组21a的两端，从而驱动所述主绕组21a。于本发明一实施例中，所述逆变单元1a采用两电平逆变器或三电平逆变器。
于本发明一实施例中，所述第二绕组驱动单元包括驱动单元、交流单元和开关单元。所述驱动单元包括整流单元、直流母线和逆变单元3a，所述交流单元采用输入交流电Vac，所述开关单元包括第一开关S1和第二开关S2。优选地，所述驱动单元和所述第一绕组驱动单元共用整流单元和母线单元。
所述逆变单元3a通过所述第一开关S1与辅助绕组22a相连，用于将直流电转换为交流电后经由所述第一开关S1输入所述辅助绕组22a。具体地，所述逆变单元3a的两输出端经过所述第一开关S1后分别连接在所述辅助绕组22a的两端。故当所述第一开关S1闭合时，所述逆变单元3a的输出交流电即可驱动所述辅助绕组22a。于本发明一实施例中，所述逆变单元3a采用两电平逆变器。。
所述交流单元通过所述第二开关S2与所述辅助绕组22a相连，用于将所述输入交流电Vac经由所述第二开关S2输入所述辅助绕组22a。具体地，所述输入交流电Vac可由电网提供，其经过所述第二开关S2连接在所述辅助绕组22a的两端。故当所述第二开关S2闭合时，所述输入交流电即可驱动所述辅助绕组22a。于本发明一实施例中，所述交流单元还包括电容，与所述辅助绕组22a串联后经由所述第二开关S2与所述输入交流电Vac相连。
在所述SPIM电机驱动电路的启动过程中，所述第一开关闭合，所述第二开关断开，所述辅助绕组基于所述驱动单元驱动，所述主绕组基于所述第一绕组驱动单元驱动，从而使得启动电流小，启动效果好。当启动完成后或所述驱动逆变单元损坏时，所述第一开关断开，所述第二开关闭合，所述辅助绕组基于所述交流单元驱动，所述主绕组基于所述第一绕组驱动单元驱动。因此，本发明的SPIM电机驱动电路驱动器仅需提供电机所需的部分能量，另一部分能量直接由电网提供，同时能够实现驱动控制和电网控制的热切换，保证了电路运行的可靠性。
如图9所示，于一实施例中，本发明的SPIM电机驱动电路的驱动方法包括以下步骤；
步骤S1、基于第一绕组驱动单元驱动所述第一绕组。
步骤S2、SPIM电机启动时，控制第二绕组驱动单元的开关单元，基于第二绕组驱动单元的驱动单元驱动所述第二绕组。
于本发明一实施例中，本发明的SPIM电机驱动方法还包括当所述SPIM电机启动完成或所述驱动单元的开关管发生损坏时，控制所述开关单元，基于所述第二绕组驱动单元的交流单元驱动所述第二绕组，从而实现驱动控制到电网控制的热切换。
优选地，本发明的SPIM电机驱动方法还包括调节所述第一绕组和所述第二绕组的电流，使所述第一绕组和所述第二绕组的合成磁场构成圆形，从而降低所述SPIM电机的损坏和磨损，提升所述SPIM电机的能效和寿命。
综上所述，本发明的SPIM电机驱动电路及方法启动电流小，启动平稳可控；能够通过调节绕组的电流，使得第一绕组和第二绕组的合成磁场为圆形，从而减少电机的损耗，提升电机效率；使得转矩转速波动更小，从而减少电机磨损，提升电机寿命；驱动电路仅需提供电机所需的部分能量，另一部分能量直接由电网提供；通过开关控制，能够实现SPIM电机的驱动控制到电网控制的热切换，且即使在驱动器发生开关管损坏的情况下，也能够保证SPIM电机的正常运行。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种SPIM电机驱动电路，其特征在于：包括第一绕组驱动单元和第二绕组驱动单元；
所述第一绕组驱动单元用于驱动所述第一绕组；所述第一绕组驱动单元包括整流单元、直流母线和逆变单元；所述第一绕组为主绕组；
所述第二绕组驱动单元包括驱动控制单元、交流单元和开关单元，用于在所述开关单元的控制下，基于所述驱动控制单元或所述交流单元驱动所述第二绕组；所述第二绕组为辅助绕组；所述驱动控制单元包括整流单元、直流母线和逆变单元，所述交流单元采用输入交流电；
所述开关单元包括第一开关和第二开关，通过开关的闭合和断开能够实现所述SPIM电机的驱动控制和电网控制的热切换；
在所述SPIM电机驱动电路的启动过程中，所述第一开关闭合，所述第二开关断开，所述辅助绕组基于所述驱动控制单元驱动，所述主绕组基于所述第一绕组驱动单元驱动；当启动完成后或驱动逆变单元损坏时，所述第一开关断开，所述第二开关闭合，所述辅助绕组基于所述交流单元驱动，所述主绕组基于所述第一绕组驱动单元驱动。
2.根据权利要求1所述的SPIM电机驱动电路，其特征在于：所述驱动控制单元包括倍压整流单元、直流母线和半桥逆变单元；所述交流单元采用输入交流电；所述倍压整流单元与所述直流母线相连，所述直流母线与所述半桥逆变单元相连，所述半桥逆变单元通过所述第一开关与所述第二绕组的第一端相连，所述第二绕组的第二端经过所述直流母线的中性点与所述输入交流电的一端相连，所述输入交流电的另一端通过所述第二开关与所述第二绕组的第一端相连。
3.根据权利要求2所述的SPIM电机驱动电路，其特征在于：所述半桥逆变单元采用两电平半桥逆变器或三电平半桥逆变器；所述倍压整流单元采用单相倍压整流电路。
4.根据权利要求2所述的SPIM电机驱动电路，其特征在于：所述直流母线采用两组串联的电解电容或电池。
5.根据权利要求1所述的SPIM电机驱动电路，其特征在于：所述整流单元和所述直流母线相连，所述直流母线和所述逆变单元相连，所述逆变单元通过所述第一开关与所述第二绕组相连，所述交流单元通过所述第二开关与所述第二绕组相连。
6.根据权利要求1所述的SPIM电机驱动电路，其特征在于：所述逆变单元采用两电平逆变器、三电平逆变器或多电平逆变器。
7.一种SPIM电机驱动方法，应用于权利要求1-6之一所述的SPIM电机驱动电路，其特征在于：包括以下步骤；
基于第一绕组驱动单元驱动所述第一绕组；
SPIM电机启动时，控制第二绕组驱动单元的开关单元，基于第二绕组驱动单元的驱动控制单元驱动所述第二绕组；
控制开关单元中开关的闭合和断开实现所述SPIM电机的驱动控制和电网控制的热切换。
8.根据权利要求7所述的SPIM电机驱动方法，其特征在于：还包括当所述SPIM电机启动完成或所述驱动控制单元的开关管发生损坏时，控制所述开关单元，基于所述第二绕组驱动单元的交流单元驱动所述第二绕组。
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