一种提高外转子交流电机控制可靠性的方法

一种提高外转子交流电机控制可靠性的方法

袁华祥

珠海格力电器股份有限公司广东珠海519070

摘要：本文将从硬件电路器件设计选型和软件设计2个方面来阐述并提出一种可靠性较高的外转子交流电机控制方法。

关键词：硬件；软件；交流电机；控制；可靠性

引言

在空调应用中，外转子交流电机是一种常规的交流电机，但其受到结构空间的限制，无法做成抽头的形式，所以无法通过抽头进行调速，且电机出厂时只有一个额定电压，这些因素决定了其只能选择可控硅调速或电容调速两种调速办法。综合考虑可控硅调速可能存在斩波噪音问题及成本问题，最终本文将以电容调速为例进行外转子电机控制的可靠性设计进行分析研究。

1、外转子交流电机的调速原理

在电源频率不变的前提下，电源电压的变化将会影响外转子交流电机的转速，电压越高，转速越高，功率也越高，这是外转子交流电机电容调速的理论基础。

外转子交流电机电容调速原理，就是通过不同的调速电容的阻抗与外转子交流电机本身的阻抗对电源电压进行分压的方法来改变外转子交流电机的分电压，从而改变其转速，其等效电路图如下图1所示。具体实现方式就是在外转子交流电机的其中一根电源线上串入控制开关（如继电器等）和调速电容，通过控制开关的闭合与断开来实现外转子交流电机的运行状态控制，如下图2所示为两档风速控制的外转子交流电机简化原理图，开关K1、开关K2同时断开时，电机停止；开关K1闭合时（开关K2开关状态不限），电机以高档运行；开关K1断开、开关K2闭合时，电机以低档运行。如果假定控制部分的阻抗（主要是调速电容的阻抗）为RC，外转子交流电机的阻抗为RZ,电源电压为E，则外转子电机上的电压U可以表示为：

图2两档风速外转子交流电机控制简化原理图

2、外转子交流电机控制的可靠性分析

2.1、理论分析本文中外转子交流电机的继电器控制方式的可靠性

由于开关器件（本文开关控制器器件为继电器）实际应用于控制感性负载（外转子交流电机），根据感性负载的ξ=-（di/dt）*L原理，在电流突变时会出现反向电动势，所以理论上推测在继电器断开瞬间（电流瞬间变为0，di/dt将非常大），开关继电器的触点两端会出现很高的感应电压，由于断开瞬间继电器触点还相距非常近，该反向电动势能够击穿触点之间的空气而产生拉弧进而烧熔触点材料，若继电器动弹片的回弹力不够时触点将无法完全脱离接触,于是动静触点被拉在一起且熔融材料结合冷却后形成触点粘连，导致负载不受控甚至可能烧毁。

2.2、实际测试本文中开关器件——继电器两强电触点之间在动作时的电流、电压波形

图3开关继电器动作时两触点之间电流、电压波形

从实际波形数据测试的结果来看：吸合时能捕捉到3~6A的冲击电流，稳态电流0.6A左右，断开时有明显的反向电动势，峰值电压580V左右，持续时间为1.27ms。该反向电动势已经远超继电器的额定电压250VAC，有导致在继电器触点之间出现拉弧将触点烧熔而出现粘连熔焊的风险。

3、提出提高外转子交流电机控制可靠性的措施

基于上述理论分析及实际测试的结果，建议从如下2个方面来提高外转子电机控制的可靠性：

（1）硬件电路设计上：开关控制器件（本文中为继电器）最好选用耐冲击性继电器（同时辅助以RC吸收电路设计），如可以参考选用带TV-5认证的继电器。

（2）对于多档位控制的外转子电机，软件设计上应该避免多个开关继电器之间直接进行“硬切换”，而要在多档位开关继电器之间切换时给予一定的延时处理，即实现多档位开关继电器之间的“软切换”。

4、实际实验验证所提出的措施的效果

设置如下实验：

(1)相同的负载、相同的电源、相同的实验环境下让风机不停的做循环风档动作的长期寿命实验

(2)实际测试对比记录如下表格的实验内容（主要以选取继电器和功能切换方式为主要影响因素）

以上控制逻辑是在同一条件下进行的，通过试验对比：在硬切换逻辑中，继电器触点冲击电流非常大，测试到的最大电流达到32.875A左右，这是由于在切换过程中，电容未完全放电，而与此同时闭合另一档位的风机继电器，该档位冲击电流与前档位的冲击电流叠加到到了一起，导致电流冲击峰值非常大；而在带延时切换的逻辑中，继电器的冲击电流明显小了很多，基本都在10A以下，偶尔出现＞10A的尖峰，这是因为档位切换时，要先将该档位电容通过电阻放电，然后再开启下一档位，这种错开的电流峰值没有叠加到一起，所以电流冲击电流就小。

如下2图，选取了一组相同的继电器在不同的控制逻辑条件下测试到冲击电流的情况：左图3是档位继电器之间切换时软件上没有做延处理（“硬切换”）时的冲击电流为32.875A，而右边图4是软件上做了延时处理（“软切换”）时的冲击电流仅为6.9375A。

上述寿命试验中选择的抗电流冲击的继电器的抗电流能力达75A且是通过TV-5认证的，普通的继电器的其他电参数（除耐电流冲击能力外）与抗电流冲击的TV-5继电器的参数一致，实验的结果是：“硬切换”逻辑的TV-5继电器在抗冲击试验过程可以冲击7万次左右时，高档位继电器出现粘连情况，低风档继电器还正常；而普通的非抗电流冲击的继电器在冲击寿命实验不到1万次时就出现了两个风档控制继电器均失效粘连情况；而带延时“软切换”方案的普通非抗电流冲击的继电器在冲击到8万次左右高风档继电器出现粘连失效情况，低风档继电器任然正常；TV-5的抗电流冲击继电器配合延时“软切换”方案在实验冲击到10万次左右时还未出现异常情况，初步认为耐冲击电流继电器配合“软切换”式软件功能可以达到预期的较高的可靠性目的。

5、结语

（1）外转子交流电机为感性负载，在控制过程中要避免可能产生的较大冲击电流直接对控制器件的冲击。

（2）由于外转子交流电机为感性负载，其控制硬件开关（如本文中继电器）需要建议选用耐冲击性控制开关继电器，如可以选用有TV-5认证的继电器，同时辅以RC吸收电路来提高外转子电机硬件控制电路控制的可靠性。

（3）涉及多档位控制的外转子电机，在软件控制设计上要实现多档位开关继电器之间的软“切换换”以降低开关继电器之间切换时的冲击电流，提高外转子电机控制的可靠性。

（4）以上方案软件实现模块化独立、可移植性强，易被其他同类设计移植借用；硬件设计方案简洁通用型强且综合成本适宜。

参考文献：

[1]许实章.电机学：下册[M].北京：机械工业出版社，1981:292-300.

[2]刘竞成.交流电机调速系统[M].上海：上海交通大学出版社，1984.

[3]李霞彪，徐金玲，黄良.电磁继电器触点动熔焊机理分析[J].低压电器，2007（5）：1-4.