一种低谐波交流电机控制器
技术领域
本实用新型涉及一种低谐波交流电机控制器，特别是涉及一种由本发明提供的交流电机控制电路。
背景技术
目前常用的电机输出功率控制电路如图1所示，改变双向可控硅T1的导通角θ，便可实现对电机的交流电压进行调节。在电源上端为正的半周内，在控制角α的时刻触发T1正向导通，当电源电压过零时T1自行关断；同理在下半周时电源上端为负，从电压过零点开始，延迟同样的控制角α触发T1反向导通，于是在电机上得到与上半周对称的缺角正弦波。当电源电压过零时T1自行关断。这样在一个周期内，T1在正、负半周各被触发导通一次，于是在电机上得到如图2所示的交变电压。改变控制角α,就可调节输出交流电压的大小，当α由0°变至180°时，输出电压值便由交流电源电压Uo下降至零。加在电机上的交流电压Uo与控制
C2 D1R1
T1
C1R2 M
RP1
图1 U
U2
ωt
α θ α θ
图2 LN 1
说 明 书
角α的关系如式（1）：
0； (2nπ<ωt≤2nπ+α 或 (2n+1)π<ωt≤(2n+1)π+α)
Uo= U2Sinωt；(2nπ+α<ωt≤(2n+1)π 或 (2n+1)π+α<ωt≤2(n+1)π)
（n=0，1，2………）
（1）
其有效电压值为：
U=U2×√1÷2π×sin2α+(π-α)÷π ……………(2)
由上可知只要调节控制角α，即可改变电机的电压值，达到控制电机输出功率的目的。
在图1所示的电路中，只要通过调节电位器RP1的大小改变C2的充放电时间，就可获得不同的控制角α。
采用这种移相控制方法来实现的电机功率控制，由于输出的交流电压在正、负半周完全对称，用傅立叶级数对其展开，谐波成份主要表现为奇次波，在电机功率较小时，谐波值都能达到电磁兼容性（EMC）标准要求。但当电机功率增大后（如：大于1400W），通过测试发现只有在前控制角α较小时，谐波电流值还能达到EMC标准要求，α增大时谐波值明显加大，当α达到90°时谐波最大，严重超出EMC标准要求。因此，采用图1所示的普通可控硅移相控制电路，对大功率交流电机进行控制是无法满足EMC标准要求的。
针对上述情况有人提出了一种对相邻二个正弦波的导通角进行互补控制，避开产生高值谐波导通角的算法。这种控制算法的主要原理是，对加在交流电机两端的交流电压以720°为一个控制周期，对前两个180°半周和后两个180°半周分别采用不同的控制角，这样得到的交流电压波形如图3所示，加在电机上的交流电压Uo与控制角α、α1的关系如式（3）：
U2 ωt
α θ α θ θ1 α1 α1 θ1
图3
0； (2nπ<ωt≤2nπ+α或 (2n+1)π<ωt≤(2n+1)π+α或
2(n+1)π<ωt≤2(n+1)π+α1或 (2(n+1)+1)π<ωt≤(2(n+1)+1)π+α1)
Uo=
U2Sinωt；(2nπ+α<ωt≤(2n+1)π 或 (2n+1)π+α<ωt≤2(n+1)π或
2(n+1)π+α1 <ωt≤(2(n+1)+1)π或 (2(n+1)+1)π+α1) <ωt≤2(n+2)π
（n=0，1，2………）
（3）
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说 明 书
用傅立叶级数对上式展开，其谐波既有奇次波又有偶次波，只不过幅值不同而已。如能控制好α与α1之间的关系，就能有效地降低谐波电流强度使其符合EMC标准要求，并使电机的输出功率基本连续可调。该控制方法的优点是不用改动电机结构，只要增加少许成本，就可有效地降低谐波电流值。但是它所采用的还是移相控制的方法，当功率大到一定程度时还有可能产生高频电磁波幅射给无线电或其他设备带来干扰。这种交流电机的控制方法在欧洲已有一家德国公司申请了专利，其专利号为EP0859452A1。
发明内容
本发明的目的是提供一种解决前述问题的方案，并且提供一种实现该方案的具体电路，以实现对交流电机进行输出功率控制，达到大大减小谐波和电磁波辐射的目的，并在满足EMC标准要求的谐波限定值内，控制大功率交流电机（如2000W）输出基本连续可调的功率。
本发明的原理是，用过零触发的方法通过改变在设定的周期内周波的导通数来改变双向可控硅输出的平均电压。在设定的周期内导通的周波数愈多，则输出的平均电压愈高，反之则愈小。用这种方法控制双向可控硅输出的有效电压值如式（4）：
Ud= √(n÷(f×T)) ×U …………………………………………（4）
Ud…………………输出的有效电压；
n……………………设定周期内的周波数； f……………………电源频率； T……………………设定的周期；
U……………………电源的有效电压值；
从式（4）分析可知设定的周期愈长则调节愈细，但设定的周期过长会引起调节灵敏度降低，因此一般取四到六个周波时间为设定的周期，然而这样调节输出的电压值是不连续的，因此用过零触发控制虽然能有效地解决谐波干扰，但要达到输出功率基本连续可调还很困难。从前面的分析我们可以发现，在移相控制中当控制角α较小时，谐波值还是能达到EMC标准要求，因此我们将过零触发控制和移相控制两者结合起来，充分利用过零触发谐波干扰小，不会产生高频电磁波幅射的优点与移相控制电压连续可调的长处，扬长避短，达到低谐波交流电机功率控制的目的。根据此原理得到的输出电压波形如图4所示，其输出的有效电压值各为：
Ud= √2÷(f×T) ×U×√1÷2π×sin2α+(π-α)÷π ………………4-a Ud= √2÷(f×T) ×U ……………………………………………………4-b Ud= √3÷(f×T) ×U×√1÷2π×sin2α+(π-α)÷π ……………4-c Ud= √3÷(f×T) ×U ………………………………………………… 4-d Ud= U×√1÷2π×sin2α+(π-α)÷π …………………………4-e
Ud= U ………………………………………………………………4-f
要实现基于上述原理的低谐波交流电机功率控制，涉及到大量的逻辑和算术运算，常用的可控硅控制电路实现起来相当困难，如开发专用的大规模集成电路，使必会大大增加控制器的成本。为此我们采用了单片微处理机（MCU）作为整个控制器的核心，配以专用的控制
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说 明 书
α
T α α α a b c d e π 2π 3π 4π 5π 6π 7π 8π f 图4 4
说 明 书
软件，将硬件与软件有机地结合，在保证控制器性能、功能和可靠性的前提下最大限度地降低控制器成本。本控制器的原理框图如图5所示，它包括MCU、过零检测电路、控制输入电 控制器 交流电源 可交流电机 可控硅 过零检测电路 控 硅MCU 驱 控制输入电路 动 电 路 电源电路
图5
路、电源电路、可控硅驱动电路和双向可控硅等组成。电源电路的功能是为整个控制器提供+5V的直流工作电压；过零检测电路将交流正弦波转换成方波信号输入到MCU外中断口，当交流电压过零时，使MCU中断产生事件；控制输入电路的功能是将接收到的电机输出功率设定值传送给MCU，控制输入电路可接收三种输入信号，分别是：按键信号、红外遥控信号和电位器设定信号； MCU在接收到由过零检测电路传来的中断事件后，按电机输出功率设定值的要求，通过运算由输出口输出相应的控制触发脉冲，经可控硅驱动电路，控制双向可控硅通、断以达到控制电机输出功率的目的，控制器的程序流程如图6所示。
开始 程序主流程
初始化
输出功率设定 读取设定输出功率 输出功率控 制运算 交流过零信号
触发脉冲输出 结束 图6-a
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说 明 书
输出功率控制运算 开始 输出功率判别 <50% =50% ≥50% <75% =75% >75% 导通二个周波，并计算控制角 导通二个周波 导通三个周波，并计算控制角 导通三个周波 导通四个周波，并计算控制角 存贮控制数据 结束 图6-b 控制器的电原理图如图7所示，1V1、1V2和1R3为过零检测电路；N1、C1、1S1、1S2
为控制输入电路；1R8、1R9、1R10和1V5为可控硅驱动电路；1V4为双向可控硅；1R11、1R12、1C6、1C7、1C8、1C9、1V6、1V7和1V8为电源电路； 1D1为MCU，其它电路为MCU的外围电路。
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说 明 书
1H11C233pF+5V1C110μF/16V1R120kΩGND1V11N4148GND1R3150kΩ1V21N4148236789111G16MHz1C333pF5411H21R2330Ω+5V+1D189C2051XTAC1XTAC2RESP3.0(RX)P3.1(TX)P3.2(INT0)P3.3(INT1)P3.4(T0)P3.5(T1)P3.7P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.712131415161718191H31H4+5V1H5GND1S11S21R4330ΩSP1GNDGNDGND+5VN1+C110μF/16V1R52.2kΩ1R610kΩ+1R7150kΩ1C410μF/16VGNDGND1V31N41481V4BTA12/16220VX11C50.15μF/250VGND1R10220Ω1R810kΩ1V590151R910kΩM1X2GND220VX31R12150Ω+5VAC 220V~240V1V61N40071C60.68μF/400V1C7220μF/16V1V71N4007+1V84732+1C8100μF/16V1C90.1μF/63VX41R1110ΩGND图7 7
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