单相单档异步电动机采用电容调速的控制方法探讨

邓杏珍

摘要：本文从单相单档异步电动机采用电容调速使用常规控制方法存在的问题进行分析，从而推导出电容调速控制方法的核心问题电容冲击大电流，以如何控制电容冲击大电流为主题进行的控制方法的探讨。

关键词：异步电动机；电容调速；控制方法；电容冲击大电流

引言

交流异步电动机在空调上的使用非常普遍，根据不同空调机组的要求有多档转速也有单档转速的电机，多档转速的电机通常都是在电机内部进行抽头形式调节转速，电机来货已自带各个档位的引出线，直接通过电磁继电器控制各个档位来实现空调风机不同档位转速。而单档电机则只有一个档位，部分特殊空调机组由于结构限制或现有的单档转速电机因转差率问题无法在现有的电磁方案下直接再使用抽头形式进行调速，故在电机外部使用电容进行调速满足要求。此种方式为非常规调速方式，因此控制方面容易出现问题。

一、常规抽头调速的电机控制方式介绍

如上图一所示，KM1、KM2、KM3为主控板的电磁继电器，H、M、L分别是电机的高、中、低档，C为电机的启动电容。当KM1吸合时，空调机组开启高风档；当系统外环境需要调整为中档时，KM1关断同时KM2闭合，空调机组开启中风档；当室内机制冷温度达到设定温度时，机组需要调整到低风档时，KM2关断同时KM3吸合，机组运行在低风档。主控板的电磁继电器KM1、KM2、KM3关断吸合的控制都是由主控板的软件输出指令“1”或“0”来控制电磁继电器的线圈得电或掉电。主控板软件控制风机电机高、中、低档时几乎同时进行关断吸合，风机风档手动切换遵循高档→中档→低档→高档，如此循环。

二、电容调速原理

三、采用常规控制方法来控制电容调速的电机出现的问题

如图二所示，主板电磁继电器KM1控制风机高档，KM2控制风机中档，KM3控制风机低档，单个风档运行时没有任何异常。当需要风机风档档位调整时，如由高档切换到中档时，关断KM1，开启KM2；当由中档切换到低档时，关断KM2，开启KM3。风机风档手动切换遵循高档→中档→低档→高档，如此循环，测试几个周期。主板电磁继电器出现粘连的情况，无法进行档位调整甚至出现关机后风机仍然在转的情况（不断电情况）。

1.试验测量风挡切换时的情况：

（1）高档上电启动：电流最大值4.8A，此为风机启动电流，属于正常值。

（2）高档运行一段时间后关断切换成中档时高档的电流波形：没发现异常大电流，见图三，后来按照触发模式，也有超过额定电流的电流存在的，但电流比较小。

（3）高档运行一段时间后关断切换成中档时中档的电流波形：没发现异常大电流，见图三，后来按照触发模式，也有超过额定电流的电流存在的，但电流比较小。

（4）中档运行一段时间后关断切换成低档时中档的电流波形：27~28A，23uS，见图五、图六。

（5）中档运行一段时间后关断切换成低档时低档的电流波形：24A，21.8uS，见图四。

（6）低档运行一段时间后关断切换成高档时低档的电流波形：27~28A，23uS，见图五、图六。

（7）低档运行一段时间后关断切换成高档时高档的电流波形：27~28A，23uS，见图五、图六。

2.对测试情况和结果进行分析

使用的离心风机组件额定电流约1.2~1.3A，而继电器JZC-33F-012-HS接点负载为5A，250VAC，接点规格和性能如下：

（1）接点规格：

a.接点负载：5A，250VAC

b.接点最大电流：5A

c.最大的接点容量：1250VA，140W

d.最小承认负载：5VDC，100mA（参考值）

（2）性能：

a、接点电阻：在6VDC，1A的条件下用降落法的最大电压测值为100毫欧

b、吸合电压：最大为9VDC（at20℃）

c、释放电压：最小为0.6VDC（at20℃）

d、吸合时间：在额定电压下为10毫秒（不包括回跳时间）

e、释放时间：在额定电压下为5毫秒（不包括回跳时间）

从上面测试结果和波形曲线来看，风机风档切换时存在电容放电回路且放电电流高达27~28A，持续时间约22.5us，时间较短。查看继电器的吸合时间为10ms（不包括回跳时间）和释放时间为5ms（不包括回跳时间）。

档位切换时存在要关断的继电器还在导通状态，另一档位的继电器就已经导通了，对于采用非电容调速调档的电机控制，此种控制方式不存在问题，而电容调速调档的电机控制，此种控制方式就出现上述所描述的问题，控制档位的继电器烧毁粘连。

a、首次开高档运行一段时间，（且中档和低档的电容已经被人为的放过电后）高档切换成中档时，因高档没有电容且中档的电容已被放电故没有放电的冲击电流，符合上述的测试结果⑵⑶。

b、当中档运行一段时间，中档切换成低档时，因中档串接了一个电容，中档运行过程中电容储存了一定的能量，切换成低档时，由KM2→C1→C2→KM3→KM2构成短暂的短路回路进行放电。测量电流波形达到27~28A的冲击电流，符合上述测试的结果（4）（5）。

c、当低档运行一段时间，低档切换成高档时，因低档串接了一个电容，低档运行过程中电容储存了一定的能量，切换成高档时，由KM3→C2→KM1→KM3构成短暂的短路回路进行放电。测量电流波形达到27~28A的冲击电流，符合上述测试的结果（6）（7）。

分析结论：档位切换时存在要关断的继电器还在导通状态，另一档位的继电器就已经导通了，风档切换时两个档位之间的继电器及其调速电容构成短暂的短路回路进行放电，也可认为冲击电流，持续时间较短。控制档位的继电器在大的冲击电流下导致触点粘连，最终烧毁。

5.电容调速电机控制方式及其可行性分析

由上述4可以看出电容调试电机不能采用常规的方式进行控制，可采用如下两种方式：第一种：在软件上进行处理，风机电机档位切换时进行延时，由高档切换成中档时，高档继电器KM1进行关断，中档继电器KM2经过100ms延时后再开启。中档切换成低档时，中档继电器进行关断，低档继电器KM3经过100ms延时后再开启。低档切换成高档时，低档继电器KM3进行关断，高档继电器KM1经过100ms延时后再开启。保证每个档位切换时要关断的继电器完全关断后再开启另一个档位的继电器，不允许存在同时导通的情况。

第一种软件处理进行适当的延时保证风机电机档位切换时不存在同时导通的情况。用于调速的电容储存的能量在风档运行时进行冲放电，因为电机档位的绕组阻抗比较大，放电电流就很小对控制档位的继电器没有影响。所以继电器选用普通常规的就可以满足要求。软件处理比较容易实现也不增加成本，可以作为优选方案。

第二种软件控制保持与常规一致，更换为具备耐冲击大电流的继电器。风机电机换挡时存在两个档位的继电器同时导通的情况，调速电容储存的能量通过两个档位继电器进行放电，放电时间很短可以等同于瞬间冲击大电流，因继电器可以耐受冲击大电流，所以继电器的触点可以承受。此种方式方案简单但继电器成本会增加，可以根据需要进行评估选用。

结束语

由上述可知，单相单档异步电动机采用电容调速需要特别注意电容的放电冲击电流，处理好电容放电冲击大电流或避免产生放电冲击大电流，才能安全可靠的使用电容调速。而本文介绍的软件处理进行适当的延期保证风机电机档位切换时不存在同时导通就是避免产生放电冲击大电流；采用具备耐受冲击大电流的继电器就是处理好电容放电冲击大电流。可根据实际情况进行选用，也可进行更深入的研究探讨改进。

参考文献：

[1]林坚生，王铭坤，胡锐鸿.交流电机电容调速数学原理研究[J].家电科技，2016.