三繞組單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行性能分析

1、學(xué)年論文 論 文 題 目： 三繞組單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行性能分析 學(xué) 院 名 稱： 電子與信息工程學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化13-2 班 學(xué) 生 姓 名： PJ 學(xué)號： 指 導(dǎo) 教 師： 起訖時(shí)間： 2015年04月01日 至 2015年05月30日15三繞組單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行性能分析（ 電子與信息工程學(xué)院，浙江 寧波 315016) 摘要：單相感應(yīng)電機(jī)是以單相電源供電，作為驅(qū)動(dòng)用的一類感應(yīng)電機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、運(yùn)行可靠、維修方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于小型機(jī)床、輕工設(shè)備、商業(yè)機(jī)械、食品加工機(jī)械、醫(yī)療衛(wèi)生器械、家用電器、日常用機(jī)電用具、小型農(nóng)業(yè)機(jī)具等日常生活和各行各業(yè)的小功率驅(qū)動(dòng)中

2、，無論在數(shù)量上還是品種上它都大大超過了三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。對于三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)可以替代單相電動(dòng)機(jī)接于單相電網(wǎng)運(yùn)行, 提出將三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的一相繞組與電容器串聯(lián)后再與另外一相繞組并聯(lián), 然后與第三相繞組串聯(lián), 構(gòu)成Y接法三繞組單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)?；诘刃щ娏鞣? 對三繞組單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能進(jìn)行研究分析, 了解三繞組對稱運(yùn)行的條件, 并分析匹配電容對電機(jī)性能的影響。結(jié)果表明由于電容器的影響, 無法實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格對稱運(yùn)行, 提出依據(jù)額定負(fù)載下電磁轉(zhuǎn)矩最大為目標(biāo)函數(shù)的電容器優(yōu)化方法。利用對稱分量法對三繞組單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了分析, 導(dǎo)出了對稱運(yùn)行時(shí)所要求的繞組匝比及電容值的計(jì)算方法, 討論了對稱運(yùn)行條件

3、下不同匝比和電容值對電機(jī)運(yùn)行性能的影響, 針對效率最高給出了最佳匝比和電容值的確定方法。關(guān)鍵詞：三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)；電動(dòng)機(jī)性能；Y接法；等效電流法；對稱分量法Three winding single-phase induction motor operation performance analysis( School of Electron and Information Engineering, Ningbo University of Technology, Ningbo 315016 )Abstract：Single-phase induction motor is single-phas

4、e power supply, as a kind of induction motor drive, has the advantages of simple structure, low cost, reliable operation, easy maintenance and a series of advantages, is widely used in small machine tool, light industry equipment, commercial machinery, food processing machinery, medical equipment, h

5、ousehold appliances, daily use electrical appliance, small agricultural machinery and so on in the daily life and small power drive from all walks of life, no matter it is on the quantity and variety greatly exceeded the three-phase induction motor.For three-phase induction motor can replace single

6、phase motors in single phase power grid operation, proposed a three-phase induction motor phase winding and capacitor in series with another again after phase winding in parallel, and then with a third phase winding in series, a Y connection three-winding single-phase induction motor. Based on equiv

7、alent current method, the three winding through analyzing the performance of the single phase induction motor, the conditions of three winding symmetry operation of, and matching capacitance effect on the properties of motor are analyzed. Results show that because of the influence of the capacitor,

8、unable to realize strict symmetry operation, put forward on the basis of electromagnetic torque under rated load as the objective function of the capacitor optimization method. Using symmetrical component method of three-winding single-phase induction motor running status are analyzed,exported the s

9、ymmetric required run time winding turns ratio and capacitance value calculation method, discusses the symmetry operation under the condition of different turns ratio and capacitance value affect the performance of the motor running, for the most efficient method for determining the best turn ratio

10、and capacitance value.Key words: three-phase induction motor; Motor performance; Y connection. The equivalent current method; Symmetrical components method引言 與普通單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比，三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)對稱運(yùn)行時(shí)效率高并且具有較大的功率定額。連接適當(dāng)?shù)囊葡嘣案淖冸姍C(jī)定子接線方式是三相電機(jī)在單相電源上運(yùn)行的有效途徑。采用電容器作為移相元件，是三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在單相電源供電時(shí)實(shí)現(xiàn)對稱運(yùn)行或基本對稱運(yùn)行的最簡單實(shí)用的方法。三繞組單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)

11、, 可以按性能上的要求專門設(shè)計(jì), 這時(shí)定子上的三相繞組可能是匝數(shù)各不相同的不對稱繞組; 也可以從三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)改裝而成, 或是電機(jī)被設(shè)計(jì)成三、單相電源均可通用, 這時(shí)電機(jī)定子的三個(gè)繞組, 都是匝數(shù)相同的對稱三相繞組 . 對于三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)改裝而成的三繞組單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)來說, 其電磁性能的分析方法與三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)由單相電源供電時(shí)的相同.由三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)改接而成的單相電動(dòng)機(jī)比普通單相電動(dòng)機(jī)具有較好的起動(dòng)特性、運(yùn)行特性和較高的功率因數(shù), 因此實(shí)現(xiàn)三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的單相運(yùn)行具有一定的實(shí)用價(jià)值。文獻(xiàn)2 -3對三角形接法三相感應(yīng)電機(jī)單相電源供電時(shí)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行性能進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)3采用了等效電流法, 但是由

12、于三角形接法的三相感應(yīng)電機(jī)單相運(yùn)行時(shí)存在零序電流, 文中沒有考慮, 無法準(zhǔn)確計(jì)算電機(jī)的性能。文獻(xiàn)4 分析了三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)單相運(yùn)行時(shí)定子繞組Y接法和接法的瞬態(tài)特性, 用瞬時(shí)對稱分量法得到了數(shù)學(xué)模型。1. 單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的概況1.1單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與分類根據(jù)電機(jī)的基本理論，單相繞組產(chǎn)生的磁勢是正負(fù)交變的脈振磁勢，無法產(chǎn)生起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。為了克服這一缺點(diǎn)，傳統(tǒng)單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)一般都配備有副繞組或者在磁路結(jié)構(gòu)上采取相應(yīng)措施，以便電動(dòng)機(jī)能夠自行起動(dòng)。副繞組與主繞組除在空間位置上不同外，兩個(gè)繞組的電流必須在時(shí)間上有相位差。根據(jù)副繞組型式的不同，單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)主要分為以下三大類：1.1.1分相起動(dòng)單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)

13、分相起動(dòng)單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的副繞組只在起動(dòng)時(shí)工作，起動(dòng)過程完成后，由離心開關(guān)或起動(dòng)繼電器自動(dòng)切斷副繞組電源，不再參與電機(jī)運(yùn)行。分相起動(dòng)電機(jī)主要包括單相電阻起動(dòng)電機(jī)(圖11a)和單相電容起動(dòng)電機(jī)(圖11b)兩類。單相電阻起動(dòng)電機(jī)的主、副繞組軸線在空間相差900電角度，副繞組的電阻值一般設(shè)計(jì)的比較大，這樣使得起動(dòng)時(shí)主副繞組電流有一定的相位差，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。單相電容起動(dòng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與電阻起動(dòng)式相同，只是通過在副繞組中串聯(lián)一個(gè)移相電容器來實(shí)現(xiàn)移相。這種電機(jī)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，運(yùn)行平穩(wěn)，但是起動(dòng)電流較大，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、過載能力和額定時(shí)的力能指標(biāo)一般，一般容量設(shè)計(jì)得比較小。

14、(a)單相電阻起動(dòng)電機(jī) (b)單相電容起動(dòng)電機(jī)圖11分相起動(dòng)單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)1.1.2電容運(yùn)轉(zhuǎn)單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)是指副繞組及與其串聯(lián)的工作電容器在起動(dòng)和運(yùn)行過程中始終與電源連接的電機(jī)。由于副繞組始終通電，所以不需要起動(dòng)繼電器切除副回路，電容的選配，也是以工作時(shí)能有較好的性能指標(biāo)為原則。該類電機(jī)最大的特點(diǎn)是在額定運(yùn)行時(shí)的力能指標(biāo)優(yōu)良，與同容量的分相起動(dòng)單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比，重量較輕，體積較小，效率和功率因數(shù)較高，且振動(dòng)與噪聲都較低，是產(chǎn)量最大，應(yīng)用最為廣泛的一類單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，不僅廣泛應(yīng)用在各種家用電器和小功率驅(qū)動(dòng)裝置中，在僅有單相電源供電的偏遠(yuǎn)地區(qū)，像林業(yè)、礦山的牽引、運(yùn)輸?shù)却蠊?/p>

15、率動(dòng)力設(shè)備也多采用電容電動(dòng)機(jī)。1.1.3雙值電容感應(yīng)電動(dòng)機(jī)單相電容起動(dòng)和電容運(yùn)行感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的副繞組回路中有兩個(gè)電容器，稱為單相雙值電容感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。起動(dòng)時(shí)，兩個(gè)電容器并聯(lián)接入線路，電容量較大，起動(dòng)完畢，起動(dòng)開關(guān)斷開，部分電容切除，電容量減少。因此，這種電機(jī)同時(shí)兼?zhèn)淞穗娙萜饎?dòng)式和電容運(yùn)轉(zhuǎn)式電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，起動(dòng)和運(yùn)行性能都比較優(yōu)良，但是由于大容量電容器的價(jià)格較高，且在起動(dòng)過程中需要借助起動(dòng)開關(guān)來實(shí)現(xiàn)起動(dòng)電容器的切換，電機(jī)的成本較高。Michael Braun教授為提高單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的效率，曾對電容起動(dòng)電機(jī)，電容運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)及雙值電容電機(jī)做過研究，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表11所示。試驗(yàn)表明，由于單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的兩

16、個(gè)繞組都參與起動(dòng)和運(yùn)行，所以它們是最充分利用電機(jī)材料的單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，而且電容器有儲(chǔ)能作用，可以減少電機(jī)能量的脈動(dòng)?？紤]到電機(jī)的經(jīng)濟(jì)成本，如果起動(dòng)過程中不需要高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，采用只有一個(gè)工作電容器的單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)也可以實(shí)現(xiàn)較高的電機(jī)效率。表11電容起動(dòng)、電容運(yùn)轉(zhuǎn)及雙值電容電機(jī)效率對比電機(jī)類型電容（） 輸出功率 （）效率（%）電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)1102.6980.9電容起動(dòng)2501.92472.6雙值電容110+2502.9680.91.2單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的不對稱特點(diǎn)單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)與三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比較，最大的不同就是定子結(jié)構(gòu)上的不對稱。三相對稱的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)具有三相對稱的繞組，在外加三相對稱電源條件下實(shí)現(xiàn)對

17、稱運(yùn)行。單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的供電電源是單相電源，為了使單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)具有或者接近三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能，采取了各種設(shè)計(jì)措施，如電的、磁的、空間位置的不對稱，用這些不對稱來應(yīng)對電源的不對稱，這就是單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)本質(zhì)的特點(diǎn)。1.2.1電的不對稱所謂電的不對稱，就是電路上的不對稱。對于僅有單相繞組工作的單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，無法使其工作在平衡狀態(tài)；對于具有兩相或者三相繞組的電容運(yùn)行或電容起動(dòng)單相電機(jī)，需要各相回路參數(shù)不相等，才能保證各相電流在時(shí)間上有相位差，即若要實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)的對稱，就需要電路的不對稱。通常，在電機(jī)設(shè)計(jì)中，特別是電容電機(jī)的設(shè)計(jì)中，都將電機(jī)設(shè)計(jì)成不對稱的多相繞組，各相繞組在槽數(shù)、槽型、匝數(shù)、線

18、徑上不相同，再通過外接電容器等移相元件使電機(jī)工作在接近平衡狀態(tài)。1.2.2空間位置的不對稱單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的各相繞組，在空間位置上并不像對稱電機(jī)要求的那樣對稱分布，采用相對空間位置可以創(chuàng)造最佳工作條件，如圖12所示的非正交軸兩相繞組單相感應(yīng)電機(jī)，可以通過優(yōu)選夾角睞獲得較好的運(yùn)行性能。這就是對空間不對稱的利用。1.2.3磁的不對稱對于性能要求不高、結(jié)構(gòu)工藝要求簡單的單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，適合采用凸極定子，集中式繞組，這樣繞線、下線比較方便，可以簡化生產(chǎn)制造工藝過程，同時(shí)還可以利用其在氣隙上的不對稱和磁路上的不對稱來改善電機(jī)的運(yùn)行性能。這是磁的不對稱的應(yīng)用。圖12相軸非正交單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)示意圖2.結(jié)構(gòu)與工

19、作原理2.1三繞組并聯(lián)式 新型三繞組并聯(lián)式單相永磁同步電動(dòng)機(jī)可以由普通三相永磁同步電動(dòng)機(jī)按照圖2.1所示的并聯(lián)式接法改接而成。A相繞組構(gòu)成支路1；B相繞組和電容串聯(lián)構(gòu)成支路2；C相繞組和電容串聯(lián)構(gòu)成支路3；將支路l和支路3并聯(lián)，再和支路2反向并聯(lián)構(gòu)成復(fù)合并聯(lián)支路，再接到單相電壓源。圖2.1并聯(lián)式接法因此，可以通過選擇合適的移相電容，使得三相繞組中的電流對稱。2.2三繞組電機(jī)星形接法星形接法三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)單相運(yùn)行的定子電路如圖2.2 所示, 將普通三相電動(dòng)機(jī)的三個(gè)繞組重新進(jìn)行連接: 電容C1 與C相繞組串聯(lián), 然后與A相繞組并聯(lián), 最后與B 相繞組串聯(lián)連接在電源上。這種聯(lián)結(jié)方式雖是一種不對稱的接

20、法, 但電容C1 相當(dāng)于并聯(lián)在A 相繞組中, 而在C 相繞組是串聯(lián)關(guān)系, 因此Ia 電流相位滯后, Ic 電流相位超前, Ib 電流相位保持不變, 使得三相電機(jī)基本上實(shí)現(xiàn)接近對稱運(yùn)行。由基爾霍夫定律可列出如下方程:式中, Us 為電源電壓; Uc1為電容C1兩端的電壓;ZC1為電容容抗。圖2 .2三繞組電機(jī)星型接線圖2.3三繞組單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的定子電路 三繞組單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的定子電路如圖2.3 所示, 由基爾霍夫定律可列出如下方程:圖2.3定子電路圖式中。電機(jī)各相序的等效電路如圖2.4所示(a)正序電路(b)負(fù)序電路(c)零序電路圖2.4各相序等效電路3. 對稱運(yùn)行條件分析3.1永磁同步電動(dòng)機(jī)

21、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的序阻抗在永磁同步電動(dòng)機(jī)中，定子繞組滿足的電壓平衡方程為： （1）式中：分別為相電壓和相電流；為空載感應(yīng)電動(dòng)勢；分別為直軸電流和交軸電流；為定子繞組電阻；、分別為直軸同步電抗和交軸同步電抗。由于電機(jī)的定子繞組電阻和漏電抗都較小，產(chǎn)生的壓降也很小，可以忽略其影響，可得： （2）式中、分別為直軸電樞反應(yīng)電抗和交軸電樞反應(yīng)電抗。根據(jù)式(2)，可以得到永磁同步電動(dòng)機(jī)在不同工作狀態(tài)下的相量圖，如圖3.1所示。 （a)欠激增磁狀態(tài) (b)過激去磁狀態(tài) (c)臨界狀態(tài)圖.永磁同步電動(dòng)機(jī)相量圖從圖3l可以得出永磁同步電動(dòng)機(jī)在同步速下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的正序阻抗，具體為： （3）式中：；為功率角。正序電阻為：

22、（）正序電抗為：（）由式(3)可知，在電機(jī)結(jié)構(gòu)及其參數(shù)確定的情況下，正序阻抗是功率角的函數(shù)，然而，忽略定子繞組電阻時(shí)，永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程為（）式中：m為相數(shù)；P為極對數(shù)；為電角速度。因此，可以根據(jù)不同的負(fù)載轉(zhuǎn)矩反推得到相應(yīng)的功率角，即正序阻抗隨著負(fù)載的變化而變化。4三繞組串聯(lián)式高效單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)性能分析依據(jù)三繞組串聯(lián)式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，對電機(jī)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析。計(jì)算中，為了簡便起見，采用電機(jī)三相對稱運(yùn)行時(shí)的鐵耗、機(jī)械損耗及雜散損耗數(shù)據(jù)作為單相運(yùn)行時(shí)的損耗進(jìn)行性能計(jì)算。由于單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能是電機(jī)性能優(yōu)良的重要標(biāo)志，因此，在對三繞組串聯(lián)式相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的性能進(jìn)行分析時(shí)，需要對

23、起動(dòng)性能進(jìn)行計(jì)算。起動(dòng)瞬間，s=l，2-s=l。因此對電機(jī)而言，則有：起動(dòng)時(shí)定子A繞組的等效電路如圖.所示：圖.起動(dòng)等效電路定子三繞組的電壓方程為：根據(jù)電機(jī)的端電壓約束關(guān)系，電機(jī)的起動(dòng)電流可以通過下式求解：5.三繞組單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)以單相電源供電，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、運(yùn)行可靠、維修方便等一系列優(yōu)點(diǎn)。由于受輸、配電系統(tǒng)的限制，城市居民用電和大多數(shù)農(nóng)村及邊遠(yuǎn)地區(qū)的用電為單相交流電，單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于日常生活和各行各業(yè)的小功率驅(qū)動(dòng)中，并向大功率驅(qū)動(dòng)發(fā)展。由于受到結(jié)構(gòu)的限制，與三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比較，單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)體積大、造價(jià)高、效率低，造成了電能的大量浪費(fèi)。當(dāng)電機(jī)額定容量超過05kW時(shí)，使用單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)是不經(jīng)濟(jì)的。隨著能源供應(yīng)日益緊張，高效電動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)及應(yīng)用對節(jié)能工作至關(guān)重要，單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的高效化意義也日趨重要。目前我國居民用電多為單相交流電, 因此家用電器中絕大多數(shù)采用單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī), 受電動(dòng)機(jī)本身結(jié)構(gòu)的限制, 單相電動(dòng)機(jī)效率較低, 浪費(fèi)了大量電能, 考慮到三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)對稱運(yùn)行時(shí)效率較高,若將三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)改接成單相電源供電方式 ,將給缺乏三相電源的農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)帶來很大的方便, 而且由三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)改接而成的單相電動(dòng)機(jī)比普通單相電動(dòng)機(jī)具有較好的起動(dòng)特性、運(yùn)行特性和較高的功率因數(shù), 因此實(shí)現(xiàn)三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的單相運(yùn)行具有一定的實(shí)用