三繞組單相感應電動機運行性能分析

1、學年論文 論 文 題 目： 三繞組單相感應電動機運行性能分析 學 院 名 稱： 電子與信息工程學院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化13-2 班 學 生 姓 名： PJ 學號： 指 導 教 師： 起訖時間： 2015年04月01日 至 2015年05月30日15三繞組單相感應電動機運行性能分析（ 電子與信息工程學院，浙江 寧波 315016) 摘要：單相感應電機是以單相電源供電，作為驅動用的一類感應電機，具有結構簡單、成本低廉、運行可靠、維修方便等一系列優(yōu)點，廣泛應用于小型機床、輕工設備、商業(yè)機械、食品加工機械、醫(yī)療衛(wèi)生器械、家用電器、日常用機電用具、小型農業(yè)機具等日常生活和各行各業(yè)的小功率驅動中

2、，無論在數(shù)量上還是品種上它都大大超過了三相感應電動機。對于三相感應電動機可以替代單相電動機接于單相電網(wǎng)運行, 提出將三相感應電動機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), 構成Y接法三繞組單相感應電動機?；诘刃щ娏鞣? 對三繞組單相感應電動機的運行性能進行研究分析, 了解三繞組對稱運行的條件, 并分析匹配電容對電機性能的影響。結果表明由于電容器的影響, 無法實現(xiàn)嚴格對稱運行, 提出依據(jù)額定負載下電磁轉矩最大為目標函數(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電動機運行狀態(tài)進行了分析, 導出了對稱運行時所要求的繞組匝比及電容值的計算方法, 討論了對稱運行條件

3、下不同匝比和電容值對電機運行性能的影響, 針對效率最高給出了最佳匝比和電容值的確定方法。關鍵詞：三相感應電動機；電動機性能；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 與普通單相感應電動機相比，三相感應電動機對稱運行時效率高并且具有較大的功率定額。連接適當?shù)囊葡嘣案淖冸姍C定子接線方式是三相電機在單相電源上運行的有效途徑。采用電容器作為移相元件，是三相感應電動機在單相電源供電時實現(xiàn)對稱運行或基本對稱運行的最簡單實用的方法。三繞組單相電容運轉電動機

11、, 可以按性能上的要求專門設計, 這時定子上的三相繞組可能是匝數(shù)各不相同的不對稱繞組; 也可以從三相感應電動機改裝而成, 或是電機被設計成三、單相電源均可通用, 這時電機定子的三個繞組, 都是匝數(shù)相同的對稱三相繞組 . 對于三相感應電動機改裝而成的三繞組單相電容運轉電動機來說, 其電磁性能的分析方法與三相感應電動機由單相電源供電時的相同.由三相感應電動機改接而成的單相電動機比普通單相電動機具有較好的起動特性、運行特性和較高的功率因數(shù), 因此實現(xiàn)三相感應電動機的單相運行具有一定的實用價值。文獻2 -3對三角形接法三相感應電機單相電源供電時的穩(wěn)態(tài)運行性能進行了分析。文獻3采用了等效電流法, 但是由

12、于三角形接法的三相感應電機單相運行時存在零序電流, 文中沒有考慮, 無法準確計算電機的性能。文獻4 分析了三相感應電動機單相運行時定子繞組Y接法和接法的瞬態(tài)特性, 用瞬時對稱分量法得到了數(shù)學模型。1. 單相感應電動機的概況1.1單相感應電動機的結構與分類根據(jù)電機的基本理論，單相繞組產生的磁勢是正負交變的脈振磁勢，無法產生起動轉矩。為了克服這一缺點，傳統(tǒng)單相感應電動機一般都配備有副繞組或者在磁路結構上采取相應措施，以便電動機能夠自行起動。副繞組與主繞組除在空間位置上不同外，兩個繞組的電流必須在時間上有相位差。根據(jù)副繞組型式的不同，單相感應電動機主要分為以下三大類：1.1.1分相起動單相感應電動機

13、分相起動單相感應電動機的副繞組只在起動時工作，起動過程完成后，由離心開關或起動繼電器自動切斷副繞組電源，不再參與電機運行。分相起動電機主要包括單相電阻起動電機(圖11a)和單相電容起動電機(圖11b)兩類。單相電阻起動電機的主、副繞組軸線在空間相差900電角度，副繞組的電阻值一般設計的比較大，這樣使得起動時主副繞組電流有一定的相位差，從而產生旋轉磁場，在轉子中產生起動轉矩。單相電容起動感應電動機的結構與電阻起動式相同，只是通過在副繞組中串聯(lián)一個移相電容器來實現(xiàn)移相。這種電機的特點是結構簡單、成本較低，運行平穩(wěn)，但是起動電流較大，起動轉矩、過載能力和額定時的力能指標一般，一般容量設計得比較小。

14、(a)單相電阻起動電機 (b)單相電容起動電機圖11分相起動單相感應電動機1.1.2電容運轉單相感應電動機單相電容運轉感應電動機是指副繞組及與其串聯(lián)的工作電容器在起動和運行過程中始終與電源連接的電機。由于副繞組始終通電，所以不需要起動繼電器切除副回路，電容的選配，也是以工作時能有較好的性能指標為原則。該類電機最大的特點是在額定運行時的力能指標優(yōu)良，與同容量的分相起動單相感應電動機相比，重量較輕，體積較小，效率和功率因數(shù)較高，且振動與噪聲都較低，是產量最大，應用最為廣泛的一類單相感應電動機，不僅廣泛應用在各種家用電器和小功率驅動裝置中，在僅有單相電源供電的偏遠地區(qū)，像林業(yè)、礦山的牽引、運輸?shù)却蠊?/p>

15、率動力設備也多采用電容電動機。1.1.3雙值電容感應電動機單相電容起動和電容運行感應電動機的副繞組回路中有兩個電容器，稱為單相雙值電容感應電動機。起動時，兩個電容器并聯(lián)接入線路，電容量較大，起動完畢，起動開關斷開，部分電容切除，電容量減少。因此，這種電機同時兼?zhèn)淞穗娙萜饎邮胶碗娙葸\轉式電機的優(yōu)點，起動和運行性能都比較優(yōu)良，但是由于大容量電容器的價格較高，且在起動過程中需要借助起動開關來實現(xiàn)起動電容器的切換，電機的成本較高。Michael Braun教授為提高單相感應電動機的效率，曾對電容起動電機，電容運轉電機及雙值電容電機做過研究，試驗數(shù)據(jù)如表11所示。試驗表明，由于單相電容運轉感應電動機的兩

16、個繞組都參與起動和運行，所以它們是最充分利用電機材料的單相感應電動機，而且電容器有儲能作用，可以減少電機能量的脈動?？紤]到電機的經濟成本，如果起動過程中不需要高起動轉矩，采用只有一個工作電容器的單相電容運轉電動機也可以實現(xiàn)較高的電機效率。表11電容起動、電容運轉及雙值電容電機效率對比電機類型電容（） 輸出功率 （）效率（%）電機運轉1102.6980.9電容起動2501.92472.6雙值電容110+2502.9680.91.2單相感應電動機的不對稱特點單相感應電動機與三相感應電動機相比較，最大的不同就是定子結構上的不對稱。三相對稱的感應電動機具有三相對稱的繞組，在外加三相對稱電源條件下實現(xiàn)對

17、稱運行。單相感應電動機的供電電源是單相電源，為了使單相感應電動機具有或者接近三相感應電動機的運行性能，采取了各種設計措施，如電的、磁的、空間位置的不對稱，用這些不對稱來應對電源的不對稱，這就是單相感應電動機本質的特點。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電動機，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行或電容起動單相電機，需要各相回路參數(shù)不相等，才能保證各相電流在時間上有相位差，即若要實現(xiàn)工作狀態(tài)的對稱，就需要電路的不對稱。通常，在電機設計中，特別是電容電機的設計中，都將電機設計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電動機的各相繞組，在空間位置上并不像對稱電機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電機，可以通過優(yōu)選夾角睞獲得較好的運行性能。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、結構工藝要求簡單的單相感應電動機，適合采用凸極定子，集中式繞組，這樣繞線、下線比較方便，可以簡化生產制造工藝過程，同時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的運行性能。這是磁的不對稱的應用。圖12相軸非正交單相感應電動機示意圖2.結構與工

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機可以由普通三相永磁同步電動機按照圖2.1所示的并聯(lián)式接法改接而成。A相繞組構成支路1；B相繞組和電容串聯(lián)構成支路2；C相繞組和電容串聯(lián)構成支路3；將支路l和支路3并聯(lián)，再和支路2反向并聯(lián)構成復合并聯(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。2.2三繞組電機星形接法星形接法三相感應電動機單相運行的定子電路如圖2.2 所示, 將普通三相電動機的三個繞組重新進行連接: 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)結方式雖是一種不對稱的接

20、法, 但電容C1 相當于并聯(lián)在A 相繞組中, 而在C 相繞組是串聯(lián)關系, 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, 使得三相電機基本上實現(xiàn)接近對稱運行。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 .2三繞組電機星型接線圖2.3三繞組單相感應電動機的定子電路 三繞組單相感應電動機的定子電路如圖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。電機各相序的等效電路如圖2.4所示(a)正序電路(b)負序電路(c)零序電路圖2.4各相序等效電路3. 對稱運行條件分析3.1永磁同步電動機

21、穩(wěn)態(tài)運行時的序阻抗在永磁同步電動機中，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；為空載感應電動勢；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。由于電機的定子繞組電阻和漏電抗都較小，產生的壓降也很小，可以忽略其影響，可得： （2）式中、分別為直軸電樞反應電抗和交軸電樞反應電抗。根據(jù)式(2)，可以得到永磁同步電動機在不同工作狀態(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.永磁同步電動機相量圖從圖3l可以得出永磁同步電動機在同步速下穩(wěn)定運行時的正序阻抗，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，在電機結構及其參數(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，永磁同步電動機的電磁轉矩方程為（）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)不同的負載轉矩反推得到相應的功率角，即正序阻抗隨著負載的變化而變化。4三繞組串聯(lián)式高效單相感應電動機的穩(wěn)態(tài)性能分析依據(jù)三繞組串聯(lián)式感應電動機的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型，對電機進行穩(wěn)態(tài)分析。計算中，為了簡便起見，采用電機三相對稱運行時的鐵耗、機械損耗及雜散損耗數(shù)據(jù)作為單相運行時的損耗進行性能計算。由于單相感應電動機起動性能是電機性能優(yōu)良的重要標志，因此，在對三繞組串聯(lián)式相感應電動機的性能進行分析時，需要對

23、起動性能進行計算。起動瞬間，s=l，2-s=l。因此對電機而言，則有：起動時定子A繞組的等效電路如圖.所示：圖.起動等效電路定子三繞組的電壓方程為：根據(jù)電機的端電壓約束關系，電機的起動電流可以通過下式求解：5.三繞組單相感應電動機的應用單相感應電動機以單相電源供電，具有結構簡單、成本低廉、運行可靠、維修方便等一系列優(yōu)點。由于受輸、配電系統(tǒng)的限制，城市居民用電和大多數(shù)農村及邊遠地區(qū)的用電為單相交流電，單相感應電動機廣泛應用于日常生活和各行各業(yè)的小功率驅動中，并向大功率驅動發(fā)展。由于受到結構的限制，與三相感應電動機相比較，單相感應電動機體積大、造價高、效率低，造成了電能的大量浪費。當電機額定容量超過05kW時，使用單相感應電動機是不經濟的。隨著能源供應日益緊張，高效電動機的生產及應用對節(jié)能工作至關重要，單相感應電動機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)采用單相感應電動機, 受電動機本身結構的限制, 單相電動機效率較低, 浪費了大量電能, 考慮到三相感應電動機對稱運行時效率較高,若將三相感應電動機改接成單相電源供電方式 ,將給缺乏三相電源的農村鄉(xiāng)鎮(zhèn)帶來很大的方便, 而且由三相感應電動機改接而成的單相電動機比普通單相電動機具有較好的起動特性、運行特性和較高的功率因數(shù), 因此實現(xiàn)三相感應電動機的單相運行具有一定的實用