（电工理论与新技术专业论文）新型三绕组高效单相感应电动机研究.pdf

山东大学博士学位论文 响的程度，在对称运行确定的电容表达式基础上对电容值进行一维优化，确定了 理想匹配电容。 提出了三绕组串联式单相感应电动机的性能计算方法，采用转子侧电流产生 的电磁转矩进行计算，并把零序电流作为定子铜耗来考虑，得到了电机性能计算 的解析表达式，该表达式可以作为具有定子对称三绕组结构的单相感应电动机的 计算依据。由于在定子三绕组参数相同的三绕组串联式单相感应电动机性能计算 中，三个绕组中的电流密度不平衡。从电流密度平衡的角度入手，对电机的定子 绕组线径和定子槽尺寸进行重新设计，依据稳态性能计算表达式和有限元分析方 法，分别分析了电机的稳态性能和稳定运行时的电流瞬态情况，证明了采用不对 称的定子线径和定子槽尺寸，对电机性能影响不大。基于y 2 1 0 0 l 1 4 型三相感 应电动机的尺寸，设计制造了一台4 极2 2 k w 三绕组串联式单相感应电动机样 机，并进行了样机性能试验，试验结果与计算结果一致，性能良好。 根据三绕组串联式单相感应电动机的实际结构，在定子部分采用三相对称的 a b c 坐标系，转子部分采用两相对称的d q 坐标系，由定子绕组的端点方程，推 导出定子绕组端电压约束条件，建立了统一的动态数学模型。通过实例对起动运 行和稳定运行过程进行仿真计算，对仿真结果进行比较分析，研究了三绕组串联 式单相感应电动机的动态仿真方法。通过仿真提出了三绕组串联式单相感应电动 机单电容起动的电路结构，试验验证了该起动电路的合理性。 为了进一步分析三绕组串联式接法的单相感应电动机的性能，利用对称分量 法，推导了具有三绕组定子结构的s e m i h e x t m 接法单相感应电动机和y 接法三绕 组单相感应电动机的对称运行条件。采用三绕组串联式单相感应电动机动态仿真 模型内核，建立了这两种电动机的仿真模型，进行了仿真分析，研究了匹配电容 对电机性能的影响。通过仿真和试验结果对比，从综合性能上确定了三绕组串联 式接法的单相感应电动机具有效率高，对称度好，最大输出转矩和最大输出功率 高的特点，是值得推广的一种高效单相感应电动机。 本文对三绕组串联式单相感应电动机的结构、性能、稳态和动态运行过程进 行了深入的分析研究，得出了一些有理论价值和工程实用价值的结论。 关键词：三绕组串联单相感应电动机对称分量法仿真电容移相 山东大学博士学位论文 旭s t r a c t s i m p l es t r u c t u r e ，l o wc o s t , r e l i a b l eo p e r a t i n gp e r f o r m a n c e a n dc o n v e n i e n t m a i n t a i n sa r et h em a i nr e a s o n sf o rf a v o r i n gt h eu s eo fs i n g l e - p h a s em o t o r s ，w h i c ha r e s u p p l i e d 、析ms i n g l e - p h a s e s o u r c e i nr e m o t ea n dr u r a l r e g i o n sw h e r eo n l ya s i n g l e - p h a s ep o w e rs u p p l yi sa v a i l a b l e ，t h es i n g l e - p h a s ei n d u c t i o nm o t o r sa r ew i d e l y u s e df o rt h ed a i l yl i f ea n dp o w e rd r i v e i ti sn o te c o n o m i ct ou s es i n g l e p h a s e i n d u c t i o nm o t o rw h e nt h er a t e dp o w e ro ft h em o t o re x c e e d s0 5 k w a st h ei n c r e a s i n g d e m a n do ft h ee n e r g y , t h em a n u f a c t u r ea n da p p l i c a t i o no fh i g he f f i c i e n c ym o t o r sa r e i m p o r t a n tf o r t h e c o n s e r v a t i o no fe n e r g y t h e r e f o r e ，t h ed e v e l o p m e n to ft h e s i n g l e - p h a s ei n d u c t i o nm o t o rw i t hh i g he f f i c i e n c yi so fg r e a ts i g n i f i c a n c e c o m p a r i n gw i t hn o r m a ls i n g l e - p h a s ei n d u c t i o nm o t o r s ，t h r e e - p h a s e i n d u c t i o n m o t o r sh a v eh i g h e re f f i c i e n c ya n dl a r g e rs c a l ep o w e r b o t ho ft h ec o n n e c t i n gt h e a p p r o p r i a t ep h a s ec o n v e r t e r sa n dc h a n g i n gt h ew i r i n gm o d eo ft h e m o t o rs t a t o r w i n d i n g sa r e e f f e c t i v ew a y sf o rt h r e e p h a s ee l e c t r i c a lm o t o r ss u p p l i e db yt h e s i n g l e - p h a s ep o w e r a n du s i n gc a p a c i t o ra st h ep h a s ec o n v e r t e ri st h e s i m p l e s ta n d p r a c t i c a lm e t h o d u s i n gc a p a c i t o ra st h ep h a s ec o n v e r t e r , m a n yw i r i n gm e t h o d sh a v e a l r e a d yb e e np u tf o r w a r d b e i n gr e s t r i c t e db yt h es t r u c t u r e ，s o m em o t o r sw i t ht h e e x i s t e dw i r i n gm e t h o d so n l yo p e r a t i n g 、析廿lt h es i n g l e - p h a s es u p p l yh a v el o w e r e f f i c i e n c ya n ds o m em o t o r sh a v ec o m p l e xs t a r t u pc i r c u i t s ，w h i c hd i s a g r e e 晰m p r o m o t i o n t h i sp a p e rp u tf o r w a r dan o v e lh i 曲e f f i c i e n c ys i n g l e - p h a s ei n d u c t i o n m o t o rw i t ht h r e es t a t o rw i n d i n g s b a s e do nt h es y m m e t r i c a lc o m p o n e n tm e t h o da n d t h et r a n s i e n tm a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h ec o m p r e h e n s i v e ，i n d e p t hs t u d yo nt h ed e s i g n a n dc a l c u l a t i n gm e t h o do f t h en o v e lh i g he f f i c i e n c ys i n g l e p h a s ei n d u c t i o nm o t o r 、) l ，i t h t h r e es e r i e s - c o n n e c t e dw i n d i n g sh a sb e e nd o n e ，a n dt r a n s i e n ta n ds t e a d y - s t a t e p e r f o r m a n c eo f t h ep r o p o s e dm o t o ri se x p l a i n e d i nt h ep a p e r t h em a i nc o n t e n t sa r ea s f o l l o w s an o v e lh i 曲e f f i c i e n c ym o t o ri sd e s i g n e di nt h i sp a p e r d i f f e r e n tf r o mn o r m a l s i n g l e p h a s ei n d u c t i o nm o t o r s ，t h ep r o p o s e dm o t o rh a st h r e e - p h a s es y m m e t r i c a ls t a t o r w i n d i n g s t h et h r e ew i n d i n g si nt h es t a t o ra r ec o n n e c t e di ns e r i e s ，a n dt h ec a p a c i t o r s 山东大学博士学位论文 u s e d 雒p h a s ec o n v e r t e r sa r ec o n n e c t e dt ot h ew i n d i n g si np a r a l l e l o p e r a t i n gu n d e r t h er a t e dl o a d ，t h ep r o p o s e dm o t o rh a sa l m o s tt h es a n l ee f f i c i e n c ya n dv o l u m eo ft h e t h r e e p h a s ei n d u c t i o nm o t o r f u r t h e r m o r e ，i th a sah i g h e rp o w e rf a c t o r i nc o m p a r i s o n w i t ht h eo r d i n a r y s i n g l e p h a s ei n d u c t i o nm o t o r ，i th a st h ea d v a n t a g e so fh i g h e r e f f i c i e n c ya n ds m a l l e rv o l u m e ，t h u sc a nt a k ep l a c eo ft h eo r d i n a r ys i n g l e p h a s e i n d u c t i o nm o t o r u n d e rt h ec o n d i t i o no ft h es m a l l e s tu n b a l a n c ev o l t a g e ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e m o t o rs t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa n dt h ec a p a c i t o r si sd e d u c e db yu s i n gs y m m e t r i c a l c o m p o n e n tm e t h o da n dt h em e t h o do fs y n t h e s i z i n gc u r r e n t b a s e do nt h es y m m e t r i c a l c o m p o n e n tm e t h o da n de q u i v a l e n tc i r c u i to ft h r e e p h a s ei n d u c t i o nm o t o r s ，t h e f o r m u l af o rc a l c u l a t i n gt h ec a p a c i t o r si se n s u r e d t h ec a p a c i t o r sa r eo p t i m i z e db y s e l e c t i n gt h es m a l l e s tn e g a t i v e - s e q u e n c ec u r r e n tc o e f f i c i e n to rt h eh i 曲e s te f f i c i e n c y u n d e rr a t e dl o a da st h eo b j e c t i v ef u n c t i o n s f o rt h es y m m e t r yi si m p o r t a n c et ot h e p e r f o r m a n c eo ft h ep r o p o s e dm o t o lt h ei d e a lc a p a c i t o r sa r ed e t e r m i n e db yu s i n gt h e h y b r i dg o l d e ns e c t i o nm e t h o d t h ep e r f o r m a n c ec a l c u l a t i o nm e t h o do ft h ep r o p o s e dm o t o ri sd e d u c e d t h e e l e c t r o m a g n e t i ct o r q u ei sc a l c u l a t e db yt h ec u r r e n t si nr o t o r t h ez e r o - s e q u e n c e c u r r e n ti sc o n s i d e r e di nc a l c u l a t i o no ft h es t a t o rc o p p e rl o s s t h ef o r m u l ac a nb eu s e d i nt h ep e r f o r m a n c ec a l c u l a t i o no ft h es i n g l e p h a s em o t o r 、析t ht h r e es y m m e t r i c a l w i n d i n g s b e c a u s eo ft h ei m b a l a n c ec u r r e n td e n s i t yi nt h es t a t o rw i n d i n g s ，t h ew i r e d i a m e t e ra n ds l o ts i z ea r er e d e s i g n e d u s i n gt h es t e a d ys t a t ep e r f o r m a n c ef o r m u l a s a n df e a m e t h o d ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h em o t o rr e d e s i g n e di sa n a l y z e d ，w h i c hp r o v e s t h a t t h ed i f f e r e n tw i r ed i a m e t e ra n ds l o ts i z eo ft h r e ew i n d i n g sh a v el i t t l ei n f l u e n c eo n t h em o t o rp e r f o r m a n c e t h ep a t t e r no ft h r e e - p h a s ei n d u c t i o nm o t o r sc a nb eu s e da s t h en o v e lh i g he f f i c i e n c ym o t o r a4 - p o l e2 2k wp r o t o t y p ei sd e s i g n e d 、杌t l lt h e d i m e n s i o no fy 210 0 l1 - 4t h r e e p h a s ei n d u c t i o nm o t o r s t h ep e r f o r m a n c e st e s t sa r e p e r f o r m e do nt h ep r o p o s e dm o t o nt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa g r e e 、衍t ht h ec a l c u l a t e d o n e sw e l l b a s e do nt h es t a t o rw i n d i n ge n d p o i n te q u a t i o n ，t h ec o n s t r a i n tc o n d i t i o no ft h es t a t o r w i n d i n gt e r m i n a lv o l t a g ei s d e r i v e d ，t h eu n i f o r ms t a t e e q u a t i o ni nas t a t i o n a r y c o o r d i n a t es y s t e mi se s t a b l i s h e d ，f u r t h e r m o r e ，t h ea b cm o d e lo ft h es t a t o ra n dt h ed - q m o d e lo ft h er o t o ra r eu s e d f o ra c t u a la p p l i c a t i o n ，t h es t a r t i n go p e r a t i o na n ds t a b l e o p e r a t i o np r o c e s si ss i m u l a t e da n dc o m p a r a t i v e l ya n a l y z e d ao n es t a r t u pc a p a c i t o r c i r c u i to ft h ep r o p o s e dm o t o ri sp u tf o r w a r da n dp r o v e dr e l i a b l yb yt h ee x p e r i m e n t s t om a k i n gaf u r t h e rr e s e a r c ho nt h en o v e lh i g he f f i c i e n c ys i n g l e p h a s em o t o r , t h e s y m m e t r i c a lo p e r a t i o n c o n d i t i o n so ft h e s i n g l e p h a s e i n d u c t i o nm o t o r sw i m s e m i h e x t ma n dyc o n n e c t i o nm e t h o da r ed e d u c e da n dt h ef o r m u l af o rc a l c u l a t i n g t h ep h a s e c o n v e r tc a p a c i t o ri sd e r i v e db yu s i n gs y m m e t r i c a lc o m p o n e n tm e t h o d w j t l l t h ei n s t a n t a n e o u ss y m m e t r i c a lc o m p o n e n tm o d e lo ft h en o v e lh i g he f f i c i e n c y s i n g l e p h a s e i n d u c t i o nm o t o r , t h es i n g l e p h a s em o t o r sw i t hs e m i h e x t ma n dy c o n n e c t i o ni ss i m u l a t e d t h ep e r f o r m a n c et e s t so fm o t o r sw i t hyc o n n e c t i o n ， s e m i h e x t mc o n n e c t i o nm e t h o da n dt h en o v e lt h r e e w i n d i n gi ns e r i e sc o n n e c t i o n m e t h o da r ep e r f o r m e da n dc o m p a r e d 、析t he a c ho t h e r t h en o v e ls i n g l e p h a s e i n d u c t i o nm o t o rh a st h ea d v a n t a g e so fh i g h e re f f i c i e n c y , h i g h e rm a xo u t p u tp o w e ra n d b e t t e rs y m m e t r y , t h u sc a nt a k ep l a c eo ft h eo r d i n a r ys i n g l e p h a s ei n d u c t i o nm o t o r c o n s t r u c t i o n ，p e r f o r m a n c es t e a d ya n dt r a n s i e n t s t a t ep r o c e s so ft h en o v e lh i 曲 e f f i c i e n c ys i n g l e p h a s em o t o rh a sb e e nf u r t h e rr e s e a r c h e di nt h i st h e s i s ，a n ds o m e a c a d e m i cv a l u ea n dt h ep r o j e c tp r a c t i c a lv a l u ec o n c l u s i o ni so b t a i n e di nt h i st h e s i s k e yw o r d s ：t h r e e w i n d i n g , i ns e r i e s ，s i n g l e - p h a s e i n d u c t i o nm o t o r , s y m m e t r i c a l c o m p o n e n tm e t h o d ，s i m u l a t i o n , p h a s e - c o n v e r tc a p a c i t o r v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名： 么聋：蓥 e l 期： 丝宰：2 。丝 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：么盐笠导师签名： 山东人学博士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 近年来，我国由于电力短缺造成的直接和间接经济损失已超过一万亿元人民 币。在加快建设电站的同时，更应该提高能源的利用效率，控制电力需求的持续 增长。在我国，电动机的用电量已经占到社会总用电量一半以上，一般生产工厂 电动机用电量约占总用电量的7 0 ，在居民用电中电动机用电量的比例高达四分 之一，因此电动机的高效化意义重大，高效电动机生产及应用，对节能工作至关 重要。 单相感应电机是以单相电源供电，作为驱动用的一类感应电机，具有结构简 单、成本低廉、运行可靠、维修方便等一系列优点，广泛应用于小型机床、轻工 设备、商业机械、食品加工机械、医疗卫生器械、家用电器、日常用机电用具、 小型农业机具等日常生活和各行各业的小功率驱动中，无论在数量上还是品种上 它都大大超过了三相感应电动机。由于受输、配电系统的限制，架设输电线成本 高，一些边远山区和农村地区缺乏三相电源，只能使用配有单相电动机的生产设 备。在城市中，目前我国居民用电也均为单相交流电，家用电器中绝大多数采用 单相感应电动机。 单相感应电动机与三相感应电动机的主要差别就在于它需要在单相电源供 电的条件下工作。这就要求单相感应电机在定子上具有适合于单相电源工作的绕 组结构，而转子则与三相感应电机相同，为结构简单、可靠的笼型短路转子。与 三相感应电动机相比较，单相感应电动机体积大、造价高、效率低，造成了电能 的大量浪费。国家发展改革委员会于2 0 0 5 年6 月1 日启动了节能中长期专项 规划1 1 l 十大重点节能工程，其中的一项就是电机系统节能工程。为了节省能源， 必须提高电动机的运行效率。生产和使用高效率单相感应电动机，不仅能为用户 实现节约电能的目的，还能提升电动机的市场竞争力。 从世界范围来看，目前对单相感应电动机的需求量很大，各发达国家每年单 相感应电动机的产量达近百亿台。在我国，由于工农业发展的需要和家用电器的 迅速普及，近年来单相感应电动机的产量也在不断增加。因此，提高单相感应电 动机的效率对于节约能源具有十分重要的经济和社会意义。虽然对单相感应电动 机本身而言，目前还没有强制对其进行效率指标的考核，但是提高该类电机的效 山东大学博士学位论文 率已经开始受到各方的关注【2 1 。近年来，国家有关部门对家用电器的主要配套设 施单相感应电动机开始进行效率指标的考核。2 0 0 3 年，家用电冰箱耗电量 限定值及能源效率等级【3 】标准开始实施，2 0 0 8 年4 月1 8 日，又在原有基础上 发布新标准，规定了电冰箱驱动电机的耗电量限定值及节能评价标准；2 0 0 4 年， 洗衣机“新国标 公布实施。同时，针对耗能较大的空调类产品，国家质量技术 监督局2 0 0 0 年就发布了房间空气调节器能源效率限定值及节能评价值1 4 的 国家标准，2 0 0 4 年开始实施房间空气调节器能源效率标识实施规则【5 】，对单 相感应电动机的效率指标就提出了更高的要求。 提高单相感应电动机的效率，需要采取有效的措施，对单相感应电动机中的 负序磁场和负序电流采用新型的结构形式进行抑制，减少不对称因素，降低不对 称度，从而实现增加单相感应电动机的输出转矩，提高效率，降低温升的目的。 本文以国家自然科学基金资助项目“基于负序磁场抑制的新型高效单相感应电动 机研究”为基础，对高效新型单相感应电动机进行了深入系统的研究，提出了一 种新型的单相感应电动机三绕组串联式定子结构，对该类电机的性能进行了深入 研究，确定了该类电机的性能计算方法，为该类电机的生产和应用奠定了良好基 础。 1 2 单相感应电动机的概况 1 2 1 单相感应电动机的结构与分类 根据电机的基本理论，单相绕组产生的磁势是正负交变的脉振磁势，无法产 生起动转矩【6 】【7 l 。为了克服这一缺点，传统单相感应电动机一般都配备有副绕组 或者在磁路结构上采取相应措施，以便电动机能够自行起动。副绕组与主绕组除 在空间位置上不同外，两个绕组的电流还必须在时间上有相位差。根据副绕组型 式的不同，单相感应电动机主要分为以下三大类： 1 分相起动单相感应电动机 分相起动单相感应电动机的副绕组只在起动时工作，起动过程完成后，由离 心开关或起动继电器自动切断副绕组电源，不再参与电机运行。分相起动电机主 要包括单相电阻起动电机( 图1 1 a ) 和单相电容起动电机( 图1 1 b ) 两类【8 】。单相电阻 起动电机的主、副绕组轴线在空间相差9 0 0 电角度，副绕组的电阻值一般设计的 比较大，这样使得起动时主副绕组电流有一定的相位差，从而产生旋转磁场，在 2 山东大学博七学位论文 转子中产生起动转矩。单相电容起动感应电动机的结构与电阻起动式相同，只是 通过在副绕组中串联一个移相电容器来实现移相。 这种电机的特点是结构简单、成本较低，运行平稳，但是起动电流较大，起 动转矩、过载能力和额定时的力能指标一般，一般容量设计得比较小。 副绕组 起 动 开 关 副绕组 起 动 开 关 ( a ) 单相电阻起动电机( b ) 单相电容起动电机 图1 1 分相起动单相感应电动机 2 电容运转单相感应电动机 单相电容运转感应电动机是指副绕组及与其串联的工作电容器在起动和运 行过程中始终与电源连接的电机。由于副绕组始终通电，所以不需要起动继电器 切除副回路，电容的选配，也是以工作时能有较好的性能指标为原则。该类电机 最大的特点是在额定运行时的力能指标优良，与同容量的分相起动单相感应电动 机相比，重量较轻，体积较小，效率和功率因数较高，且振动与噪声都较低，是 产量最大，应用最为广泛的一类单相感应电动机，不仅广泛应用在各种家用电器 和小功率驱动装置中，在仅有单相电源供电的偏远地区，像林业、矿山的牵引、 运输等大功率动力设备也多采用电容电动机。 3 双值电容感应电动机 单相电容起动和电容运行感应电动机的副绕组回路中有两个电容器，称为单 相双值电容感应电动机。起动时，两个电容器并联接入线路，电容量较大，起动 完毕，起动开关断开，部分电容切除，电容量减少。因此，这种电机同时兼备了 电容起动式和电容运转式电机的优点，起动和运行性能都比较优良，但是由于大 容量电容器的价格较高，且在起动过程中需要借助起动开关来实现起动电容器的 切换，电机的成本较高。 m i c h a e lb r a u n 教授为提高单相感应电动机的效率，曾对电容起动电机，电 容运转电机及双值电容电机做过研究 9 1 ，试验数据如表1 1 所示。试验表明，由 山东大学博士学位论文 于单相电容运转感应电动机的两个绕组都参与起动和运行，所以它们是最充分利 用电机材料的单相感应电动机，而且电容器有储能作用，可以减少电机能量的脉 动。考虑到电机的经济成本，如果起动过程中不需要高起动转矩，采用只有一个 工作电容器的单相电容运转电动机也可以实现较高的电机效率。 表1 1 电容起动、电容运转及双值电容电机效率对比 1 2 - 2 单相感应电动机的不对称特点 单相感应电动机与三相感应电动机相比较，最大的不同就是定子结构上的不 对称。三相对称的感应电动机具有三相对称的绕组，在外加三相对称电源条件下 实现对称运行。单相感应电动机的供电电源是单相电源，为了使单相感应电动机 具有或者接近三相感应电动机的运行性能，采取了各种设计措施，如电的、磁的、 空间位置的不对称，用这些不对称来应对电源的不对称，这就是单相感应电动机 本质的特点1 肛1 2 1 。 1 电的不对称 所谓电的不对称，就是电路上的不对称。对于仅有单相绕组工作的单相感应 电动机，无法使其工作在平衡状态；对于具有两相或者三相绕组的电容运行或电 容起动单相电机，需要各相回路参数不相等，才能保证各相电流在时间上有相位 差，即若要实现工作状态的对称，就需要电路的不对称。通常，在电机设计中， 特别是电容电机的设计中，都将电机设计成不对称的多相绕组，各相绕组在槽数、 槽型、匝数、线径上不相同，再通过外接电容器等移相元件使电机工作在接近平 衡状态。 2 空间位置的不对称 单相感应电动机的各相绕组，在空间位置上并不像对称电机要求的那样对称 分布，采用相对空间位置可以创造最佳工作条件，如图1 2 所示的非正交轴两相 绕组单相感应电机，可以通过优选夹角睐获得较好的运行性能。这就是对空间 不对称的利用。 4 山东大学博士学位论文 3 磁的不对称 对于性能要求不高、结构工艺要求简单的单相感应电动机，适合采用凸极定 子，集中式绕组，这样绕线、下线比较方便，可以简化生产制造工艺过程，同时 还可以利用其在气隙上的不对称和磁路上的不对称来改善电机的运行性能。这是 磁的不对称的应用【1 3 】。 m a 图1 2 相轴非正交单相感应电动机示意图 表1 2 列出了单相感应电动机的不对称应用情况。从表格1 2 中可以看出， 对于单相电容运行感应电动机，电气上的不对称和空间上的不对称都是由绕组的 不对称引起的。因此，对电容电动机进行研究，将这一不对称的特点转化为优点， 对电机的绕组结构进行设计和优化，可以找到使电机性能最佳对称运行状态。 表1 2 单相感应电动机的不对称应用情况 5 山东大学博十学位论文 1 2 3 负序磁场及电流对单相感应电动机性能的影响 由于单相感应电机的转子部分与三相感应电机相同，一般都是鼠笼式结构， 而定子结构通常是不对称的两相结构，主副相绕组的轴线在空间上往往相差9 0 0 电角度，副绕组中串入适当的电容后再与主绕组并联接入电网，因此主绕组电路 是感性的，而副绕组电路是容性的，即主副绕组电流在时间上相差一个相位角9 。 主副绕组分别产生磁势e 和e ，合成磁势f 可以分解为正序和负序两个旋转磁 势e 和e ，是一个椭圆形的旋转磁势，如图1 3 所示。 在一般情况下，单相电容运转感应电机是在不对称的两相绕组及其不对称的 两相电流条件下运行的，空间产生的合成旋转磁势是椭圆形的，这个椭圆磁场， 可以看作是一个正序圆形磁场与一个负序圆形磁场共同作用的结果。对于单相感 应电动机的负序磁场而言，电动机处于电磁制动状态，需要吸收电功率以及机械 功率来克服负序磁场产生的电磁制动效应，此时电动机既从电网吸取电功率，又 从轴上吸取机械功率，最后均转化为转子中的铝耗，电动机发热增加。 (湃 图1 3 单相感应电动机合成磁势 负序磁场的存在，将使电动机的损耗增加，效率降低，温度升高，合成电磁 转矩下降，有效转矩减小，最大转矩也随之减小，因而输出功率减少，过载能力 不高，机械特性变“软 ，电机的有效材料利用率降低。单相感应电动机的负载 能力一般是同容量三相感应电动机的8 0 左右。当负载转矩相同时，单相感应电 动机的转差率大于同容量三相感应电动机的转差率。同时，由于负序转矩的制动 作用，电机的有效转矩减小，因而输出功率减小，所以单相感应电动机的效率约 为同容量三相感应电动机的7 5 9 0 左右。由于单相感应电动机效率低，在输出 功率相同的情况下，需要输入较多的电功率，因此，单相感应电动机每千瓦消耗 6 山东大学博七学位论文 的材料较多。 采用双旋转磁场理论对单相感应电动机进行分析时，电机内部除了稳定的正 序、负序转矩外，还有振荡转矩存在，同样也是具有正序和负序两个分量。电机 内正序磁通和负序电流作用，会在空间产生二倍极数分布的作用力，由于正序磁 通和负序电流之间，相对转速是二倍同步速，因此这个作用力就以二倍频的周期 交变作用在转子上，构成一个二倍频的振荡转矩。同样，负序磁通与正序电流作 用的结果，也是这样一个振荡转矩，方向相反。由于转子本身有一定的惯量，而 振荡转矩的频率高，转子不会随之做二倍频率的往返转动，但是这个二倍频的振 荡转矩，会使电机产生机械振动，增大噪声1 1 4 1 。 振荡转矩的大小计算与稳态转矩是相同的，可以写作： 乃：竺! ( e ，厶一毛，) ：竺羔，r 厶( z ，一z 6 ) 协1 由上式可以看出，在负序电流厶= 0 时，此转矩为零，可以消除振荡转矩。 因此，负序电流的大小直接影响到振荡转矩的大小，直接影响到电机的噪声问题。 在大力提倡和重视环境保护的今天，噪声污染已成为人们非常关注的话题。 而相当一部分噪声源来自于电机的运行。对于单相感应电动机，由于气隙磁场中 存在负序磁场，二倍频振荡转矩的存在，使得电机运行过程中电磁噪声明显增大。 这一振荡转矩，作为激振源，当机械防振设计存在缺陷，会产生明显的噪声。另 外由于单相异步电动机的不对称结构，气隙磁场的谐波含量要比三相感应电动机 多，也会产生较大的振动和噪声。 1 3 单相感应电动机的分析方法 单相感应电动机的转子一般为鼠笼绕组，是一个多相对称的空间分布系统， 这一点和三相感应电动机是相同的，但是对于电容运转单相感应电动机而言，实 际上是一个不对称两相电机。单相感应电动机的电源是单相电源，为了使电机正 常运行，主副绕组的电流具有相位差，且具有不同的匝数，这样就造成主副绕组 回路的不对称性，而且有些单相电机的主副绕组的空间位置本身就是不对称的。 这也使得单相感应电动机的分析与三相电机有着很大的不同。 1 3 1 基于磁路的分析方法 研究电机在椭圆旋转磁场下的工作，即分析这时定子、转子绕组间和定子各 7 山东大学博十学位论文 绕组之间的感应作用，有以下两种理论： 一种是把椭圆磁场分解为正序和负序两个圆形的旋转磁场，独立的观察电机 在各圆形磁场之下的内部作用关系，能量传递，转矩的计算，然后把正、负序的 效应迭加起来，这就是双旋转磁场理论【1 5 1 。这种磁势的分解，实际上是反映了时 间变量向空间变量的转化，每一个旋转磁势都具有磁势幅值固定，转速是频率所 规定的同步转速的性质，即为圆形旋转磁势。它们与转子之间的作用随着与转子 间的转差率不同而不同。分别把每个旋转磁势对转子的作用计算出来以后，再进 行迭加，就是一个椭圆磁势与转子相互作用的结果。 另外一种是把椭圆磁场分解为在空间正交位置上的两个脉振磁场，观察电机 在两个脉振磁场的作用下的感应关系，进行转矩计算，这叫做正交磁场理论【l6 1 。 这种理论最早应用于分析凸极同步电机中的电枢反应，把电枢反应按照磁极的直 轴和交轴来分解，又称为双反应理论。对于交流电机采用正交磁场理论来进行分 析，其内部作用关系和所得结论，与直流电机在性质上是完全一样的。对于定子 上有两个绕组的单相感应电动机来说，和有两套直流电机存在一样的磁极作用。 电机不动时，转子对定子的磁场起去磁反作用，可以等效为与定子同轴线的变压 器副边绕组，所以对称的转子绕组作用可以等效成相互垂直的两个短路的副边绕 组。转子磁通在空间是以定子频率与定子磁通发生作用，把旋转坐标上的变量转 化为静止坐标上变量，即进行了“坐标变换”。 以上两种理论都是采用一种化繁为简的处理方法，它是以电机具有不饱和的 线性磁路为条件的。对于实际是非线性磁路的电机，在计算时采用考虑饱和效应 的参数，仍然可以引用以上的理论和分析方法。另外为了简化分析，铁耗等因素 的影响也是暂时不予考虑。这两种分析理论、方法是完全等效的，即正交磁场理 论和双旋转磁场理论的分析结果是相同的，可以相互转换的，出发点都是分解合 成磁势。两者的差别在于正交磁场理论是把电机的气隙磁势分解成空间分别沿直 轴和交轴方向固定不动、且幅值随时间变化的两个相互垂直的分量，而双旋转磁 场理论则把合成磁势分解成空间以同一转速正反相对运动，且幅值恒定不变的两 个旋转分量。 以双旋转磁场理论为指导，在处理单相电机的磁路分析中又有不同的分析方 法，主要有对称分量法、旋转磁场分析法和合成电流法等。 8 山东大学博士学位论文 对称分量法是以解决三相对称电机的不对称运行为目标的，在单相电机的分 析中，其基本原理是把不对称的单相感应电动机等效成具有主绕组匝数的两相对 称电机，把电机主绕组电流和副绕组电流分解成两组正序和负序的对称电流【1 7 l 。 正序电流产生正序的旋转磁场，负序电流产生负序的旋转磁场，这样就可以得到 主相和副相的正序、负序等效电路，然后就可以计算出电机的性能。 在建立了必要的线性简化假定后，电机内合成的椭圆形旋转磁势可以分解为 正序和负序两个不同旋转方向的圆形旋转磁势，分别在电机磁路中产生磁通，与 定、转子绕组匝链，进行电磁感应【l g 】。分析时，可以把单相感应电动机看作由正 序和负序两台单相感应电动机串联组成，如图1 4 所示。图中，分解后的正序和 负序两台电机的主副绕组分别串联，主绕组产生磁势方向相同，副绕组相反。每 一电机的每个绕组匝数等于实际电机的一半，则两台电机的主、副绕组产生的磁 势幅值分别相等，合成磁势幅值也相等，转速相同，转向相反。 1 正序电机；2 负序电机 图1 4 电机的分解 对称分量法的理论比较简明，可以直接引用对称电机的分析结果。但是它要 求主副绕组能够等效为对称电机，对于主副绕组匝数不等可以折算；但如果主副 绕组空间位置不是正交的话，如抽头调速电机和三绕组电机等特殊连接形式的电 机，采用对称分量法