三绕组单相感应电动机运行性能分析难点.docx

学年论文 论 文 题 目： 三绕组单相感应电动机运行性能分析 学 院 名 称： 电子与信息工程学院 专 业： 电气工程及其自动化13-2 班 学 生 姓 名： PJ 学号： 指 导 教 师： 起讫时间： 2015年04月01日 至 2015年05月30日15三绕组单相感应电动机运行性能分析（ 电子与信息工程学院，浙江 宁波 315016) 摘要：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。对于三相感应电动机可以替代单相电动机接于单相电网运行, 提出将三相感应电动机的一相绕组与电容器串联后再与另外一相绕组并联, 然后与第三相绕组串联, 构成Y接法三绕组单相感应电动机。基于等效电流法, 对三绕组单相感应电动机的运行性能进行研究分析, 了解三绕组对称运行的条件, 并分析匹配电容对电机性能的影响。结果表明由于电容器的影响, 无法实现严格对称运行, 提出依据额定负载下电磁转矩最大为目标函数的电容器优化方法。利用对称分量法对三绕组单相感应电动机运行状态进行了分析, 导出了对称运行时所要求的绕组匝比及电容值的计算方法, 讨论了对称运行条件下不同匝比和电容值对电机运行性能的影响, 针对效率最高给出了最佳匝比和电容值的确定方法。关键词：三相感应电动机；电动机性能；Y接法；等效电流法；对称分量法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-phase 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, household 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 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 equivalent 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, 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 symmetric 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 and capacitance value.Key words: three-phase induction motor; Motor performance; Y connection. The equivalent current method; Symmetrical components method引言 与普通单相感应电动机相比，三相感应电动机对称运行时效率高并且具有较大的功率定额。连接适当的移相元件及改变电机定子接线方式是三相电机在单相电源上运行的有效途径。采用电容器作为移相元件，是三相感应电动机在单相电源供电时实现对称运行或基本对称运行的最简单实用的方法。三绕组单相电容运转电动机, 可以按性能上的要求专门设计, 这时定子上的三相绕组可能是匝数各不相同的不对称绕组; 也可以从三相感应电动机改装而成, 或是电机被设计成三、单相电源均可通用, 这时电机定子的三个绕组, 都是匝数相同的对称三相绕组 . 对于三相感应电动机改装而成的三绕组单相电容运转电动机来说, 其电磁性能的分析方法与三相感应电动机由单相电源供电时的相同.由三相感应电动机改接而成的单相电动机比普通单相电动机具有较好的起动特性、运行特性和较高的功率因数, 因此实现三相感应电动机的单相运行具有一定的实用价值。文献2 -3对三角形接法三相感应电机单相电源供电时的稳态运行性能进行了分析。文献3采用了等效电流法, 但是由于三角形接法的三相感应电机单相运行时存在零序电流, 文中没有考虑, 无法准确计算电机的性能。文献4 分析了三相感应电动机单相运行时定子绕组Y接法和接法的瞬态特性, 用瞬时对称分量法得到了数学模型。1. 单相感应电动机的概况1.1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。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：1.1.1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11a)和单相电容起动电机(图11b)两类。单相电阻起动电机的主、副绕组轴线在空间相差900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。 (a)单相电阻起动电机 (b)单相电容起动电机图11分相起动单相感应电动机1.1.2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。1.1.3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。Michael Braun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，试验数据如表11所示。试验表明，由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11电容起动、电容运转及双值电容电机效率对比电机类型电容（） 输出功率 （）效率（%）电机运转1102.6980.9电容起动2501.92472.6双值电容110+2502.9680.91.2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。1.2.1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。1.2.2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12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。1.2.3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。图12相轴非正交单相感应电动机示意图2.结构与工作原理2.1三绕组并联式 新型三绕组并联式单相永磁同步电动机可以由普通三相永磁同步电动机按照图2.1所示的并联式接法改接而成。A相绕组构成支路1；B相绕组和电容串联构成支路2；C相绕组和电容串联构成支路3；将支路l和支路3并联，再和支路2反向并联构成复合并联支路，再接到单相电压源。图2.1并联式接法因此，可以通过选择合适的移相电容，使得三相绕组中的电流对称。2.2三绕组电机星形接法星形接法三相感应电动机单相运行的定子电路如图2.2 所示, 将普通三相电动机的三个绕组重新进行连接: 电容C1 与C相绕组串联, 然后与A相绕组并联, 最后与B 相绕组串联连接在电源上。这种联结方式虽是一种不对称的接法, 但电容C1 相当于并联在A 相绕组中, 而在C 相绕组是串联关系, 因此Ia 电流相位滞后, Ic 电流相位超前, Ib 电流相位保持不变, 使得三相电机基本上实现接近对称运行。由基尔霍夫定律可列出如下方程:式中, Us 为电源电压; Uc1为电容C1两端的电压;ZC1为电容容抗。图2 .2三绕组电机星型接线图2.3三绕组单相感应电动机的定子电路 三绕组单相感应电动机的定子电路如图2.3 所示, 由基尔霍夫定律可列出如下方程:图2.3定子电路图式中。电机各相序的等效电路如图2.4所示(a)正序电路(b)负序电路(c)零序电路图2.4各相序等效电路3. 对称运行条件分析3.1永磁同步电动机稳态运行时的序阻抗在永磁同步电动机中，定子绕组满足的电压平衡方程为： （1）式中：分别为相电压和相电流；为空载感应电动势；分别为直轴电流和交轴电流；为定子绕组电阻；、分别为直轴同步电抗和交轴同步电抗。由于电机的定子绕组电阻和漏电抗都较小，产生的压降也很小，可以忽略其影响，可得： （2）式中、分别为直轴电枢反应电抗和交轴电枢反应电抗。根据式(2)，可以得到永磁同步电动机在不同工作状态下的相量图，如图3.1所示。 （a)欠激增磁状态 (b)过激去磁状态 (c)临界状态图.永磁同步电动机相量图从图3l可以得出永磁同步电动机在同步速下稳定运行时的正序阻抗，具体为： （3）式中：；为功率角。正序电阻为：（）正序电抗为：（）由式(3)可知，在电机结构及其参数确定的情况下，正序阻抗是功率角的函数，然而，忽略定子绕组电阻时，永磁同步电动机的电磁转矩方程为（）式中：m为相数；P为极对数；为电角速度。因此，可以根据不同的负载转矩反推得到相应的功率角，即正序阻抗随着负载的变化而变化。4三绕组串联式高效单相感应电动机的稳态性能分析依据三绕组串联式感应电动机的稳态数学模型，对电机进行稳态分析。计算中，为了简便起见，采用电机三相对称运行时的铁耗、机械损耗及杂散损耗数据作为单相运行时的损耗进行性能计算。由于单相感应电动机起动性能是电机性能优良的重要标志，因此，在对三绕组串联式相感应电动机的性能进行分析时，需要对起动性能进行计算。起动瞬间，s=l，2-s=l。因此对电机而言，则有：起动时定子A绕组的等效电路如图.所示：图.起动等效电路定子三绕组的电压方程为：根据电机的端电压约束关系，电机的起动电流可以通过下式求解：5.三绕组单相感应电动机的应用单相感应电动机以单相电源供电，具有结构简单、成本低廉、运行可靠、维修方便等一系列优点。由于受输、配电系统的限制，城市居民用电和大多数农村及边远地区的用电为单相交流电，单相感应电动机广泛应用于日常生活和各行各业的小功率驱动中，并向大功率驱动发展。由于受到结构的限制，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。当电机额定容量超过05kW时，使用单相感应电动机是不经济的。随着能源供应日益紧张，高效电动机的生产及应用对节能工作至关重要，单相感应电动机的高效化意义也日趋重要。目前我国居民用电多为单相交流电, 因此家用电器中绝大多数采用单相感应电动机, 受电动机本身结构的限制, 单相电动机效率较低, 浪费了大量电能, 考虑到三相感应电动机对称运行时效率较高,若将三相感应电动机改接成单相电源供电方式 ,将给缺乏三相电源的农村乡镇带来很大的方便, 而且由三相感应电动机改接而成的单相电动机比普通单相电动机具有较好的起动特性、运行特性和较高的功率因数, 因此实现三相感应电动机的单相运行具有一定的实用