新型結構三繞組單相電動機的理論分析、性能計算與試驗研究.pdf

1、單相電動機只需要由單相交流電源供電，且具有結構簡單、運行可靠、噪聲低、振動小、維護方便等一系列優(yōu)點，被廣泛應用于工業(yè)、農業(yè)、交通運輸以及家用電器等方面。從世界范圍來看，目前對單相電機的需求量很大，各發(fā)達國家每年單相電動機的產量達到近百億臺。在我國，由于工農業(yè)發(fā)展的需要，近年來單相電動機產量也在不斷增加。因此，提高單相電動機的效率具有十分重要的經濟意義和社會價值。
　　 與單相電動機相比較，三相感應電動機的材料利用率高、對稱運行時

2、效率較高，三相永磁同步電動機具有高功率密度、高效率、高功率因數等優(yōu)點，因此，考慮到三相感應電動機以及三相永磁同步電動機的諸多優(yōu)勢，通過連接適當的移相元件以及改變電機定子繞組的接線方式，使三相對稱電動機在單相電源供電情況下對稱運行或者接近對稱運行，是提高單相電機效率的一種有效措施?；谶@種思想，本課題圍繞三繞組單相電動機的定子繞組接線方式開展研究工作。
　　 本文第一章對單相感應電動機以及單相永磁同步電動機的研究背景進行綜述，著重

3、對三繞組單相感應電動機與三繞組單相永磁同步電動機的研究現狀進行介紹。
　　 在第二章中，提出了一種新型的定子繞組接線方式，即三繞組并聯式接法，并將該接法應用于三相感應電動機的單相運行上，提出了一種新型的三繞組并聯式單相感應電動機。本章采用理論分析、仿真計算和試驗研究相結合的手段，對該新型單相感應電動機進行了詳細分析，主要包括以下幾部分內容:
　　 (1)采用合成電流法，對三繞組并聯式單相感應電動機的對稱運行條件進行分析，

4、得出了對稱運行時匹配電容值與電機轉差率之間的對應關系，并推導了該新型單相感應電動機的穩(wěn)態(tài)性能計算公式，為不同負載或者不同轉差率下匹配電容的選擇以及穩(wěn)態(tài)性能分析提供了理論依據。
　　 (2)在ABC坐標系中建立了三繞組并聯式單相感應電動機的動態(tài)數學模型，基于MATLAB/Simulink搭建了該電機的數字仿真模型。對電路中并聯兩個起動電容的雙起動電容電路和電路中僅有一個起動電容的單起動電容電路進行了仿真研究，仿真結果說明:雙起動電

5、容電路結構在起動瞬間定子繞組三相電流接近對稱，起動轉矩較大，起動迅速;單起動電容電路中所選擇的匹配電容是與穩(wěn)態(tài)運行時的轉差率相對應的，因此，起動瞬間三相繞組電流并不對稱，起動時間稍長，但是電路中減少了一個起動電容，節(jié)約成本。
　　 (3)為了驗證匹配電容選擇的合理性、穩(wěn)態(tài)性能分析方法以及動態(tài)數學模型建立的正確性，以一臺Y100L1-4型三相感應電動機為試驗樣機，將其改接為三繞組并聯式單相感應電動機，由220V/50Hz單相交流電

6、壓源供電，進行穩(wěn)態(tài)試驗和動態(tài)試驗研究。穩(wěn)態(tài)試驗結果證明:該新型單相感應電動機在額定負載下運行時，具有與同容量的三相感應電動機相近的效率和更高的功率因數，并且由于外接電容的作用，在輕載時可以維持較高的功率因數。動態(tài)試驗結果證明該樣機在三相對稱運行時和單相運行時起動時間相近。
　　 第三章將并聯式接法應用于三相永磁同步電動機的單相運行，提出了一種三繞組并聯式異步起動單相永磁同步電動機。本章圍繞該單相永磁同步電動機進行研究，開展的主要

7、工作包括:
　　 (1)采用對稱分量法對三繞組并聯式異步起動單相永磁同步電動機的對稱運行條件進行分析，得到了對稱運行時匹配電容的容抗值與電機序阻抗之間的函數關系式，為該新型單相永磁同步電動機電容的選擇提供了理論依據。由于電機在不同工況下，各序阻抗是不同的，因此，給出了三相永磁同步電動機在穩(wěn)態(tài)運行時和起動瞬間的各序阻抗的表達式。
　　 (2)基于對稱分量法對三繞組并聯式單相永磁同步電動機的穩(wěn)態(tài)性能進行分析，為了驗證理論分析

8、的正確性，設計并制造了兩臺額定1.5kW，220V/50Hz四極三相永磁同步電動機作為試驗樣機，這兩臺樣機的主要區(qū)別在于功率因數不同，其中一臺電機的功率因數較高為0.99，而另外一臺電機的功率因數僅為0.80，進行穩(wěn)態(tài)試驗研究。研究結果表明，低功率因數三相永磁同步電動機更適合改接成三繞組并聯式單相永磁同步電動機，改接以后不僅可以提高功率因數，而且節(jié)約永磁材料。
　　 (3)在dq0坐標系中建立了三繞組并聯式異步起動單相永磁同步電

9、動機的動態(tài)數學模型，并且基于MATLAB/Simulink搭建了該電機的數字仿真模型進行仿真分析。為了深入研究該新型單相永磁同步電動機的動態(tài)特性并驗證動態(tài)數學模型的正確性，以低功率因數永磁同步電動機為樣機，將其按照并聯式接法進行改接，在單相電源供電的情況下進行了動態(tài)試驗驗證，試驗結果說明該新型單相永磁同步電動機具有良好的起動性能。
　　 第四章和第五章分別對三繞組串聯式異步起動單相永磁同步電動機和SEMIHEX接法異步起動單相永

10、磁同步電動機進行了研究。與三繞組并聯式異步起動單相永磁同步電動機分析方法類似，首先，利用對稱分量法對具有串聯式接法和SEMIHEX接法的單相永磁同步電動機的對稱運行條件以及穩(wěn)態(tài)性能進行分析，然后，基于MATLAB/Simulink分別搭建了其動態(tài)仿真模型進行仿真研究，最后，特別設計了兩臺額定功率為1.5kW，四極的三相永磁同步電動機作為試驗樣機，其中一臺樣機額定線電壓為190V，另外一臺樣機額定線電壓為220V，分別將其按照串聯式接法和

11、SEMIHEX接法進行改接，由220V單相交流電壓源供電，進行了穩(wěn)態(tài)試驗和動態(tài)試驗驗證。結果表明，具有這兩種接法的異步起動單相永磁同步電動機具有良好的穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能，并證明了理論分析的正確性和電容選擇的合理性。
　　 本文第六章對以上四種三繞組單相電機，即:三繞組并聯式單相感應電動機、三繞組并聯式異步起動單相永磁同步電動機、三繞組串聯式異步起動單相永磁同步電動機和SEMIHEX接法異步起動單相永磁同步電動機的兩個共性問題進行