新型三繞組高效單相感應電動機研究.pdf

1、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0.5kW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

2、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。
　　 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。對于上述方法的應用，前人已提出了多種接線方式，但是由于受到結構的限制，這些接線方式僅能使三相

3、電機運行在單相電源下，不具有高效率，或是起動電路復雜，不適宜推廣。本文提出了一種新型高效的三繞組串聯(lián)式單相感應電動機結構，以對稱分量法和三相感應電動機的瞬態(tài)數(shù)學模型為基礎，全面、深入地研究了該新型電機的設計計算方法、穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能。主要內容有：
　　 提出了一種新型高效單相感應電動機的定子結構。與普通單相感應電動機不同的是，在定子繞組結構上，該新型電機具有三個彼此獨立的繞組，繞組軸線在空間上互差120°電角度。三個定子繞組依

4、次串聯(lián)，與兩個電容器連結后可以實現(xiàn)在單相電源下對稱運行。在額定負載下工作時，該新型電機具有與三相感應電動機相近的效率和體積，并且功率因數(shù)高于三相感應電動機，具有高效率，高功率因數(shù)，節(jié)約有效材料的特點。
　　 在最小不平衡電壓條件下，分別利用對稱分量法和合成電流法推導了三繞組串聯(lián)式單相感應電動機對稱運行電容與電機結構參數(shù)的關系。利用對稱分量法和三相感應電動機的等效電路，確定了三繞組串聯(lián)式單相感應電動機移相電容的計算式；提出了以負序

5、電流系數(shù)最小和額定負載下電機效率最高為目標函數(shù)的對電容匹配進行優(yōu)化的方法，根據(jù)三繞組串聯(lián)式單相感應電動機對稱度對電機性能影響的程度，在對稱運行確定的電容表達式基礎上對電容值進行一維優(yōu)化，確定了理想匹配電容。
　　 提出了三繞組串聯(lián)式單相感應電動機的性能計算方法，采用轉子側電流產生的電磁轉矩進行計算，并把零序電流作為定子銅耗來考慮，得到了電機性能計算的解析表達式，該表達式可以作為具有定子對稱三繞組結構的單相感應電動機的計算依據(jù)。由

6、于在定子三繞組參數(shù)相同的三繞組串聯(lián)式單相感應電動機性能計算中，三個繞組中的電流密度不平衡。從電流密度平衡的角度入手，對電機的定子繞組線徑和定子槽尺寸進行重新設計，依據(jù)穩(wěn)態(tài)性能計算表達式和有限元分析方法，分別分析了電機的穩(wěn)態(tài)性能和穩(wěn)定運行時的電流瞬態(tài)情況，證明了采用不對稱的定子線徑和定子槽尺寸，對電機性能影響不大?；赮2100L1-4型三相感應電動機的尺寸，設計制造了一臺4極2.2kW三繞組串聯(lián)式單相感應電動機樣機，并進行了樣機性能試驗

7、，試驗結果與計算結果一致，性能良好。
　　 根據(jù)三繞組串聯(lián)式單相感應電動機的實際結構，在定子部分采用三相對稱的ABC坐標系，轉子部分采用兩相對稱的d-q坐標系，由定子繞組的端點方程，推導出定子繞組端電壓約束條件，建立了統(tǒng)一的動態(tài)數(shù)學模型。通過實例對起動運行和穩(wěn)定運行過程進行仿真計算，對仿真結果進行比較分析，研究了三繞組串聯(lián)式單相感應電動機的動態(tài)仿真方法。通過仿真提出了三繞組串聯(lián)式單相感應電動機單電容起動的電路結構，試驗驗證了該起

8、動電路的合理性。
　　 為了進一步分析三繞組串聯(lián)式接法的單相感應電動機的性能，利用對稱分量法，推導了具有三繞組定子結構的SEMIHEXTM接法單相感應電動機和Y接法三繞組單相感應電動機的對稱運行條件。采用三繞組串聯(lián)式單相感應電動機動態(tài)仿真模型內核，建立了這兩種電動機的仿真模型，進行了仿真分析，研究了匹配電容對電機性能的影響。通過仿真和試驗結果對比，從綜合性能上確定了三繞組串聯(lián)式接法的單相感應電動機具有效率高，對稱度好，最大輸出轉