新型三繞組高效單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)研究.pdf

1、單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)以單相電源供電，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、運(yùn)行可靠、維修方便等一系列優(yōu)點(diǎn)。由于受輸、配電系統(tǒng)的限制，城市居民用電和大多數(shù)農(nóng)村及邊遠(yuǎn)地區(qū)的用電為單相交流電，單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于日常生活和各行各業(yè)的小功率驅(qū)動(dòng)中，并向大功率驅(qū)動(dòng)發(fā)展。由于受到結(jié)構(gòu)的限制，與三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比較，單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)體積大、造價(jià)高、效率低，造成了電能的大量浪費(fèi)。當(dāng)電機(jī)額定容量超過0.5kW時(shí)，使用單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)是不經(jīng)濟(jì)的。隨著能源供應(yīng)日益緊張，高效電動(dòng)

2、機(jī)的生產(chǎn)及應(yīng)用對(duì)節(jié)能工作至關(guān)重要，單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的高效化意義也日趨重要。
　　 與普通單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比，三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)對(duì)稱運(yùn)行時(shí)效率高并且具有較大的功率定額。連接適當(dāng)?shù)囊葡嘣案淖冸姍C(jī)定子接線方式是三相電機(jī)在單相電源上運(yùn)行的有效途徑。采用電容器作為移相元件，是三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在單相電源供電時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)稱運(yùn)行或基本對(duì)稱運(yùn)行的最簡單實(shí)用的方法。對(duì)于上述方法的應(yīng)用，前人已提出了多種接線方式，但是由于受到結(jié)構(gòu)的限制，這些接線方式僅能使三相

3、電機(jī)運(yùn)行在單相電源下，不具有高效率，或是起動(dòng)電路復(fù)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(yīng)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，以對(duì)稱分量法和三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，全面、深入地研究了該新型電機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法、穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能。主要內(nèi)容有：
　　 提出了一種新型高效單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的定子結(jié)構(gòu)。與普通單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)不同的是，在定子繞組結(jié)構(gòu)上，該新型電機(jī)具有三個(gè)彼此獨(dú)立的繞組，繞組軸線在空間上互差120°電角度。三個(gè)定子繞組依

4、次串聯(lián)，與兩個(gè)電容器連結(jié)后可以實(shí)現(xiàn)在單相電源下對(duì)稱運(yùn)行。在額定負(fù)載下工作時(shí)，該新型電機(jī)具有與三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相近的效率和體積，并且功率因數(shù)高于三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，具有高效率，高功率因數(shù)，節(jié)約有效材料的特點(diǎn)。
　　 在最小不平衡電壓條件下，分別利用對(duì)稱分量法和合成電流法推導(dǎo)了三繞組串聯(lián)式單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)對(duì)稱運(yùn)行電容與電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系。利用對(duì)稱分量法和三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的等效電路，確定了三繞組串聯(lián)式單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)移相電容的計(jì)算式；提出了以負(fù)序

5、電流系數(shù)最小和額定負(fù)載下電機(jī)效率最高為目標(biāo)函數(shù)的對(duì)電容匹配進(jìn)行優(yōu)化的方法，根據(jù)三繞組串聯(lián)式單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)對(duì)稱度對(duì)電機(jī)性能影響的程度，在對(duì)稱運(yùn)行確定的電容表達(dá)式基礎(chǔ)上對(duì)電容值進(jìn)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(yīng)電動(dòng)機(jī)的性能計(jì)算方法，采用轉(zhuǎn)子側(cè)電流產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行計(jì)算，并把零序電流作為定子銅耗來考慮，得到了電機(jī)性能計(jì)算的解析表達(dá)式，該表達(dá)式可以作為具有定子對(duì)稱三繞組結(jié)構(gòu)的單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的計(jì)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(yīng)電動(dòng)機(jī)性能計(jì)算中，三個(gè)繞組中的電流密度不平衡。從電流密度平衡的角度入手，對(duì)電機(jī)的定子繞組線徑和定子槽尺寸進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，依據(jù)穩(wěn)態(tài)性能計(jì)算表達(dá)式和有限元分析方法，分別分析了電機(jī)的穩(wěn)態(tài)性能和穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的電流瞬態(tài)情況，證明了采用不對(duì)稱的定子線徑和定子槽尺寸，對(duì)電機(jī)性能影響不大。基于Y2100L1-4型三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的尺寸，設(shè)計(jì)制造了一臺(tái)4極2.2kW三繞組串聯(lián)式單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)樣機(jī)，并進(jìn)行了樣機(jī)性能試驗(yàn)

7、，試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果一致，性能良好。
　　 根據(jù)三繞組串聯(lián)式單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)，在定子部分采用三相對(duì)稱的ABC坐標(biāo)系，轉(zhuǎn)子部分采用兩相對(duì)稱的d-q坐標(biāo)系，由定子繞組的端點(diǎn)方程，推導(dǎo)出定子繞組端電壓約束條件，建立了統(tǒng)一的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。通過實(shí)例對(duì)起動(dòng)運(yùn)行和穩(wěn)定運(yùn)行過程進(jìn)行仿真計(jì)算，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行比較分析，研究了三繞組串聯(lián)式單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)仿真方法。通過仿真提出了三繞組串聯(lián)式單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)單電容起動(dòng)的電路結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)驗(yàn)證了該起

8、動(dòng)電路的合理性。
　　 為了進(jìn)一步分析三繞組串聯(lián)式接法的單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的性能，利用對(duì)稱分量法，推導(dǎo)了具有三繞組定子結(jié)構(gòu)的SEMIHEXTM接法單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和Y接法三繞組單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的對(duì)稱運(yùn)行條件。采用三繞組串聯(lián)式單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)仿真模型內(nèi)核，建立了這兩種電動(dòng)機(jī)的仿真模型，進(jìn)行了仿真分析，研究了匹配電容對(duì)電機(jī)性能的影響。通過仿真和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，從綜合性能上確定了三繞組串聯(lián)式接法的單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)具有效率高，對(duì)稱度好，最大輸出轉(zhuǎn)