新型結(jié)構(gòu)三繞組單相電動機(jī)的理論分析、性能計算與試驗(yàn)研究.pdf

1、單相電動機(jī)只需要由單相交流電源供電，且具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、噪聲低、振動小、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸以及家用電器等方面。從世界范圍來看，目前對單相電機(jī)的需求量很大，各發(fā)達(dá)國家每年單相電動機(jī)的產(chǎn)量達(dá)到近百億臺。在我國，由于工農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要，近年來單相電動機(jī)產(chǎn)量也在不斷增加。因此，提高單相電動機(jī)的效率具有十分重要的經(jīng)濟(jì)意義和社會價值。
　　 與單相電動機(jī)相比較，三相感應(yīng)電動機(jī)的材料利用率高、對稱運(yùn)行時

2、效率較高，三相永磁同步電動機(jī)具有高功率密度、高效率、高功率因數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，因此，考慮到三相感應(yīng)電動機(jī)以及三相永磁同步電動機(jī)的諸多優(yōu)勢，通過連接適當(dāng)?shù)囊葡嘣约案淖冸姍C(jī)定子繞組的接線方式，使三相對稱電動機(jī)在單相電源供電情況下對稱運(yùn)行或者接近對稱運(yùn)行，是提高單相電機(jī)效率的一種有效措施。基于這種思想，本課題圍繞三繞組單相電動機(jī)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(yīng)電動機(jī)以及單相永磁同步電動機(jī)的研究背景進(jìn)行綜述，著重

3、對三繞組單相感應(yīng)電動機(jī)與三繞組單相永磁同步電動機(jī)的研究現(xiàn)狀進(jìn)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(lián)式接法，并將該接法應(yīng)用于三相感應(yīng)電動機(jī)的單相運(yùn)行上，提出了一種新型的三繞組并聯(lián)式單相感應(yīng)電動機(jī)。本章采用理論分析、仿真計算和試驗(yàn)研究相結(jié)合的手段，對該新型單相感應(yīng)電動機(jī)進(jìn)行了詳細(xì)分析，主要包括以下幾部分內(nèi)容:
　　 (1)采用合成電流法，對三繞組并聯(lián)式單相感應(yīng)電動機(jī)的對稱運(yùn)行條件進(jìn)行分析，

4、得出了對稱運(yùn)行時匹配電容值與電機(jī)轉(zhuǎn)差率之間的對應(yīng)關(guān)系，并推導(dǎo)了該新型單相感應(yīng)電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)性能計算公式，為不同負(fù)載或者不同轉(zhuǎn)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(jù)。
　　 (2)在ABC坐標(biāo)系中建立了三繞組并聯(lián)式單相感應(yīng)電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，基于MATLAB/Simulink搭建了該電機(jī)的數(shù)字仿真模型。對電路中并聯(lián)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(jìn)行了仿真研究，仿真結(jié)果說明:雙起動電

5、容電路結(jié)構(gòu)在起動瞬間定子繞組三相電流接近對稱，起動轉(zhuǎn)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(yùn)行時的轉(zhuǎn)差率相對應(yīng)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(yàn)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(shù)學(xué)模型建立的正確性，以一臺Y100L1-4型三相感應(yīng)電動機(jī)為試驗(yàn)樣機(jī)，將其改接為三繞組并聯(lián)式單相感應(yīng)電動機(jī)，由220V/50Hz單相交流電

6、壓源供電，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)和動態(tài)試驗(yàn)研究。穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果證明:該新型單相感應(yīng)電動機(jī)在額定負(fù)載下運(yùn)行時，具有與同容量的三相感應(yīng)電動機(jī)相近的效率和更高的功率因數(shù)，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(shù)。動態(tài)試驗(yàn)結(jié)果證明該樣機(jī)在三相對稱運(yùn)行時和單相運(yùn)行時起動時間相近。
　　 第三章將并聯(lián)式接法應(yīng)用于三相永磁同步電動機(jī)的單相運(yùn)行，提出了一種三繞組并聯(lián)式異步起動單相永磁同步電動機(jī)。本章圍繞該單相永磁同步電動機(jī)進(jìn)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(lián)式異步起動單相永磁同步電動機(jī)的對稱運(yùn)行條件進(jìn)行分析，得到了對稱運(yùn)行時匹配電容的容抗值與電機(jī)序阻抗之間的函數(shù)關(guān)系式，為該新型單相永磁同步電動機(jī)電容的選擇提供了理論依據(jù)。由于電機(jī)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(jī)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時和起動瞬間的各序阻抗的表達(dá)式。
　　 (2)基于對稱分量法對三繞組并聯(lián)式單相永磁同步電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)性能進(jìn)行分析，為了驗(yàn)證理論分析

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

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

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

11、SEMIHEX接法進(jìn)行改接，由220V單相交流電壓源供電，進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)和動態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，具有這兩種接法的異步起動單相永磁同步電動機(jī)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(jī)，即:三繞組并聯(lián)式單相感應(yīng)電動機(jī)、三繞組并聯(lián)式異步起動單相永磁同步電動機(jī)、三繞組串聯(lián)式異步起動單相永磁同步電動機(jī)和SEMIHEX接法異步起動單相永磁同步電動機(jī)的兩個共性問題進(jìn)行