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

1、單相電動(dòng)機(jī)只需要由單相交流電源供電，且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、噪聲低、振動(dòng)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(lái)看，目前對(duì)單相電機(jī)的需求量很大，各發(fā)達(dá)國(guó)家每年單相電動(dòng)機(jī)的產(chǎn)量達(dá)到近百億臺(tái)。在我國(guó)，由于工農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要，近年來(lái)單相電動(dòng)機(jī)產(chǎn)量也在不斷增加。因此，提高單相電動(dòng)機(jī)的效率具有十分重要的經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)價(jià)值。
　　 與單相電動(dòng)機(jī)相比較，三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的材料利用率高、對(duì)稱(chēng)運(yùn)行時(shí)

2、效率較高，三相永磁同步電動(dòng)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(dòng)機(jī)以及三相永磁同步電動(dòng)機(jī)的諸多優(yōu)勢(shì)，通過(guò)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(duì)稱(chēng)電動(dòng)機(jī)在單相電源供電情況下對(duì)稱(chēng)運(yùn)行或者接近對(duì)稱(chēng)運(yùn)行，是提高單相電機(jī)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(dòng)機(jī)的定子繞組接線方式開(kāi)展研究工作。
　　 本文第一章對(duì)單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)以及單相永磁同步電動(dòng)機(jī)的研究背景進(jìn)行綜述，著重

3、對(duì)三繞組單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)與三繞組單相永磁同步電動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)。本章采用理論分析、仿真計(jì)算和試驗(yàn)研究相結(jié)合的手段，對(duì)該新型單相感應(yīng)電動(dòng)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(duì)三繞組并聯(lián)式單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的對(duì)稱(chēng)運(yùn)行條件進(jìn)行分析，

4、得出了對(duì)稱(chēng)運(yùn)行時(shí)匹配電容值與電機(jī)轉(zhuǎn)差率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并推導(dǎo)了該新型單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)性能計(jì)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(dòng)機(jī)的動(dòng)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(duì)電路中并聯(lián)兩個(gè)起動(dòng)電容的雙起動(dòng)電容電路和電路中僅有一個(gè)起動(dòng)電容的單起動(dòng)電容電路進(jìn)行了仿真研究，仿真結(jié)果說(shuō)明:雙起動(dòng)電

5、容電路結(jié)構(gòu)在起動(dòng)瞬間定子繞組三相電流接近對(duì)稱(chēng)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，起動(dòng)迅速;單起動(dòng)電容電路中所選擇的匹配電容是與穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)差率相對(duì)應(yīng)的，因此，起動(dòng)瞬間三相繞組電流并不對(duì)稱(chēng)，起動(dòng)時(shí)間稍長(zhǎng)，但是電路中減少了一個(gè)起動(dòng)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(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型建立的正確性，以一臺(tái)Y100L1-4型三相感應(yīng)電動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下運(yùn)行時(shí)，具有與同容量的三相感應(yīng)電動(dòng)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(shí)可以維持較高的功率因數(shù)。動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果證明該樣機(jī)在三相對(duì)稱(chēng)運(yùn)行時(shí)和單相運(yùn)行時(shí)起動(dòng)時(shí)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(dòng)機(jī)的單相運(yùn)行，提出了一種三繞組并聯(lián)式異步起動(dòng)單相永磁同步電動(dòng)機(jī)。本章圍繞該單相永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行研究，開(kāi)展的主要

7、工作包括:
　　 (1)采用對(duì)稱(chēng)分量法對(duì)三繞組并聯(lián)式異步起動(dòng)單相永磁同步電動(dòng)機(jī)的對(duì)稱(chēng)運(yùn)行條件進(jìn)行分析，得到了對(duì)稱(chēng)運(yùn)行時(shí)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(dòng)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(dòng)機(jī)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)和起動(dòng)瞬間的各序阻抗的表達(dá)式。
　　 (2)基于對(duì)稱(chēng)分量法對(duì)三繞組并聯(lián)式單相永磁同步電動(dòng)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(jì)并制造了兩臺(tái)額定1.5kW，220V/50Hz四極三相永磁同步電動(dòng)機(jī)作為試驗(yàn)樣機(jī)，這兩臺(tái)樣機(jī)的主要區(qū)別在于功率因數(shù)不同，其中一臺(tái)電機(jī)的功率因數(shù)較高為0.99，而另外一臺(tái)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(dòng)機(jī)更適合改接成三繞組并聯(lián)式單相永磁同步電動(dòng)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(dòng)單相永磁同步電

9、動(dòng)機(jī)的動(dòng)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(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性并驗(yàn)證動(dòng)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(dòng)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(dòng)態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明該新型單相永磁同步電動(dòng)機(jī)具有良好的起動(dòng)性能。
　　 第四章和第五章分別對(duì)三繞組串聯(lián)式異步起動(dòng)單相永磁同步電動(dòng)機(jī)和SEMIHEX接法異步起動(dòng)單相永

10、磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了研究。與三繞組并聯(lián)式異步起動(dòng)單相永磁同步電動(dòng)機(jī)分析方法類(lèi)似，首先，利用對(duì)稱(chēng)分量法對(duì)具有串聯(lián)式接法和SEMIHEX接法的單相永磁同步電動(dòng)機(jī)的對(duì)稱(chēng)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(dòng)態(tài)仿真模型進(jìn)行仿真研究，最后，特別設(shè)計(jì)了兩臺(tái)額定功率為1.5kW，四極的三相永磁同步電動(dòng)機(jī)作為試驗(yàn)樣機(jī)，其中一臺(tái)樣機(jī)額定線電壓為190V，另外一臺(tái)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(dòng)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(dòng)單相永磁同步電動(dòng)機(jī)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)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(duì)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(dòng)機(jī)、三繞組并聯(lián)式異步起動(dòng)單相永磁同步電動(dòng)機(jī)、三繞組串聯(lián)式異步起動(dòng)單相永磁同步電動(dòng)機(jī)和SEMIHEX接法異步起動(dòng)單相永磁同步電動(dòng)機(jī)的兩個(gè)共性問(wèn)題進(jìn)行