單相電容異步電動機抽頭調速在風機上的應用

黃翠萍

(蘇州電訊電機廠有限公司，江蘇蘇州215002)

0 引 言

單相電容異步電動機的抽頭調速是根據凈化設備在不同的使用場合中需要有5種不同的轉速來設計的，用以降低風機的噪聲。

1 單相電容異步電動機工作原理

由于一個繞組所產生的是脈振磁勢，分解所得到的是正、逆序幅值相等、轉向相反、轉速相等的旋轉磁勢，在n=0時，正、負起動力矩相等而相抵消，無法起動。為此需要配置(串有電容器)副繞組，使電機在n=0條件下，由繞組建立起橢圓磁勢而不是脈振磁勢。這樣就保證有起動轉矩，即電容的分相起動。

單相電容異步電動機是空間相差90°電角度有不同時間相位電流的主、副繞組共同作用產生旋轉磁場的。

兩相繞組產生圓形旋轉磁勢的條件:

(1)主、副相繞組的軸線在空間相差90°電角度;

(2)主、副相繞組的安匝數要相等，即I1W1=I2W2，產生的磁勢也相等;

(3)主、副相繞組中的電流在時間相位上相差90°。

上述產生圓形旋轉磁勢的三個條件中有一個或兩個以上不滿足時，這兩相繞組的磁勢就是橢圓形旋轉磁勢。但通常情況:

(1)主、副繞組磁勢不等，I1W1≠I2W2;

(2)主、副相繞組中的電流相位差不是90°。

在一般情況下，內部則是橢圓形磁勢，即使是圓形磁勢也僅在某一轉速上滿足對稱條件時才是圓形磁勢。一個內部是橢圓形磁勢的電動機是同樣能工作的，只是它的性能不及圓形磁勢的好。對于一個橢圓形磁勢，可以看作是一個正序圓形磁勢與一個逆序圓形磁勢的共同作用。

如圖1所示，這個電容不但用于電機的起動，而且在電機起動完畢至正常運行時也使用，因此是單相電容異步電動機。

圖1 單相電容異步電動機原理圖

2 凈化設備單速風機的設計思路、結構、特點與技術參數

選用130YY型單相電容電動機、蝸殼、葉輪組合而成280FLJ工頻離心風機。該電機設計為:槽數Z=24，極對數p=2，相數m=2，即極距相鄰兩槽電角度°。該電機的主、副繞組對稱，即線圈的匝數、線徑、節距都相等。三個大、中、小線圈繞組數據分別為:大220;中164;小56。主、副繞組各有四組。

繞組的展開圖如圖2所示。

圖2 繞組展開圖

從圖2中可看出:

(1)該電機采用的是同心式繞組，即:

y1=τ－1=5

y2=y1－2=3

y3=y2－2=1

(2)每槽有兩個線圈邊;

(3)槽滿率不完全一樣，中線圈的槽滿率最高。

其產品結構圖如圖3所示。

圖3 單相電容異步電動機結構圖

其技術參數如下:

輸入功率 250 W;電流1.5 A;轉速 1 100 r/min;電容 8.0 μF。

3 抽頭調速的要求、設計思路與出發點

3.1 要求

(1)風機轉速分5檔，即具有高速檔、較高速檔、中速檔、較低速檔、低速檔;

(2)功率、電流要隨轉速的下降而下降;

(3)噪聲也隨轉速的下降而降低;

(4)風機在起動時與5種轉速工作時要用同一個電容。

3.2 設計思路

一般變速單相電容異步運轉電動機盡可能在高速檔設計成圓形旋轉磁勢，以提高其效率，但由于起動5種轉速皆同用一個電容，所以不可能運行在圓形磁場。

根據電勢基本方程:

式中:Φ為每極磁通;E為每相電勢;f為電源頻率;W為每相繞組串聯線圈總匝數;Kω為繞組系數。

若頻率與繞組系數、相電勢(接電源)不變，即Φ與W呈反比，也就是每相匝數增加，其每相磁通下降，轉速也下降。而我們的抽頭調速設計是在原有電機的設計基礎之上進行的。

3.2 出發點

從高速往低速分5種速度調節:

(1)增加主繞組匝數，其匝數每次增加部分是從副繞組每次減少的部分中接過來，也就是主繞組匝數越多，速度越低;副繞組因串有電容并呈容性線路，其繞組匝數減少，電流也并不會增加。

(2)增加旋轉磁場的橢圓度，即使主、副繞組的夾角離90°越大或I1W1與I2W2相差越多，使反向磁勢的制動作用增加，引起轉速下降。

4 抽頭調速的兩種方案

4.1 第一種方案

將降速的四種速度(包括原來不降速的，即5種轉速)，每次將每極下的副繞組匝數的1/8轉到該極的主繞組下(即第一次是1/8，第二次再1/8，第三次再1/8，第四次再1/8)，四個極下主繞組皆均勻增加匝數與副繞組皆均勻減少匝數，四個極下的磁勢相對較平衡。

但是因每次減速都要從四個極下的繞組中取與給，則繞組數由原有的主、副繞組各四組將改為主繞組四組，副繞組二十組，這樣繞組的并頭也增加了，每一組繞組有兩個頭，那么主繞組是8個頭，副繞組是40個頭，另加7條不同顏色的引出線，共計55個頭。所以該方案工藝繁瑣，抽頭多，容易出錯，不適合批量生產。

4.2 第二種方案

主繞組增加的數據仍從副繞組減少的匝數中取，但不是均勻的從四極中取，而是每次集中在不同極下取1/2的匝數，四次取完四個極下的副繞組的一半匝數。

具體做法如下:

4.2.1 線圈匝數

線圈匝數的最終變化如表1所示。

表1 線圈匝數

4.2.2 繞線順序

(1)主繞組按原數值不變即:大220;中164;小56繞制四組;

(2)副繞組按上面所列給定的色標及數據分別繞制兩組;

(3)引出線的色標詳見圖4所示。

圖4 接線原理圖

4.2.3 工作時主、副繞組的匝數變化

(1)高速檔:主、副繞組的總匝數相同，W1=W2=4×(220+164+56)=1 760匝;

(2)較高速檔:主繞組的繞組總匝數大、中、小線圈增加為副繞組(大紅)色標中一組大、中、小線圈的匝數，即W1=1 760+(110+82+28)=1 980;副繞組的繞組總匝數也相應減少了(大紅)色標一組，即W2=1 760－(110+82+28)=1 540;

(3)中速檔:主繞組的繞組總匝數大、中、小線圈增加為副繞組(大紅+藍)色標中一組大、中、小線圈的匝數，即W1=1 760+(110+82+28+110+82+28)=2 200;副繞組的總匝數也相應減少了(大紅+藍)色標中一組，即W2=1 760－(110+82+28+110+82+28)=1 320;

(4)較低速檔:主繞組的繞組總匝數大、中、小線圈增加為副繞組(大紅+藍+粉紅)色標中一組大、中、小線圈的匝數，即W1=1 760+(110+82+28+110+82+28+110+82+28)=2 420;副繞組的總匝數也相應減少了(大紅+藍+粉紅)色標中一組，即W2=1 760－(110+82+28+110+82+28+110+82+28)=1 100;

(5)低速檔:主繞組的繞組總匝數大、中、小線圈增加為副繞組(大紅+藍+粉紅+黃)色標中一組大、中、小線圈的匝數，即W1=1 760+(110+82+28+110+82+28+110+82+28+110+82+28)=2 640;副繞組的總匝數也相應減少了(大紅+藍+粉紅+黃)色標中一組，W2=1 760－(110+82+28+110+82+28+110+82+28+110+82+28)=880。

這樣抽頭的總數就為:主繞組四組8個頭，副繞組八組1個頭，另加7條不同顏色引出線，共計31個頭，較第一方案少了24個頭。

4.2.4 測試數據

測試數據如表2所示

表2 測試數據

從表2中可看出:

(1)隨主繞組匝數增加，轉速逐步下降，輸入功率也隨之下降;

(2)總電流也隨之下降，但主、副相的電流變化不大;

(3)由于主、副繞組匝數隨轉速下降而差距越來越大，其I1W1與I2W2組成的磁場橢圓度越來越增加(長軸越來越長，短軸越來越短);

(4)電角度與安匝數的變化詳如表3所示。

表3 電角度與安匝數的變化

5 結 語

(1)5種調速以高速檔每次下降100 r/min左右，滿足了用戶要求的降速拉得開，且降速較均勻;

(2)旋轉磁勢的橢圓度越大，風機的轉速就越低;

(3)兩套方案由于并頭(從副繞組中抽出的匝數加入到主繞組匝數)的方式不同，所以產生的磁勢變化也不一樣，第一種方案是均勻從四組副繞組中抽出相同的匝數增加到主繞組中，這樣磁勢的變化較第二種方案是單一的從副繞組四組之一一次性的加入到主繞組中去所產生的磁勢要好;噪聲、振動情況第一方案也比第二方案好;

(4)若用戶使用時振動、噪聲的考量指標要求不是太高的話，且尤其電機是配備在離心風機上，風機的風聲遠遠大于電機產生的噪聲，葉輪的不平衡引起的振動遠大于電機電磁的不平衡引起的振動，所以我們還是采用了第二種方案。

［1］ 孫云鵬.單相異步電動機及其應［M］.北京:機械工業出版社，1994.

［2］ 楊長能.電機學［M］.重慶:重慶大學出版社，1994.