單相異步電機倍雙電壓的實現及特點分析

林仕供

(福建閩東新能源動力科技有限公司，福建 福安　355019)

單相異步電機倍雙電壓的實現及特點分析

林仕供

(福建閩東新能源動力科技有限公司，福建 福安355019)

對單相異步電機的倍雙電壓功能實現作了理論上的分析。對對極不對稱和對極對稱兩種電路連接方式進行了對比分析，并進行了試驗論證。試驗結果表明，對極對稱連接方式改善了電機的起動和負載性能，具有一定的優勢。

倍雙電壓； 電磁平衡； 極對稱； 單邊磁拉力； 異步電機

0　引　言

目前，為實現單相異步電機的倍雙電壓功能，電機設計師在設計上大多采用對極分壓方法，即取相對極的兩套主繞組進行分壓，在高電壓時副繞組從極間半壓分出，實現雙電壓的電路轉換。國內外幾個廠家的多數樣品均采用此類結構，但電機的性能優劣不一?？傮w來說，制造工藝良好的國外電機在其起動性能和運轉性能方面要好于國內電機。

1　理論分析

相較于三相異步電機，單相異步電機的最大區別在于電路和磁場的不對稱，從而在起動和運轉狀態下都基本為橢圓形磁場，造成單相異步電機包括電磁振動和電磁噪聲在內的幾乎所有性能均要劣于三相異步電機，所以，在設計時應盡可能減小電磁的不平衡分量。雖然電路或磁路的不平衡都將使得磁場產生不平衡，但單相異步電機主繞組或副繞組的對極電路在理論上總是對稱的，不會產生額外的單邊磁拉力。為實現倍雙電壓功能，若副繞組直接從主繞組極間分壓引出，理論上就破壞了原主繞組的對極對稱效果。對于電容起動或電阻起動的電機來說，其將直接影響電機的起動性能，主要表現為起動過程中異常的電磁聲、起動緩慢甚至無法起動；對于雙值電容或電容運轉電機，該方法甚至可能會使負載性能受到嚴重影響，主要表現為額定負載時的溫升偏高、效率偏低，減弱了電機的過載能力。特別是對于一些金加工精度較低的電機制造廠，制造的電機定轉子機械同軸度較差，且離散性很大，以上所述的電機不良性能會表現得更加明顯，出現的概率也更大。

綜上所述，在對極不對稱之外，還需要考慮另一種對極對稱的繞組連接方法，以改善電機的各種性能。

2　兩種連接方式分析

對極不對稱連接方式和對極對稱連接方式分別如圖1、圖2所示。

圖1　對極不對稱連接方式

圖2　對極對稱連接方式

對極不對稱和對極對稱兩種繞組連接方法的優缺點如下：

(1) 圖1的主繞組1和主繞組2分別位于定子的相對面，其空間角度為180°；圖2的主繞組1、3和主繞組2、4分別位于定子的相對面，其空間角度同為180°。但圖2對極對稱連接方式中主繞組1和主繞組3同槽、主繞組2和主繞4同槽，即兩線并繞，其空間角度為0°，相軸重合。

(2) 從圖1和圖2可看出，在低電壓時，對極不對稱連接的主繞組是兩路并聯，對極對稱連接的主繞組是一路串聯，都是對稱電路，所以可以對稱運行，不做詳述。

(3) 在高電壓時，兩種接線均屬于T形接法，其電流相量關系如圖3所示。

圖3　電流相量關系

由相量圖可知，im2=im1+ia，所以im2和im1的幅值和相位均不相等，對于圖1連接，可見對極不對稱；對于圖2連接，由于相對極的電流都是合成電流im，所以總是對稱的。

由于im2和im1的幅值和相位均不相等，對于圖1連接，在理論上主繞組的兩對極與副繞組的電角度無法同時實現90°，在任何轉速下都不能實現圓形旋轉磁場運行；對于圖2連接，只要適當選擇主副繞組的匝比和電容的匹配，便可實現對稱電機的運行條件，主副繞組的磁勢幅值相等，相位差為90°，在額定負載時以接近圓形旋轉磁場運行，如圖3(b)所示。

由于im2和im1的幅值和相位均不相等，對圖1，兩段主繞組的電流密度不相等，有一個繞組可能出現過熱現象，造成溫升偏高、效率偏低的不良后果；對圖2則只要適當改變兩段繞組的線徑，便可避免出現以上問題。

假設線圈是理想的倆倆并排，按圖1的方法連接，線圈承受的是匝間電壓，其數值隨匝數變化而變化，若按圖2的方法連接，繞組1、3或繞組2、4的線圈所承受的電壓約為額定電壓的1/2。

如上所述，圖2所示的對極對稱的繞組設計

方法，在設計過程中很容易對結果數據進行有效地調整，可以對各種過程參數做最優化的組合，以達到各種配套負載需要的電機性能。

3　試驗對比

針對以上分析，對3臺水泵電機樣品(220/110V，50Hz，180W，兩極)作了相關的理論分析與試驗。3臺樣機均按220V接線，在額定負載時測試數據如表1所示。

表1　性能測試數據

A—意大利進口樣機，按圖1繞組連接方法；

B1/B2—仿意大利樣機2臺，繞組數據同A，按圖1繞組連接方法；

C1/C2—仿意大利樣機2臺，在B基礎上重新設計定子繞組按圖2繞組連接方法，用銅量相同。

從以上試驗結果可看出，B樣機即完全仿意大利樣機的數據結果不太理想，不能達到預期要求；C樣機即按圖2連接的樣機的測試結果則相對比較理想。說明只有通過改進設計才能得到理想的結果，且改進后的大部分性能甚至超過樣品的試驗數據所反映出的性能指標。

4　結　語

通過兩種連接方式的對比分析，對極對稱的繞組連接方式在很多有特殊負載要求的場合顯示出了一定的優越性。由于是兩線并繞的工藝，所以對漆包線的絕緣有較高要求。為獲得更大的經濟效益，設計師需綜合考慮使用場合、性能需求等各方面因素后進行合理的選擇。

[1]陳世坤.電機設計[M].北京： 機械工業出版社，2007.

[2]石有計.一種低壓低速多支路永磁同步電動機設計[J].電機技術，2011(5)： 11-14.

Analysis of Characteristics and Implementation of Dual Voltage for Single-Phase Asynchronous Motor

LINShigong

(Fujian Mindong Nev Motor Technology Co., Ltd., Fuan 355019, China)

The dual voltage function realization for single-phase asynchronous motor was analyzed, the asymmetric and symmetric circuit connection mode were analyzed, and verified by experiment. The symmetric connection mode improved the motor starting and loading performance, has certain advantages.

dual voltage; electromagnetic balance； polar symmetry； unilateral magnetic pull; asynchronous motor

2014-09-10

TM 302

A

1673-6540(2015)04-0030-02