單相電容運轉電機負序磁場對Ansoft計算準確性的影響

朱興旺，黃開勝，劉 豐,吳幫超，方 超

(廣東工業大學, 廣州 510006)

0 引 言

單相電容運轉電動機擁有結構簡單和價格低廉等一系列優點，因而被廣泛運用于輕工制造業和家用電器等方面[1]。然而單相異步電動機并不是沒有劣勢，電機的效率不高就是一個較難改善的問題。解決問題往往需要對電機的參數作出修正，通過Ansoft軟件的仿真來初步判斷設計方案是否合理。這樣就可以大大縮減電機優化和設計的周期[2]。但是軟件的仿真結果并不代表電機的真實性能參數，還要制造樣機通過試驗來驗證設計方案的準確性。但是設計經驗發現，有時使用Ansoft軟件設計仿真后電機的性能參數計算值非常好，但是制造樣機試驗對比卻發現電機性能并沒有仿真的效果好。通過理論分析，調節旋轉磁場中的負序磁場分量可以改善電機的性能。而對比實驗發現降低負序磁場分量比能有效減少Ansoft軟件產生的計算偏差。

1 旋轉磁場負序分量對電機的影響

圖1 單相異步電動機定子電流向量圖

取電動機氣隙圓周空間坐標直線X=0與副繞組的相軸重合，則可以寫出副繞組和主繞組的基波磁勢表達式。

主繞組磁勢表達式:

fm=Fmcos (x-90°)cos (ωt-φ)=

(1)

副繞組磁勢表達式:

(2)

電動機內的合成磁動勢：

f=fa+fm

(3)

可見，主副繞組磁動勢大小相等時，這時相位角正好是90°,即：

Fm=Fa=F,φ=90°

(4)

因此，此時的合成磁勢：

f=fa+fm=Fcos (x-ωt)

( (5)

這時候電動機的存在一個正向旋轉的圓形旋轉磁動勢。同理，當2個繞組產生的磁動勢大小不等，但相位角仍是90°，即：

Fm≠Fa,φ=90°

(6)

此時的合成磁勢：

對亞硝酸鹽含量進行測定時，一定要結合實際。選擇10g經過攪碎之后的樣品，在該樣品當中加入70mL的水、12mL的氫氧化鈉溶液，將這些物質全部都攪拌均勻。為了保證最終的實驗效果，應直接將氫氧化鈉溶液融入其中，并且將該溶液的pH值調整為8，同時還要將其定量轉移至200mL的容量瓶當中，并加入10mL的硫酸鋅溶液攪拌均勻。在對該溶液瓶中的狀態進行觀察時，如果其中并沒有產生任何白色的沉淀物質，那么可以加入2～5mL的氫氧化鈉，將這些溶液全部攪拌均勻。在攪拌均勻之后，直接將其放置在60℃的水浴當中，并且對其進行加熱，加熱時間控制在10min左右。加熱完成之后，立即將其取出，將溫度下降至室溫。

此時，電機內部存在著2個圓形旋轉磁動勢，一個沿著x軸正方向旋轉的圓形旋轉磁動勢，幅值：

(8)

一個沿著x軸負方向旋轉的圓形旋轉磁動勢，幅值：

(9)

這2個幅值不同的圓形旋轉磁動勢合成磁動勢的軌跡為一個橢圓。同理可得，在其余2種情況：Fm=Fa=F,φ≠90°，Fm≠Fa,φ≠90°，電動機內部的旋轉磁動勢均為橢圓形旋轉磁動勢。

由于實際生產制造單相電容運轉電動機時，盡管保證主副繞組的空間角度為90°比較容易實現，但主副繞組的電流相位角實際上卻很難控制在90°。因此，單相電容運轉電動機內部的旋轉磁動勢實際上大多為橢圓形旋轉磁動勢[3]。

對于正常運轉的電機，電機的正序旋轉磁場是驅動電機旋轉的。這時電機需要從電網中吸取電功率并且將一部分轉換成電機的機械運動。這時電機的負序旋轉磁場也會吸取電網中電功率。但是這些能量轉化成了電機轉子的熱損耗。不但消耗了能量又增加了電機的溫升。較大的負序磁場會引起電機較大的損耗和溫升，也將導致電機電磁轉矩的下降和效率的降低。電機的機械性能也將變軟[4]。

故負序磁場的存在會使電機的性能變壞，故在設計單相電容運轉電動機時，通過選擇適當電容器與調整主副繞組匝數，盡可能地削弱負序磁場[5]，能令電機內的旋轉磁動勢盡量接近圓形旋轉磁場，從而使電機性能得到改善，效率達到提升。

2 負序分量比的取值范圍

(10)

假設反轉磁勢比例系數kFma為反轉磁勢幅值與正轉磁勢幅值的比，即：

(11)

φ為90°且WmkdpmIm=WakdpaIa,kFma=0反轉磁勢幅值等于0，電動機中沒有反轉磁勢，只有正轉磁勢，氣隙磁場為圓形旋轉磁場。φ為0°或180°且kFma=1,反轉磁勢幅值等于正轉磁勢幅值，電動機中沒有起動轉矩。

在一般情況下，在kFma在0～1之間，電動機中既有正轉磁勢，也有反轉磁勢，氣隙磁場為橢圓形旋轉磁場。比例系數越接近0越好。

為快速地計算仿真電機的正反轉磁勢，利用Excel表設計了Ansoft軟件的后處理程序，如表1所示。利用Excel表格計算了一款電機效率為86.45%的電容運行的單相電機的負序分量。從表1可以看出,這個高效率的單相電機的負序分量比只有0.04。

表1 單相電容運行電機負序磁場分析

3 負序分量比對電機計算值和試驗值的影響

減小電機的負序磁場分量比可以改善電機的運轉性能。電機的內部產生的旋轉磁場會更接近圓形下一步將詳細的分析不同功率的電機計算值和試驗值偏差的規律和負序分量的優化范圍。

為進一步明確電機計算值和實驗值的影響因素和改善方法，對某電機公司一個系列的電機產品進行了Ansoft有限元的建模，計算電機的仿真參數。使用Excel表程序計算了各個電機的負序分量比，如表2所示。并對這一系列的電機進行了樣機參數試驗，分析各性能參數的偏差程度。電機的具體的性能參數的對比如表3所示。

表2 電機負序分量比

表3 電機參數計算值和實驗值的對比

從表2能夠看出，同屬一個系列的不同功率的電機，其旋轉磁動勢負序分量比不盡相同。其中YLM100和YLM1500的值比較低在0.3以下，而YLM1800的值相對較大達到了0.628。

表3詳細地顯示了各個電機的電流、效率、功率因數的計算值和試驗值。結合各個電機的旋轉磁動勢的負序分量比，可以看到YLM1000和YLM1500的負序分量比最小，分別為0.283和0.269。兩者電機性能各參數的數值偏差不大，電流和功率因數的偏差在5%左右。YLM1100的效率偏差只有0.09%，幾乎和試驗值一樣。YLM1500的效率偏差也僅為0.99%。YLM1800的負序分量最大，達到了0.628。觀察其計算值和試驗值的偏差，發現該款電機計算值和試驗值偏差很大，電流偏差高達21.45%，功率因數偏差為6.96%，效率的偏差也遠遠超過了前2款電機達到了11.6%。YLM750和YLM2000電機的負序磁場比分別為0.418和0.374。觀察兩款電機參數計算值和實驗值偏差，電流偏差在10%左右，功率因數的偏差在5%左右。而兩款電機效率的偏差分別為5.97%和3.56%，偏差都在6%以內。對比整個系列的電機性能計算值和實驗值的偏差，發現隨著負序分量比的增大電機的計算值和實驗值的偏差也會增大。

4 結 語

電機設計中使用有限元軟件Ansoft分析單相電容運轉異步電機時，存在設計性能參數的計算值與樣機試驗值相差較大的現象。本文從理論上詳細分析了單相電容運轉異步電機旋轉磁場的負序磁場分量以及其對電機的影響。提出負序磁場比影響電機計算值和實驗值偏差的觀點，然后對某公司一個系列的電容運行的單相異步電機進行了Ansoft軟件的仿真計算和樣機的試驗測量。使用Excel表的處理程序計算了各電機的負序磁場比，分析電機性能參數計算值和試驗值的偏差數據。發現隨著負序分量比的增大，電機的計算值和試驗值的偏差也會增大。將電機的負序分量比控制在減小的范圍內，其仿真參數就會接近樣機實驗結果。實驗表明，將負序磁場分量比限制在0.3以內時，電機的仿真計算結果較為準確。

[1] 許實章．電機學[M]．北京：機械工業出版社，1990．

[2] 胡巖，武建文．小型電動機現代實用設計技術[M]．北京：國防工業出版社，2007．

[3] 張尊睦.石材翻新機用單相感應電機分析與設計[D].廣州：廣東工業大學，2012:28-30.

[4] 彭磊.制冷壓縮機用單相感應電機的設計[D].長沙：湖南大學，2013:09-11.

[5] ZHONG Hui,WANG Xiuhe,WANG Daohan,et al.Analysis and design of a new type high-efficiency single-phase induction motor based on negative sequence magnetic field compensation[J].IEEE Electrical Machines and Systems,2008:3962-3963.