单相电容运转电机的最佳运转条件及参数确立

Optimum Operating Conditions and Parameter Establishment of Single Phase Capacitor Run Motor

摘要: 单相异步电动机只需要单相电网供电，所以使用方便。单相电容运转电机，由主绕组和副绕组串接电容后并联在单相电源上，如果能合理配置电容值的大小，就能够提高电机的启动性能和运行效率，也能够提高电机的功率因数。本文从这点出发，推导出合理电容值及与之串联的副绕组对主绕组的有效匝比 的取值，并分析电容过大和过小对电机启动和运行的影响。

Abstract: Single-phase asynchronous motor can be used with only a single phase power. So it can be used easily. Single phase capacitor run motor is paralleled on the single-phase power in which the main winding and the auxiliary winding concatenate capacitance. If we can allocate the capacitance value rationally, it can not only improve the start performance of motor and the running efficiency, but also increase the power factor of the motor. From this point, the numerical value of reasonable capacitance and effective turn ratio   which are gotten from deputy winding and primary wind- ing can be deduced. This paper also analyzes the influence of the too large and too small value of capacitance on starting and running of the motor.

1. 引言

日常生活中，仅需要单相电源就能使用的电动机称为单相电动机，由于只需要单相电网供电，所以在工业、农业、交通以及家用电器等方面应用极为广泛，如电风扇、洗衣机、水泵等用到的电机。

单相电容电动机分为电容启动式电动机和电容运转式电动机，这两种电机都有两个绕组在空间上相隔90˚电角度，其中串有电容器的绕组称为起动绕组，另一组未串有电容器的绕组称为运行绕组。为了使单相异步电动机兼有良好的启动和运行性能，启动绕组串的电容保持不断开运行状态。由于运行中定子两个绕组的电流共同在气隙中产生旋转磁场，故运行时谐波明显减少，整体波形可得到很好的改善。电容运转电机接线方式如图1所示。

怎样用单相电源来获得相位差为90˚的两相电流通入在空间互隔90˚电角度的两个绕组以获得旋转磁场，这是单相电机的关键，如图1所示，主副绕组并联在同一电源上。根据纯电感电压超前电流90˚，纯电容电压滞后电流90˚，由于并联，以电压为参考，适当选择电容值C，就有可能使两绕组电流和互差90˚。

2. 单相绕组电动机的磁势

设单相电流按正弦规律变化，沿着如图2所示方向流入定子线圈时，就会产生脉振磁势。设沿着电动机气隙圆周方向的空间坐标为，并使此绕组的相轴经过坐标原点处，这时气隙圆周空间分布基波磁势为：

. (1)

其中，为脉振磁势的幅值，位于相轴上；为电流的角频率，为时间函数；为磁势的空间坐标 [1] 。

根据三角公式变换，得：

(2)

其中，为旋转正序磁势，为旋转负序磁势，并设电机转子

沿正序旋转 [2] 。如图3所示，它是一个幅值减半，速率相等，转向相反的脉振磁势，脉振磁势不具备启动和运行条件。

3. 两相绕组的磁势

假设在定子空间放置两套绕组M和A，它们在空间相差角，分别流经电流和，设在时间

Figure 1. Capacitor winding connection mode

图1. 电容运转电机接线方式图

Figure 2. Single phase current schematic diagram

图2. 单相电流示意图

Figure 3. Pulsating magnetomotive

图3. 脉振磁势

上导前一个角 [3] ，如图4所示。

这样可以写出A绕组、M绕组合成的基波磁势为：

(3)

其中，为A相绕组正序磁势；为A相绕组负序磁势。

同理对M绕组有：

(4)

其中，为M绕组正序磁势；

Figure 4. Two phase winding electric angle of space and time

图4. 两相绕组空间和时间电角度

为M绕组负序磁势 [4] 。

把M组和A组磁势合成：

(5)

其中，为两绕组的合成正序磁势；为两绕组的合成负序磁势。

假设，合成磁势是一个椭圆磁势，由于两磁势旋转相反，椭圆长轴为，短轴为，负序具有制动力，效率降低，绕组发热。

要使旋转效率高，无制动力，负序合成应为0，具备的条件(圆形磁势)必须是和两个条件同时满足，缺一不可。

4. 对称运行磁势

要具备以上和的条件，如图5所示，首先设等效对称两相电机的主相电流为：

(6)

其中A是实部，B是虚部；同时设主、副绕组分布相同或基本相同，则有：

(7)

(8)

式中，、为副绕组漏抗和电阻；、为主绕组的漏抗和电阻；为副、主绕组有效匝数比；。

由图6可知，处于对称运行状态下电容电机矢量图得到如下关系 [5] [6] ：

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(6)~(14)联立求出：

(15)

(16)

这就是电机对称运行产生圆形磁场的条件。进而求出电容C值。

(17)

5. 结论

分析得出，圆形旋转磁势的启动能力和运转效率最高，如果忽略电机的铜耗和铁耗，以及摩擦力，，因为无负序磁势，既无制动力，从电源吸收电磁功率几乎完全转化为电机轴功率。

1) 副绕组对主绕组的有效匝比是一个重要参数，从以上公式可看出，的增加可意味着C值可以减小，但过高的值会使电机转矩下降，电容启动电机选择，电容运转电机一般选。主、副绕组在几何分布上互成，另确定C值使，这样符合电角，是为了使。

2) 如果启动绕组是按长期工作设计，启动电容也是按长期工作设计，按前面分析，如果选取的电容时，启动转矩较大，启动性能较好，但正常运行后，旋转磁场的椭圆度较大，即负序转矩较大，则必然引起效率降低。同理，如果时，起动性能变差，但运行时的效率提高。如何解决这个矛盾，既想得到较好的启动性能，又想在正常工作时形成近似圆形旋转磁场，那么可以把与启动绕组串联的电容采用两个电容并联方式，如图7所示。

启动时，两个电容和并联，启动转矩较大，当转速达额定转速的75%时，离心开关把切除，使电机建立的磁场是近似的圆形旋转磁场，这些措施既可以获得较高的启动性能，同时也能获得较好的

Figure 5. Circle magnetomotive 0 negative sequence

图5. 负序为0的圆形磁势

Figure 6. Two phase winding vector diagram

图6. 二绕组矢量图

Figure 7. Single phase capacitor start and asynchronous motor rotation

图7. 单相电容启动与旋转异步电动机

运行性能。