單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)負(fù)序磁場(chǎng)對(duì)Ansoft計(jì)算準(zhǔn)確性的影響

朱興旺，黃開勝，劉 豐,吳幫超，方 超

(廣東工業(yè)大學(xué), 廣州 510006)

0 引 言

單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)擁有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和價(jià)格低廉等一系列優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛運(yùn)用于輕工制造業(yè)和家用電器等方面[1]。然而單相異步電動(dòng)機(jī)并不是沒有劣勢(shì)，電機(jī)的效率不高就是一個(gè)較難改善的問題。解決問題往往需要對(duì)電機(jī)的參數(shù)作出修正，通過Ansoft軟件的仿真來初步判斷設(shè)計(jì)方案是否合理。這樣就可以大大縮減電機(jī)優(yōu)化和設(shè)計(jì)的周期[2]。但是軟件的仿真結(jié)果并不代表電機(jī)的真實(shí)性能參數(shù)，還要制造樣機(jī)通過試驗(yàn)來驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的準(zhǔn)確性。但是設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，有時(shí)使用Ansoft軟件設(shè)計(jì)仿真后電機(jī)的性能參數(shù)計(jì)算值非常好，但是制造樣機(jī)試驗(yàn)對(duì)比卻發(fā)現(xiàn)電機(jī)性能并沒有仿真的效果好。通過理論分析，調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中的負(fù)序磁場(chǎng)分量可以改善電機(jī)的性能。而對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)降低負(fù)序磁場(chǎng)分量比能有效減少Ansoft軟件產(chǎn)生的計(jì)算偏差。

1 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)負(fù)序分量對(duì)電機(jī)的影響

圖1 單相異步電動(dòng)機(jī)定子電流向量圖

取電動(dòng)機(jī)氣隙圓周空間坐標(biāo)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(shì)表達(dá)式。

主繞組磁勢(shì)表達(dá)式:

fm=Fmcos (x-90°)cos (ωt-φ)=

(1)

副繞組磁勢(shì)表達(dá)式:

(2)

電動(dòng)機(jī)內(nèi)的合成磁動(dòng)勢(shì)：

f=fa+fm

(3)

可見，主副繞組磁動(dòng)勢(shì)大小相等時(shí)，這時(shí)相位角正好是90°,即：

Fm=Fa=F,φ=90°

(4)

因此，此時(shí)的合成磁勢(shì)：

f=fa+fm=Fcos (x-ωt)

( (5)

這時(shí)候電動(dòng)機(jī)的存在一個(gè)正向旋轉(zhuǎn)的圓形旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。同理，當(dāng)2個(gè)繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)大小不等，但相位角仍是90°，即：

Fm≠Fa,φ=90°

(6)

此時(shí)的合成磁勢(shì)：

對(duì)亞硝酸鹽含量進(jìn)行測(cè)定時(shí)，一定要結(jié)合實(shí)際。選擇10g經(jīng)過攪碎之后的樣品，在該樣品當(dāng)中加入70mL的水、12mL的氫氧化鈉溶液，將這些物質(zhì)全部都攪拌均勻。為了保證最終的實(shí)驗(yàn)效果，應(yīng)直接將氫氧化鈉溶液融入其中，并且將該溶液的pH值調(diào)整為8，同時(shí)還要將其定量轉(zhuǎn)移至200mL的容量瓶當(dāng)中，并加入10mL的硫酸鋅溶液攪拌均勻。在對(duì)該溶液瓶中的狀態(tài)進(jìn)行觀察時(shí)，如果其中并沒有產(chǎn)生任何白色的沉淀物質(zhì)，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(dāng)中，并且對(duì)其進(jìn)行加熱，加熱時(shí)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(shí)，電機(jī)內(nèi)部存在著2個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，一個(gè)沿著x軸正方向旋轉(zhuǎn)的圓形旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，幅值：

(8)

一個(gè)沿著x軸負(fù)方向旋轉(zhuǎn)的圓形旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，幅值：

(9)

這2個(gè)幅值不同的圓形旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)合成磁動(dòng)勢(shì)的軌跡為一個(gè)橢圓。同理可得，在其余2種情況：Fm=Fa=F,φ≠90°，F(xiàn)m≠Fa,φ≠90°，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)均為橢圓形旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。

由于實(shí)際生產(chǎn)制造單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)時(shí)，盡管保證主副繞組的空間角度為90°比較容易實(shí)現(xiàn)，但主副繞組的電流相位角實(shí)際上卻很難控制在90°。因此，單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)實(shí)際上大多為橢圓形旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)[3]。

對(duì)于正常運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)，電機(jī)的正序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)是驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的。這時(shí)電機(jī)需要從電網(wǎng)中吸取電功率并且將一部分轉(zhuǎn)換成電機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。這時(shí)電機(jī)的負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)也會(huì)吸取電網(wǎng)中電功率。但是這些能量轉(zhuǎn)化成了電機(jī)轉(zhuǎn)子的熱損耗。不但消耗了能量又增加了電機(jī)的溫升。較大的負(fù)序磁場(chǎng)會(huì)引起電機(jī)較大的損耗和溫升，也將導(dǎo)致電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的下降和效率的降低。電機(jī)的機(jī)械性能也將變軟[4]。

故負(fù)序磁場(chǎng)的存在會(huì)使電機(jī)的性能變壞，故在設(shè)計(jì)單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)時(shí)，通過選擇適當(dāng)電容器與調(diào)整主副繞組匝數(shù)，盡可能地削弱負(fù)序磁場(chǎng)[5]，能令電機(jī)內(nèi)的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)盡量接近圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而使電機(jī)性能得到改善，效率達(dá)到提升。

2 負(fù)序分量比的取值范圍

(10)

假設(shè)反轉(zhuǎn)磁勢(shì)比例系數(shù)kFma為反轉(zhuǎn)磁勢(shì)幅值與正轉(zhuǎn)磁勢(shì)幅值的比，即：

(11)

φ為90°且WmkdpmIm=WakdpaIa,kFma=0反轉(zhuǎn)磁勢(shì)幅值等于0，電動(dòng)機(jī)中沒有反轉(zhuǎn)磁勢(shì)，只有正轉(zhuǎn)磁勢(shì)，氣隙磁場(chǎng)為圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。φ為0°或180°且kFma=1,反轉(zhuǎn)磁勢(shì)幅值等于正轉(zhuǎn)磁勢(shì)幅值，電動(dòng)機(jī)中沒有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

在一般情況下，在kFma在0～1之間，電動(dòng)機(jī)中既有正轉(zhuǎn)磁勢(shì)，也有反轉(zhuǎn)磁勢(shì)，氣隙磁場(chǎng)為橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。比例系數(shù)越接近0越好。

為快速地計(jì)算仿真電機(jī)的正反轉(zhuǎn)磁勢(shì)，利用Excel表設(shè)計(jì)了Ansoft軟件的后處理程序，如表1所示。利用Excel表格計(jì)算了一款電機(jī)效率為86.45%的電容運(yùn)行的單相電機(jī)的負(fù)序分量。從表1可以看出,這個(gè)高效率的單相電機(jī)的負(fù)序分量比只有0.04。

表1 單相電容運(yùn)行電機(jī)負(fù)序磁場(chǎng)分析

3 負(fù)序分量比對(duì)電機(jī)計(jì)算值和試驗(yàn)值的影響

減小電機(jī)的負(fù)序磁場(chǎng)分量比可以改善電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)性能。電機(jī)的內(nèi)部產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)會(huì)更接近圓形下一步將詳細(xì)的分析不同功率的電機(jī)計(jì)算值和試驗(yàn)值偏差的規(guī)律和負(fù)序分量的優(yōu)化范圍。

為進(jìn)一步明確電機(jī)計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值的影響因素和改善方法，對(duì)某電機(jī)公司一個(gè)系列的電機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行了Ansoft有限元的建模，計(jì)算電機(jī)的仿真參數(shù)。使用Excel表程序計(jì)算了各個(gè)電機(jī)的負(fù)序分量比，如表2所示。并對(duì)這一系列的電機(jī)進(jìn)行了樣機(jī)參數(shù)試驗(yàn)，分析各性能參數(shù)的偏差程度。電機(jī)的具體的性能參數(shù)的對(duì)比如表3所示。

表2 電機(jī)負(fù)序分量比

表3 電機(jī)參數(shù)計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比

從表2能夠看出，同屬一個(gè)系列的不同功率的電機(jī)，其旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)負(fù)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(duì)較大達(dá)到了0.628。

表3詳細(xì)地顯示了各個(gè)電機(jī)的電流、效率、功率因數(shù)的計(jì)算值和試驗(yàn)值。結(jié)合各個(gè)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)的負(fù)序分量比，可以看到Y(jié)LM1000和YLM1500的負(fù)序分量比最小，分別為0.283和0.269。兩者電機(jī)性能各參數(shù)的數(shù)值偏差不大，電流和功率因數(shù)的偏差在5%左右。YLM1100的效率偏差只有0.09%，幾乎和試驗(yàn)值一樣。YLM1500的效率偏差也僅為0.99%。YLM1800的負(fù)序分量最大，達(dá)到了0.628。觀察其計(jì)算值和試驗(yàn)值的偏差，發(fā)現(xiàn)該款電機(jī)計(jì)算值和試驗(yàn)值偏差很大，電流偏差高達(dá)21.45%，功率因數(shù)偏差為6.96%，效率的偏差也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了前2款電機(jī)達(dá)到了11.6%。YLM750和YLM2000電機(jī)的負(fù)序磁場(chǎng)比分別為0.418和0.374。觀察兩款電機(jī)參數(shù)計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值偏差，電流偏差在10%左右，功率因數(shù)的偏差在5%左右。而兩款電機(jī)效率的偏差分別為5.97%和3.56%，偏差都在6%以內(nèi)。對(duì)比整個(gè)系列的電機(jī)性能計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值的偏差，發(fā)現(xiàn)隨著負(fù)序分量比的增大電機(jī)的計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值的偏差也會(huì)增大。

4 結(jié) 語

電機(jī)設(shè)計(jì)中使用有限元軟件Ansoft分析單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)異步電機(jī)時(shí)，存在設(shè)計(jì)性能參數(shù)的計(jì)算值與樣機(jī)試驗(yàn)值相差較大的現(xiàn)象。本文從理論上詳細(xì)分析了單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)異步電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的負(fù)序磁場(chǎng)分量以及其對(duì)電機(jī)的影響。提出負(fù)序磁場(chǎng)比影響電機(jī)計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值偏差的觀點(diǎn)，然后對(duì)某公司一個(gè)系列的電容運(yùn)行的單相異步電機(jī)進(jìn)行了Ansoft軟件的仿真計(jì)算和樣機(jī)的試驗(yàn)測(cè)量。使用Excel表的處理程序計(jì)算了各電機(jī)的負(fù)序磁場(chǎng)比，分析電機(jī)性能參數(shù)計(jì)算值和試驗(yàn)值的偏差數(shù)據(jù)。發(fā)現(xiàn)隨著負(fù)序分量比的增大，電機(jī)的計(jì)算值和試驗(yàn)值的偏差也會(huì)增大。將電機(jī)的負(fù)序分量比控制在減小的范圍內(nèi)，其仿真參數(shù)就會(huì)接近樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)表明，將負(fù)序磁場(chǎng)分量比限制在0.3以內(nèi)時(shí)，電機(jī)的仿真計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確。

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