小功率電容運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)的兩種接法的研究

潘強(qiáng)強(qiáng)

（中電科風(fēng)華信息裝備股份有限公司， 山西 太原 030024）

引言

小功率交流電機(jī)由于內(nèi)阻較大，持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的溫度較高，本文討論的日本松下品牌1W電容運(yùn)轉(zhuǎn)交流電機(jī)，用在24 h不停機(jī)工業(yè)設(shè)備中，在中低負(fù)荷，100 h后開(kāi)始出現(xiàn)損壞的情況。經(jīng)過(guò)拆解研究繞線燒斷發(fā)生損壞，內(nèi)部漆包線黑棕色，變色老化嚴(yán)重，推斷是溫度太高引起的，檢查同期其他電機(jī)，溫度在120℃以上，環(huán)境溫度28℃。在其中選一電機(jī)做實(shí)驗(yàn)，在外殼上鉆孔，加壓縮空氣通入內(nèi)部定子、轉(zhuǎn)子間進(jìn)行冷卻，表面溫度下降到65℃左右，持續(xù)一周此實(shí)驗(yàn)電機(jī)正常工作，期間，其他對(duì)比電機(jī)相繼損壞。經(jīng)過(guò)以上實(shí)驗(yàn)，可以確定是內(nèi)部溫度過(guò)高造成的燒毀[1]。對(duì)比廠家提供的電路檢查沒(méi)有問(wèn)題，但發(fā)熱嚴(yán)重，由此本文提出一種低發(fā)熱的接法，并對(duì)照廠家接法進(jìn)行兩種接法的研究

1 電路說(shuō)明

圖1為說(shuō)明書(shū)中電路圖的接法,也是教科書(shū)所講述的接法?？紤]到電機(jī)損壞的原因?yàn)榘l(fā)熱較大，測(cè)量 AC、BC 端阻值：R1=820 Ω，R2=843 Ω，又在同批購(gòu)買未裝機(jī)的電機(jī)中測(cè)試，阻值均在800～850 Ω的范圍內(nèi)，一致性相對(duì)較高[2]。運(yùn)行電容C1=1.5 μF，計(jì)算得：

圖1 說(shuō)明書(shū)中的電路接法

由于內(nèi)阻較大，在此電路中不可忽略，將RCL分立，故將實(shí)際電路轉(zhuǎn)化，如圖2所示。

圖2 實(shí)際等效電路

實(shí)際中并非滿負(fù)載運(yùn)行，按圖3將主副繞組串聯(lián)勢(shì)必將減小R1和R2的電流，減小發(fā)熱考慮電阻后等效如圖4所示。

圖3 低發(fā)熱形式接法

圖4 低發(fā)熱接法等效電路圖

運(yùn)行電容跨接在AC端還是BC端決定了相應(yīng)繞組相位是否超前，影響電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。2 使用MathCAD實(shí)例化和模擬

2.1 首先對(duì)說(shuō)明書(shū)中的接法進(jìn)行建模

在一個(gè)周期內(nèi)模擬電流變化，因?yàn)門=1/50=0.02s，所以模擬在0.025 s內(nèi)的情形，令 t=0.0～0.025 s，，由于轉(zhuǎn)子的變速運(yùn)轉(zhuǎn)，異步電機(jī)的繞組電感不是一個(gè)定值，以kk來(lái)表示繞組電感在220 V、50 Hz交流電源下的感抗與運(yùn)轉(zhuǎn)電容容抗的比值，由于在運(yùn)轉(zhuǎn)中繞組電感發(fā)生變化，所以令：kk=0.05～5，則電感值X1（kk）=-kkXc，繞組阻抗Z1（kk）=X1（kk）+R1。

先將kk值設(shè)定在0.5時(shí)進(jìn)行模擬，Re（I1）為繞組 1 的電流實(shí)部，Im（I1）為繞組 1 的電流虛部，Re（I2）為繞組2的電流實(shí)部，電流比例均衡，相位差略大于90°，如圖5所示。

圖5 接法一取kk=0.5時(shí)電流、電壓的值和相位

2.2 對(duì)方法二接法進(jìn)行建模

同樣假設(shè)kk=0.5，如圖6所示。

圖6 接法二取kk=0.5時(shí)電流、電壓的值和相位

2.3 繞組電流大小、相位，發(fā)熱的對(duì)比（如圖7—圖10所示）

Mol，1為 接 法 一 兩 繞 組 電 流 比 值 ，Mol，1（t，kk）=

Mol，2為 接 法 二 兩 繞 組 電 流 比 值 ，Mol，2（t，kk）=

圖7 接法一兩繞組電流比值

圖8 接法二兩繞組電流比值

圖9 接法一相位差時(shí)間、kk二元變量圖

圖10 接法二相位差時(shí)間、kk二元變量圖

θ1，θ2分別為兩種接法的相位差：

α1和α2為調(diào)整到0°～360°范圍后的結(jié)果：

繞組1減小至原來(lái)的75%，繞組2減小至原來(lái)50%以下，總發(fā)熱功率約等于原發(fā)熱功率的30%，但是相位差損失也很大，接近原來(lái)的30%，啟動(dòng)能力下降，如圖11所示。

改變kk取值，觀察P1、P2的改變，如圖12所示。

圖11 兩種接法kk=0.5時(shí)發(fā)熱功率比

圖12 兩種接法發(fā)熱功率與kk值的關(guān)系

同樣從圖7—圖10中得出相位和電流比與時(shí)間t無(wú)相關(guān)性，所以只要分析t=0 s時(shí)的kk改變對(duì)應(yīng)的情況，在二維平面作圖，如圖13所示。

對(duì)于單項(xiàng)異步電機(jī)兩繞組，相位差越接近90°啟動(dòng)性能越好。

接法一中，kk在0～1.2內(nèi)變化時(shí)，相位差在45°～105°，兩繞組電流比為0.48～2.50。

圖13 兩種接法的兩項(xiàng)電流比值和相位差

接法二中，kk在0.6～1.4內(nèi)變化時(shí)，相位差在45°～135°，兩繞組電流比為 0.48～1.00。

根據(jù)圖8所示，kk在0.6～1.4內(nèi)，接法二的線圈發(fā)熱遠(yuǎn)小于接法一。

實(shí)際測(cè)試電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)一小時(shí)后溫度，接法一的溫度實(shí)測(cè)123℃，接法二的溫度實(shí)測(cè)61℃。運(yùn)行一周后拆解，接法二繞組無(wú)明顯發(fā)黑變色?？梢苑€(wěn)定運(yùn)行。

3 結(jié)語(yǔ)

繞組電流間接的決定了扭矩的大小，接法二在一些kk值在0～0.5之間性能比接法一啟動(dòng)性能下降較大，但考慮啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子在靜止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)繞組電感最大，只要適當(dāng)選擇電容就能有一個(gè)不錯(cuò)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，在啟動(dòng)后電流下降，電機(jī)進(jìn)入長(zhǎng)時(shí)間的近勻速運(yùn)轉(zhuǎn)中，發(fā)熱功率較接法一也大為下降。