轉子串電容的三相電動機機械特性分析

李 超， 趙博宣

（山西潞安礦業（集團）有限責任公司鐵路運營公司， 山西 長治 046031）

引言

電容轉子三相電動機的機械特性在初期起動階段為多值函數，為了避免這一弊端對電動機正常運轉造成影響，可通過在其繞組或者轉子導條上串聯電容，來進行電動機機械特性的校正處理，進而獲得接近恒轉矩的機械特性，使其能運用在重載起動中。因此，有必要加大對轉子串電容的三相電動機機械特性進行探究，有效擴展電容轉子三相電動機的適用范圍。

1 電路模型及仿真特性

在進行電容轉子三相電動機機械特性分析時，首先需要建立相應的電路模型，以便為之后的分析研究提供基礎條件。電容轉子三相電動機對應的電路模型中，主要包括電源、電阻、電容等組件，根據電路模型，可進一步得到電動機的機械特性表達式：

式中：m1代表定子電源相數；UN表示定子相電壓；p表示定子側磁極對數；s表示轉差率；nN表示轉子的額定轉速；f1代表定子的電源頻率；R1表示定子繞組的電阻值；R2為折算到定子側的相電阻；X1σ表示定子繞組的相漏感抗；X2σ表示折算到定子側時的電容轉子相漏感抗；X2C表示折算到定子側時的轉子相容抗。在對電動機機械特性進行仿真處理時，能得到校正后的三相電動機的機械特性為：在電磁轉矩為0時，轉子轉速可達1500 r/min；當電磁轉矩接近500 N·m時，轉子轉速為0。從校正后電動機機械特性可得出，傳統非電容轉子的三相電動機存在的機械特性弊端，可通過相應措施進行徹底校正。在實際進行電動機的機械特性仿真分析時，應通過選擇電容的不同規格來進行反復校驗，直至電動機機械特性處于單值函數狀態，這時電動機處于理想的機械特性狀態。通過建立電容轉子三相電動機對應的電路模型，可得到電動機機械特性數學表達式，進而可通過調節電路中元件，來達到理想的電動機運轉狀態，從而提高電動機適用性。

2 串電阻時機械特性分析

具體分析電容轉子三相電動機串聯電阻時體現的機械特性，以便提高三相電動機使用性能。對于電容轉子三相電動機而言，在其轉子串聯電阻時體現的機械特性為：起動轉矩較大，能在短時間內快速起動并保持穩定運行，尤其適用于起重機等負載。隨著轉子串聯電阻值的增加，三相電動機機械特性更加趨于穩定，并且隨著電磁轉矩增加，轉子轉速逐漸降低，在實際運用電動機來驅動機械設備運轉時，要根據實際運行需求，結合電容轉子三相電動機的機械特性變化特點，合理選擇需要串聯的電阻值，進而達到有效校正電動機自身機械特性的目的，是確保機械設備取得良好應用效果的關鍵[1]。

對三相電動機的機械特性進行仿真分析時，需要編寫相應的仿真程序，分別將定子相電壓設定為380 V；將定子電源頻率設定為50 Hz；將定子繞組電阻數值及折算至定子端的轉子相電阻值分別設定成1.39 Ω和1.22 Ω；設定定子繞組的相漏感抗與折算至定子端的轉子相漏感抗數值分別為2.4Ω和4.2Ω；設定電容值為的0.00126 μF；設定定子電源相數為3。通過對轉子串電容的電動機機械特征進行仿真分析，能得到相應的機械特性曲線圖，根據圖中信息，能做到電容轉子串聯電阻值的合理選擇。在對電容轉子電動機轉子串聯電阻時的機械特性進行分析時，可發現串聯電阻后對電動機起動轉矩和轉子轉速間關系產生一定影響，在電阻元件作用下，能進一步提高電動機性能，發揮其在機械設備運行過程中的驅動作用。因此，需要在全面考慮三相電動機有關參數的基礎上，對其轉子串聯后的機械特性進行合理分析，從而達到校正電動機機械性能的目的，提高轉子串電容電動機使用價值。

3 電源電壓下降時的機械特性

除了分析轉子串聯電阻情況下的三相電動機機械特性外，為了加強三相電動機應用在設備運行中的使用性能，還需要研究電源電壓降低條件下的電容轉子三相電動機機械特性，以便做到在電動機運作過程中對電源電壓的有效控制，為電動機正常運行提供保障，具有重要研究意義。當電源電壓減小時，三相電動機體現出的機械特性為：隨著電源電壓的下降，電動機起動轉矩明顯降低，具備接近恒轉矩的起動特性，由于體現上述特性，使得電源電壓降低條件下的電動機更適用于風機類負載。因此，通過調節電源電壓這一參數，能有效調整三相電動機運作性能，進一步借助電動機驅動作用，促進機械設備正常作業，使其滿足設備運行需求[2]。在實際研究電容轉子三相電動機在降低電源電壓時的機械特性，需要對其進行仿真分析，通過結合電動機參數實際來編程仿真程序，來做到對電動機運轉性能的有效掌握。

實際設定電動機各項參數時，需要確保定子電源相數、電容值、定子繞組電阻等參數的合理設定，如針對某一特定三相電動機，分別將定子電源頻率設定為50 Hz；將定子繞組電阻數值及折算至定子端的轉子相電阻值分別設定成1.39 Ω和1.22 Ω，并將定子繞組的相漏感抗與折算至定子端的轉子相漏感抗數值等參數值分別輸入到程序中，再次將電動機同步轉速、折算至定子側的容抗、定子側總阻抗以及電動機的機械特性表達式等導入程序中，在進行一系列算法計算后，能得出電動機在電源電壓降低情況下的機械特性仿真結果。根據電動機在不同電源電壓下的機械特性，電動機起動轉矩與電源電壓值之間存在正比關系，因此，可通過調節電源電壓，來校正電容轉子三相電動機的機械特性，使其適應機械設備運行時的驅動力需求。在電源電壓不變的情況下，隨著電磁轉矩的降低，電動機轉子轉速隨之下降，而在電源電壓較大的情況下，轉子轉速下降趨勢明顯。總的來講，電容轉子三相電動機體現出的機械性能將受到電源電壓的影響，為了提高電動機使用效能，需要在對電動機運轉要求有所了解的情況下，合理設置電源電壓，從而凸顯電容轉子三相電動機應用優勢，是發揮電動機應用價值的關鍵。

4 電源頻率降低時的機械特性

在對電容轉子三相電動機在電源頻率降低時的機械特性進行研究分析時，能得出電源頻率對電動機使用性能有一定影響的結論，隨著電源頻率的改變，可促使三相電動機機械性能符合機械設備運行要求，進而實現機械設備在工業生產中的有效應用。通過分析電源頻率降低情況下的電容轉子三相電動機的機械性能，可發現在電源頻率較低時，電動機起動轉矩出現峰值，當起動時過載能力較強，則容易產生機械沖擊，這些特點表明降低電源頻率后，能促使三相電動機在恒轉矩負載上的應用體現出較強適用性，進而發揮電動機使用價值[3]。在對這一條件下的三相電動機進行仿真分析時，同樣需要將電動機相關參數導入程序中，進而得到相關仿真分析結果，為三相電動機自身機械性能的校正處理提供依據。當電源頻率逐漸降低時，轉子轉速與電磁轉矩間關系曲線發生改變，主要體現在電源頻率較低時，轉子轉速和電磁轉矩之間可能出現正向關系，即是隨著電磁轉矩增加，轉子轉速有所降低，這種情況下會促使電動機驅動轉矩出現峰值，在實際設定電動機工作狀態下的電源頻率時，要重點關注這一問題。另外，在進行仿真分析時，需要將定子相電壓、子繞組電阻數值、定子繞組的相漏感抗、折算至定子端的轉子相漏感抗、電容值等參數對應數值導入仿真程序中，進而在程序自主運算下，得到電源頻率降低情況下的三相電動機的機械性能變化規律。

5 結語

轉子串電容的三相電動機在其運轉過程中，會因受到電源電壓和電源頻率等因素的影響而體現出不同的機械特性，因此，需要通過加大對電容轉子三相電動機在不同情況下機械特性的研究，加深對這類電動機性能的了解。經過對電容轉子三相電動機與傳統非電容轉子三相電動機的起動性能及調速特性進行比較分析，可知電容轉子式電動機總體性能體現出明顯優勢。在實際工業生產中，需要加大電容轉子電動機的使用。