小功率電容運轉電機的兩種接法的研究

潘強強

（中電科風華信息裝備股份有限公司， 山西 太原 030024）

引言

小功率交流電機由于內阻較大，持續運轉時的溫度較高，本文討論的日本松下品牌1W電容運轉交流電機，用在24 h不停機工業設備中，在中低負荷，100 h后開始出現損壞的情況。經過拆解研究繞線燒斷發生損壞，內部漆包線黑棕色，變色老化嚴重，推斷是溫度太高引起的，檢查同期其他電機，溫度在120℃以上，環境溫度28℃。在其中選一電機做實驗，在外殼上鉆孔，加壓縮空氣通入內部定子、轉子間進行冷卻，表面溫度下降到65℃左右，持續一周此實驗電機正常工作，期間，其他對比電機相繼損壞。經過以上實驗，可以確定是內部溫度過高造成的燒毀[1]。對比廠家提供的電路檢查沒有問題，但發熱嚴重，由此本文提出一種低發熱的接法，并對照廠家接法進行兩種接法的研究

1 電路說明

圖1為說明書中電路圖的接法,也是教科書所講述的接法。考慮到電機損壞的原因為發熱較大，測量 AC、BC 端阻值：R1=820 Ω，R2=843 Ω，又在同批購買未裝機的電機中測試，阻值均在800～850 Ω的范圍內，一致性相對較高[2]。運行電容C1=1.5 μF，計算得：

圖1 說明書中的電路接法

由于內阻較大，在此電路中不可忽略，將RCL分立，故將實際電路轉化，如圖2所示。

圖2 實際等效電路

實際中并非滿負載運行，按圖3將主副繞組串聯勢必將減小R1和R2的電流，減小發熱考慮電阻后等效如圖4所示。

圖3 低發熱形式接法

圖4 低發熱接法等效電路圖

運行電容跨接在AC端還是BC端決定了相應繞組相位是否超前，影響電機的正反轉。2 使用MathCAD實例化和模擬

2.1 首先對說明書中的接法進行建模

在一個周期內模擬電流變化，因為T=1/50=0.02s，所以模擬在0.025 s內的情形，令 t=0.0～0.025 s，，由于轉子的變速運轉，異步電機的繞組電感不是一個定值，以kk來表示繞組電感在220 V、50 Hz交流電源下的感抗與運轉電容容抗的比值，由于在運轉中繞組電感發生變化，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值設定在0.5時進行模擬，Re（I1）為繞組 1 的電流實部，Im（I1）為繞組 1 的電流虛部，Re（I2）為繞組2的電流實部，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時電流、電壓的值和相位

2.2 對方法二接法進行建模

同樣假設kk=0.5，如圖6所示。

圖6 接法二取kk=0.5時電流、電壓的值和相位

2.3 繞組電流大小、相位，發熱的對比（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 接法一相位差時間、kk二元變量圖

圖10 接法二相位差時間、kk二元變量圖

θ1，θ2分別為兩種接法的相位差：

α1和α2為調整到0°～360°范圍后的結果：

繞組1減小至原來的75%，繞組2減小至原來50%以下，總發熱功率約等于原發熱功率的30%，但是相位差損失也很大，接近原來的30%，啟動能力下降，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時發熱功率比

圖12 兩種接法發熱功率與kk值的關系

同樣從圖7—圖10中得出相位和電流比與時間t無相關性，所以只要分析t=0 s時的kk改變對應的情況，在二維平面作圖，如圖13所示。

對于單項異步電機兩繞組，相位差越接近90°啟動性能越好。

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

圖13 兩種接法的兩項電流比值和相位差

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

根據圖8所示，kk在0.6～1.4內，接法二的線圈發熱遠小于接法一。

實際測試電機穩定運轉一小時后溫度，接法一的溫度實測123℃，接法二的溫度實測61℃。運行一周后拆解，接法二繞組無明顯發黑變色。可以穩定運行。

3 結語

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性能下降較大，但考慮啟動時轉子在靜止狀態，此時繞組電感最大，只要適當選擇電容就能有一個不錯的啟動轉矩，在啟動后電流下降，電機進入長時間的近勻速運轉中，發熱功率較接法一也大為下降。