摘要：小功率三相异步电动机无需改变任何结构和绕组数据，只要接入适当的电容器，就能在单相电源上运行。本文论述了小功率三相异步电动机单相运行时的绕组联接方法和电容匹配问题。
关键词：小功率电动机；单相运行；绕组接线；电容匹配
用小功率三相异步电动机在不改变电机内部接线情况下,单相运行,最简便的方法是配置运行电容。但电容器容量配置是否恰当,影响到电动机单相运行时的负载能力,直接关系到电动机单相运行性能的好坏。
一、三相异步电动机概述
三相异步电机是感应电动机的一种，是靠同时接入380V三相交流电流（相位差120度）供电的一类电动机，由于三相异步电动机的转子与定子旋转磁场以相同的方向、不同的转速成旋转，存在转差率，所以叫三相异步电动机。其转子的转速低于旋转磁场的转速，转子绕组因与磁场间存在着相对运动而产生电动势和电流，并与磁场相互作用产生电磁转矩，实现能量变换。
三相异步电动机由固定的定子和旋转的转子两个基本部分组成，转子装在定子内腔里，借助轴承被支撑在两个端盖上。为保证转子能在定子内自由转动，定子和转子之间必须有一间隙，称为气隙。电动机的气隙是一个非常重要的参数，其大小及对称性等对电动机的性能有很大影响。
与单相异步电动机相比，三相异步电动机运行性能好，并可节省各种材料。按转子结构的不同，三相异步电动机可分为笼式和绕线式两种。笼式转子的异步电动机结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜，得到了广泛的应用，其主要缺点是调速困难。绕线式三相异步电动机的转子和定子也设置了三相绕组，并通过滑环、电刷与外部变阻器连接。调节变阻器电阻可改善电动机的起动性能和调节电动机的转速。
二、接线方式的选择
Y接法的小功率三相异步电动机单相运行时接线方式，见图1。为获得最大输出功率及最佳运行性能，对图1中4种联接方式分别进行分析计算及试验验证。
1、采用图1a的接线方式时。当采用图1a所示的接线方式，在220V电压下进行空载起动试验时，将图中的总电容从50μF一直加到250μF，电机却始终只能在低速处爬行，分析其原因是由于在空间对称分布的三相绕组(被试电机采用单层绕组)按该方法联接后，磁势中的三次谐波及其谐波转矩较大，因而起动过程中最小转矩很低，电机无法加速到额定转速附近。故这种接线方式根本不能采用。
2、采用图lb的接线方式时。采用图1b所示的L型接线方式，起动并不困难，但当电源电压为220V，其最大输出功率太小。另外，当运行电容C1＝20μF时，其最大输出功率只能达到三相运行时额定输出功率的约44％。增加运行电容的数值，其最大输出功率虽有所增加，但却非常有限。由此可见，在电源电压为220V时，采用这种联接方式，电机的容量不能充分利用。同样采用该接线方式，但将电源电压加到380V，其最大输出功率可达220V时的约2.66倍。其额定转矩可达到各种三相运行时额定转矩的65％～75％。但根据我国的实际情况，单相电源电压为220V。因此，尽管在380V时可获得较大输出功率，但没有实用价值。
针对上述现象，进行了理论分析。对额定电压380V、Y接法的三相异步电动机，其相电压为220V，每相有效匝数设为W1KW1。而按图1b接线220V电压下运行时，主绕组电压同样为220V，但其有效匝数为
W1KW1，是前者的
倍。由于绕组匝数的增加，使漏抗增加，从而使最大转矩下降，从而导致最大输出功率的减小。
3、采用图1c的接线方式时。对图1c所示的Y接法，也无起动困难，但当电源电压分别为220、380V时，其最大输出功率的试验结果和L塑接法接近。因此，这种接线方式同样不可取。
4、采用图1d的接线方式时。采用图1d所示的△接法，且电源电压为220V时，可取得较为理想的结果。同时，当运行电容C1=20μF时，其最大输出功率是L及Y接法时的2.7倍。适当增加电容的数值，其最大输出功率还能够增加。
△接法与其余两种接法相比之所以可获得较大输出功率的原因，是由于△接法时其主绕组电压和匝数与三相运行时每相的电压和匝数分别对应相等，从而使气隙磁密也基本相同。
综上所述，对额定电压为380V、Y接法的小功率三相异步电动机，在单相220V电源下运行时，为充分利用设备能力，获得较大输出功率和最佳运行性能，△接法是最理想的接线方式。
三、△接法对的电容匹配问题
三相异步电动机单相运行时，由于负序磁场的存在，其输出功率势必比三相运行时小。所以，单相运行时的额定输出功率应比三相时降低一个功率等级，且各项性能指标也按相同功率等级的单相异步电动机来考核比较合适。根据这个原则，图1d中C1和C2的数值应在满足各项性能指标的前提下选取。
表1 单相及三相运行时各性能指标的试验数据
备注：被试样机为AO2 90L-2、1.5kW三相异步电动机
由表1数据可见，当运行电容C1取46μF，且C1和C2之和约为200μF时，各项性能指标均已达到标准要求。适当增加电容C1的数值，可获得更好的运行性能。按其公式：
（1）
取C1=76μF及86μF分别进行试验，其主要性能的试验结果见表1。其效率曲线见图2。由图2可见，在输出功率为1100W，运行电容的数值为76μF及86μF时的效率均比46μF时高，而且也都高于三相运行。这是由于3套绕组中的电流均较三相运行时的额定电流小，从而使铜耗下降所致。
图2
对适当增加运行电容的数值，可获得较好的运行性能的原因，可采用合成电流法来加以分析。图1d的接线方式采用该方法分析时，在额定输出时运行电容值适当地增大，负序电流较小，气隙磁场更趋于圆形旋转磁场，从而获得较好的运行性能。但运行电容的价格较贵，故在满足各项性能指标的前提下，取较小的电容值可使费用降低。
四、结语
对一些工作场所经常变动的机械，若能采用单、三相通用电动机来拖动将十分方便。对Y接法的小功率三相异步电动机，不需改变任何结构和绕组参数，只需适当改变原三相绕组的联接方法，并匹配合适的电容，即能在单相电源下运行，从而使原三相异步电动机成为单、三相通用电动机。当接线方式及电容匹配合理时，单相运行时的额定输出功率一般比三相运行时低一个功率等级，其余各项性能指标均可达到相应功率等级单相电机的国家标准所规定的数值。
参考文献：
[1]孙云鹏.单相异步电动机及其应用.机械工业出版社，2015.
[2]陈永校.小功率电动机.机械工业出版社，2014.
[3]彭晓.单三相通用交流感应电动机设计.电机技木，2014.
论文作者:林振维
论文发表刊物:《电力设备》2018年第16期
论文发表时间:2018/10/1
标签：单相论文; 绕组论文; 电容论文; 接线论文; 输出功率论文; 转子论文; 三相异步电动机论文; 《电力设备》2018年第16期论文;