轉(zhuǎn)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(yè)（集團）有限責任公司鐵路運營公司， 山西 長治 046031）

引言

電容轉(zhuǎn)子三相電動機的機械特性在初期起動階段為多值函數(shù)，為了避免這一弊端對電動機正常運轉(zhuǎn)造成影響，可通過在其繞組或者轉(zhuǎn)子導條上串聯(lián)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(chǔ)條件。電容轉(zhuǎn)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(jù)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(shù)；UN表示定子相電壓；p表示定子側(cè)磁極對數(shù)；s表示轉(zhuǎn)差率；nN表示轉(zhuǎn)子的額定轉(zhuǎn)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(cè)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(cè)時的電容轉(zhuǎn)子相漏感抗；X2C表示折算到定子側(cè)時的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩為0時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可達1500 r/min；當電磁轉(zhuǎn)矩接近500 N·m時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為0。從校正后電動機機械特性可得出，傳統(tǒng)非電容轉(zhuǎn)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(guī)格來進行反復校驗，直至電動機機械特性處于單值函數(shù)狀態(tài)，這時電動機處于理想的機械特性狀態(tài)。通過建立電容轉(zhuǎn)子三相電動機對應的電路模型，可得到電動機機械特性數(shù)學表達式，進而可通過調(diào)節(jié)電路中元件，來達到理想的電動機運轉(zhuǎn)狀態(tài)，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(zhuǎn)子三相電動機串聯(lián)電阻時體現(xiàn)的機械特性，以便提高三相電動機使用性能。對于電容轉(zhuǎn)子三相電動機而言，在其轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻時體現(xiàn)的機械特性為：起動轉(zhuǎn)矩較大，能在短時間內(nèi)快速起動并保持穩(wěn)定運行，尤其適用于起重機等負載。隨著轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻值的增加，三相電動機機械特性更加趨于穩(wěn)定，并且隨著電磁轉(zhuǎn)矩增加，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速逐漸降低，在實際運用電動機來驅(qū)動機械設(shè)備運轉(zhuǎn)時，要根據(jù)實際運行需求，結(jié)合電容轉(zhuǎn)子三相電動機的機械特性變化特點，合理選擇需要串聯(lián)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(shè)備取得良好應用效果的關(guān)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(shè)定為380 V；將定子電源頻率設(shè)定為50 Hz；將定子繞組電阻數(shù)值及折算至定子端的轉(zhuǎn)子相電阻值分別設(shè)定成1.39 Ω和1.22 Ω；設(shè)定定子繞組的相漏感抗與折算至定子端的轉(zhuǎn)子相漏感抗數(shù)值分別為2.4Ω和4.2Ω；設(shè)定電容值為的0.00126 μF；設(shè)定定子電源相數(shù)為3。通過對轉(zhuǎn)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(jù)圖中信息，能做到電容轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻值的合理選擇。在對電容轉(zhuǎn)子電動機轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻時的機械特性進行分析時，可發(fā)現(xiàn)串聯(lián)電阻后對電動機起動轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速間關(guān)系產(chǎn)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(fā)揮其在機械設(shè)備運行過程中的驅(qū)動作用。因此，需要在全面考慮三相電動機有關(guān)參數(shù)的基礎(chǔ)上，對其轉(zhuǎn)子串聯(lián)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子串聯(lián)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(shè)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(zhuǎn)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(xiàn)出的機械特性為：隨著電源電壓的下降，電動機起動轉(zhuǎn)矩明顯降低，具備接近恒轉(zhuǎn)矩的起動特性，由于體現(xiàn)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(diào)節(jié)電源電壓這一參數(shù)，能有效調(diào)整三相電動機運作性能，進一步借助電動機驅(qū)動作用，促進機械設(shè)備正常作業(yè)，使其滿足設(shè)備運行需求[2]。在實際研究電容轉(zhuǎn)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(jié)合電動機參數(shù)實際來編程仿真程序，來做到對電動機運轉(zhuǎn)性能的有效掌握。

實際設(shè)定電動機各項參數(shù)時，需要確保定子電源相數(shù)、電容值、定子繞組電阻等參數(shù)的合理設(shè)定，如針對某一特定三相電動機，分別將定子電源頻率設(shè)定為50 Hz；將定子繞組電阻數(shù)值及折算至定子端的轉(zhuǎn)子相電阻值分別設(shè)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(zhuǎn)子相漏感抗數(shù)值等參數(shù)值分別輸入到程序中，再次將電動機同步轉(zhuǎn)速、折算至定子側(cè)的容抗、定子側(cè)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(jié)果。根據(jù)電動機在不同電源電壓下的機械特性，電動機起動轉(zhuǎn)矩與電源電壓值之間存在正比關(guān)系，因此，可通過調(diào)節(jié)電源電壓，來校正電容轉(zhuǎn)子三相電動機的機械特性，使其適應機械設(shè)備運行時的驅(qū)動力需求。在電源電壓不變的情況下，隨著電磁轉(zhuǎn)矩的降低，電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速隨之下降，而在電源電壓較大的情況下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降趨勢明顯?？偟膩碇v，電容轉(zhuǎn)子三相電動機體現(xiàn)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(zhuǎn)要求有所了解的情況下，合理設(shè)置電源電壓，從而凸顯電容轉(zhuǎn)子三相電動機應用優(yōu)勢，是發(fā)揮電動機應用價值的關(guān)鍵。

4 電源頻率降低時的機械特性

在對電容轉(zhuǎn)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(jié)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(shè)備運行要求，進而實現(xiàn)機械設(shè)備在工業(yè)生產(chǎn)中的有效應用。通過分析電源頻率降低情況下的電容轉(zhuǎn)子三相電動機的機械性能，可發(fā)現(xiàn)在電源頻率較低時，電動機起動轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)峰值，當起動時過載能力較強，則容易產(chǎn)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(zhuǎn)矩負載上的應用體現(xiàn)出較強適用性，進而發(fā)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(guān)參數(shù)導入程序中，進而得到相關(guān)仿真分析結(jié)果，為三相電動機自身機械性能的校正處理提供依據(jù)。當電源頻率逐漸降低時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩間關(guān)系曲線發(fā)生改變，主要體現(xiàn)在電源頻率較低時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩之間可能出現(xiàn)正向關(guān)系，即是隨著電磁轉(zhuǎn)矩增加，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速有所降低，這種情況下會促使電動機驅(qū)動轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)峰值，在實際設(shè)定電動機工作狀態(tài)下的電源頻率時，要重點關(guān)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(shù)值、定子繞組的相漏感抗、折算至定子端的轉(zhuǎn)子相漏感抗、電容值等參數(shù)對應數(shù)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(guī)律。

5 結(jié)語

轉(zhuǎn)子串電容的三相電動機在其運轉(zhuǎn)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(xiàn)出不同的機械特性，因此，需要通過加大對電容轉(zhuǎn)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(jīng)過對電容轉(zhuǎn)子三相電動機與傳統(tǒng)非電容轉(zhuǎn)子三相電動機的起動性能及調(diào)速特性進行比較分析，可知電容轉(zhuǎn)子式電動機總體性能體現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。在實際工業(yè)生產(chǎn)中，需要加大電容轉(zhuǎn)子電動機的使用。