单相异步电容运转电机电容的匹配研究分析

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[摘 要]本文介绍了单相异步电容运转电容电机的原理，从电机启动方面，说明了单相电机电容的作用，并通过公式推导及应用举例说明启动运转运行电容的一种选型方法。

[关键词]电容匹配；异步电机；交变磁场。

中图分类号：O472+.6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）21-0007-01

1.引言

单相电机一般是单相交流电源供电的小功率异步电动机。通常在定子上有两相绕组，当单相正弦电流通过定子绕组时，定子就会产生一个交变磁场，这个磁场的强弱和方向随时间作正弦规律变化，但在空间方位上是固定的，又称作交变脉动磁场。可分解为两个以相同转速、旋转方向互为相反的旋转磁场，当转子静止时，这两个磁场在转子中产生两个大小相等、方向相反的转矩，使得合成转矩为零，所以电机无法旋转。当用外力使电机向某一方向旋转时，这时转子与顺时针旋转方向的磁场间的切割磁力线运动变小，转子与逆时针旋转方向的磁场间的切割磁力线运动变大，样平衡就打破了，转子所产生的总的电磁转矩将不再是零，转子将顺着推动方向旋转起来。要使单相电机能自动旋转起来，在定子中加上一个起动绕组，起动绕组要串接一个合适的电容，使得与主绕组的电流在相位上近似相差90度，即所谓的分相原理。这样两个在时间上相差90度的电流通入两个在空间上相差90度的绕组，将会在空间上产生旋转磁场。

图1中主绕组电流Ia总是滞后电压U1一个角度θa，副绕组中串接电容后，当容抗大于绕组自身的感抗，Ib将超前U1一个角度θb，电容器选择适当，可以是Ib超前Ia 90°的电角度。

2.电容的功用

（1）电机启动的功能

在时间和空间上形成两个相同的脉冲磁场，使定子与转子之间的气隙中产生了一个旋转磁场，在旋转磁场的作用下，电机转子中产生感应电流，电流与旋转磁场互相作用产生电磁场转矩，使电机旋转起来。

（2）在运行中电容能提高电机效率和功率因数。

3.单相电容运转电容的匹配

单相电机运转过程中形成圆形旋转磁场，不仅与副相绕组的电容量的选择有关系，另外与主副绕组的匝比有很大的关系。因此单相电机运转性能的磁场的圆度主要两个因素就是串联在副相绕组中电容量的选择以及主副相绕组匝比的确定。

（1）运行电容的公式推导

由电机学的原理可知，单相电容运转电机的主绕组的额定运行电流Im为电机额定电流In的1/，即

Im=1/In

副绕组的额定运行电流为：Ia=KIm

其中K=为主绕组与副绕组的有效匝数比；Wm、Wa为主绕组、副绕组的匝数；Km、Ka为主绕组、副绕组的绕组系数；对于一般的电动机可视为两者相等。

从电机的设计与实际运行情况来看，K的取值范围一般为0.6～0.9，少数情况下K>1（此时副绕组的线径大于主绕组的线径）。串入副绕组的运行电容为

C=（uF）

式中，f为电源频率；Uc为电容额定电压，应该满足Uc>Un（Un为额定电压），当Un=220V时，可选Uc=400V；当Un=380V时，可选Uc=630V。

（2）运行电容的试验确定

实验前，首先按计算出的电容量，选取0.7～1.5倍容量的电容器若干，试验时把电流表接入副绕组，再把准备的电容按容量大小分别串入副绕组，让电机实际负载运行，读取副绕组中电流，当电流接近计算值Ia时，其电容量就是所需要的。

（3）应用举例

电机额定数据为：Pn=750W，Un=220V，In=6.77A，主副绕组的匝数比Wm/Wa=90/120，原配启动电容C=150uF。为了增大电动机的出力，给副绕组选配一个运行电容。

1）计算电容量

Im=In/=6.77/=4.79A

K===0.75

Ia=KIm=0.754.79=3.59A

额定电压Un=220V，选Uc=400V，则

C===28.57uF

2）试验确定电容量

按照0.7～1.5倍的计算考虑，选取容量为20～40uF的电容量共8只，分别接入副绕组进行负载试验，各电容与对应的副绕组电流情况如表1所示。

从表中可以看出，当C=35uF时，Ia=3.6A与计算值接近，因此选配35uF/400V的电容作为运行电容。实测电动机的输出功率增大到980W。

再举例一个绕组有效匝数比>1的单相电容电机的改造情况。额定数据为Pn=180W，Un=220V，In=2.25A，主副绕组的匝数为Wm=696，Wa=408，原配启动电容为C=150uF，选配运行电容的情况如下，计算电容量如下：

Im=In/=2.25/=1.59A

K===1.71

Ia=KIm=1.711.59=2.71A

选电容器的额定电压Uc=400V，则

C===21.57uF

1）试验确定电容量

同样按0.7～1.5倍的计算电容量考虑，选取了一些电容进行试验，当C=27uF时，Ia=2.72A，于是可以选配27uF/400V的运行电容，并实测电动机的输出功率增大到240W。

再举例验证下目前用的电机的电容的合理性；

电机型号：PG30E，根据设计，匝比为K=0.99（600/605），额定功率Pn=30W，额定电流In=0.4A，Ia在整机上配3uF时实测约0.29A；

计算：Ia=KIm=10.4/=0.283A

C=2.25uF

整机上通过更换电容，测试结果如下：

从匹配结果看，只有选择3uF时，副相绕组电流为0.29A是最接近于实际理论计算值0.283A，因此选择3uF可以最好的保证电角度。

单相电容电机中运行电容起着电流分相的作用，如果电容选得过小，则会使电动机的转速降低，转矩减小，功率和效率都达不到正常值；如果电容选得过大，则又会使副绕组的电流增大，电机的温升高，噪音增大，影响电机的寿命。

参考文献

[1] 胡虔生.胡敏强 电机学[M].北京：中国电力出版社，2009.

[2] 戴文进.电机设计.[M].北京：清华大学出版社，1998.