单相电容异步电动机抽头调速在风机上的应用

黄翠萍

(苏州电讯电机厂有限公司，江苏苏州215002)

0 引 言

单相电容异步电动机的抽头调速是根据净化设备在不同的使用场合中需要有5种不同的转速来设计的，用以降低风机的噪声。

1 单相电容异步电动机工作原理

由于一个绕组所产生的是脉振磁势，分解所得到的是正、逆序幅值相等、转向相反、转速相等的旋转磁势，在n=0时，正、负起动力矩相等而相抵消，无法起动。为此需要配置(串有电容器)副绕组，使电机在n=0条件下，由绕组建立起椭圆磁势而不是脉振磁势。这样就保证有起动转矩，即电容的分相起动。

单相电容异步电动机是空间相差90°电角度有不同时间相位电流的主、副绕组共同作用产生旋转磁场的。

两相绕组产生圆形旋转磁势的条件:

(1)主、副相绕组的轴线在空间相差90°电角度;

(2)主、副相绕组的安匝数要相等，即I1W1=I2W2，产生的磁势也相等;

(3)主、副相绕组中的电流在时间相位上相差90°。

上述产生圆形旋转磁势的三个条件中有一个或两个以上不满足时，这两相绕组的磁势就是椭圆形旋转磁势。但通常情况:

(1)主、副绕组磁势不等，I1W1≠I2W2;

(2)主、副相绕组中的电流相位差不是90°。

在一般情况下，内部则是椭圆形磁势，即使是圆形磁势也仅在某一转速上满足对称条件时才是圆形磁势。一个内部是椭圆形磁势的电动机是同样能工作的，只是它的性能不及圆形磁势的好。对于一个椭圆形磁势，可以看作是一个正序圆形磁势与一个逆序圆形磁势的共同作用。

如图1所示，这个电容不但用于电机的起动，而且在电机起动完毕至正常运行时也使用，因此是单相电容异步电动机。

图1 单相电容异步电动机原理图

2 净化设备单速风机的设计思路、结构、特点与技术参数

选用130YY型单相电容电动机、蜗壳、叶轮组合而成280FLJ工频离心风机。该电机设计为:槽数Z=24，极对数p=2，相数m=2，即极距相邻两槽电角度°。该电机的主、副绕组对称，即线圈的匝数、线径、节距都相等。三个大、中、小线圈绕组数据分别为:大220;中164;小56。主、副绕组各有四组。

绕组的展开图如图2所示。

图2 绕组展开图

从图2中可看出:

(1)该电机采用的是同心式绕组，即:

y1=τ－1=5

y2=y1－2=3

y3=y2－2=1

(2)每槽有两个线圈边;

(3)槽满率不完全一样，中线圈的槽满率最高。

其产品结构图如图3所示。

图3 单相电容异步电动机结构图

其技术参数如下:

输入功率 250 W;电流1.5 A;转速 1 100 r/min;电容 8.0 μF。

3 抽头调速的要求、设计思路与出发点

3.1 要求

(1)风机转速分5档，即具有高速档、较高速档、中速档、较低速档、低速档;

(2)功率、电流要随转速的下降而下降;

(3)噪声也随转速的下降而降低;

(4)风机在起动时与5种转速工作时要用同一个电容。

3.2 设计思路

一般变速单相电容异步运转电动机尽可能在高速档设计成圆形旋转磁势，以提高其效率，但由于起动5种转速皆同用一个电容，所以不可能运行在圆形磁场。

根据电势基本方程:

式中:Φ为每极磁通;E为每相电势;f为电源频率;W为每相绕组串联线圈总匝数;Kω为绕组系数。

若频率与绕组系数、相电势(接电源)不变，即Φ与W呈反比，也就是每相匝数增加，其每相磁通下降，转速也下降。而我们的抽头调速设计是在原有电机的设计基础之上进行的。

3.2 出发点

从高速往低速分5种速度调节:

(1)增加主绕组匝数，其匝数每次增加部分是从副绕组每次减少的部分中接过来，也就是主绕组匝数越多，速度越低;副绕组因串有电容并呈容性线路，其绕组匝数减少，电流也并不会增加。

(2)增加旋转磁场的椭圆度，即使主、副绕组的夹角离90°越大或I1W1与I2W2相差越多，使反向磁势的制动作用增加，引起转速下降。

4 抽头调速的两种方案

4.1 第一种方案

将降速的四种速度(包括原来不降速的，即5种转速)，每次将每极下的副绕组匝数的1/8转到该极的主绕组下(即第一次是1/8，第二次再1/8，第三次再1/8，第四次再1/8)，四个极下主绕组皆均匀增加匝数与副绕组皆均匀减少匝数，四个极下的磁势相对较平衡。

但是因每次减速都要从四个极下的绕组中取与给，则绕组数由原有的主、副绕组各四组将改为主绕组四组，副绕组二十组，这样绕组的并头也增加了，每一组绕组有两个头，那么主绕组是8个头，副绕组是40个头，另加7条不同颜色的引出线，共计55个头。所以该方案工艺繁琐，抽头多，容易出错，不适合批量生产。

4.2 第二种方案

主绕组增加的数据仍从副绕组减少的匝数中取，但不是均匀的从四极中取，而是每次集中在不同极下取1/2的匝数，四次取完四个极下的副绕组的一半匝数。

具体做法如下:

4.2.1 线圈匝数

线圈匝数的最终变化如表1所示。

表1 线圈匝数

4.2.2 绕线顺序

(1)主绕组按原数值不变即:大220;中164;小56绕制四组;

(2)副绕组按上面所列给定的色标及数据分别绕制两组;

(3)引出线的色标详见图4所示。

图4 接线原理图

4.2.3 工作时主、副绕组的匝数变化

(1)高速档:主、副绕组的总匝数相同，W1=W2=4×(220+164+56)=1 760匝;

(2)较高速档:主绕组的绕组总匝数大、中、小线圈增加为副绕组(大红)色标中一组大、中、小线圈的匝数，即W1=1 760+(110+82+28)=1 980;副绕组的绕组总匝数也相应减少了(大红)色标一组，即W2=1 760－(110+82+28)=1 540;

(3)中速档:主绕组的绕组总匝数大、中、小线圈增加为副绕组(大红+蓝)色标中一组大、中、小线圈的匝数，即W1=1 760+(110+82+28+110+82+28)=2 200;副绕组的总匝数也相应减少了(大红+蓝)色标中一组，即W2=1 760－(110+82+28+110+82+28)=1 320;

(4)较低速档:主绕组的绕组总匝数大、中、小线圈增加为副绕组(大红+蓝+粉红)色标中一组大、中、小线圈的匝数，即W1=1 760+(110+82+28+110+82+28+110+82+28)=2 420;副绕组的总匝数也相应减少了(大红+蓝+粉红)色标中一组，即W2=1 760－(110+82+28+110+82+28+110+82+28)=1 100;

(5)低速档:主绕组的绕组总匝数大、中、小线圈增加为副绕组(大红+蓝+粉红+黄)色标中一组大、中、小线圈的匝数，即W1=1 760+(110+82+28+110+82+28+110+82+28+110+82+28)=2 640;副绕组的总匝数也相应减少了(大红+蓝+粉红+黄)色标中一组，W2=1 760－(110+82+28+110+82+28+110+82+28+110+82+28)=880。

这样抽头的总数就为:主绕组四组8个头，副绕组八组1个头，另加7条不同颜色引出线，共计31个头，较第一方案少了24个头。

4.2.4 测试数据

测试数据如表2所示

表2 测试数据

从表2中可看出:

(1)随主绕组匝数增加，转速逐步下降，输入功率也随之下降;

(2)总电流也随之下降，但主、副相的电流变化不大;

(3)由于主、副绕组匝数随转速下降而差距越来越大，其I1W1与I2W2组成的磁场椭圆度越来越增加(长轴越来越长，短轴越来越短);

(4)电角度与安匝数的变化详如表3所示。

表3 电角度与安匝数的变化

5 结 语

(1)5种调速以高速档每次下降100 r/min左右，满足了用户要求的降速拉得开，且降速较均匀;

(2)旋转磁势的椭圆度越大，风机的转速就越低;

(3)两套方案由于并头(从副绕组中抽出的匝数加入到主绕组匝数)的方式不同，所以产生的磁势变化也不一样，第一种方案是均匀从四组副绕组中抽出相同的匝数增加到主绕组中，这样磁势的变化较第二种方案是单一的从副绕组四组之一一次性的加入到主绕组中去所产生的磁势要好;噪声、振动情况第一方案也比第二方案好;

(4)若用户使用时振动、噪声的考量指标要求不是太高的话，且尤其电机是配备在离心风机上，风机的风声远远大于电机产生的噪声，叶轮的不平衡引起的振动远大于电机电磁的不平衡引起的振动，所以我们还是采用了第二种方案。

［1］ 孙云鹏.单相异步电动机及其应［M］.北京:机械工业出版社，1994.

［2］ 杨长能.电机学［M］.重庆:重庆大学出版社，1994.