CN112542977A

CN112542977A - 一种使三相电机能够在单相电网中运行的方法

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Publication number: CN112542977A
Application number: CN202011394305.7A
Authority: CN
Inventors: 李宗格; 陈启敏
Original assignee: Guangdong Power Grid Co Ltd; Jiangmen Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co Ltd
Current assignee: Guangdong Power Grid Co Ltd; Jiangmen Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co Ltd
Priority date: 2020-12-03
Filing date: 2020-12-03
Publication date: 2021-03-23

Abstract

本发明涉及三相电机技术领域，更具体地，涉及一种使三相电机能够在单相电网中运行的方法，包括以下步骤：S1.建立在单相电源中工作的三相电机的数学模型；S2.根据所述数学模型确定所述可控电容的规格；S3.将确定规格的可控电容与三相电机中的任意两相并联，所述三相电机的另外一相与单相电源连接，通过周期性调整所述可控电容的占空比使其适应当前运行状态。本发明能够避免装于电机内的机械和离心开关失效的问题，提高系统稳定性，并能减少运行和维护的成本。

Description

一种使三相电机能够在单相电网中运行的方法

技术领域

本发明涉及三相电机技术领域，更具体地，涉及一种使三相电机能够在单相电网中运行的方法。

背景技术

目前三相供电系统在全国范围内都是很普遍的，然而在某些农村地区可能只能由单相电源供电。另外，虽然单相电动机在小功率电动机领域得到了广泛应用，但当额定功率大于0.5kw时，采用单相感应电动机往往是不够经济的。

而在某些应用领域，此种方式甚至可能是必须采用的。例如，在为偏远山区进行农网电气化改造时，其所拥有的技术和经济上的优势就能很好地体现在初装时的单回线路系统。随着负荷的逐步增加，单回线路系统又可慢慢改造成规范的三相供电系统。灌溉用的水泵通常都是系统中的主要负荷，这就需要通过采用移相电容来使三相电动机运行在单相电源下。后者的好处是当三相系统建成后，水泵可直接接上电源取电。另外，那些靠三相电源驱动的便携式水泵必须在其所在处有相应的电源。

公开号为CN111391696A的中国专利文献，公开了一种具有最优电容值的单三相兼容双向充电机控制电路，可以在满足单三相输入兼容的情况下，减少电解电容的使用量，从而大大提高充电机功率密度，提高充电机寿命，减小充电机体积，同时抑制了输出充电电流纹波，保持了稳定的充电性能。

但上述方案较为繁琐且不易于执行。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种使三相电机能够在单相电网中运行的方法，能够避免装于电机内的机械和离心开关失效的问题，提高系统稳定性，并能减少运行和维护的成本。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

提供一种使三相电机能够在单相电网中运行的方法，包括可控电容，所述方法包括以下步骤：

S1.建立在单相电源中工作的三相电机的数学模型；

S2.根据所述数学模型确定所述可控电容的规格；

S3.将确定规格的可控电容与三相电机中的任意两相并联，所述三相电机的另外一相与单相电源连接，通过周期性调整所述可控电容的占空比使其适应当前运行状态。

本发明为一种使三相电机能够在单相电网中运行的方法，通过在三相电机上并联可控电容，使三相电机能够在单相电网中正常运行，提高系统稳定性；又由于三相电机相较于单相电机的成本更低，因此在单相电网中使用三相电机能够减少运行和维护的成本。

进一步地，所述步骤S1具体为：根据对称分量法和稳态等效电路基础建立在单相电源中工作的三相电机的数学模型。

进一步地，所述步骤S1具体包括如下步骤：

S11.根据对称分量法得到正序工作等效电路公式和负序工作等效电路公式；

S12.通过令初始电压为零对所述正序工作等效电路公式和负序工作等效电路公式进行简化；

S13.根据电机转动力矩的表达式、定子电压表达式、电压与电流的表达式、以及简化后的正序工作等效电路公式和负序工作等效电路公式，得到电流与阻抗的表达式与机械平衡转矩等式。

进一步地，在步骤S11中，所述正序工作等效电路公式为：

所述负序工作等效电路公式为：

在步骤S12中，令初始电压为零，得到：

进一步地，在步骤S13中，所述电机转动力矩的表达式为：

所述定子电压表达式为：

υ_s＝υ_a-υ_b，

其中X_C＝1/W_C为容性阻抗；

所述电压与电流的表达式为：

i_a+i_b+i_c＝O，i_s＝i_a+i_c，i_b＝-i_s；

所述电流与阻抗的表达式为：

0＝R′_ri_rx+X′_rpi_rx+Xmpi_Sx+γ(X′_ri_ry+X_mi_Sy)，

0＝R′_ri_ry+X′_rpi_ry+X_mpi_Sy-γ(X_ri_rx+X_mi_Sx)，

其中，X_s＝X_is+X_m，X’r＝X’_ir+X_m；

所述机械平衡转矩等式为：

式中，F表示摩擦系数。

进一步地，在步骤S2中，所述可控电容由交流电容与单向电子开关串联组成。

进一步地，所述单向电子开关为绝缘栅双极型晶体管。

进一步地，所述步骤S2具体为：通过获得相间电压最小不平衡度来确定可控电容的规格。

进一步地，在步骤S2中，通过定子绕组相间电压最小和零负序电压最小来获得相间电压最小不平衡度。

进一步地，在步骤S3中，在所述三相电机的连接轴上装设测速器用于测定转速。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

附图说明

图1为本发明一种使三相电机能够在单相电网中运行的方法的流程图。

图2为本发明实施例中使用的三相绕组感应电动机参数图表。

图3为本发明装有可控电容的单相运行三相电机定子绕组电路图。

图4为本发明正序工作等效电路图。

图5为本发明对应于三相电机基本转速的电容阻抗值的理想曲线图。

图6为本发明实施例中330uf的可控电容的有效阻抗值曲线图。

图7为本发明实施例中对应于三相电机转速的占空比曲线图。

图8为本发明实施例中具有一个电容或两个电容时的可控电容三种情况下的仿真和实验转速曲线图。

图9为本发明实施例中具有一个电容或两个电容时的可控电容三种情况下带3.0Nm负载的仿真和实验转速曲线图。

图10为本发明实施例中具有一个电容或两个电容时的可控电容三种情况下带3.0Nm负载时仿真和实验的定子电流曲线图。

图11为本发明实施例中具有一个电容或两个电容时的可控电容三种情况下带3.0Nm负载时仿真电磁转矩曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

实施例1

如图1至图11所示为本发明一种使三相电机能够在单相电网中运行的方法的第一实施例，包括可控电容，所述方法包括以下步骤：

S1.根据对称分量法和稳态等效电路基础建立在单相电源中工作的三相电机的数学模型。

鉴于运行在单相电源的三相电机的定子绕组不全一致，所以必须采用一种转接技术以获得物理上的改变，对称分量法能够用于获得正序电流和电压。此方法是用于简化三相电动机单相运行的方程。在此前提下，所有的电机规格都被认为是不变的，磁损，磁饱和与MMF谐波都忽略不计。并且，负序分量总是决定于正序分量，所以，只有正序分量是被要求完全解出来的。

其中，步骤S1具体包括如下步骤：

具体地，正序工作等效电路公式为：

将正序工作等效电路公式的j使用-j替换，得到负序工作等效电路公式为：

S12.由于步骤S11的公式很复杂，因此若通过令初始电压为零的情况来进行分析，会使公式变得更方便使用，即，通过令初始电压为零对正序工作等效电路公式和负序工作等效电路公式进行简化，简化后的公式为：

S13.根据电机转动力矩的表达式、定子电压表达式、电压与电流的表达式、以及简化后的正序工作等效电路公式和负序工作等效电路公式，得到电流与阻抗的表达式与机械平衡转矩等式；

具体地，相关负序电流和以建立的电磁感应力矩根据定序数量可表示为：

图3中由单相电源提供的定子绕组端电压为：

υ_s＝υ_a-υ_b，

其中，X_C＝1/W_C为容性阻抗，相关电流为：

i_a+i_b+i_c＝0，i_s＝i_a+i_c，i_b＝-i_s；

通过对称分量法再结合上述公式可得结合公式为：

0＝R′_ri_rx+X′_rpi_rx+X_mpi_sx+γ(X′_ri_ry+X_mi_sy)，

0＝R′_ri_ry+X′_rpi_ry+X_mpi_Sy-γ(X′_ri_rx+X_mi_Sx)，

其中，X_s＝X_is+X_m，X’r＝X’_ir+X_m；

因此，一个简单的用于表达已建立的电磁力矩公式为：

机械平衡转矩等式为：

式中，F表示摩擦系数。

上述公式中独立变量为i_sx、i_sy、i_rx、i_ry和r。结合公式、已建立的电磁力矩公式、机械平衡转矩等式均为非线性等式，它们随变量的变化而变化。控制电容的调节范围必须能适应电机从最初启动到全速运行过程中不同的运行状态。计算的前提是对于所有变量，电压V_s和初始电压都设为零。

S2.根据数学模型以及通过获得相间电压最小不平衡度来确定可控电容的规格；其中，通过定子绕组相间电压最小和零负序电压最小来获得相间电压最小不平衡度；可控电容由交流电容与单向电子开关串联组成，具体地，单向电子开关选用IGBT绝缘栅双极型晶体管。

由于电容阻抗随转速和三相电机规格而变化，适当选择电容大小对三相电机运行状态起决定作用。要使三相电机能够运行在单相电源下，关键在于选择三相电机电容C或电容阻抗X_c，令负序电抗即使不完全消除也能有相当程度的减少，从而使诸如振动和噪音等不良因素降到最低，对于电容阻抗X_c的最佳值的选择采用的是定子绕组相间电压最小和零负序电压最小。产生相间电压最小不平衡度的电容值同时也产生最大效率。

控制电容的原理为：如图3所示的开关电容电路图，包括两大块：一个固定的交流电容和一个电子开关，电子开关须允许单向电流流过，且具有短路结构的，通过对称PWM周期性开合。所以，零电压开关并不需要，同样的，开关在每个供电周期内开合一次；采用高开合率的开关电容合上时间变得非常短，使得电压变化很小而在开关工作时不产生尖峰电流。由于开关周期性开合，电容有效值比真实值小，因此，由固定电容串联电子开关而成的可控电容能够使三相电机在单相电源中运行。变量关系可近似表示为：

式中，X_Creal表示电容的真实阻抗，X_Ceffective表示有效阻抗，T＝T_on+T_off表示电子开关的开合周期，D表示占空比。令X_C＝1/jwC并代入上式，可得：

C_effective＝DC_real；

即，当电子开关合上(D＝1.0)时，C_effective就等于C_real，也就是说，当电子开关的动作间隙减小，C_effective将逐渐减小至零，此时D＝0，因此改变电子开关动作间隙便能调整有效电容的值。开关电容可以从大到小改变有效电容值令三相电机转速增加。这也提供了一种去克服对于满足不同电容值的需求。

而可控电容由交流电容与IGBT绝缘栅双极型晶体管串联组成，通过比较时变的直流信号和一个高频时不变锯齿信号，能够得到开关信号，直流信号可作为衡量电机转速的基本值去提供给开关的短路电路和占空比电路，通过适当地调节占空比能够得到所需的有效电容值和令不平度最小，同样，通过调整电容大小，反向磁场将消除或至少能够达到提高效率增加转速和输出的目的。

S3.将确定规格的可控电容与三相电机中的任意两相并联，所述三相电机的另外一相与单相电源连接，通过周期性调整所述可控电容的占空比使其适应当前运行状态。仿真时，在三相电机的连接轴上装设测速器用于测定转速，通过测速器获取三相电机的使用效果。

如图3所示的电子控制的相移电容的三相电机的定子绕组的两相绕组直接接到电源(a相和b相)，而c相绕组通过电容接到电源，零序分量将不存在。三相电流总和为零。

在对本发明进行仿真和试验时：

(I)测试设备：为分析不同的状态和建立起装有可控电容的三相电机在单相电源下的数学模型，使用一台1.8kW，220V，50Hz，7.8A的三相绕组感应电动机连接在一个单相电源上，如图2和图3所示。三相电机与一个直流发动机相连，通过改变直流发动机的励磁电压来提供不同力矩给三相电机，转速通过在三相电机的连接轴上装接测速器进行测定。

(II)测试分析：以图2的参数为基础，图5给出了一个能使相间电压不平衡度和零负序电压最小的理想电容阻抗值。这些参数表明，在启动时采用小电容阻抗值X_C和大电容值；在运行时采用大电容阻抗值X_C和小电容值就能得到一个理想的运行状态。值得注意是电容阻抗值X_C必须是连续平滑地调节以保持不平衡度和零负序电压在不同转速下都为最小。从图5可得，使不平衡度最小的电容值在稳态下达到最大值，之后随着转速的增加，电容值需要减小以使不平衡度最小，明显的，我们可根据图5来选择最佳电容值。但是，若用机械的方法是很难满足平滑调节的要求的。而可控电容就能够有效地改变电容的有效值，以达到平滑调节的目的。

如图6所示为一个330uf电容的有效阻抗的计算值和测量值的差别；电子开关的占空比，一个9.4uf的固定电容被并联在交流电容上，用来为c相电流在开关合上期间提供一条通路，和为启动时提供所需达到的340uf电容值，如图3所示。

如图7所示为使在所有运行转速下三相电机相间电压不平衡度都为最小的实验所得的占空比，它表明了占空比在三相电机近乎停止的状态下较高，而在电动机启动速提高电容应减小。

本实施例中使用三种方式来测试同一个三相电机：

一：在三相电机内安装330uf电容来启动和运行；

二：在三相电机内首先使用330uf电容来启动，然后使用50uf运行；

三：在三相电机的任意两相并联可控电容(330uf)。

如图8所示为开始仿真、测量、稳态三种方式在无负载时三相电机所对应的转速；如图9所示为三种方式在增加了3.0Nm负载下所对应的转速，可见，当使用可控电容时，加速时间比其他两种方式更短。在有负载的情况下效果更为明显。从图8和图9的(a)曲线图可得速度起伏性很小，这是因为运行时的固定电容值与理想值相差很远，在装有两个电容或可控电容的情况下，这些速度的小畸变并不明显。在稳态运行下图8和图9也给出了近似的结果，这是因为运行时固定电容是按理想值进行确定的。

如图10所示为以上三种方式对三相电机带3.0Nm负载启动时的计算和实验供电电流进行了比较，虽然电流值在启动时几乎是一样的，但在只有一个电容的情况下，电流值仍然是较高的，用了两个电容后，电流减小。而使用可控电容则能使电流降的更低，同时，启动时间也变得更短，特别是在有载情况下更为明显。

如图11所示为计算所得的带3.0Nm负载时启动电磁转矩，可见，虽然没有按最小震荡力矩的准则去选择电容，但震荡电磁力矩也在采用了两个电容值的情况下有所减少并在电容连续可调的情况下减的更多。

对比图8至图11可得，运用可控电容来改善三相电机状态只在启动阶段较装有两个电容的情况有更好的表现。这是因为所装的两个电容的值是精心确定的；特别是针对于运行时有专门的计算优化，以接近最小不平衡度所要求的理想值来满足特别情况下的转速。若转速因某种原因需要进行改变，如转速控制或负载发生变化，只为运行而设的电容值就不能符合要求了，这时必须调整使用另一个适合运行的电容值。采用可控电容的三相电机在稳态运行时的效果可从图8至图11的(a)和(c)的对比得到。这是由于固定电容值与运行时的理想电容值相差很远，从所得结果可知，采用连续平滑可调电容使单相运行三相电机得到非常满意的调级间隙和稳定的运行状态。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。