電力電子技術概述范文

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第1篇

關鍵詞：電力電子；教學方法；教學改革；考核方式

作者簡介：姚志壘（1981-），男，江蘇溧陽人，鹽城工學院電氣工程學院，副教授。（江蘇 鹽城 224051）

基金項目：本文系鹽城工學院2013年度校級教改研究項目（項目編號：32）的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）23-0052-02

“電力電子裝置及技術”是電類專業(yè)的一門專業(yè)選修課。[1]該課程是在“電力電子技術”課程的基礎上，進一步介紹變流電路的結(jié)構(gòu)、工作原理、功能指標，電力電子實用裝置的構(gòu)成、基本電量的計算方法和所有裝置需解決的共同技術問題。[2-3]該課程涵蓋知識的內(nèi)容多、面廣、難度大、實用性強，能培養(yǎng)學生將知識融會貫通，提高學生綜合應用知識解決實際問題的能力。因此，如何從教學內(nèi)容、教學方法和手段以及考核方式等方面進行改革值得探討。

一、教學內(nèi)容的改革

1.理論教學內(nèi)容的改革

該課程的課時數(shù)為40學時。由于它是一門應用性課程，因此需要在書本內(nèi)容的基礎上，緊跟時代前沿，增加一些當今熱門課題的內(nèi)容，如：電力電子裝置在新能源發(fā)電系統(tǒng)和節(jié)能環(huán)保中的應用等，以便為學生找工作或讀研找課題提供參考。

選用楊蔭福等編寫的《電力電子裝置及系統(tǒng)》作為本課程的教材。[3]由于該教材第1章中半導體電力電子開關器件和第2章高頻開關電源的內(nèi)容已分別在“電力電子技術”和“開關電源及技術”課程中詳細講述，因此該課程不再贅述。

所選教學內(nèi)容具體如下：

（1）電力電子裝置及系統(tǒng)概述（2學時）：電力電子裝置及系統(tǒng)的概念；電力電子裝置的主要類型；電力電子裝置的應用概況；電力電子裝置的發(fā)展前景。

（2）逆變器（4學時）：逆變器概論；單相和三相恒頻恒壓正弦波逆變器；感應加熱電源。

（3）不間斷電源UPS（6學時）：UPS的功能及原理；UPS的組成和設計（包括蓄電池組、整流器和PFC電路、逆變器、切換電路、濾波電路、旁路控制電源和系統(tǒng)輔助電源、接地裝置、保護和報警系統(tǒng)）；UPS輸出電壓控制。

（4）晶閘管變流裝置（6學時）：晶閘管交流變換器；交流凈化型穩(wěn)壓電源；晶閘管諧振型逆變器。

（5）電力系統(tǒng)用電力電子裝置（6學時）：電力系統(tǒng)無功補償；電力系統(tǒng)有源濾波裝置；電力系統(tǒng)諧波與無功功率綜合補償；遠距離直流輸電。

（6）電力電子裝置的研制與試驗（14學時）：電力電子裝置研制流程；研究對象的方案論證；主電路設計（包括輸出濾波器、輸出變壓器、緩沖電路、直流濾波電路和主開關器件設計）；控制系統(tǒng)及輔助電源設計（包括抗沖擊負荷電路、調(diào)壓環(huán)節(jié)、過溫保護、輔助電源和驅(qū)動電路的設計）；電磁兼容技術和措施；電路仿真；整機調(diào)試與電性能試驗；結(jié)構(gòu)設計和例行試驗。

（7）電力電子裝置在當今熱門課題中的應用（2學時）：選擇應用于當今熱門課題的某個電力電子裝置作為教學內(nèi)容，如：直直變換器在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應用、并網(wǎng)逆變器在新能源發(fā)電系統(tǒng)中的應用等內(nèi)容。

2.開設實驗教學內(nèi)容

為了進一步驗證理論分析，提高學生的實踐能力，應開設一定的實驗教學內(nèi)容。該課程的實驗教學可以充分利用江蘇省電氣與新能源實驗教學示范中心的新能源實驗室和電力系統(tǒng)無功補償實驗室，完成一些高頻電力電子裝置實驗項目，如：電力系統(tǒng)無功補償、電力系統(tǒng)有源濾波、升壓變換器在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應用和并網(wǎng)逆變器在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用等實驗項目。

二、教學方法和手段的改革

1.興趣教學，激發(fā)學生學習積極性

緊貼社會的要求進行學前教育，把社會的需求和學生學習的需求有機統(tǒng)一，從而激發(fā)學生的學習積極性。

學生從高中進入大學后，學習的目標改變了，如果說學生在中小學時是以升學作為他們的目標，那么，進入大學后他們的目標已經(jīng)轉(zhuǎn)向了就業(yè)。因此，要使學生了解社會對人才知識結(jié)構(gòu)的需求及其變化，使學生意識到該課程作為大四的專業(yè)選修課對今后工作以及再深造的重要性，從而使他們一開始就認識到該課程必須學，而且要學得非常好。

第一次上課，在講完電力電子裝置的應用概況后，了解每個學生對電力電子裝置感興趣的應用領域，布置學生通過網(wǎng)絡搜索或圖書館查找其感興趣應用領域的相關資料，并做成PPT，以備上該應用領域課時做報告。此后，每次上課時，先讓對該節(jié)課教學內(nèi)容感興趣的學生用PPT做報告（每個學生報告5分鐘，學生提問2分鐘），講述相應應用領域的研究背景和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，然后由教師講解具體教學內(nèi)容。通過該興趣教學的方法，可以激發(fā)學生的學習積極性，培養(yǎng)學生做科技報告的能力，為學生畢業(yè)設計選題和答辯奠定良好的基礎。

2.提高多媒體教學質(zhì)量

隨著現(xiàn)代化水平的不斷提高，上課基本都已采用多媒體進行教學。但多媒體課件也不能是黑板板書的簡單復制，最好配以一定的動畫和聲音，以便吸引學生的注意力，調(diào)動學生學習的積極性。如：在講解電路工作模態(tài)時，采用“動作路徑”的動畫格式，讓學生清楚地看到電流在電路中的流通路徑，更深刻地理解所學知識；學生在下半節(jié)課時往往會開小差，注意力不集中，可通過在切換幻燈片時配以一定的聲音，吸引學生的注意力；在講解習題或舉例時，先以某個習題為例進行講解，解題步驟逐步顯示，而不是一下子顯示所有答案，保留了板書的優(yōu)點，然后總結(jié)歸納解題方法，最后再以習題對所述方法進行鞏固。

3.采用仿真輔助教學

用仿真的方法不僅可以初步驗證電路原理和參數(shù)設計的正確性，還能仿真試驗極限條件下的特殊情況，從而有效地減少電力電子裝置的設計費用，縮短電力電子裝置的設計周期，優(yōu)化參數(shù)設計，提高裝置的可靠性。常用的電力電子仿真軟件有：Saber、Pspice和Matlab中的Simulink等。以其中的Saber仿真軟件為例對所設計4kW、400Hz的中頻電源進行仿真驗證。學生可以通過仿真進一步加深對理論知識的理解，此外，對較復雜或不易懂的電路可以通過仿真查看電路各點的波形反推電路工作過程，從而掌握電路的工作原理。

三、考核方式的改革

該課程采用小論文的考核方式。考核的總成績包括平時成績（20%）、平時PPT報告成績（30%）和小論文考核成績（50%）。其中，平時成績包括學生的出勤和平時作業(yè)；平時PPT報告成績主要是檢查學生對電力電子裝置感興趣應用領域相關知識的預習情況，考核學生運用Powerpoint軟件制作PPT的能力、口頭表達能力和回答同學提問時的應變能力；小論文考核成績主要包括測試學生書寫小論文的能力（包括中英文摘要、引言、正文、結(jié)論和參考文獻）、利用word軟件書寫小論文和排版的能力。小論文要求學生從電源設計領域、電機調(diào)速用電力電子裝置、電力系統(tǒng)領域、汽車電子領域、綠色照明領域、新能源開發(fā)領域和其他與電力電子裝置相關的領域中選擇1種領域撰寫。此外，要求寫相同領域小論文的學生相互商量各自研究方向，確保每個學生的小論文題目和內(nèi)容不雷同。通過上述小論文考核，杜絕了學生相互抄襲小論文的現(xiàn)象，學生在選題上發(fā)揮了主觀能動性，選題范圍比較寬。學生在查閱資料完成小論文的過程中，了解了國內(nèi)外電力電子裝置相關領域的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，初步掌握了電力電子裝置主電路設計、控制系統(tǒng)設計、仿真及結(jié)果分析這一流程。

四、結(jié)束語

近年來，我們緊跟時代前沿，及時更新“電力電子裝置及技術”課程的教學內(nèi)容，在實際教學中采用興趣教學、高質(zhì)量的多媒體教學和仿真輔助教學的教學方法，采用“一人一題”的小論文考核方式，對“電力電子裝置及技術”課程進行了一系列改革，取得了良好的教學效果，得到了學院領導和學生的一致好評。

參考文獻：

[1]陳仲.“電力電子裝置及控制”課程教學設計的研究與探索[J].電氣電子教學學報，2008，（S1）.

第2篇

本文針對應用型本科人才培養(yǎng)的定位特點，探討了電力電子技術課程教學方法的改革，包括理論教學改革和實踐教學改革，通過優(yōu)化教學內(nèi)容、創(chuàng)新教學方法等對電力電子教學進行改革。依托先進的實驗設備、大學生電子設計賽事并結(jié)合高校教學研究項目，對電力電子技術課程教學進行改革。通過教學改革，提高學生實踐能力，實現(xiàn)應用型本科人才培養(yǎng)的目標。

關鍵詞：

電力電子技術；教學改革；應用型本科

一、序言

近年來，實現(xiàn)綠色用電、尋求新型清潔能源已成為各國關注焦點。電力電子技術不僅可實現(xiàn)提高用電效率、改善用電品質(zhì)，同時也是光伏發(fā)電、風力發(fā)電等新能源利用所必須的技術基礎。由于本課程橫跨強、弱電與控制技術，因而是門難學的課程。與普通本科相比，在辦學思路上，民辦高校更加注重應用型人才的培養(yǎng)，因而對于應用型本科院校，電力電子技術的教學不能完全沿襲其著重理論推導和全面講解的教學模式。如何開展電力電子技術課程教學、改革教學內(nèi)容、課程體系和教學方法都是值得我們探討的問題。

二、電力電子技術教學的現(xiàn)狀分析

當前，應用技術型院校電力電子技術課程的教學主要面臨以下幾個方面的問題：

1.教學內(nèi)容不新。

隨著電力電子技術的快速發(fā)展，新型的電力電子器件不斷出現(xiàn)，但是將理論知識和先進技術相融合的適合與應用技術型院校學生的電力電子技能掌握的教材很少，應用型本科院校應更加注重理論和實踐的結(jié)合，更強調(diào)學以致用。因此，需要從講授的理論內(nèi)容、教學方法、教學模式、實踐應用等方面進行有針對性的改革。

2.學生基礎較薄弱。

應用型本科院校的學生入學時學習基礎相比較之下要弱一些，自身的文化基礎普遍偏低，學習主動性不高，只求領會膚淺內(nèi)容。電力電子技術的前修課程為電路、模擬電子技術和數(shù)字電子技術。應用型本科院校的學生很多對于這幾門課的掌握都不深入，一些分析方法都不熟練甚至無法掌握，這給電力電子技術課程的教學帶來很大難度。

3.傳統(tǒng)的教學模式過于枯燥、抽象。

電力電子技術課程的最大特點是包含了大量的電路和波形圖，特別是三相整流的部分，圖形更為復雜。要對各種變流電路的工作過程給予形象的表示，使學生能感性地理解課堂教學內(nèi)容，這就要求我們在教學方法和手段上突破創(chuàng)新。教師如何在有限的學時里，確定好合適的教學內(nèi)容，教學方案，采取恰當?shù)慕虒W方法和教學手段，提高學生學習的興趣，獲得理想的教學效果，都是一個值得不斷深入探討和實踐的問題。

三、改革探索

作為一所培養(yǎng)應用型人才的高校，在課程改革中須明確人才培養(yǎng)層次，緊扣“應用”二字，才能理清改革思路，樹立正確的改革目標。為在電力電子技術課程改革中突出“應用型”特點，應用了實例教學等教學手段，幫助學生打好扎實理論基礎，設計貼合實際應用的實驗、實訓等實踐教學環(huán)節(jié)，提升學生的應用能力，培養(yǎng)學生自主學習能力，保證學生的知識、能力和素質(zhì)獲得應有的提高。改革目標主要是以下幾點：

1.圍繞應用型人才培養(yǎng)目標改變教學思路。

針對學生能力和需求的差異，將教學內(nèi)容分為基礎知識掌握、應用能力培養(yǎng)兩個方面，其中基礎知識掌握方面的教學滿足就業(yè)需要，應用能力培養(yǎng)方面的教學則以滿足職業(yè)技能需要和培養(yǎng)創(chuàng)新能力。通過課堂教學內(nèi)容的改革，體現(xiàn)課程綜合化趨勢，重新組織教學內(nèi)容，突出課程實用性和趣味性，改變傳統(tǒng)教學中對四大變流電路孤立、單一的學習模式，基礎知識掌握以基本變流電路的分析為主，講授基本的電路工作原理。應用能力培養(yǎng)方面，引入生活中常見電路以及電子設計實例，如調(diào)光臺燈、電動自行車等實例進行教學，詳細講解實例的電路設計，并鼓勵學生大膽實踐，通過自己組裝或設計簡單的電子技術產(chǎn)品來提高動手實踐能力；有效的推進電力電子技術教學，提高了學生的理解能力，并對電力電子技術的應用建立起直觀的認識，對學生電力電子技術應用技能的培養(yǎng)起到了大大的推進作用。結(jié)合系統(tǒng)供電、控制等模塊電路結(jié)構(gòu)、原理的介紹，通過一系列具體電路分析，將《模擬電路》、《電機與電氣》等前期專業(yè)課程的知識與《電力電子技術》所學理論知識相聯(lián)系。并且，在保證理論基礎扎實前提下，增加日常電路分析和設計實踐環(huán)節(jié)在整個教學過程中所占比重，以實例激發(fā)學生自主學習興趣，以興趣帶動能力培養(yǎng)，在這一過程中培養(yǎng)學生的讀圖、分析、畫圖、簡單電源電路設計等能力，實現(xiàn)理論與應用相輔相成、有機結(jié)合，最終提升學生實際應用方面的綜合素質(zhì)。

2.圍繞能力培養(yǎng)，深化教學方法改革。

根據(jù)學生畢業(yè)后從事職業(yè)所必需的能力，在教學過程中，弱化對教材中過于復雜電路的理論分析和公式推導，突出對實際電路應用和設計的分析。采用引導型教學方式，注重教學過程中的學生分析解決問題能力的培養(yǎng)，在教師“教”與學生“學”的過程中不斷發(fā)現(xiàn)問題和新的突破點，將學生被動接受知識的過程轉(zhuǎn)化為其不斷解決問題的過程，使學生主動學習、開放思維，并在此過程中加深相關理論的理解，訓練其分析和解決問題的能力，增加理論教學趣味性。加強實踐性教學環(huán)節(jié)，通過實驗、大學生電子設計賽事等實踐性教學內(nèi)容鍛煉學生的實際動手和電路分析能力，發(fā)揮學生潛力。學生參加全國大學生電子設計大賽，通過電源類題目的賽事，使學生掌握電力電子技術方面的技術、技能。目前取已得獎項共28項

3.側(cè)重發(fā)揚教學理念，發(fā)揮實踐的導向作用。

應用型本科院校的教學理念是培養(yǎng)應用型的人才，實踐變得尤為重要。加強電力電子技術實踐教學對培養(yǎng)學生的應用技能是十分必要的，傳統(tǒng)的以課堂講授為主、實驗為輔的教學模式對這門課不太適合，因為這門課的實踐性很強，學院本著從實際出發(fā)，根據(jù)本學院開設實踐培訓的能力與學生電力電子專業(yè)技能培養(yǎng)的需求，明確了電力電子技能培養(yǎng)形式，即對學生開展了開關電源的設計制作培訓，理論教學中所設計方案付諸于實踐，在這一實踐環(huán)節(jié)中學生首先要根據(jù)基本的理論知識設計不同類型、不同設計指標的開關電源，用protel軟件畫出電路原理圖，畫出PCB板圖，其次所有的元器件，要學生自己跑市場按照電路圖備齊。最后完成實際電路的焊接調(diào)試等工作，這個過程和實際工作中的動手過程差別不大。在實驗室開放的時候，學生可以自行到實驗室完成電路焊接。在這一過程中學生學到了課堂上學不到的實踐知識，如基本器件部分的電力二極管、功率MOS管和IGBT等器件的使用，學生自己在網(wǎng)上按型號找資料，找出資料中的應用典型電路，以及器件的重要參數(shù)值，如導通電阻耐壓、耐電流。學會元器件的識別與檢測，掌握穿孔元件安裝和焊接技能，學會萬用表、電子毫伏表和示波器使用方法，并摘取說明器件典型特性的實驗波形和學到的知識相對照，形成完整的測試報告。通過由元件到電路的過程，同學們不僅強化了課堂內(nèi)容的理解，而且親身實踐了實際產(chǎn)品設計的全過程。

4.教學要注重產(chǎn)學研結(jié)合，加強實踐能力培養(yǎng)。

實現(xiàn)應用型人才培養(yǎng)目標的一個重要的途徑即落實產(chǎn)學研結(jié)合教育。學院鼓勵學生關注本專業(yè)的研究課題，在學校的大力支持下，學生積極申請了相關的創(chuàng)新創(chuàng)新項目多項，并付出行動參與課題研究，能夠利用寒暑假及課余時間進行實踐，自覺主動提高個人實踐能力。為了提高學生的實踐應用技能，學校鼓勵學生積極創(chuàng)新及參加各種技能賽事，通過學生自制實驗設備、參加國際國內(nèi)的各種賽事，培養(yǎng)學生的各種能力。教學中通過實訓設計自制電路板，再對電路板進行測試，通過實際電路制作調(diào)試大大的提高了學生的理論理解與實踐應用能力。

總之，從培養(yǎng)適應社會經(jīng)濟發(fā)展需要的工科應用型人才角度出發(fā)，有針對性地開展對電力電子技術這門學科的教學改革，才能使該課程做到理論實踐緊密相連，保持課程的實用性、先進性，體現(xiàn)其既具有理論深度，又與實際操作緊密結(jié)合的綜合性特點。同時，通過在校期間對學生實踐技能上的提前訓練，使他們具備應用型人才的特點，幫助其建立必要的專業(yè)素養(yǎng)，能為學生就業(yè)及今后在工程領域的發(fā)展奠定良好的基礎。

作者：李喜平 叢昕 魏昭輝 蘇洪雨 單位：哈爾濱劍橋?qū)W院

參考文獻：

[1]施昕昕.應用型本科電力電子技術教學探討[J].科教文匯，2014(1).

[2]田海.應用型本科院校“電力電子技術”課程教材探析[J].中國電力教育，2014(1).

第3篇

1.基于電力電子技術的單三相變換

目前，單相電源變換三相電源方法主要有三種：一種是以交－交或交－直－交變流方法；二是移相法，利用電容電抗移相原理來實現(xiàn)；三是平衡變壓器法。第一種方法具有動態(tài)性能好，電能質(zhì)量高的優(yōu)點，但存在成本高、對工作環(huán)境要求較嚴格等問題；移相法成本低廉，可靠性高，其缺點是動態(tài)性能差，負載發(fā)生變化時其三相輸出電壓、電流均將發(fā)生較大改變，元件匹配困難。平衡變壓器法則主要用于鐵道牽引系統(tǒng)。交－交變換方法包括傳統(tǒng)的交－交變換器和矩陣式變換器。單—三相矩陣變換是矩陣變換中重要的一類，主要用于只有單相電源提供的場合。矩陣式變換器電氣性能十分理想，但結(jié)構(gòu)復雜，成本較高，控制方法還不算成熟，尚未進入實用化。隨著交－交或交－直－交變流方法的深入研究，其控制技術日趨成熟，PWM控制方法中SPWM、SVPWM控制策略均已得到很好的應用。因此本文采用交—直—交變流方法，由單相電源經(jīng)整流、逆變后獲得三相電源用以驅(qū)動電動機。如圖1a和圖1b，分別是帶升壓電路和不帶升壓電路的交—直—交單三相變換示意圖。對單相220V交流電源，經(jīng)整流逆變后輸出三相電源線電壓約200V左右，對目前的系列電動機來說并不配套。在農(nóng)村邊遠地區(qū)，供電線路末端電壓偏低情況經(jīng)常發(fā)生，經(jīng)整流逆變后電壓會更低。解決辦法有兩種，一是使用升壓電路使輸出電壓達到220V。二是對改變電動機設計額定電壓，使額定電壓和逆變輸出電壓匹配。前者的優(yōu)點在于簡單易操作，但是升壓電路的引入無疑增加了系統(tǒng)成本；后者則對電動機的設計進行改造，增加了設計和制造的復雜程度。當需要電動機容量再增大時，電動機的額定電壓必要設計到380V，單三相電源變換中使用DC－DC升壓到380V也沒技術障礙，但無疑會增加改造成本。隨著變頻器相關技術的發(fā)展，目前市場上出現(xiàn)了單－三相變頻器，不僅可以實現(xiàn)單相電源到三相電源的變換，而且可以實現(xiàn)頻率變換進而對三相電動機進行變頻控制。

2.單相電動機現(xiàn)狀

由于只需要單相電源供電，單相異步電動機在只有單相電源的場合應用比較廣泛，如電動工具、醫(yī)療器械、自動化儀表和家用電器等小功率場合。其主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，噪聲小。國家電網(wǎng)公司規(guī)定，農(nóng)村電網(wǎng)220V單相供電電壓允許偏差值為標稱電壓的－10%〜+7%。在農(nóng)村或邊遠地區(qū)，供電距離往往較對應電壓等級供電半徑大，線路損耗會增大，導致末端電壓偏低。供電導線截面積選擇較小、無功補償不足、用戶配電變壓器容量過小、三相負載不平衡等原因都會使得電壓偏低。用戶在選擇電動機時，都是按單相電源標稱電壓來選擇電動機電壓等級，因此在實際運行時電動機往往處于低電壓運行狀態(tài)，低電壓會嚴重影響電動機的運行狀態(tài)。首先，低電壓運行會引起起動能力和過載能力均有所降低。這是因為，異步電動機的起動轉(zhuǎn)矩Tst由下式表達可見，電動機的起動轉(zhuǎn)矩和運行最大電磁轉(zhuǎn)矩均與施加在定子繞組上的電壓有效值的平方成正比，電源電壓的較小下降都會使電動機的最大電磁轉(zhuǎn)矩和起動轉(zhuǎn)矩下降較多。因此，嚴重情況的電壓下降會使得電動機不能起動或者電磁轉(zhuǎn)矩小于負載轉(zhuǎn)矩而形成電動機的堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。其次，低電壓運行會導致電動機電流增大，銅耗增加。這是因為電壓降低時，負載轉(zhuǎn)矩維持不變，為提供不變的功率以帶動負載，定子電流會增大，線圈升溫，影響電動機的使用壽命，嚴重時甚至會燒毀電動機。定子電流增加也會使得銅損增加，導致運行效率降低。

3.三相電動機與單相的對比

（1）容量大常見單相電動機的容量一般在數(shù)十瓦到三四千瓦。家用電器中，普遍使用單相電動機，洗衣機的電動機容量一般在400W以下；空調(diào)所用電動機則容量較大，一般在2kW及以上。三相電動機的容量則從數(shù)千瓦到幾千千瓦，在單相電動機容量不能滿足要求的情況下，如需容量大于4kW時，就不得不使用三相電動機。（2）效率高在額定運行狀態(tài)下，三相電動機的轉(zhuǎn)子銅損和鐵損都很小，三相電動機額定運行時效率較大，一般在74%〜94%之間，且隨電動機容量增大額定效率逐漸增大。對于單相電動機，不管電容運轉(zhuǎn)或者電容起動式，內(nèi)部磁場均不是圓形磁場，可以看成是兩個大小相等、轉(zhuǎn)向相反的兩個旋轉(zhuǎn)磁場的合成。由于電源及繞組結(jié)構(gòu)的原因，電動機氣隙中極易存在反轉(zhuǎn)磁場，使得與同容量三相異步電動機相比，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩較小，轉(zhuǎn)子銅損耗較大，效率較低，功率因數(shù)也較低。如表1所示，單三相異步電動機功率均能覆蓋的范圍內(nèi)，同功率單相電動機額定效率要小于三相電動機。對于雙電容單相異步電動機，由于運轉(zhuǎn)電容的存在，運行功率因數(shù)會比較高，在部分功率等級要高于三相異步機。（3）起動性能好僅有主繞組的單相電動機是不能自起動的，必須創(chuàng)造條件使得主副繞組的電流相位盡量接近90°電角度。常見方法有電阻起動和電容起動等。電阻起動電動機有中等起動轉(zhuǎn)矩和過載能力，而電容起動電動機起動轉(zhuǎn)矩相對較大。相比之下三相電動機則擁有更大的起動轉(zhuǎn)矩。異步電動機起動均有較大沖擊電流，三相電動機瞬時值要大于單相電動機，然而對三相電動機使用變頻驅(qū)動起動時，可以避免這一電流沖擊。（4）運行性能好轉(zhuǎn)矩方面，三相電動機穩(wěn)態(tài)運行時內(nèi)部磁場為圓形磁場，因此輸出電磁轉(zhuǎn)矩幅值平穩(wěn)。單相電動機穩(wěn)態(tài)運行時內(nèi)部磁場偏向于橢圓，會引起電磁轉(zhuǎn)矩的脈動。因此，三相電動機運行較單相電動機平穩(wěn)。功率因數(shù)方面，單相電動機由于反向旋轉(zhuǎn)磁場的影響，反向轉(zhuǎn)子電流功率因數(shù)會使得功率因數(shù)小于三相異步電動機。功率因數(shù)較小會使得電動機消耗的無功增加，占用了電力系統(tǒng)發(fā)供電設備提供有功功率的能力，或增加了發(fā)送無功功率的設施，同時也增加了電力系統(tǒng)輸電過程中的有功功率損耗，造成能量的損耗。瞬時功率方面，三相電動機每相均含有兩倍頻率的功率脈動成分，但三相合成總功率為零，因此穩(wěn)定運行時瞬時功率等于有功功率且恒定，轉(zhuǎn)矩也恒定。單相電動機的瞬時功率和三相中的任一相情況相同，含有兩倍頻率成分，功率和轉(zhuǎn)矩都不恒定。（5）調(diào)速方便相比三相交流電動機，對單相交流電動機的調(diào)速研究要少很多，三相感應電動機的電壓空間矢量控制等調(diào)速技術已較為成熟。若直接對帶電容的單相電動機使用變頻調(diào)速，低頻下由于電容的存在，旋轉(zhuǎn)磁場會變成橢圓，脈動轉(zhuǎn)矩增大，大大影響了電動機性能。因此，考慮使用三相電動機替換單相電動機，進而使用變頻調(diào)速來節(jié)省電能。實際應用中，應根據(jù)機械負載的特點對電動機運行工況的要求，選擇盡可能控制簡單、成本低廉的控制方式，同時取得滿意的控制效果。（6）成本低由于單相電動機中反向電磁轉(zhuǎn)矩的存在，對同功率的三相和單相電動機，單相機中正向電磁轉(zhuǎn)矩要大于三相電動機，這迫使單相電動機有更大的安匝數(shù)。安匝數(shù)大導會致電動機用銅量增加，同時電流密度也增大，進而需要更大的鐵心體積，導致單相電動機成本較三相電動機高。綜上所述，三相異步電動機在容量、效率、起動性能和運行性能方面均要優(yōu)于單相電動機，且其調(diào)速簡單，成本較低，因此使用三相電動機代替單相電動機理論上具備優(yōu)勢。

4.變頻器諧波影響

使用變頻器驅(qū)動異步電動機工作時，不但能減少電動機起動時對電網(wǎng)的沖擊，而且能提高電動機工作效率。然而引入變頻器，由于交直交環(huán)節(jié)中電子器件的存在，逆變器勢必產(chǎn)生諧波電壓。這些諧波會在電動機進線處產(chǎn)生高壓，影響電動機的絕緣。同時，電壓諧波還會產(chǎn)生一系列的附加諧波轉(zhuǎn)矩，使得電動機轉(zhuǎn)矩脈動，效率和功率因數(shù)降，溫升提高，振動變大等。因此，從節(jié)能方面考慮，優(yōu)化變頻器和電動機整體裝置的效率顯得尤為重要。一般來說，變頻器的引入，諧波將引起電動機附加損耗1%〜2%。

5.運行性能對比

異步電動機一般都是按照設計的負載進行選擇，并且留有一定的裕量，由于電動機的功率等級分檔限制，有時保留裕量后的功率不一定對應分檔功率，此時一般會選擇上一檔功率，所選電動機容量大于負載較多的情況較為常見。在實際運行情況下，負載偏離額定值時，單相電動機和三相電動機的運行工況較額定運行狀況都會發(fā)生變化，效率和功率因數(shù)也偏離額定值，而兩種電動機效率隨負載率的變化情況不盡相同。因此，結(jié)合MATLAB/Simulink平臺下的仿真和實際物理試驗綜合來比較二者的差異。MATLAB/Simulink/Simpowersystem庫包含了電力電子和電力系統(tǒng)仿真所需的常用模塊，可直接調(diào)用自帶單相和三相電動機模型，搭建系統(tǒng)進行仿真測試。選取同功率的單相和三相電動機進行仿真，使用標幺值，單相電動機選擇電容啟動電容運轉(zhuǎn)電動機，三相電動機選擇普通籠型異步電動機。仿真從起動性能和運行性能兩個方面進行比較。起動性能方面，對比空載起動和滿載直接起動，比較二者的起動電流和起動轉(zhuǎn)矩。空載直接起動時，起動轉(zhuǎn)矩和起動電流如圖2所示。起動瞬間，三相電動機起動轉(zhuǎn)矩大于單相電動機，擁有較強的起動能力。穩(wěn)定后，三相電動機電磁轉(zhuǎn)矩輸出穩(wěn)定為0，單相則在0上下均勻波動。三相電動機在空載起動時擁有較高的起動電流，但持續(xù)時間較短（小于0.1s），引入變頻器，可以避免這一大電流沖擊。單相電動機電流沖擊峰值雖比三相電動機小，但持續(xù)時間較長；0.4s后，二者大小基本相同。滿載起動電流和轉(zhuǎn)矩對比如圖3所示，起動轉(zhuǎn)矩方面，單相電動機轉(zhuǎn)矩脈以給定負載轉(zhuǎn)矩為中心上下波動，三相電動機轉(zhuǎn)矩0.2s后穩(wěn)定持續(xù)穩(wěn)定；起動電流方面，三相電動機起動沖擊電流較大，但持續(xù)時間小于0.1s，此后進入穩(wěn)定運行電流；單相電動機的起動大電流持續(xù)時間接近2.5s。上述起動均是電源電壓為額定標稱值時的仿真，若實際電源電壓低于標稱電壓時，電動機工作在低電壓狀態(tài)下，由前面分析可知，會導致起動轉(zhuǎn)矩降低，因此設置電源電壓有效值為200V時，對單相電動機起動進行仿真，起動轉(zhuǎn)矩波形如圖4所示。由于起動最大轉(zhuǎn)矩和電壓幅值平方成正比，在低電壓情況下起動，起動轉(zhuǎn)矩會大大降低。由圖4可知，額定電壓起動轉(zhuǎn)矩峰值為4.45pu，200V低電壓時，理論計算轉(zhuǎn)矩降低為原來的（20/220）2倍，即4.45x（20/220）2=3.71pu，與圖4低電壓仿真起動轉(zhuǎn)矩峰值相符合。因此，低電壓情況下，單相電動機的起動能力較差。為考察在變化的負載情況下電動機的運行效率和功率因數(shù)，選擇額定容量4kW的單相和三相異步電動機，電動機負載率變化區(qū)間0—1.0，運行仿真，兩種電動機運行效率記錄如表2。可以看出，在對應的負載率條件下，單相異步電動機效率要低于三相異步電動機；而功率因數(shù)方面由于選擇了雙電容運轉(zhuǎn)電動機，大大提高了單相異步機的功率因數(shù)，優(yōu)于三相異步電動機。

6.經(jīng)濟性分析

電動機是重要的工業(yè)耗能備，廣泛應用于泵、風機、壓縮機和傳動機械等領域，其耗電量占我國全社會年發(fā)電量的60%以上。電動機系統(tǒng)節(jié)能工程是我國“十二五”十大重點節(jié)能工程之一，是國家節(jié)能減排工作的重點領域。在農(nóng)村地區(qū)，由于單相電源供電限制，日常生活和生產(chǎn)電動機用電量絕大多部分被單相電動機所消耗。本文提出的系統(tǒng)中，使用交—直—交變換，首先獲得三相電源，然后可以以工頻電源驅(qū)動三相異步電動機，也可以使用單—三變頻設備來變頻驅(qū)動三相異步電動機。若使用變頻驅(qū)動，整個系統(tǒng)方面，變頻器自身損耗有3%〜6%，變頻驅(qū)動情況下因諧波等影響電動機將增加損耗1%〜2%，系統(tǒng)總損耗將增加4%〜8%。（1）定性分析單相電源場合首先獲得三相電源驅(qū)動三相電動機，相對于直接驅(qū)動單相電動機，具有以下優(yōu)點：①變頻改造后電動機軟起動，對電網(wǎng)、電動機和機械沒有沖擊；②引入整流逆變和升壓電路后，低電壓情況將不存在，電動機工作在額定電壓，可提高電動機運行效率、功率因數(shù)和壽命；③變頻器具有過電流，過電壓、過載、短路、斷路及缺相等多種保護功能，有效保護動機、電網(wǎng)，更便于查找故障及維護，減少維護成本。（2）定量分析系統(tǒng)改造前后成本構(gòu)成如圖5所示，改造前后系統(tǒng)的成本有所不同，且兩系統(tǒng)的運行壽命也不盡相同，不宜直接比較二者。因此定量分析應綜合采購成本、運行維護成本、電能成本、使用年限，在電動機的壽命范圍內(nèi)求得平均年運行費用，以確定更為經(jīng)濟的方案。因單相電源側(cè)電壓幅值基本維持不變，電動機消耗的功率增大時，單相電源側(cè)電流會增加，原有的導線不能滿足電流要求時需要替換新的導線，也會增加系統(tǒng)成本。本文下述定量分析時認為同容量的電動機替換后原有導線通過電流并無增大，且使用變頻驅(qū)動三相異步電動機時起動大電流沖擊會被消除，因此不考慮導線置換成本。顯然，在全壽命周期內(nèi)，比較S較小的更經(jīng)濟劃算。上述比較假設單三相電動機均能在其壽命范圍內(nèi)可以正常工作，不包含單相電動機因低電壓運行等因素導致未到壽命而燒毀的情況。而在實際使用情況中，受運行工況的影響，電動機實際壽命往往達不到設計壽命。在這里定義電動機實際壽命和設計壽命的比值為壽命系數(shù)ω，則有，0<ω≤1。在使用過程中，影響ω的主要因素有電源因素和負載因素兩大類。在農(nóng)村單相電源地區(qū)，電源因素主要包括低電壓情況，負載因素主要指過載情況。因此為了考慮電動機實際使用中未達到額定要求或者設計指標的運行條件對電動機壽命的影響，進而對經(jīng)濟性的影響，將引入式（3），得到如下式（4）：由于引入了單三相電源變換和升壓裝置，變換后的電源為電動機提供了穩(wěn)定的電源保證，電動機的運行工況有大大的改善，因此三相電動機較單相電動機有更高的壽命系數(shù)，這意味著電動機的使用壽命有所增加，年平均費用也會有所變化。因為式（4）考慮了實際運行情況下的實際壽命，在經(jīng)濟性分析時比式（3）更具有參考意義，本文參照式（4）給出算例如下。假設某單相異步電動機，額定容量4kW，年運行時間5000h，不同負載率以及工作時間如表3所示。對表3工況的單相異步機系統(tǒng)進行改造，經(jīng)電源變換后采用同容量的三相異步機，改造后的效率值取表2的對應效率減去因變頻器引起的效率損失（取5%），依式（2）、（3）、（4）計算結(jié)果如表4所示。其中選擇四組不同的壽命系數(shù)，其中取值0.3和0.5表明單相異步電動機在對應時間點發(fā)生了不可逆轉(zhuǎn)的燒毀等損毀情況；取值0.75表示單相異步電動機的正常實際壽命；取值0.95則是為了和三相異步電動機做對比，相同高壽命系數(shù)下平均年費用改造后仍然小于改造前。可見，平均年費用方面，三相電動機系統(tǒng)要小于單相電動機系統(tǒng)，因此系統(tǒng)改造具有可行的經(jīng)濟性。

7.結(jié)束語