电力电子技术概述范文
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第1篇
关键词：电力夜上海论坛电子；教学方法；教学改革；考核方式
夜上海论坛 作者简介：姚志垒（1981-），男，江苏溧阳人，盐城工学院电气工程学院，副教授。（江苏 盐城 224051）
基金项目：本文系盐城工学院2013年度校级教改研究项目（项目编号：32）的研究成果。
夜上海论坛 中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）23-0052-02
“电力电子装置及技术”是电类专业的一门专业选修课。[1]该课程是在“电力电子技术夜上海论坛”课程的基础上，进一步介绍变流电路的结构、工作原理、功能指标，电力电子实用装置的构成、基本电量的计算方法和所有装置需解决的共同技术问题。[2-3]该课程涵盖知识的内容多、面广、难度大、实用性强，能培养学生将知识融会贯通，提高学生综合应用知识解决实际问题的能力。因此，如何从教学内容、教学方法和手段以及考核方式等方面进行改革值得探讨。
一、教学内容的改革
1.理论教学内容的改革
该课程的课时数为40学时。由于它是一门应用性课程，因此需要在书本内容的基础上，紧跟时代前沿，增加一些当今热门课题的内容，如：电力电子装置在新能源发电系统和节能环保中的应用等，以便为学生找工作或读研找课题提供参考。
选用杨荫福等编写的《电力电子装置及系统》作为本课程的教材。[3]由于该教材第1章中半导体电力电子开关器件和第2章高频开关电源的内容已分别在“电力电子技术”和“开关电源及技术”课程中详细讲述，因此该课程不再赘述。
夜上海论坛 所选教学内容具体如下：
（1）电力电子装置及系统概述（2学时）：电力电子装置及系统的概念；电力电子装置的主要类型；电力电子装置的应用概况；电力电子装置的发展前景。
夜上海论坛 （2）逆变器（4学时）：逆变器概论；单相和三相恒频恒压正弦波逆变器；感应加热电源。
夜上海论坛 （3）不间断电源UPS（6学时）：UPS的功能及原理；UPS的组成和设计（包括蓄电池组、整流器和PFC电路、逆变器、切换电路、滤波电路、旁路控制电源和系统辅助电源、接地装置、保护和报警系统）；UPS输出电压控制。
（4）晶闸管变流装置（6学时）：晶闸管交流变换器；交流净化型稳压电源；晶闸管谐振型逆变器。
（5）电力系统用电力电子装置（6学时）：电力系统无功补偿；电力系统有源滤波装置；电力系统谐波与无功功率综合补偿；远距离直流输电。
夜上海论坛 （6）电力电子装置的研制与试验（14学时）：电力电子装置研制流程；研究对象的方案论证；主电路设计（包括输出滤波器、输出变压器、缓冲电路、直流滤波电路和主开关器件设计）；控制系统及辅助电源设计（包括抗冲击负荷电路、调压环节、过温保护、辅助电源和驱动电路的设计）；电磁兼容技术和措施；电路仿真；整机调试与电性能试验；结构设计和例行试验。
（7）电力电子装置在当今热门课题中的应用（2学时）：选择应用于当今热门课题的某个电力电子装置作为教学内容，如：直直变换器在光伏发电系统中的应用、并网逆变器在新能源发电系统中的应用等内容。
夜上海论坛 2.开设实验教学内容
为了进一步验证理论分析，提高学生的实践能力，应开设一定的实验教学内容。该课程的实验教学可以充分利用江苏省电气与新能源实验教学示范中心的新能源实验室和电力系统无功补偿实验室，完成一些高频电力电子装置实验项目，如：电力系统无功补偿、电力系统有源滤波、升压变换器在光伏发电系统中的应用和并网逆变器在风力发电系统中的应用等实验项目。
二、教学方法和手段的改革
1.兴趣教学，激发学生学习积极性
紧贴社会的要求进行学前教育，把社会的需求和学生学习的需求有机统一，从而激发学生的学习积极性。
学生从高中进入大学后，学习的目标改变了，如果说学生在中小学时是以升学作为他们的目标，那么，进入大学后他们的目标已经转向了就业。因此，要使学生了解社会对人才知识结构的需求及其变化，使学生意识到该课程作为大四的专业选修课对今后工作以及再深造的重要性，从而使他们一开始就认识到该课程必须学，而且要学得非常好。
第一次上课，在讲完电力电子装置的应用概况后，了解每个学生对电力电子装置感兴趣的应用领域，布置学生通过网络搜索或图书馆查找其感兴趣应用领域的相关资料，并做成PPT，以备上该应用领域课时做报告。此后，每次上课时，先让对该节课教学内容感兴趣的学生用PPT做报告（每个学生报告5分钟，学生提问2分钟），讲述相应应用领域的研究背景和国内外研究现状，然后由教师讲解具体教学内容。通过该兴趣教学的方法，可以激发学生的学习积极性，培养学生做科技报告的能力，为学生毕业设计选题和答辩奠定良好的基础。
2.提高多媒体教学质量
随着现代化水平的不断提高，上课基本都已采用多媒体进行教学。但多媒体课件也不能是黑板板书的简单复制，最好配以一定的动画和声音，以便吸引学生的注意力，调动学生学习的积极性。如：在讲解电路工作模态时，采用“动作路径”的动画格式，让学生清楚地看到电流在电路中的流通路径，更深刻地理解所学知识；学生在下半节课时往往会开小差，注意力不集中，可通过在切换幻灯片时配以一定的声音，吸引学生的注意力；在讲解习题或举例时，先以某个习题为例进行讲解，解题步骤逐步显示，而不是一下子显示所有答案，保留了板书的优点，然后总结归纳解题方法，最后再以习题对所述方法进行巩固。
3.采用仿真辅助教学
用仿真的方法不仅可以初步验证电路原理和参数设计的正确性，还能仿真试验极限条件下的特殊情况，从而有效地减少电力电子装置的设计费用，缩短电力电子装置的设计周期，优化参数设计，提高装置的可靠性。常用的电力电子仿真软件有：Saber、Pspice和Matlab中的Simulink等。以其中的Saber仿真软件为例对所设计4kW、400Hz的中频电源进行仿真验证。学生可以通过仿真进一步加深对理论知识的理解，此外，对较复杂或不易懂的电路可以通过仿真查看电路各点的波形反推电路工作过程，从而掌握电路的工作原理。
三、考核方式的改革
该课程采用小论文的考核方式。考核的总成绩包括平时成绩（20%）、平时PPT报告成绩（30%）和小论文考核成绩（50%）。其中，平时成绩包括学生的出勤和平时作业；平时PPT报告成绩主要是检查学生对电力电子装置感兴趣应用领域相关知识的预习情况，考核学生运用Powerpoint软件制作PPT的能力、口头表达能力和回答同学提问时的应变能力；小论文考核成绩主要包括测试学生书写小论文的能力（包括中英文摘要、引言、正文、结论和参考文献）、利用word软件书写小论文和排版的能力。小论文要求学生从电源设计领域、电机调速用电力电子装置、电力系统领域、汽车电子领域、绿色照明领域、新能源开发领域和其他与电力电子装置相关的领域中选择1种领域撰写。此外，要求写相同领域小论文的学生相互商量各自研究方向，确保每个学生的小论文题目和内容不雷同。通过上述小论文考核，杜绝了学生相互抄袭小论文的现象，学生在选题上发挥了主观能动性，选题范围比较宽。学生在查阅资料完成小论文的过程中，了解了国内外电力电子装置相关领域的国内外研究现状，初步掌握了电力电子装置主电路设计、控制系统设计、仿真及结果分析这一流程。
四、结束语
夜上海论坛 近年来，我们紧跟时代前沿，及时更新“电力电子装置及技术”课程的教学内容，在实际教学中采用兴趣教学、高质量的多媒体教学和仿真辅助教学的教学方法，采用“一人一题”的小论文考核方式，对“电力电子装置及技术”课程进行了一系列改革，取得了良好的教学效果，得到了学院领导和学生的一致好评。
参考文献：
[1]陈仲.“电力电子装置及控制”课程教学设计的研究与探索[J].电气电子教学学报，2008，（S1）.
第2篇
夜上海论坛 本文针对应用型本科人才培养的定位特点，探讨了电力电子技术课程教学方法的改革，包括理论教学改革和实践教学改革，通过优化教学内容、创新教学方法等对电力电子教学进行改革。依托先进的实验设备、大学生电子设计赛事并结合高校教学研究项目，对电力电子技术课程教学进行改革。通过教学改革，提高学生实践能力，实现应用型本科人才培养的目标。
关键词：
电力电子技术；教学改革；应用型本科
一、序言
近年来，实现绿色用电、寻求新型清洁能源已成为各国关注焦点。电力电子技术不仅可实现提高用电效率、改善用电品质，同时也是光伏发电、风力发电等新能源利用所必须的技术基础。由于本课程横跨强、弱电与控制技术，因而是门难学的课程。与普通本科相比，在办学思路上，民办高校更加注重应用型人才的培养，因而对于应用型本科院校，电力电子技术的教学不能完全沿袭其着重理论推导和全面讲解的教学模式。如何开展电力电子技术课程教学、改革教学内容、课程体系和教学方法都是值得我们探讨的问题。
二、电力电子技术教学的现状分析
当前，应用技术型院校电力电子技术课程的教学主要面临以下几个方面的问题：
1.教学内容不新。
夜上海论坛 随着电力电子技术的快速发展，新型的电力电子器件不断出现，但是将理论知识和先进技术相融合的适合与应用技术型院校学生的电力电子技能掌握的教材很少，应用型本科院校应更加注重理论和实践的结合，更强调学以致用。因此，需要从讲授的理论内容、教学方法、教学模式、实践应用等方面进行有针对性的改革。
2.学生基础较薄弱。
夜上海论坛 应用型本科院校的学生入学时学习基础相比较之下要弱一些，自身的文化基础普遍偏低，学习主动性不高，只求领会肤浅内容。电力电子技术的前修课程为电路、模拟电子技术和数字电子技术。应用型本科院校的学生很多对于这几门课的掌握都不深入，一些分析方法都不熟练甚至无法掌握，这给电力电子技术课程的教学带来很大难度。
3.传统的教学模式过于枯燥、抽象。
夜上海论坛 电力电子技术课程的最大特点是包含了大量的电路和波形图，特别是三相整流的部分，图形更为复杂。要对各种变流电路的工作过程给予形象的表示，使学生能感性地理解课堂教学内容，这就要求我们在教学方法和手段上突破创新。教师如何在有限的学时里，确定好合适的教学内容，教学方案，采取恰当的教学方法和教学手段，提高学生学习的兴趣，获得理想的教学效果，都是一个值得不断深入探讨和实践的问题。
夜上海论坛 三、改革探索
夜上海论坛 作为一所培养应用型人才的高校，在课程改革中须明确人才培养层次，紧扣“应用”二字，才能理清改革思路，树立正确的改革目标。为在电力电子技术课程改革中突出“应用型”特点，应用了实例教学等教学手段，帮助学生打好扎实理论基础，设计贴合实际应用的实验、实训等实践教学环节，提升学生的应用能力，培养学生自主学习能力，保证学生的知识、能力和素质获得应有的提高。改革目标主要是以下几点：
1.围绕应用型人才培养目标改变教学思路。
针对学生能力和需求的差异，将教学内容分为基础知识掌握、应用能力培养两个方面，其中基础知识掌握方面的教学满足就业需要，应用能力培养方面的教学则以满足职业技能需要和培养创新能力。通过课堂教学内容的改革，体现课程综合化趋势，重新组织教学内容，突出课程实用性和趣味性，改变传统教学中对四大变流电路孤立、单一的学习模式，基础知识掌握以基本变流电路的分析为主，讲授基本的电路工作原理。应用能力培养方面，引入生活中常见电路以及电子设计实例，如调光台灯、电动自行车等实例进行教学，详细讲解实例的电路设计，并鼓励学生大胆实践，通过自己组装或设计简单的电子技术产品来提高动手实践能力；有效的推进电力电子技术教学，提高了学生的理解能力，并对电力电子技术的应用建立起直观的认识，对学生电力电子技术应用技能的培养起到了大大的推进作用。结合系统供电、控制等模块电路结构、原理的介绍，通过一系列具体电路分析，将《模拟电路》、《电机与电气》等前期专业课程的知识与《电力电子技术》所学理论知识相联系。并且，在保证理论基础扎实前提下，增加日常电路分析和设计实践环节在整个教学过程中所占比重，以实例激发学生自主学习兴趣，以兴趣带动能力培养，在这一过程中培养学生的读图、分析、画图、简单电源电路设计等能力，实现理论与应用相辅相成、有机结合，最终提升学生实际应用方面的综合素质。
2.围绕能力培养，深化教学方法改革。
夜上海论坛 根据学生毕业后从事职业所必需的能力，在教学过程中，弱化对教材中过于复杂电路的理论分析和公式推导，突出对实际电路应用和设计的分析。采用引导型教学方式，注重教学过程中的学生分析解决问题能力的培养，在教师“教”与学生“学”的过程中不断发现问题和新的突破点，将学生被动接受知识的过程转化为其不断解决问题的过程，使学生主动学习、开放思维，并在此过程中加深相关理论的理解，训练其分析和解决问题的能力，增加理论教学趣味性。加强实践性教学环节，通过实验、大学生电子设计赛事等实践性教学内容锻炼学生的实际动手和电路分析能力，发挥学生潜力。学生参加全国大学生电子设计大赛，通过电源类题目的赛事，使学生掌握电力电子技术方面的技术、技能。目前取已得奖项共28项
3.侧重发扬教学理念，发挥实践的导向作用。
应用型本科院校的教学理念是培养应用型的人才，实践变得尤为重要。加强电力电子技术实践教学对培养学生的应用技能是十分必要的，传统的以课堂讲授为主、实验为辅的教学模式对这门课不太适合，因为这门课的实践性很强，学院本着从实际出发，根据本学院开设实践培训的能力与学生电力电子专业技能培养的需求，明确了电力电子技能培养形式，即对学生开展了开关电源的设计制作培训，理论教学中所设计方案付诸于实践，在这一实践环节中学生首先要根据基本的理论知识设计不同类型、不同设计指标的开关电源，用protel软件画出电路原理图，画出PCB板图，其次所有的元器件，要学生自己跑市场按照电路图备齐。最后完成实际电路的焊接调试等工作，这个过程和实际工作中的动手过程差别不大。在实验室开放的时候，学生可以自行到实验室完成电路焊接。在这一过程中学生学到了课堂上学不到的实践知识，如基本器件部分的电力二极管、功率MOS管和IGBT等器件的使用，学生自己在网上按型号找资料，找出资料中的应用典型电路，以及器件的重要参数值，如导通电阻耐压、耐电流。学会元器件的识别与检测，掌握穿孔元件安装和焊接技能，学会万用表、电子毫伏表和示波器使用方法，并摘取说明器件典型特性的实验波形和学到的知识相对照，形成完整的测试报告。通过由元件到电路的过程，同学们不仅强化了课堂内容的理解，而且亲身实践了实际产品设计的全过程。
夜上海论坛 4.教学要注重产学研结合，加强实践能力培养。
夜上海论坛 实现应用型人才培养目标的一个重要的途径即落实产学研结合教育。学院鼓励学生关注本专业的研究课题，在学校的大力支持下，学生积极申请了相关的创新创新项目多项，并付出行动参与课题研究，能够利用寒暑假及课余时间进行实践，自觉主动提高个人实践能力。为了提高学生的实践应用技能，学校鼓励学生积极创新及参加各种技能赛事，通过学生自制实验设备、参加国际国内的各种赛事，培养学生的各种能力。教学中通过实训设计自制电路板，再对电路板进行测试，通过实际电路制作调试大大的提高了学生的理论理解与实践应用能力。
总之，从培养适应社会经济发展需要的工科应用型人才角度出发，有针对性地开展对电力电子技术这门学科的教学改革，才能使该课程做到理论实践紧密相连，保持课程的实用性、先进性，体现其既具有理论深度，又与实际操作紧密结合的综合性特点。同时，通过在校期间对学生实践技能上的提前训练，使他们具备应用型人才的特点，帮助其建立必要的专业素养，能为学生就业及今后在工程领域的发展奠定良好的基础。
作者：李喜平 丛昕 魏昭辉 苏洪雨 单位：哈尔滨剑桥学院
参考文献：
夜上海论坛 [1]施昕昕.应用型本科电力电子技术教学探讨[J].科教文汇，2014(1).
夜上海论坛 [2]田海.应用型本科院校“电力电子技术”课程教材探析[J].中国电力教育，2014(1).
第3篇
夜上海论坛 1.基于电力电子技术的单三相变换
目前，单相电源变换三相电源方法主要有三种：一种是以交－交或交－直－交变流方法；二是移相法，利用电容电抗移相原理来实现；三是平衡变压器法。第一种方法具有动态性能好，电能质量高的优点，但存在成本高、对工作环境要求较严格等问题；移相法成本低廉，可靠性高，其缺点是动态性能差，负载发生变化时其三相输出电压、电流均将发生较大改变，元件匹配困难。平衡变压器法则主要用于铁道牵引系统。交－交变换方法包括传统的交－交变换器和矩阵式变换器。单—三相矩阵变换是矩阵变换中重要的一类，主要用于只有单相电源提供的场合。矩阵式变换器电气性能十分理想，但结构复杂，成本较高，控制方法还不算成熟，尚未进入实用化。随着交－交或交－直－交变流方法的深入研究，其控制技术日趋成熟，PWM控制方法中SPWM、SVPWM控制策略均已得到很好的应用。因此本文采用交—直—交变流方法，由单相电源经整流、逆变后获得三相电源用以驱动电动机。如图1a和图1b，分别是带升压电路和不带升压电路的交—直—交单三相变换示意图。对单相220V交流电源，经整流逆变后输出三相电源线电压约200V左右，对目前的系列电动机来说并不配套。在农村边远地区，供电线路末端电压偏低情况经常发生，经整流逆变后电压会更低。解决办法有两种，一是使用升压电路使输出电压达到220V。二是对改变电动机设计额定电压，使额定电压和逆变输出电压匹配。前者的优点在于简单易操作，但是升压电路的引入无疑增加了系统成本；后者则对电动机的设计进行改造，增加了设计和制造的复杂程度。当需要电动机容量再增大时，电动机的额定电压必要设计到380V，单三相电源变换中使用DC－DC升压到380V也没技术障碍，但无疑会增加改造成本。随着变频器相关技术的发展，目前市场上出现了单－三相变频器，不仅可以实现单相电源到三相电源的变换，而且可以实现频率变换进而对三相电动机进行变频控制。
2.单相电动机现状
夜上海论坛 由于只需要单相电源供电，单相异步电动机在只有单相电源的场合应用比较广泛，如电动工具、医疗器械、自动化仪表和家用电器等小功率场合。其主要优点是结构简单，成本低廉，噪声小。国家电网公司规定，农村电网220V单相供电电压允许偏差值为标称电压的－10%〜+7%。在农村或边远地区，供电距离往往较对应电压等级供电半径大，线路损耗会增大，导致末端电压偏低。供电导线截面积选择较小、无功补偿不足、用户配电变压器容量过小、三相负载不平衡等原因都会使得电压偏低。用户在选择电动机时，都是按单相电源标称电压来选择电动机电压等级，因此在实际运行时电动机往往处于低电压运行状态，低电压会严重影响电动机的运行状态。首先，低电压运行会引起起动能力和过载能力均有所降低。这是因为，异步电动机的起动转矩Tst由下式表达可见，电动机的起动转矩和运行最大电磁转矩均与施加在定子绕组上的电压有效值的平方成正比，电源电压的较小下降都会使电动机的最大电磁转矩和起动转矩下降较多。因此，严重情况的电压下降会使得电动机不能起动或者电磁转矩小于负载转矩而形成电动机的堵转状态。其次，低电压运行会导致电动机电流增大，铜耗增加。这是因为电压降低时，负载转矩维持不变，为提供不变的功率以带动负载，定子电流会增大，线圈升温，影响电动机的使用寿命，严重时甚至会烧毁电动机。定子电流增加也会使得铜损增加，导致运行效率降低。
3.三相电动机与单相的对比
夜上海论坛 （1）容量大常见单相电动机的容量一般在数十瓦到三四千瓦。家用电器中，普遍使用单相电动机，洗衣机的电动机容量一般在400W以下；空调所用电动机则容量较大，一般在2kW及以上。三相电动机的容量则从数千瓦到几千千瓦，在单相电动机容量不能满足要求的情况下，如需容量大于4kW时，就不得不使用三相电动机。（2）效率高在额定运行状态下，三相电动机的转子铜损和铁损都很小，三相电动机额定运行时效率较大，一般在74%〜94%之间，且随电动机容量增大额定效率逐渐增大。对于单相电动机，不管电容运转或者电容起动式，内部磁场均不是圆形磁场，可以看成是两个大小相等、转向相反的两个旋转磁场的合成。由于电源及绕组结构的原因，电动机气隙中极易存在反转磁场，使得与同容量三相异步电动机相比，产生的电磁转矩较小，转子铜损耗较大，效率较低，功率因数也较低。如表1所示，单三相异步电动机功率均能覆盖的范围内，同功率单相电动机额定效率要小于三相电动机。对于双电容单相异步电动机，由于运转电容的存在，运行功率因数会比较高，在部分功率等级要高于三相异步机。（3）起动性能好仅有主绕组的单相电动机是不能自起动的，必须创造条件使得主副绕组的电流相位尽量接近90°电角度。常见方法有电阻起动和电容起动等。电阻起动电动机有中等起动转矩和过载能力，而电容起动电动机起动转矩相对较大。相比之下三相电动机则拥有更大的起动转矩。异步电动机起动均有较大冲击电流，三相电动机瞬时值要大于单相电动机，然而对三相电动机使用变频驱动起动时，可以避免这一电流冲击。（4）运行性能好转矩方面，三相电动机稳态运行时内部磁场为圆形磁场，因此输出电磁转矩幅值平稳。单相电动机稳态运行时内部磁场偏向于椭圆，会引起电磁转矩的脉动。因此，三相电动机运行较单相电动机平稳。功率因数方面，单相电动机由于反向旋转磁场的影响，反向转子电流功率因数会使得功率因数小于三相异步电动机。功率因数较小会使得电动机消耗的无功增加，占用了电力系统发供电设备提供有功功率的能力，或增加了发送无功功率的设施，同时也增加了电力系统输电过程中的有功功率损耗，造成能量的损耗。瞬时功率方面，三相电动机每相均含有两倍频率的功率脉动成分，但三相合成总功率为零，因此稳定运行时瞬时功率等于有功功率且恒定，转矩也恒定。单相电动机的瞬时功率和三相中的任一相情况相同，含有两倍频率成分，功率和转矩都不恒定。（5）调速方便相比三相交流电动机，对单相交流电动机的调速研究要少很多，三相感应电动机的电压空间矢量控制等调速技术已较为成熟。若直接对带电容的单相电动机使用变频调速，低频下由于电容的存在，旋转磁场会变成椭圆，脉动转矩增大，大大影响了电动机性能。因此，考虑使用三相电动机替换单相电动机，进而使用变频调速来节省电能。实际应用中，应根据机械负载的特点对电动机运行工况的要求，选择尽可能控制简单、成本低廉的控制方式，同时取得满意的控制效果。（6）成本低由于单相电动机中反向电磁转矩的存在，对同功率的三相和单相电动机，单相机中正向电磁转矩要大于三相电动机，这迫使单相电动机有更大的安匝数。安匝数大导会致电动机用铜量增加，同时电流密度也增大，进而需要更大的铁心体积，导致单相电动机成本较三相电动机高。综上所述，三相异步电动机在容量、效率、起动性能和运行性能方面均要优于单相电动机，且其调速简单，成本较低，因此使用三相电动机代替单相电动机理论上具备优势。
4.变频器谐波影响
夜上海论坛 使用变频器驱动异步电动机工作时，不但能减少电动机起动时对电网的冲击，而且能提高电动机工作效率。然而引入变频器，由于交直交环节中电子器件的存在，逆变器势必产生谐波电压。这些谐波会在电动机进线处产生高压，影响电动机的绝缘。同时，电压谐波还会产生一系列的附加谐波转矩，使得电动机转矩脉动，效率和功率因数降，温升提高，振动变大等。因此，从节能方面考虑，优化变频器和电动机整体装置的效率显得尤为重要。一般来说，变频器的引入，谐波将引起电动机附加损耗1%〜2%。
5.运行性能对比
异步电动机一般都是按照设计的负载进行选择，并且留有一定的裕量，由于电动机的功率等级分档限制，有时保留裕量后的功率不一定对应分档功率，此时一般会选择上一档功率，所选电动机容量大于负载较多的情况较为常见。在实际运行情况下，负载偏离额定值时，单相电动机和三相电动机的运行工况较额定运行状况都会发生变化，效率和功率因数也偏离额定值，而两种电动机效率随负载率的变化情况不尽相同。因此，结合MATLAB/Simulink平台下的仿真和实际物理试验综合来比较二者的差异。MATLAB/Simulink/Simpowersystem库包含了电力电子和电力系统仿真所需的常用模块，可直接调用自带单相和三相电动机模型，搭建系统进行仿真测试。选取同功率的单相和三相电动机进行仿真，使用标幺值，单相电动机选择电容启动电容运转电动机，三相电动机选择普通笼型异步电动机。仿真从起动性能和运行性能两个方面进行比较。起动性能方面，对比空载起动和满载直接起动，比较二者的起动电流和起动转矩。空载直接起动时，起动转矩和起动电流如图2所示。起动瞬间，三相电动机起动转矩大于单相电动机，拥有较强的起动能力。稳定后，三相电动机电磁转矩输出稳定为0，单相则在0上下均匀波动。三相电动机在空载起动时拥有较高的起动电流，但持续时间较短（小于0.1s），引入变频器，可以避免这一大电流冲击。单相电动机电流冲击峰值虽比三相电动机小，但持续时间较长；0.4s后，二者大小基本相同。满载起动电流和转矩对比如图3所示，起动转矩方面，单相电动机转矩脉以给定负载转矩为中心上下波动，三相电动机转矩0.2s后稳定持续稳定；起动电流方面，三相电动机起动冲击电流较大，但持续时间小于0.1s，此后进入稳定运行电流；单相电动机的起动大电流持续时间接近2.5s。上述起动均是电源电压为额定标称值时的仿真，若实际电源电压低于标称电压时，电动机工作在低电压状态下，由前面分析可知，会导致起动转矩降低，因此设置电源电压有效值为200V时，对单相电动机起动进行仿真，起动转矩波形如图4所示。由于起动最大转矩和电压幅值平方成正比，在低电压情况下起动，起动转矩会大大降低。由图4可知，额定电压起动转矩峰值为4.45pu，200V低电压时，理论计算转矩降低为原来的（20/220）2倍，即4.45x（20/220）2=3.71pu，与图4低电压仿真起动转矩峰值相符合。因此，低电压情况下，单相电动机的起动能力较差。为考察在变化的负载情况下电动机的运行效率和功率因数，选择额定容量4kW的单相和三相异步电动机，电动机负载率变化区间0—1.0，运行仿真，两种电动机运行效率记录如表2。可以看出，在对应的负载率条件下，单相异步电动机效率要低于三相异步电动机；而功率因数方面由于选择了双电容运转电动机，大大提高了单相异步机的功率因数，优于三相异步电动机。
6.经济性分析
电动机是重要的工业耗能备，广泛应用于泵、风机、压缩机和传动机械等领域，其耗电量占我国全社会年发电量的60%以上。电动机系统节能工程是我国“十二五”十大重点节能工程之一，是国家节能减排工作的重点领域。在农村地区，由于单相电源供电限制，日常生活和生产电动机用电量绝大多部分被单相电动机所消耗。本文提出的系统中，使用交—直—交变换，首先获得三相电源，然后可以以工频电源驱动三相异步电动机，也可以使用单—三变频设备来变频驱动三相异步电动机。若使用变频驱动，整个系统方面，变频器自身损耗有3%〜6%，变频驱动情况下因谐波等影响电动机将增加损耗1%〜2%，系统总损耗将增加4%〜8%。（1）定性分析单相电源场合首先获得三相电源驱动三相电动机，相对于直接驱动单相电动机，具有以下优点：①变频改造后电动机软起动，对电网、电动机和机械没有冲击；②引入整流逆变和升压电路后，低电压情况将不存在，电动机工作在额定电压，可提高电动机运行效率、功率因数和寿命；③变频器具有过电流，过电压、过载、短路、断路及缺相等多种保护功能，有效保护动机、电网，更便于查找故障及维护，减少维护成本。（2）定量分析系统改造前后成本构成如图5所示，改造前后系统的成本有所不同，且两系统的运行寿命也不尽相同，不宜直接比较二者。因此定量分析应综合采购成本、运行维护成本、电能成本、使用年限，在电动机的寿命范围内求得平均年运行费用，以确定更为经济的方案。因单相电源侧电压幅值基本维持不变，电动机消耗的功率增大时，单相电源侧电流会增加，原有的导线不能满足电流要求时需要替换新的导线，也会增加系统成本。本文下述定量分析时认为同容量的电动机替换后原有导线通过电流并无增大，且使用变频驱动三相异步电动机时起动大电流冲击会被消除，因此不考虑导线置换成本。显然，在全寿命周期内，比较S较小的更经济划算。上述比较假设单三相电动机均能在其寿命范围内可以正常工作，不包含单相电动机因低电压运行等因素导致未到寿命而烧毁的情况。而在实际使用情况中，受运行工况的影响，电动机实际寿命往往达不到设计寿命。在这里定义电动机实际寿命和设计寿命的比值为寿命系数ω，则有，0<ω≤1。在使用过程中，影响ω的主要因素有电源因素和负载因素两大类。在农村单相电源地区，电源因素主要包括低电压情况，负载因素主要指过载情况。因此为了考虑电动机实际使用中未达到额定要求或者设计指标的运行条件对电动机寿命的影响，进而对经济性的影响，将引入式（3），得到如下式（4）：由于引入了单三相电源变换和升压装置，变换后的电源为电动机提供了稳定的电源保证，电动机的运行工况有大大的改善，因此三相电动机较单相电动机有更高的寿命系数，这意味着电动机的使用寿命有所增加，年平均费用也会有所变化。因为式（4）考虑了实际运行情况下的实际寿命，在经济性分析时比式（3）更具有参考意义，本文参照式（4）给出算例如下。假设某单相异步电动机，额定容量4kW，年运行时间5000h，不同负载率以及工作时间如表3所示。对表3工况的单相异步机系统进行改造，经电源变换后采用同容量的三相异步机，改造后的效率值取表2的对应效率减去因变频器引起的效率损失（取5%），依式（2）、（3）、（4）计算结果如表4所示。其中选择四组不同的寿命系数，其中取值0.3和0.5表明单相异步电动机在对应时间点发生了不可逆转的烧毁等损毁情况；取值0.75表示单相异步电动机的正常实际寿命；取值0.95则是为了和三相异步电动机做对比，相同高寿命系数下平均年费用改造后仍然小于改造前。可见，平均年费用方面，三相电动机系统要小于单相电动机系统，因此系统改造具有可行的经济性。
7.结束语
