單相電機(jī)及常規(guī)計(jì)算

1、單相異步電動(dòng)機(jī)內(nèi)容提要 單相異步電動(dòng)機(jī)是利用單相交流電源供電的一種小容量交流電動(dòng)機(jī)，功率約在8W750W之間。單相異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本低廉,維修方便等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于如冰箱、電扇、洗衣機(jī)等家用電器及醫(yī)療器械中。但與同容量的三相異步電動(dòng)機(jī)相比，單相異步電動(dòng)機(jī)的體積較大、運(yùn)行性能較差、效率較低。 單相異步電動(dòng)機(jī)有多種類型，目前應(yīng)用最多的是電容分相的單相異步電動(dòng)機(jī)，這實(shí)際上是一種兩相運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)，下面僅就這種電動(dòng)機(jī)進(jìn)行介紹。1結(jié)構(gòu) 單相異步電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上與三相籠形異步電動(dòng)機(jī)類似，轉(zhuǎn)子繞組也為一籠形轉(zhuǎn)子。定子上有一個(gè)單相工作繞組和一個(gè)啟動(dòng)繞組，為了能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，在啟動(dòng)繞組中還串聯(lián)了一個(gè)電容

2、器，其結(jié)構(gòu)如圖5.1所示。單相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖 2工作原理工作原理 為了能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，利用啟動(dòng)繞組中串聯(lián)電容實(shí)現(xiàn)分相，其接線原理如圖5.2（a）所示。只要合理選擇參數(shù)便能使工作繞組中的電流 與啟動(dòng)繞組中的電流 相位相差90，如圖5.2（b）所示，分相后兩相電波形如圖5.3所示。 設(shè) 則AiBitiiAmAsin)90sin(tiiBmB圖5.2 電容分相單相電動(dòng)機(jī)接線圖及相量圖 圖5.3 兩相電流波形圖 如同分析三相繞組旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)一樣，將正交的兩相交流電流通入在空間位置上互差90的兩相繞組中，同樣能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，如圖5.4所示。 與三相異步電動(dòng)機(jī)相似，只要交換啟動(dòng)繞組或工作繞組兩端與電源的連接

3、便可改變旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向。 圖5.4 兩相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 3 3單相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速單相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速 單相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法主要有變頻調(diào)速、晶閘管調(diào)速、串電抗器調(diào)速和抽頭法調(diào)速等。變頻調(diào)速設(shè)備復(fù)雜、成本高、很少采用。下面簡(jiǎn)單介紹目前較多采用的串電抗器調(diào)速、抽頭法調(diào)速和晶閘管調(diào)速。（1）串電抗器調(diào)速 在電動(dòng)機(jī)的電源線路中串聯(lián)起分壓作用的電抗器，通過(guò)調(diào)速開關(guān)選擇電抗器繞組的匝數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)電抗值，從而改變電動(dòng)機(jī)兩端的電壓，達(dá)到調(diào)速的目的，如圖5.5所示。串電抗器調(diào)速，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易調(diào)整調(diào)速比，但消耗的材料多，調(diào)速器體積大。圖5.5 串電抗器調(diào)速接線圖 （2）抽頭法調(diào)速 如果將電抗器和電機(jī)結(jié)合在一起

4、，在電動(dòng)機(jī)定子鐵心上嵌入一個(gè)中間繞組(或稱調(diào)速繞組)，通過(guò)調(diào)速開關(guān)改變電動(dòng)機(jī)氣隙磁場(chǎng)的大小及橢圓度，可達(dá)到調(diào)速的目的。根據(jù)中間繞組與工作繞組和啟動(dòng)繞組的接線不同，常用的有T形接法和L形接法，如圖5.6所示。 抽頭法調(diào)速與串電抗器調(diào)速相比較，抽頭法調(diào)速時(shí)用料省，耗電少，但是繞組嵌線和接線比較復(fù)雜。（3）晶閘管調(diào)速 利用改變晶閘管的導(dǎo)通角，來(lái)實(shí)現(xiàn)加在單相異步電動(dòng)機(jī)上的交流電壓的大小，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，這種方法能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，缺點(diǎn)是會(huì)產(chǎn)生一些電磁干擾。目前常用于吊式風(fēng)扇的調(diào)速上。（a）T形接法 （b）L形接法 圖5.6 抽頭法調(diào)速接線圖單相電容式起動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)單相電容式起動(dòng)異步電動(dòng)機(jī) 單

5、相電容式起動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)在定子上放置兩個(gè)繞組， 一個(gè)主繞組， 一個(gè)副繞組， 如圖7-26所示。 兩個(gè)繞組在空間上相隔90， 副繞組串電容器后與主繞組并聯(lián)。 電容器的作用是使副繞組回路的阻抗呈容性， 如果電容器選擇得當(dāng)， 可以做到副繞組的電流基本上超前于主繞組90。 相當(dāng)于電動(dòng)機(jī)內(nèi)部有兩相空間上和時(shí)間上都錯(cuò)開相位的交流電在工作， 能形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)， 帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。 電動(dòng)機(jī)起動(dòng)后（轉(zhuǎn)速為0.75n10.8n1 ）， 斷開開關(guān)S， 即切斷副繞組（起動(dòng)繞組）， 電機(jī)開始正常運(yùn)行。 圖7-26 分相電容式起動(dòng)異步電動(dòng)機(jī) (a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)等效圖； (b) 相量圖SCiViUV1V2U1U2iuVIUIIU(a

6、)(b) 電容式起動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向有關(guān)， 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向與兩繞組的電流相位有關(guān)， 只要把兩電流的相位互換， 即把電容接到主繞組上作為起動(dòng)繞組， 或把副繞組反接， 讓其電流滯后于主繞組90， 則旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)換向， 電機(jī)反向。 電容式起動(dòng)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)電流較大， 一般可以用于較高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的電冰箱、 水泵、 空壓機(jī)等設(shè)備中。 例7-1 一臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)， 其極對(duì)數(shù)是2， 電源頻率為工頻， 若轉(zhuǎn)差率s=0.02， 該電機(jī)的轉(zhuǎn)速是多少？解 首先求同步轉(zhuǎn)速min/1500250606011rpfn11nnns因?yàn)?所以 n=n1(1-s)=1500(1-0.02)=1470 r/min

7、例7-2 已知兩臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)額定功率都是10 kW， 但轉(zhuǎn)速不同。 其中n1N=2930 r/min， n2N=1450 r/min， 如果過(guò)載系數(shù)都是2.2， 求它們的額定轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩。 解 根據(jù)式（7-14）可知第一臺(tái)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩為mNTmNTmNTmNTmNmN1459.652.29.6514501095507.716.322.26.3229301095502211最大轉(zhuǎn)矩為 第二臺(tái)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩為最大轉(zhuǎn)矩為 例7-3 一臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)如下： PN=7.5 kW， UN=380 V， Y接法， nN=1440 r/min， N=87.5%， cos=0.85， Ist/I

8、N=7.0， 起動(dòng)能力=2.2， =2.2。 試求:（1） 額定電流IN； （2） 額定轉(zhuǎn)差率sN； （3） 起動(dòng)電流Ist； （4） 額定轉(zhuǎn)矩TN； （5） 最大轉(zhuǎn)矩Tm； （6） 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst。 解（1） 電動(dòng)機(jī)的輸入功率為 kWPPNN6 . 8875. 05 . 71額定電流 AUPINN4 .1585. 03803106 . 8cos331（2） 因nN=1440 r/min， 可知電動(dòng)機(jī)的n1=1500 r/min， 極對(duì)數(shù)p=2， 則額定轉(zhuǎn)差率為04. 015001400150011nnnsN（4） 額定轉(zhuǎn)矩mNnPTNNN7 .4914405 . 795509550 （5）

9、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩 Tst=2.2TN=2.249.7=109.3 Nm （6） 最大轉(zhuǎn)矩 Tm=TN=2.249.7=109.3 Nm ( (3 3） 因Ist/IN=7.0， 則起動(dòng)電流為 Ist=7.0IN=715.4=107.8 A對(duì)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的要求， 一般從以下幾個(gè)方面來(lái)考慮： （1） 起動(dòng)電流應(yīng)盡可能小, Ist（47）IN。（2） 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩應(yīng)盡可能大， Tst(1.11.2)TL。 （3） 起動(dòng)的時(shí)間應(yīng)盡可能短。（4） 轉(zhuǎn)速的提升應(yīng)盡可能平穩(wěn)。 （5） 起動(dòng)方法應(yīng)方便、 可靠， 起動(dòng)設(shè)備應(yīng)簡(jiǎn)單、 經(jīng)濟(jì)， 易維護(hù)修理。 例7-4 已知一臺(tái)鼠籠異步電動(dòng)機(jī)， PN=75 kW， 連接運(yùn)行， UN

10、=420 V， IN=126 A， cosN=0.88， nN=1480r/min， Tst/TN=1.9， Ist/IN=5.0， 負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=100 Nm， 現(xiàn)要求電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)Tst1.1TL， Ist240 A， 問(wèn)：（1） 電動(dòng)機(jī)能否直接起動(dòng)？（2） 電動(dòng)機(jī)能否采用Y-起動(dòng)？ （3） 若采用三個(gè)抽頭的自耦變壓器起動(dòng)， 則應(yīng)用50%、 60%、 80%中的哪個(gè)抽頭？解 （1） 一般來(lái)說(shuō)， 7.5 kW以上的電動(dòng)機(jī)不能采用直接起動(dòng) 法， 也可以進(jìn)行以下計(jì)算。 電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩mNPTNNN95.48314807595509550直接起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩 Tst=1.9TN=1.9483.95

11、=919.5 Nm 又 1.1TL=1.1100=110 Nm 因 Tst1.1TL, 故直接起動(dòng)電流:Ist=5IN=5126=630 A遠(yuǎn)大于本題要求的240 A。 因此， 本題的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩雖然滿足要求， 但起動(dòng)電流卻大于供電系統(tǒng)要求的最大電流， 不能采用直接起動(dòng)。 （2） 采用Y-起動(dòng)方式， 則起動(dòng)轉(zhuǎn)矩應(yīng)為L(zhǎng)ststYTmNTT1 . 15 .3065 .9193131起動(dòng)電流 AIIststY2402106303131起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩都滿足要求， 故可以采用Y-起動(dòng)。 （3） 采用自耦降壓起動(dòng)， 起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩分別為50%抽頭： Tst1=(0.5)2Tst=(0.5)2919.5=229.88 Nm Ist1=(0.5)2Ist=(0.5)2630=157.5 A60%抽頭： Tst2=(0.6)2Tst=331.02 Nm Ist2=(0.6)2Ist=226.8 A80%抽頭： Tst3=(0.8)2Tst=588.48 Nm Ist3=(0.8)2Ist=403.2 A 從以上結(jié)果可以看