電機控制與實踐-徐鋒課件 第五章：(5.1)

電機控制與實踐課題組第5章

單相異步電動機基本知識及應(yīng)用單相異步電動機是用220V單相交流電源供電的一種小容量交流電動機，其容量一般為幾瓦到幾百瓦。由于單相異步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、運行可靠、噪音小、維修方便等優(yōu)點，所以在小功能的電器產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用。電機控制與實踐課題組一、單相異步電動機的結(jié)構(gòu)（1）單相異步電動機形式繁多、結(jié)構(gòu)各異，但其基本結(jié)構(gòu)與三相異步電動機結(jié)構(gòu)相同，都是由機座、定子和轉(zhuǎn)子三大部分組成。下圖為單相異步電動機結(jié)構(gòu)示意圖。電機控制與實踐課題組一、單相異步電動機的結(jié)構(gòu)（2）下面分別對單相異步電動機的定子、轉(zhuǎn)子、機座等作簡單介紹之

1.機座：機座形式多樣，因電動機的冷卻方式、防護形式、安裝方式和用途面異。構(gòu)建機座的材料一般有鑄鐵、鑄鋁和鋼板結(jié)構(gòu)等幾種。鑄鐵機座一般帶有散熱筋，鑄鋁機座一般不帶散熱筋。鋼板機座一般由厚度為1.5～2.5mm薄鋼板卷制、焊接而成。鑄鐵(鋁)機座鋼板機座電機控制與實踐課題組一、單相異步電動機的結(jié)構(gòu)（3）

2.定子:定子由定子鐵心和定子繞組組成，用于產(chǎn)生磁場。其結(jié)構(gòu)與三相異步電動機定子結(jié)構(gòu)相似；不同之處在于單相異步電動機定子繞組只有兩相，分別稱為主繞組(工作繞組)和副繞組(起動繞組)。繞組線圈一般采用高強度漆包線繞制而成。硅鋼片鐵心定子定子+機座電機控制與實踐課題組一、單相異步電動機的結(jié)構(gòu)（4）

3.轉(zhuǎn)子:轉(zhuǎn)子一般采用籠型轉(zhuǎn)子，常用鋁壓鑄而成，其結(jié)構(gòu)與三相異步電動機相同。電機控制與實踐課題組一、單相異步電動機的結(jié)構(gòu)（5）單相異步電動機與同容量的三相異步電動機相比，它體積較大，運行性能也不及三相異步電動機，因此一般只制成小容量電動機。電容式罩極式電機控制與實踐課題組二、單相異步電動機的磁場（1）三相異步電動機之所以能旋轉(zhuǎn)是因為在定、轉(zhuǎn)之間的氣隙中存在有旋轉(zhuǎn)磁場。旋轉(zhuǎn)磁場不斷切割轉(zhuǎn)子繞組導體，進而在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生感應(yīng)電流，此電流又受到磁場力的作用，并在磁場力的作用下產(chǎn)生電磁力矩而使電動機旋轉(zhuǎn)。異步電動機工作原理老師！那么單相異步電動機定子和轉(zhuǎn)子之間是否也存在旋轉(zhuǎn)磁場呢？電機控制與實踐課題組二、單相異步電動機的磁場（2）還是讓我們先來看看單相異步電動機的定子結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)吧！單相異步電動機定子上安裝有兩相繞組，這兩相繞組在空間彼此相差900電角度，一個繞組稱為主繞組(工作繞組)，另一個則稱為副繞組(起動繞組)。圖5-3是單相異步電動機定子繞組模型安裝示意圖，其中電動機轉(zhuǎn)子為鼠籠型轉(zhuǎn)子。圖中兩相繞組分別是A(A-X)相和B(B-Y)相，這兩個繞組在空間位置上相差90°。電機控制與實踐課題組二、單相異步電動機的磁場（3）

若在圖5-3為單相異步電動機模型的兩相繞組中通入單相電流時，則在氣隙中將產(chǎn)生脈振磁場，脈振磁場產(chǎn)生的過程如圖5-4所示。這個脈振磁場的振幅和位置在空間固定不變，大小則隨時間做正弦規(guī)律變化。該磁場雖然也在變化，但它并不切割轉(zhuǎn)子繞組，因此無法使電動機產(chǎn)生起動轉(zhuǎn)矩。電機控制與實踐課題組二、單相異步電動機的磁場（4）進一步的分析表明，此交變的脈振磁場可分解成兩個轉(zhuǎn)向相反、速度相同的旋轉(zhuǎn)磁場。鼠籠式轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)磁場作用下產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩在三相異步電動機中已經(jīng)分析過，并且得出了相應(yīng)的機械特性。因此，單相異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩是兩個旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的合成。當電動機旋轉(zhuǎn)工作時，正、反向旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩分別為Tz和Tf，各旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的機械特性曲線與三相異步電動機特性相似。在圖5-5的機械特性曲線中，曲線1為正向旋轉(zhuǎn)磁場對應(yīng)的特性曲線，曲線2為反向旋轉(zhuǎn)磁場對應(yīng)的特性曲線，曲線3則是單相異步電動機運轉(zhuǎn)時的機械特性(合成曲線)。電機控制與實踐課題組二、單相異步電動機的磁場（5）綜上所述，單相異步電動機的定子繞組如果只通入單相電流，那么就沒有起動轉(zhuǎn)矩(TQ=0)，但運行后能維持運行。

圖5-5所示的機械特性曲線有以下特點：1．當轉(zhuǎn)速時，電磁轉(zhuǎn)矩，此時沒有起動轉(zhuǎn)矩，電動機不能夠起動，即“不推不轉(zhuǎn)”。2．當轉(zhuǎn)速時，電磁轉(zhuǎn)矩，此時機械特性在第Ⅰ象限，電動機正轉(zhuǎn)后，電磁轉(zhuǎn)矩使電動機繼續(xù)正轉(zhuǎn)運行，即“正推正轉(zhuǎn)”。3．當轉(zhuǎn)速時，電磁轉(zhuǎn)矩，此時機械特性在第Ⅲ象限，電動機反轉(zhuǎn)后，電磁轉(zhuǎn)矩使電動機繼續(xù)反轉(zhuǎn)運行，即“反推反轉(zhuǎn)”。電機控制與實踐課題組三、單相異步電動機的起動問題（1）從前面的分析可知，單相異步電動機施加單相電壓后，氣隙間產(chǎn)生脈振磁場，此時電動機無起動能力，無法正常起動。但若電動機起動后，即便脈動磁場也能維持電動機正常運行！因此單相異步電動機的起動問題是一個重要問題！老師！那么單相異步電動機如何起動呢？又有哪些起動方法？電機控制與實踐課題組三、單相異步電動機的起動問題（2）單相異步電動機定子實際上有兩相繞組，“分相”的意思是設(shè)法使通過這兩相繞組的電流的相位發(fā)生變化（即不同相），這樣電動機就有了起動能力！單相異步電動機有專門的起動方法，對應(yīng)的單相異步電動機有：電阻分相式單相異步電動機；電容分相單相異步電動機和罩極式單相異步電動機。老師！上面的“分相”是什么意思?。侩姍C控制與實踐課題組三、單相異步電動機的起動問題（3）

若圖5-6為單相異步電動機的工作繞組和起動繞組中通入不同相位的兩相交流電流時，在氣隙中形成的磁場示意圖。圖中通入的電流彼此相差900，那么情況會如何呢？上面我們分析了一個周期中三個不同時刻對應(yīng)的磁場的情況，可以看出，這是一個旋轉(zhuǎn)的磁場。旋轉(zhuǎn)的磁場使單相異步電動機產(chǎn)生起動轉(zhuǎn)矩并起動，一旦單相異步電動機完成起動后，即使起動繞組斷開，電動機也能正常運行。電機控制與實踐課題組四、電容式單相異步電動機的起動(1)采用電容器分相的單相異步電動機統(tǒng)稱為電容式單相異步電動機！包括:1.電容起動式單相異步電動機;2.電容運轉(zhuǎn)式單相異步電動機;3.電容起動運轉(zhuǎn)式單相異步電動機三種。下圖分別是這三種電動機的接線圖.電容起動式電容運轉(zhuǎn)式電容起動運轉(zhuǎn)式電機控制與實踐課題組四、電容起動式單相異步電動機起動原理(2)1.電容起動式單相異步電動機-------電動機起動時在起動繞組中串入合適的電容器,起動結(jié)束后將電容器切除.電容起動式單相異步電動機的起動(分相)原理由于電容器的作用，使起動繞組中的電流I2超前于電壓U，從而與I1之間產(chǎn)生較大的相位差。電容器的大小合適時，兩個繞組的電流位差可接近900電角度，圖5-8(b)所示。這樣可使起動時電機中的磁動勢接于圓形這種電動機的機械特性如圖5-8(c)所示，曲線2虛線部分為接入起動繞組起動時的機械特性，曲線1為起動開關(guān)切除起動繞組后的機械特性。

電機控制與實踐課題組四、電容運轉(zhuǎn)式單相異步電動機起動原理(3)2.電容運轉(zhuǎn)式單相異步電動機-------電動機起動時在起動繞組中串入合適的電容器,起動結(jié)束后起動電容將保留.這種電動機的功率因數(shù)和效率較好運行性能優(yōu)于電容起動電動機。電機控制與實踐課題組四、電容起動運轉(zhuǎn)式單相異步電動機起動原理(4)

3.電容運轉(zhuǎn)式單相異步電動機-------動繞組回路中串入兩個并聯(lián)的電容器C1和C2，其中電容器C2串接起動開關(guān)K。起動時兩個電容器同時作用，電容量為兩者之和，電動機有良好的起動性能。當轉(zhuǎn)速上升到一定程度，K自動切除電容器C2，電容器C1與起動繞組參與運行，確保良好的運行性能。電容起動運轉(zhuǎn)式電動機雖然結(jié)構(gòu)復雜，成本較高，維護工作量稍大，但其起動轉(zhuǎn)矩大，起動電流小，功率因數(shù)和效率較高。經(jīng)常應(yīng)用于空調(diào)機、小型空壓機和電冰箱等產(chǎn)品。電機控制與實踐課題組五、罩極式單相異步電動機起動原理

罩極式單相異步電動機的轉(zhuǎn)子仍為鼠籠式，定子有凸極式和隱極式兩種，圖5-11所示為凸極式罩極單相異步電動機的結(jié)構(gòu)示意圖。定子每個磁極上套有集中繞組作為運行繞組，極面的一邊約三分之一處于開有小槽，經(jīng)小槽放置一個閉合的銅環(huán)，稱為短路環(huán)，把磁極的小部分罩在環(huán)中。當繞組通以單相交流電流時，所產(chǎn)生的脈振磁場(或磁通)分為兩部分，一部分不穿過短路環(huán)(φ1)，另外部分則穿過短路環(huán)(φ2)。由于短路環(huán)的作用導磁通φ2滯后φ1，這種相位差相當于未被罩住部分的磁場向罩住部分連續(xù)移動，即磁場的中心線始終由磁極的罩住部分向罩住部分移動，從而使電動機產(chǎn)生起動轉(zhuǎn)矩并運行。罩極單相異步電動機起動轉(zhuǎn)矩小，旋轉(zhuǎn)方向總是由磁極的被罩部分轉(zhuǎn)向未罩部分且不能改變。但這種電動機結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、價格低廉，因此經(jīng)常使用于小型鼓風機、電唱機、風扇等。

電機控制與實踐課題組六、電阻分相式單相異步電動機起動原理

圖5-7為電阻分相電動機的接線原理圖和各電量的相量圖。圖中起動繞組設(shè)計時起動繞組的匝數(shù)較少，導線截面取得較小，與運行繞組相比，其電抗小而電阻大。起動繞組和運行繞組并聯(lián)接電源時，由于阻抗不同，起動繞組電流I2與運行繞組電流I1便不同相位，超前I1一個電角度，從而起到分相作用而產(chǎn)生橢圓旋轉(zhuǎn)磁場，使電動機能夠自行起動。由于這種分相方法，相量I1與I2位于電壓相量U的同一側(cè)，它們之間相位差不大，因而起動轉(zhuǎn)矩不大，只能用于空載和輕載起動的場合。起動繞組一般按短時工作設(shè)計的，這時起動繞組回路串有開關(guān)K，當轉(zhuǎn)速上升到接近穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時，自動斷開，以保護起動繞組和減少損耗，由運行繞組維持運行。電機控制與實踐課題組知識鏈接5.1單相異步電動機起動輔助電器介紹(1)除電容運轉(zhuǎn)單相異步電動機外，單相異步電動機在起動過程中，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達到同步轉(zhuǎn)速的70%左右時，需要借助離心開關(guān)、起動繼電器或PTC起動器等電器切除起動繞組或起動電容器。

圖5-12為離心開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖。離心開關(guān)安裝在電機內(nèi)部（或外部），離心器壓裝在轉(zhuǎn)子軸上和轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動，底板安裝在電機端蓋上。當離心開關(guān)靜止時，離心塊按壓開關(guān)導通。當轉(zhuǎn)速達到同步轉(zhuǎn)速的百分之七十至百分之八十五時，離心器在離心力作用下甩開，觸點打開，切斷起動繞組，使工作繞組開始正常運行。當電動機切斷電源后，由于彈簧的作用而使離心器復位，起動繞組重新接通，為第二次起動作好準備。電機控制與實踐課題組知識鏈接5.1單相異步電動機起動輔助電器介紹(2)

有些單相異步電動機，如電冰箱電動機，由于它與壓縮機組裝在一起并放置在密封的罐子內(nèi)，因此不便安裝、也不合適安裝離心開關(guān)，此時就采用起動繼電器替代。圖5-13為重錘式起動繼電器外形示意圖，這種起動繼電器常用于壓縮機電動機的起動。繼電器的吸鐵線圈串聯(lián)在主繞組回路中，起動時，主繞組電流很大，重錘（銜鐵）動作，使串聯(lián)在起動繞組回路中的動合觸點閉合。于是起動繞組接通，電動機處于兩相繞組運行狀態(tài)。隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上升，主繞組電流不斷下降，吸引線圈的吸力下降，當?shù)竭_一定的轉(zhuǎn)速后，電磁鐵的吸力小于觸點的反作用彈簧的拉力，重錘下降，觸點被打開，起動繞組斷開，電動機轉(zhuǎn)入正常運行。

電機控制與實踐課題組知識鏈接5.1單相異步電動機起動輔助電器介紹(3)

PTC起動器是一種能“通”或“斷”的熱敏電阻，專用于單相異步電動機的起動。圖5-14為PTC起動器外形圖。使用時將它與起動繞組串聯(lián)，在起動初期，因PTC熱敏電阻尚未發(fā)熱，阻值很低，起動繞組處于接通狀態(tài)，電機開始起動。隨著時間的推移，電機的轉(zhuǎn)速不斷增加，PTC元件的溫度上升，當超過居里點Tc（即電阻急劇增加的溫度點），PTC元件因溫度逐步升高，呈現(xiàn)出高阻態(tài)，相當于起動繞組斷開，僅保持很小的維持電流和很小的功率損耗.

PTC起動器具有無觸點、無噪聲、無電火花、耐振動、體積小、重量輕、價格低、運行可靠等優(yōu)點。因為PTC為熱敏電阻，有一定的熱慣性，PTC元件冷卻需要一段時間，因此，兩次起動間必須有一定的時間間隔（一般需要2～3分鐘），等到PTC元件冷卻，恢復原來阻值后，方能再次起動。考考您！1.什么是單相異步電動機？單相異步電動機在結(jié)構(gòu)上與三相異步電動機有什么區(qū)別？

2.單相異步電動機按起動方法可分為那幾類？各有什