單相異步電動機原理及正反轉(zhuǎn)

1、單相異步電動機原理及正反轉(zhuǎn) 單相異步電動機是指用單相交流電源供電的異步電動機。單相異步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、噪聲小、使用方便、運行可靠等優(yōu)點，因此廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療和家用電器等方面，最常見于電風扇、洗衣機、電冰箱、空調(diào)等家用電器中。但是單相異步電動機與同容量的三相異步電動機相比，體積較大，運行性能較差。因此，單相異步電動機一般只制成小容量的電動機，功率從幾瓦到幾千瓦。單相異步電動機在家用電器中的應用特別廣泛，與人們的生活密切相關(guān)。單行異步電動機的結(jié)構(gòu)如下圖：一、 單相異步電動機的工作原理和機械特性圖1 單相交變磁場 當單相正弦交流電通入定子單相繞組時，就會在繞組軸線方向上產(chǎn)生一個

2、大小和方向交變的磁場，如圖1所示。這種磁場的空間位置不變，其幅值在時間上隨交變電流按正弦規(guī)律變化，具有脈動特性，因此稱為脈動磁場，如圖2(a)所示?？梢?，單相異步電動機中的磁場是一個脈動磁場，不同于三相異步電動機中的旋轉(zhuǎn)磁場。 (a)交變脈動磁場 (b)脈動磁場的分解圖2 脈動磁場分解成兩個方向相反的旋轉(zhuǎn)磁場圖3 單相異步電動機的機械特性為了便于分析，這個脈動磁場可以分解為大小相等，方向相反的兩個旋轉(zhuǎn)磁場，如圖2(b)所示。它們分別在轉(zhuǎn)子中感應出大小相等，方向相反的電動勢和電流。兩個旋轉(zhuǎn)磁場作用于籠型轉(zhuǎn)子的導體中將產(chǎn)生兩個方向相反的電磁轉(zhuǎn)矩T + 和 T - ，合成后得到單相異步電動機的機械特

3、性，如圖3所示。圖中，T + 為正向轉(zhuǎn)矩，由旋轉(zhuǎn)磁場Bm1產(chǎn)生；T - 為反向轉(zhuǎn)矩，由反向旋轉(zhuǎn)磁場Bm2產(chǎn)生，而T為單相異步電動機的合成轉(zhuǎn)矩。從圖3可知，單相異步電動機一相繞組通電的機械特性有如下特點：1當n=0時， T + =T - ，合成轉(zhuǎn)矩T=0。即單相異步電動機的啟動轉(zhuǎn)矩為零，不能自行啟動。2當n0時，T0；n0時，T0 。即轉(zhuǎn)向取決于初速度的方向。當外力給轉(zhuǎn)子一個正向的初速度后，就會繼續(xù)正向旋轉(zhuǎn)；而外力給轉(zhuǎn)子一個反向的初速度時，電機就會反轉(zhuǎn)。3由于轉(zhuǎn)子中存在著方向相反的兩個電磁轉(zhuǎn)矩，因此理想空載轉(zhuǎn)速n0小于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1；與同容量的三相異步電動機相比，單相異步電動機額定轉(zhuǎn)速略低，

4、過載能力、效率和功率因數(shù)也較低。二、 單相異步電動機的啟動單相異步電動機由于啟動轉(zhuǎn)矩為零，所以不能自行啟動。為了解決單相異步電動機的啟動問題，可在電動機的定子中加裝一個啟動繞組。如果工作繞組與啟動繞組對稱，即匝數(shù)相等，空間互差90°電角度，通入相位差90°的兩相交流電，則可在氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子就能自行啟動，如圖4所示。轉(zhuǎn)動后的單相異步電動機，斷開啟動繞組后仍可繼續(xù)工作。圖4 兩相繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場上述啟動方法稱為單相異步電動機的分相啟動，即把單相交流電裂變?yōu)閮上嘟涣麟姡瑥亩趩蜗喈惒诫妱訖C內(nèi)部建立一個旋轉(zhuǎn)磁場。三、 單相異步電動機的分類單相異步電動機的啟動繞組和工作繞

5、組由同一單相交流電源供電，如何把這兩個繞組中電流的相位分開是很重要的。單相異步電動機根據(jù)分相的方法不同可分為：單相電阻啟動異步電動機、單相電容啟動異步電動機、單相電容運行異步電動機、單相電容啟動與運行異步電動機、單相罩極電動機等。1單相電阻啟動異步電動機圖4是單相電阻啟動異步電動機的原理圖。單相電阻啟動異步電動機的啟動繞組匝數(shù)少、導線細；工作繞組匝數(shù)多、導線粗。圖4 單相電阻啟動異步電動機 圖5 單相電容啟動異步電動機 兩個繞組并聯(lián)接在同一交流電源時，會流過不同相位的電流，啟動繞組電流超前于工作繞組電流一個電角度，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，獲得啟動轉(zhuǎn)矩。當轉(zhuǎn)速上升后，自動斷開啟動繞組，實行單相運行。單

6、相電阻啟動異步電動機常用于電冰箱的壓縮機電動機中。為了增大啟動繞組電流與工作繞組電流的相位差，啟動繞組在繞制時，往往會反繞若干匝數(shù)，以便減少有效匝數(shù)，達到減小電抗、增大電阻的目的，修理電動機時特別要注意這種情況，否則無法啟動。2單相電容啟動異步電動機如果在啟動繞組中串入一個電容器，就構(gòu)成了單相電容啟動異步電動機，圖5是它的原理線路圖。由于電容器的作用，使啟動繞組中的電流超前于工作繞組電流一定的相位差。當電容量合適時，可使相位差接近90°。這樣可使電動機在啟動時獲得最佳的旋轉(zhuǎn)磁場。所以這種單相異步電動機的啟動轉(zhuǎn)矩較大，啟動電流較小，啟動性能最好。適用于各種滿載啟動的機械，如小型空氣壓縮

7、機、木工機械等，在部分電冰箱壓縮機中也采用。上述兩種電動機在啟動過程接近結(jié)束時，離心開關(guān)S自動斷開啟動繞組，只留下工作繞組繼續(xù)通電，工作在單相運行狀態(tài)。由于啟動繞組工作時間短，所以按短時工作制設(shè)計，線徑較細，不能長期通電工作。3單相電容運行異步電動機將單相電容啟動異步電動機中的啟動開關(guān)去掉，并將啟動繞組的導線加粗，由短時工作方式變成長期運行方式，就組成了單相電容運行異步電動機。如圖6所示。這時的啟動繞組和電容器不僅在啟動時起作用，運行時也起作用，這樣可以提高電動機的功率因數(shù)和效率，所以這種電動機的工作性能最好。圖6 單相電容運行異步電動機 圖7 單相電容啟動與運行異步電動機單相電容運行異步電動

8、機的電容器容量是根據(jù)運行性能確定的，容量較小，所以啟動性能不如單相電容啟動異步電動機好，但是由于這種電動機不要啟動開關(guān)，電容量小，結(jié)構(gòu)簡單，價格低，工作可靠，運行性能好，所以廣泛應用于電風扇、洗衣機等單相用電設(shè)備中。4單相電容啟動與運行異步電動機為了使單相異步電動機有好的啟動性能，應該在啟動繞組中串入一個大容量的電容器；而好的運行性能只需一個小容量電容器。為了兼顧兩者，可在啟動繞組的回路中串入兩個并聯(lián)的電容器，其中容量較大的電容器串一個啟動開關(guān)，圖7就是單相電容啟動與運行異步電動機的接線原理圖。啟動時，兩個電容器同時作用，電容量較大，電動機有較好的啟動性能，當轉(zhuǎn)速上升到一定程度時，開關(guān)S自動斷

9、開，只保留一個小電容器參與運行，確保運行時有較好的性能。由此可見，單相電容啟動與運行異步電動機，雖然結(jié)構(gòu)復雜、成本較高，但各種性能是最好的，所以適用于空調(diào)、小型空氣壓縮機等功率較大的設(shè)備中。5單相罩極式異步電動機單相罩極式異步電動機是結(jié)構(gòu)最簡單的一種單相異步電動機。按磁極形式不同可分為凸極式和隱極式兩種。凸極式按繞組形式又可分為集中繞組和分布繞組兩種，轉(zhuǎn)子都采用籠型結(jié)構(gòu)，如圖8所示。（a） 凸極式集中繞組罩極電動機 （b） 凸極式分布繞組罩極電動機圖8 單相罩極式異步電動機的結(jié)構(gòu)單相罩極式異步電動機在每個磁極的1/31/4處開有小槽，將磁極分成兩部分。在極面較小的那部分磁極上套裝銅制短路環(huán)，就

10、好像把這部分磁極罩起來一樣，所以稱罩極式電動機。當罩極式電動機的定子繞組通入單相交流電后，在氣隙中會形成一個連續(xù)移動的磁場，使籠型轉(zhuǎn)子受力而旋轉(zhuǎn)。在交流電上升過程中，磁通量增加，根據(jù)楞次定律，短路環(huán)中產(chǎn)生感應電動勢和電流，阻止磁通進入短路環(huán)，這時的磁通主要集中在磁極的未罩部分。如圖381中的電流時刻和磁通方向所示。交流電達最大值時，電流和磁通量基本不變，短路環(huán)中的電動勢和電流很小，基本上不起作用，磁通在整個磁極中均勻分布。如圖9中的電流時刻和磁通方向所示。交流電下降過程中，磁通量減少，根據(jù)楞次定律，短路環(huán)中的電動勢和電流阻止磁通量減少，使每個磁極中的磁通集中在被罩部分。如圖9中的電流時刻和磁通

11、方向所示。交流電改變方向后，磁通同樣由磁極的未罩部分向被罩部分移動。這樣轉(zhuǎn)子就跟著磁場移動的方向轉(zhuǎn)動起來。罩極式電動機的主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，成本低，便于自動化流水線生產(chǎn)，主要缺點是啟動性能和運行性能都較差；轉(zhuǎn)向只能由未罩部分向被罩部分旋轉(zhuǎn)。主要用于小功率空載啟動的場合。如微型電風扇、儀器儀表的風扇、電吹風等。四、 單相異步電動機的正反轉(zhuǎn)要使單相異步電動機反轉(zhuǎn)必須使旋轉(zhuǎn)磁場反轉(zhuǎn)，從圖4兩相旋轉(zhuǎn)磁場的原理圖中可以看出，有兩種方法可以改變單相異步電動機的轉(zhuǎn)向。（a） 單相交流電流 （b）罩極電動機的磁場圖9 單相罩極式異步電動機的工作原理（1） 將工作繞組或啟動繞組的首末端對調(diào)因為單相異步

12、電動機的轉(zhuǎn)向是由工作繞組與啟動繞組所產(chǎn)生磁場的相位差來決定的，一般情況下，啟動繞組中的電流超前于工作繞組的電流，從而啟動繞組產(chǎn)生的磁場也超前于工作繞組，所以旋轉(zhuǎn)磁場是由啟動繞組的軸線轉(zhuǎn)向工作繞組的軸線。如果把其中一個繞組反接，等于把這個繞組的磁場相位改變180°，若原來啟動繞組的磁場超前工作繞組90°，則改接后變成滯后90°，所以旋轉(zhuǎn)磁場的方向也隨之改變，轉(zhuǎn)子跟著反轉(zhuǎn)。這種方法一般用于不需要頻繁反轉(zhuǎn)的場合。（2） 將電容器從一個繞組改接到另一個繞組圖10 洗衣機正反轉(zhuǎn)控制電路在單相電容運行異步電動機中，若兩相繞組做成完全對稱，即匝數(shù)相等，空間相位相差90°

13、;電角度，則串聯(lián)電容器的繞組中的電流超前于電壓，而不串聯(lián)電容器的那相繞組中的電流落后于電壓。轉(zhuǎn)向由串聯(lián)電容器的繞組轉(zhuǎn)向不串聯(lián)電容器的繞組。電容器的位置改接后，旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向自然跟著改變。用這種方法來改變轉(zhuǎn)向，由于電路比較簡單，所以用于需要頻繁正反轉(zhuǎn)的場合。洗衣機中常用的正反轉(zhuǎn)控制電路如圖10所示。單相罩極式電動機和帶有離心開關(guān)的電動機，一般不能改變轉(zhuǎn)向。1. 單相異步電動機的調(diào)速單相異步電動機與三相異步電動機一樣，轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)也比較困難。如果采用變頻調(diào)速則設(shè)備復雜，成本高。因此，一般只采用簡單的降壓調(diào)速。（1） 串電抗器調(diào)速將電抗器與電動機定子繞組串聯(lián)，利用電流在電抗器上產(chǎn)生的壓降，使加到

14、電動機定子繞組上的電壓低于電源電壓，從而達到降低電動機轉(zhuǎn)速的目的。因此用串電抗器調(diào)速時電動機的轉(zhuǎn)速只能由額定轉(zhuǎn)速往低調(diào)。圖11為吊扇串電抗器調(diào)速的電路圖。改變電抗器的抽頭連接可得到高低不同的轉(zhuǎn)速。（2） 定子繞組抽頭調(diào)速 為了節(jié)約材料、降低成本，可把調(diào)速電抗器與定子繞組做成一體。由單相電容運行異步電動機組成的臺扇和落地扇，普遍采用定子繞組抽頭調(diào)速的方法。這種電動機的定子鐵心槽中嵌放有工作繞組1、啟動繞組2和調(diào)速繞組3，通過調(diào)速開關(guān)改變調(diào)速繞組與啟動繞組及工作繞組的接線方法，從而達到改變電動機內(nèi)部旋轉(zhuǎn)磁場的強弱，實現(xiàn)調(diào)速的目的。圖12是臺扇抽頭調(diào)速的原理圖。這種調(diào)速方法的優(yōu)點是不需要電抗器、節(jié)省

15、材料、耗電少。缺點是繞組嵌線和接線比較復雜，電動機與調(diào)速開關(guān)之間的連線較多，所以不適合于吊扇。圖11 串電抗器調(diào)速 圖12 定子（3）繞組抽頭調(diào)速雙向晶閘管調(diào)速圖13 雙向晶閘管調(diào)速如果去掉電抗器，又不想增加定子繞組的復雜程度，單相異步電動機還可采用雙向晶閘管調(diào)速。調(diào)速時，旋轉(zhuǎn)控制線路中的帶開關(guān)電位器，就能改變雙向晶閘管的控制角，使電動機得到不同的電壓，達到調(diào)速的目的，如圖13所示。具體的線路和原理將在電力電子技術(shù)的內(nèi)容中介紹。這種調(diào)速方法可以實現(xiàn)無級調(diào)速，控制簡單，效率較高。缺點是電壓波形差，存在電磁干擾。目前這種調(diào)速方法常用于吊扇上。五、 單相異步電動機的常見故障與處理單相異步電動機的維護與三相異步電動機相似，要經(jīng)常注意電動機轉(zhuǎn)速是否正常，能否正常啟動，溫升是否過高，聲音是否正常。振動是否過大，有無焦味等。單相異步電動機的常見故障及處理方法見表1。表1 單相異步電動機常見故障及處理方法故障現(xiàn)象可能的故障原因處理方法無法啟動1. 電源電壓不正常2. 定子繞組斷路3. 電容器損壞4. 離心開關(guān)觸點接觸不良5. 轉(zhuǎn)子卡住6. 過載1. 檢查電源電壓是否過低2. 用萬用表檢查定子繞組是否完好，接線是否良好3. 用萬用表檢查電容器的好壞4. 修理或更換5. 檢查軸承是否靈活，定轉(zhuǎn)子是否相碰，傳動機構(gòu)是否受阻6. 檢查所帶負載是否正常啟動緩慢，轉(zhuǎn)速過低1. 電源電壓偏低2. 繞組匝