模块7单相异步电动机的结构和工作原理ppt
时间: 2025-11-12 09:51:29 | 作者: 爱游戏体育官网下载
免费在线．电容起动运转单相异步电动机 图7-12所示为电容起动运转单相异步电动机的接线图，在起动绕组中串入两个并联的电容器C1和C2，其中电容器C2串接起动开关K。起动时，开关K闭合，两个电容器同时工作，电容量为两者之和，电动机拥有非常良好的起动性能。当转速上升到某些特定的程度，K自动断开，切除电容器C2，电容器C1与运行绕组共同运行，确保良好的运行性能。因此，电容起动运转单相异步电动机结构较为复杂，成本比较高，维护工作繁琐，但起动转矩大，起动电流小，功率因数高，适用于空调机、水泵、小型空压机等设备。 7.2.3罩极式单相异步电动机及起动 罩极式单相异步电动机按磁极形式不同分为凸极式和隐极式两种，其中凸极式最常见。其基本结构在上一专题中已经介绍，接下来主要讨论罩极式电动机的起动过程。 (a)结构示意图 (b)相量图? 图7-13 罩极式单相异步电动机结构原理图 专题7.3 单相异步电动机的调速、反转及应用 教学目标： 1）理解不一样单相异步电动机的反转操控方法； 2）理解单相异步电动机的常用调速方法； 3）熟悉单相异步电动机的日常应用。 7.3.1单相异步电动机的调速 单相异步电动机的调速原理同三相异步电动机一样，平滑调速都很难。通常能采用改变电源频率（变频调速）、改变电源电压（调压调速）、改变绕组磁极对数（变极调速）等方法。由于用变频无级调速设备复杂、成本高，所以使用最普遍的是改变电源电压调速。调压调速的特点是：电源电压只能从额定电压往下调，因此电动机的转速也只能从额定转速往低调；同时，因为电磁转矩与电源电压平方成正比，因此电压降低时，电动机的转矩和转速都下降，所以只能适用于转矩随转速下降的而下降的负载，如风扇、鼓风机等。常用的降压调速方法有串电抗器调速、自耦变压器调速、串电容调速、绕组抽头法调速、晶闸管调压调速等。 1．串电抗器调速 将电抗器与定子绕组串联，利用电流在电抗器上产生的压降，使加到电动机定子绕组上的电压低于电源电压，从而达到降压调速的目的。图7-14（a）所示为罩极式电动机串电抗器调速电路图，图7-14（b）所示为电容运转电动机调速电路图。 （a）罩极式电动机 （b）电容运转电动机 图7-14 单相异步电动机串电抗器调速电路 2．自耦变压器调速 如图7-15所示，加到电动机上的电压调节可以通过自耦变压器来实现。自耦变压器供电方式多样化，可以连续调节电压，采用不同的供电方式可以改善电动机性能。图（a）调速时是整台电动机降压运行，低档时起动性能差。图（b）是调速时仅调节工作绕组电压，低档时起动性能较好，但接线稍复杂。 （a） （b） 图7-15 自耦变压器调速电路 3．串电容调速 将不同容量的电容器串入电路中，也可以调节转速。由于电容器容抗与电容量成反比，电容量越大，容抗越小，相应电压降也低，电动机转速就高；反之电容量越小，容抗越大，电动机转速就低。图7-16为具有3档调速的串电容调速风扇电路，图中电阻器R1和R2为泄放电阻，在断电时将电容器中的电能泄放掉。 由于电容器两端电压不能突变，因此在电动机起动瞬间，电容两端电压为零，即电动机起动电压为电源电压，因此电动机起动性能好。正常运行时，电容上无功率损耗，效率较高。 图7-16 串电容器调速电路 4．绕组抽头法调速 这种调速方法是在单相异步电动机定子铁芯上再嵌放一个中间绕组（又称调速绕组），如图7-17所示。为降低成本，也可将调速绕组和定子绕组做成一体。通过调速开关改变中间绕组与起动绕组及工作绕组的接线方法，从而达到改变电动机内部气隙磁场的大小，达到调速的目的。这种调速方法有L形接法和T形接法两种，其中L形接法调速时在低档中间绕组只与工作绕组串联，起动时直接加电源电压，因此起动性能好，目前使用较多。T形接法低档时起动性能差，且中间绕组的电流较大。 （a）L形接线法 （b）T形接线 绕组抽头法调速电路 5．晶闸管调压调速 去掉电抗器，又不想增加定子绕组复杂程度，单相异步电动机还能够使用双向晶闸管调速。调速时，旋转控制线路中的带开关电位器就可以改变双向晶闸管的控制角，使电动机得到不同电压，达到调速目的。如图7-18所示。具体原理在电力电子技术课程中介绍。这种方法可以实现无级调速，控制简单，效率高，缺点是电压波形差，存在电磁干扰。目前此方法常用于吊扇上。 图7-18 双向晶闸管调速原理图 7.3.2单相异步电动机的反转 要使单相异步电动机反转必须使旋转磁场反转，由两相旋转磁场的原理可看出，有两种方法可以改变单相异步电动机的转向。 1．将工作绕组或起动绕组的首末端对调 因为单相异步电动机的转向是由工作绕组和起动绕组的所产生的磁场相位差来决定的，一般情况下，起动绕组的电流超前于工作绕组的电流，从而起动绕组的磁场也超前于工作绕组，所以旋转磁场是由起动绕组的轴线转向工作绕组的轴线。如果把其中一个绕组反接，相当于该绕组的磁场相位改变180 ，若原来起动绕组磁场超前于工作绕组90 ，则改接后变成滞后90 ，所以旋转磁场方向也随之改变，转子跟着反转。这种方法一般用于不需要频繁反转的场合。 2．将电容器从一个绕组改接到另一个绕组 在电容运转单相异步电动机中，若两相绕组做成完全对称，即匝数相等，空间相位相差90 电角度，则串联电容器的绕组中的电流超前与电压，而不串联电容器的那相绕组中的电流滞后于电压。旋转磁场的转向由串联电容器的绕组转向不串联电容器的绕组。电容器的位置改接后，旋转磁场和转子的转向自然也跟着改变。这种转向方法电路比较简单，适用于需要频繁正反转的场合。 罩极式单相异步电动机和带有离心开关的电动机，一般不能反转。 7.3.3单相异步电动机的日常应用 在日常生活中，很多家电都配有电动机，如洗衣机、电冰箱、电风扇、抽排油烟机等，此外还有很多电动工具、医疗器械等。这些设备中的电动机都有一个共同特点，即都是用单相交流电源，且功率不大。 1．普通波轮式洗衣机 洗衣机以电动机为动力，类型很多，其中的波轮式洗衣机均采用电容运转电动机，其电控原理图如图7-19所示。洗衣机工作时靠定时转换开关S来改变电容器C与运行绕组和起动绕组的串联，从而实现电动机的正、反转。 波轮式洗衣机的电容运转电动机标称电压都为220V，电动机的两相绕组完全对称，两个绕组互为工作绕组。 图7-19 波轮式洗衣机电控原理图 2．电风扇 电风扇的种类很多、规格各异，功能因场合不同而不同，但其原理和基本结构都相同，其中电动机是电风扇的心脏，其性能指标决定了电风扇的质量高低。 电风扇用电动机可分为直流电动机和交流电动机，一般使用的有电容运转单相异步电动机、罩极式电动机和直流电动机等，其中电容运转单相异步电动机占绝大多数。图7-20所示为电风扇的控制原理图，单相异步电动机定子铁芯上嵌放两套绕组，即运行绕组和起动绕组，它们结构基本相同，空间上位置相差90 ，在起动绕组中串入电容器C后再与运行绕组并联在单相电源上。当接入单相交流电时，将在绕组中形成旋转磁场。通过调节串入电抗的大小，可以控制定子绕组上的电压，进而达到调速的目的。 图7-20 电风扇的控制原理图 3．电冰箱 电冰箱要求电动机具有起动转矩大、高功率因数、高效率等性能，多采用电阻分相式单相异步电动机。 电机与拖动技术基础 模块7 单相异步电动机 专题7.1 单相异步电动机的结构和工作原理 教学目标： 1）了解单相异步电动机的基本结构； 2）理解单相异步电动机的铭牌参数的含义?； 3）理解单相异步电动机的工作原理和机械特性。 7.1.1单相异步电动机的结构 单相异步电动机的类型很多，其结构各有特点，但就其共性而言，电动机结构都由定子和转子两部分组成。定子部分由机座、定子铁芯、定子绕组、端盖等组成。转子部分主要由转子铁芯、转子绕组等组成。 1．分相式单相异步电动机结构 图7-1 单相异步电动机的基本结构 分相式单相异步电动机的定子铁芯与普通三相异步电动机类似，在定子铁芯上装有主绕组和起动绕组，两者在空间上相差90 。主绕组用以产生主磁场并从电源获取电能；起动绕组一般只在起动时接通，当转速达到同步转速的70%~85%时，由离心开关或继电器断开。由于定子内径较小，绕组的嵌入比较困难，故大多采用单层绕组，也有电机为改善起动性能而采用双层绕组或正弦绕组。在采用电容分相的单相异步电动机中，主绕组占定子总槽数的2/3 ，起动绕组占总槽数的1/3 。 单相异步电动机的转子绕组都是鼠笼式。 2．罩极式单相异步电动机结构 罩极式单相异步电动机的铁芯具有凸起的磁极，每个磁极上装有主绕组。在主磁极的极靴一侧1/3~1/4的部位开一个凹槽，凹槽将磁极分为大小两个部分，如图7-2所示。在较小的磁极部分套装一个短路铜环，把部分磁极“罩”起来，此短路铜环也称为罩极线圈。短路铜环起到起动绕组的作用，也可称为起动绕组。转子仍为鼠笼式。 除了凸极式的，罩极式电动机还有隐极式的。隐极式电动机的定子铁芯与三相异步电动机一样，定子槽中嵌放两套绕组，即主绕组和罩极绕组。 罩极式单相异步电动机具有结构简单、制造方便、工作可靠的特点，但是起动转矩小，只能用于转矩要求不高的小容量风扇、风机中。 图7-2 罩极式异步电动机结构简图 7.1.2单相异步电动机的铭牌 同其他电机一样，每台单相异步电动机的机座上也都有一个铭牌，它标记着电动机的名称、型号、出厂编号、各种额定值等信息，如图7-3所示。 图7-3 单相异步电动机的铭牌 1．型号 型号指电动机的产品代号、规格代号、使用环境等。图7-3中电动机型号DO2-6314各部分含义如下所示。 2．电压 电压是指电动机在额定状态下运行时加在定子绕组上的电压，单位为V。根据国家规定，电源电压在 范围内变动时，电动机应能正常工作。我国单相异步电动机的标准电压有12V、24V、36V、42V和220V。 3．频率 频率是指加在电动机上的交流电源的频率，单位Hz。由单相异步电动机的工作原理可知，电动机的转速与交流电源的频率直接相关，频率高，转速高，因此电动机应接在规定频率的电源上使用。 4．功率 功率是指单相异步电动机轴上输出的机械功率，单位W。铭牌上的功率是指电动机在标称电压、额定频率和额定转速下运行时输出的功率，即额定功率。我国常用的单相异步电动机的标准额定功率有6W、10W、16W、25W、40W、60W、90W、120W、180W、250W、370W、550W和750W。 5．电流 在标称电压、额定功率和额定转速下运行的电动机，流过定子绕组的电流值，称为额定电流，单位A。电动机在长时间运行时电流不允许超过该值。 6．转速 电动机在额定状态下的转速，称为额定转速，单位r/min。每台电动机在额定运行时的实际转速与铭牌规定的额定转速有一定的偏差。 7．工作方式 工作方式是指电动机的工作是连续式还是间断式。连续运行的电动机可以间断工作，但间断运行的电动机不能连续工作，否则会烧坏电动机。 7.1.3单相异步电动机的工作原理 1．主绕组（单相绕组）单独通电时的机械特性 如果仅将单相异步电动机的运行绕组接通单相电源，绕组流过交流电流时，电机中将产生脉振磁动势，首先分析一下脉振磁动势的磁场情况。 如图7-4所示，假设在单相交流电的正半周时，电流从单相定子绕组的左半侧流入，从右半侧流出，则电流产生的磁场如图7-4（b）所示，该磁场大小随电流的大小而变化，方向则保持不变。当电流过零时，磁场也为零。当电流变为负半周时，则产生的磁场方向也随之发生明显的变化，如图7-4（c）所示。由此可见，单相异步电动机的定子主绕组接通单相交流电源后，产生的磁场大小和方向在一直在变化，但磁场的轴线（图中的垂直轴线）却固定不变，我们把这种磁场称为脉振磁场。 （a）交流电流波形 （b）电流正半周产生的磁场 （c）电流正半周产生的磁场 图7-4 单相脉动磁场的产生 由于一个脉振磁动势能分解成两个转向相反、大小相等、转速相同的旋转磁动势 和 ，所以单相异步电动机的转子在脉振磁动势作用下的电磁转矩 应该等于正转磁动势 和反转磁动势 分别作用下的电磁转矩之和。 鼠笼式转子在旋转磁动势作用下产生的电磁转矩在三相异步电动机中已经分析过，并得出相应的机械特性。单相异步电动机的鼠笼转子在正转磁动势和反转磁动势分别作用下产生的电磁转矩，也可直接用三相异步电动机的机械特性来分析。其大小与转差率关系和三相异步电动机相同。若电动机的转速为 ，则对正转旋转磁场而言，转差率 为 （7-1） 而对反转旋转磁场而言，转差率 为 （7-2） 即当 时，相当于 ；当 时，相当于 。 设在正转磁动势作用下单相异步电动机的电磁转矩为 ，机械特性为 或 ，如图7-5中曲线所示，同步转速为 。在反转磁动势作用下单相异步电动机的电磁转矩为 ，机械特性为 或 ，如图7-5中曲线所示，同步转速为 。由于 ，两条特性曲线是对称的。合成转矩 或 就是一相绕组单独通电时的机械特性，如图7-5中曲线所示。从合成机械特性 能够准确的看出以下特点。 图7-5 单相绕组通电时的机械特性 （1）当转速 时，电磁转矩 ，即一相绕组通电时，没有起动转矩，电机不能自行起动。 （2）当 ， ，即只要电机已经正转，而且此转速下的电磁转矩大于轴上的负载转矩，就能在电磁转矩作用下升速至接近同步转速的某点稳定运行。因此，单相异步电动机只有一相绕组可以运行，但不能自行起动。 （3）在 的两边，合成转矩对称，单相异步电动机没有固定转向，两个方向都可以旋转，运行时的旋转方向由起动时的转动方向决定。只要外力把转子向任一方向驱动，转子就沿着该方向继续转动，直到接近同步转速。 2．两相绕组通电时的机械特性 如前所述，单绕组单相异步电动机本身没有起动转矩，转子不能自行起动。未解决起动问题，应加强正向磁场，抑制反向磁场，使电动机在起动时气隙中能够形成一个旋转磁场。为实现此目的，可在定子上另装一个空间上与工作绕组不同相、阻抗不同的起动绕组。 如图7-6所示，在单相异步电动机定子上放置在空间上相差90 的两相定子绕组U1U2和Z1Z2，向这两相绕组中通入相位上相差90 的两相交流电 和 ，用前面学习过的三相绕组中通入三相交流电产生旋转磁场的相同办法来进行分析，可知此时产生的也是旋转磁场。由此可得出结论：向在空间相差90 的两相定子绕组中通入在时间上相差一定角度的两相交流电，则其合成磁场也是沿着定子和转子气隙旋转的旋转磁场。 （a）两相定子绕组 （b）电流波形及两相旋转磁场 图7-6 两相旋转磁场的产生 单相异步电动机的运行绕组和起动绕组同时通入相位不同的交流电时，如果绕组在空间上不是相差90 或两相交流电相位不是相差90 ，一般产生的是椭圆旋转磁动势，能分解为两个转向相反、转速相同、幅值不等的旋转电动势。设正转磁动势的幅值为 ，大于反转磁动势幅值 ，则 单独作用于转子上的机械特性 如图7-7中的曲线所示， 单独作用于转子上的机械特性 如图7-7中的曲线所示，转子所产生的合成转矩 ，合成机械特性如图7-7中的曲线所示。从该机械特性看出： ，即椭圆旋转磁动势正转的情况下， 时， ，电机有起动转矩，能自行起动，并正向运行。显然，如果 ，即椭圆旋转磁动势反转的情况下，电动机能够反向起动，并反向运行。 图7-7椭圆旋转磁动势时的机械特性 以上分析表明，单相异步电动机自行起动的条件是电动机起动时的磁动势是椭圆或圆形旋转磁动势，因此一定要具有一下两个条件：一是具有空间上不同相位的两个绕组；二是两相绕组中通入不同相位的电流。 起动后的单相异步电动机，可以将起动绕组断开，也可不断开。若需断开，可以在起动绕组回路串联一个开关，开关可装在电动机轴上，利用离心力，当转速达到同步转速的70%~80%时断开；也可用电流继电器来实现。 单相异步电动机起动绕组和工作绕组由同一单相电源供电，如何把这两个绕组中的电流的相位分开，及所谓的“分相”是很重要的。单相异步电动机也因分相方法不同而分为不一样的类型。 专题7.2 单相异步电动机的主要类型和起动方法 教学目标 1）掌握单相异步电动机的不一样； 2）理解不一样单相异步电动机的起动方法。 根据获得旋转磁场的方式及本身的结构不同，单相异步电动机可分为电阻分相式、电容分相式和罩极式三种类型。 7.2.1电阻分相式单相异步电动机及起动 分相式单相异步电动机定子铁芯上有运行绕组和起动绕组两套绕组，为分析方便，我们规定运行绕组（又称主绕组）用1表示，起动绕组（又称辅助绕组）用2表示。 如图7-8所示，电阻分相式单相异步电动机的起动绕组设计的匝数较少，使用较细的电阻率高的导线制成，与运行绕组相比，其电抗小而电阻大。运行绕组和起动绕组并联接电源时，由于两个绕组的阻抗角不同，起动绕组电流 和运行绕组电流 的相位也不同， 超前 一个电角度，从而在空间产生椭圆旋转磁场，使电机能够自行起动。起动绕组只有在起动过程中接入电路，一般按短时工作设计，这时起动绕组回路中串有开关K，当转速上升接近稳定转速时自动断开，以保护起动绕组和减少损耗，由运行绕组维持运行。由于这种分相方法，相量 和 位于电压相量 同一侧，相位差不大，因而起动转矩不大，只能用于空载和轻载起动场合，如医疗器械、电冰箱压缩机、小型机床等设备中。 （a）电路图 （b）相量图 图7-8 电阻分相式单相异步电动机原理图 7.2.2电容分相式单相异步电动机及起动 电容分相式单相异步电动机是在起动绕组回路中串一电容器，使起动绕组中的电流 超前于电压 ，从而与 之间产生较大的相位差，起动性能和运行性能均优于电阻分相式电动机。根据性能要求的不同，电容分相式单相异步电动机分为以下三种。 1．电容起动单相异步电动机 如图7-9所示为电容起动单相异步电动机原理图，其接线（a）所示，起动绕组串联一个电容器C和一个起动开关K，然后与运行绕组并联接电源。若电容选择恰当，有可能使起动绕组的电流超前运行绕组电流90 ，从而建立一个近似圆形的旋转磁场。相量图如图7-9（b）所示。图7-10所示为电容起动单相异步电动机的机械特性，曲线为接入起动绕组时的机械特性，曲线为起动开关断开切除起动绕组后的机械特性。 （a） 电路图 （b）相量图 图7-9 电容起动单相异步电动机图 图7-10电容起动单相异步电动机机械特性 2．电容运转单相异步电动机 如图7-11所示，电容运转单相异步电动机在结构上与电容起动单相异步电动机一样，只是将起动开关去掉，并将起动绕组和电容器设计成可以长时间工作的，这样做才能够提高电动机运行时的功率因数和效率，所以运行性能优于电容起动单相异步电动机，这种类型电动机其实就是一台两相异步电动机。 图7-11电容运转单相异步电动机图 图7-12电容起动运转单相异步电动机 电机与拖动技术基础 模块7 单相异步电动机
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