單相異步電動(dòng)機(jī)原理及正反轉(zhuǎn)

1、單相異步電動(dòng)機(jī)原理及正反轉(zhuǎn) 單相異步電動(dòng)機(jī)是指用單相交流電源供電的異步電動(dòng)機(jī)。單相異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、噪聲小、使用方便、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，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(fēng)扇、洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)等家用電器中。但是單相異步電動(dòng)機(jī)與同容量的三相異步電動(dòng)機(jī)相比，體積較大，運(yùn)行性能較差。因此，單相異步電動(dòng)機(jī)一般只制成小容量的電動(dòng)機(jī)，功率從幾瓦到幾千瓦。單相異步電動(dòng)機(jī)在家用電器中的應(yīng)用特別廣泛，與人們的生活密切相關(guān)。單行異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如下圖：一、 單相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理和機(jī)械特性圖1 單相交變磁場(chǎng) 當(dāng)單相正弦交流電通入定子單相繞組時(shí)，就會(huì)在繞組軸線方向上產(chǎn)生一個(gè)

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

3、性，如圖3所示。圖中，T + 為正向轉(zhuǎn)矩，由旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)Bm1產(chǎn)生；T - 為反向轉(zhuǎn)矩，由反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)Bm2產(chǎn)生，而T為單相異步電動(dòng)機(jī)的合成轉(zhuǎn)矩。從圖3可知，單相異步電動(dòng)機(jī)一相繞組通電的機(jī)械特性有如下特點(diǎn)：1當(dāng)n=0時(shí)， T + =T - ，合成轉(zhuǎn)矩T=0。即單相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為零，不能自行啟動(dòng)。2當(dāng)n0時(shí)，T0；n0時(shí)，T0 。即轉(zhuǎn)向取決于初速度的方向。當(dāng)外力給轉(zhuǎn)子一個(gè)正向的初速度后，就會(huì)繼續(xù)正向旋轉(zhuǎn)；而外力給轉(zhuǎn)子一個(gè)反向的初速度時(shí)，電機(jī)就會(huì)反轉(zhuǎn)。3由于轉(zhuǎn)子中存在著方向相反的兩個(gè)電磁轉(zhuǎn)矩，因此理想空載轉(zhuǎn)速n0小于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n1；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)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(dòng)機(jī)的啟動(dòng)單相異步電動(dòng)機(jī)由于啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為零，所以不能自行啟動(dòng)。為了解決單相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)問題，可在電動(dòng)機(jī)的定子中加裝一個(gè)啟動(dòng)繞組。如果工作繞組與啟動(dòng)繞組對(duì)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(chǎng)，轉(zhuǎn)子就能自行啟動(dòng)，如圖4所示。轉(zhuǎn)動(dòng)后的單相異步電動(dòng)機(jī)，斷開啟動(dòng)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(chǎng)上述啟動(dòng)方法稱為單相異步電動(dòng)機(jī)的分相啟動(dòng)，即把單相交流電裂變?yōu)閮上嘟涣麟?，從而在單相異步電?dòng)機(jī)內(nèi)部建立一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。三、 單相異步電動(dòng)機(jī)的分類單相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)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(gè)繞組中電流的相位分開是很重要的。單相異步電動(dòng)機(jī)根據(jù)分相的方法不同可分為：?jiǎn)蜗嚯娮鑶?dòng)異步電動(dòng)機(jī)、單相電容啟動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)、單相電容運(yùn)行異步電動(dòng)機(jī)、單相電容啟動(dòng)與運(yùn)行異步電動(dòng)機(jī)、單相罩極電動(dòng)機(jī)等。1單相電阻啟動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)圖4是單相電阻啟動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)的原理圖。單相電阻啟動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)繞組匝數(shù)少、導(dǎo)線細(xì)；工作繞組匝數(shù)多、導(dǎo)線粗。圖4 單相電阻啟動(dòng)異步電動(dòng)機(jī) 圖5 單相電容啟動(dòng)異步電動(dòng)機(jī) 兩個(gè)繞組并聯(lián)接在同一交流電源時(shí)，會(huì)流過不同相位的電流，啟動(dòng)繞組電流超前于工作繞組電流一個(gè)電角度，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，獲得啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升后，自動(dòng)斷開啟動(dòng)繞組，實(shí)行單相運(yùn)行。單

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

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

8、機(jī)的電容器容量是根據(jù)運(yùn)行性能確定的，容量較小，所以啟動(dòng)性能不如單相電容啟動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)好，但是由于這種電動(dòng)機(jī)不要啟動(dòng)開關(guān)，電容量小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低，工作可靠，運(yùn)行性能好，所以廣泛應(yīng)用于電風(fēng)扇、洗衣機(jī)等單相用電設(shè)備中。4單相電容啟動(dòng)與運(yùn)行異步電動(dòng)機(jī)為了使單相異步電動(dòng)機(jī)有好的啟動(dòng)性能，應(yīng)該在啟動(dòng)繞組中串入一個(gè)大容量的電容器；而好的運(yùn)行性能只需一個(gè)小容量電容器。為了兼顧兩者，可在啟動(dòng)繞組的回路中串入兩個(gè)并聯(lián)的電容器，其中容量較大的電容器串一個(gè)啟動(dòng)開關(guān)，圖7就是單相電容啟動(dòng)與運(yùn)行異步電動(dòng)機(jī)的接線原理圖。啟動(dòng)時(shí)，兩個(gè)電容器同時(shí)作用，電容量較大，電動(dòng)機(jī)有較好的啟動(dòng)性能，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到一定程度時(shí)，開關(guān)S自動(dòng)斷

9、開，只保留一個(gè)小電容器參與運(yùn)行，確保運(yùn)行時(shí)有較好的性能。由此可見，單相電容啟動(dòng)與運(yùn)行異步電動(dòng)機(jī)，雖然結(jié)構(gòu)復(fù)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(jī)等功率較大的設(shè)備中。5單相罩極式異步電動(dòng)機(jī)單相罩極式異步電動(dòng)機(jī)是結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的一種單相異步電動(dòng)機(jī)。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(dòng)機(jī) （b） 凸極式分布繞組罩極電動(dòng)機(jī)圖8 單相罩極式異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)單相罩極式異步電動(dòng)機(jī)在每個(gè)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(dòng)機(jī)。當(dāng)罩極式電動(dòng)機(jī)的定子繞組通入單相交流電后，在氣隙中會(huì)形成一個(gè)連續(xù)移動(dòng)的磁場(chǎng)，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(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流，阻止磁通進(jìn)入短路環(huán)，這時(shí)的磁通主要集中在磁極的未罩部分。如圖381中的電流時(shí)刻和磁通方向所示。交流電達(dá)最大值時(shí)，電流和磁通量基本不變，短路環(huán)中的電動(dòng)勢(shì)和電流很小，基本上不起作用，磁通在整個(gè)磁極中均勻分布。如圖9中的電流時(shí)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(dòng)勢(shì)和電流阻止磁通量減少，使每個(gè)磁極中的磁通集中在被罩部分。如圖9中的電流時(shí)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(dòng)。這樣轉(zhuǎn)子就跟著磁場(chǎng)移動(dòng)的方向轉(zhuǎn)動(dòng)起來。罩極式電動(dòng)機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，成本低，便于自動(dòng)化流水線生產(chǎn)，主要缺點(diǎn)是啟動(dòng)性能和運(yùn)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(dòng)的場(chǎng)合。如微型電風(fēng)扇、儀器儀表的風(fēng)扇、電吹風(fēng)等。四、 單相異步電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)要使單相異步電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)必須使旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)反轉(zhuǎn)，從圖4兩相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的原理圖中可以看出，有兩種方法可以改變單相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向。（a） 單相交流電流 （b）罩極電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)圖9 單相罩極式異步電動(dòng)機(jī)的工作原理（1） 將工作繞組或啟動(dòng)繞組的首末端對(duì)調(diào)因?yàn)閱蜗喈惒?/p>

12、電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向是由工作繞組與啟動(dòng)繞組所產(chǎn)生磁場(chǎng)的相位差來決定的，一般情況下，啟動(dòng)繞組中的電流超前于工作繞組的電流，從而啟動(dòng)繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)也超前于工作繞組，所以旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)是由啟動(dòng)繞組的軸線轉(zhuǎn)向工作繞組的軸線。如果把其中一個(gè)繞組反接，等于把這個(gè)繞組的磁場(chǎng)相位改變180°，若原來啟動(dòng)繞組的磁場(chǎng)超前工作繞組90°，則改接后變成滯后90°，所以旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(chǎng)合。（2） 將電容器從一個(gè)繞組改接到另一個(gè)繞組圖10 洗衣機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路在單相電容運(yùn)行異步電動(dòng)機(jī)中，若兩相繞組做成完全對(duì)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(chǎng)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(jiǎn)單，所以用于需要頻繁正反轉(zhuǎn)的場(chǎng)合。洗衣機(jī)中常用的正反轉(zhuǎn)控制電路如圖10所示。單相罩極式電動(dòng)機(jī)和帶有離心開關(guān)的電動(dòng)機(jī)，一般不能改變轉(zhuǎn)向。1. 單相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速單相異步電動(dòng)機(jī)與三相異步電動(dòng)機(jī)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(fù)雜，成本高。因此，一般只采用簡(jiǎn)單的降壓調(diào)速。（1） 串電抗器調(diào)速將電抗器與電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)定子繞組上的電壓低于電源電壓，從而達(dá)到降低電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。因此用串電抗器調(diào)速時(shí)電動(dòng)機(jī)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(yùn)行異步電動(dòng)機(jī)組成的臺(tái)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(dòng)機(jī)的定子鐵心槽中嵌放有工作繞組1、啟動(dòng)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(dòng)繞組及工作繞組的接線方法，從而達(dá)到改變電動(dòng)機(jī)內(nèi)部旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，實(shí)現(xiàn)調(diào)速的目的。圖12是臺(tái)扇抽頭調(diào)速的原理圖。這種調(diào)速方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要電抗器、節(jié)省

15、材料、耗電少。缺點(diǎn)是繞組嵌線和接線比較復(fù)雜，電動(dòng)機(jī)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(fù)雜程度，單相異步電動(dòng)機(jī)還可采用雙向晶閘管調(diào)速。調(diào)速時(shí)，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(dòng)機(jī)得到不同的電壓，達(dá)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(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，控制簡(jiǎn)單，效率較高。缺點(diǎn)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(dòng)機(jī)的常見故障與處理單相異步電動(dòng)機(jī)的維護(hù)與三相異步電動(dòng)機(jī)相似，要經(jīng)常注意電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是否正常，能否正常啟動(dòng)，溫升是否過高，聲音是否正常。振動(dòng)是否過大，有無焦味等。單相異步電動(dòng)機(jī)的常見故障及處理方法見表1。表1 單相異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)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(diǎn)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(wàn)用表檢查定子繞組是否完好，接線是否良好3. 用萬(wàn)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(dòng)機(jī)構(gòu)是否受阻6. 檢查所帶負(fù)載是否正常啟動(dòng)緩慢，轉(zhuǎn)速過低1. 電源電壓偏低2. 繞組匝