09 单相异步电动机和同步电动机(《电机与拖动》课件)

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第,9,章 单相异步电动机和同步电动机,9.,*,第,9,章 单相异步电动机和同步电动机,返回总目录,单相异步电动机,同步电动机,本章小结,习题与思考题,本章内容,单相异步电动机就是指用单相交流电源供电的异步电动机。单相异步电动机因其电源的方便而在家用电器、医疗器械以及工具中广泛使用。三相同步电动机在额定负载内工作，是一种恒速电动机，三相同步发电动机广泛应用于各交流发电厂、站，同步电动机还可作为大容量异步电动机的功率补偿装置。,9.1,单相异步电动机,单相异步电动机具有结构简单、成本低、噪声小、运行可靠等优点，因此，广泛应用在家用电器、电动工具、自动控制系统等领域。单相异步电动机与同容量的三相异步电动机比较，它的体积较大，运行性能较差。因此，一般只制成小容量的电动机。我国现有产品的功率从几瓦到几千瓦。,一、单相异步电动机基本工作原理,1.,一相定子绕组通电的异步电动机,一相定子绕组通电的异步电动机就是指单相异步电动机定子上的主绕组,(,工作绕组,),是一个单相绕组。当主绕组外加单相交流电后，在定子气隙中就产生一个脉振磁场,(,脉动磁场,),，该磁场振幅位置在空间固定不变，大小随时间做正弦规律变化，如图,9.1,所示。,(a),正半周,(b),负半周,(c),脉振磁势变化曲线,图,9.1,单相绕组通电时的脉振磁场,为了便于分析，本节利用已经学过的三相异步电动机的知识来研究单相异步电动机，首先研究脉振磁动势的特性。,通过对图,9.1,的分析可知，一个脉振磁动势可由一个正向旋转的磁动势 和一个反向旋转的磁动势 组成，它们的幅值大小相等,(,大小为脉振磁动势的一半,),、转速相同、转向相反、由磁动势产生的磁场分别为正向和反向旋转磁场。同理，正反向旋转磁场能合成一个脉振磁场。,2.,单相异步电动机的机械特性,单相异步电动机单绕组通电后产生的脉振磁场，可以分解为正、反向旋转的两个旋转磁场。因此，电动机的电磁转矩是由两个旋转磁场产生的电磁转矩的合成。当电动机旋转后，正、反向旋转磁场产生电磁转矩 、，它的机械特性变化与三相异步电动机相同。在图,9.2,中的曲线,1,和曲线,2,分别表示,的特性曲线，它们的转差率为,9.1,单相异步电动机,(9.1),(9.2),曲线,3,表示单相单绕组异步电动机机械特性。当 为拖动转矩，为制动转矩时，其机械特性具有下列特点：,(1),当转子转动时，,n,=0,，,=,，,T,=,，,=0,，表明单相异步电动机一相绕组通电时无起动转矩，不能自行起动。,(2),旋转方向不固定时，由外力矩确定旋转方向，并一经起动，就会继续旋转。当,n,0,，,T,0,时机械特性在第一象限，电磁转矩属拖动转矩，电动机正转运行。当,n,0,，,T,0,时机械特性在第二象限，,T,仍是拖动转矩，电动机反转运行。,(3),由于存在反向电磁转矩起制动作用，因此，单相异步电动机的过载能力、效率、功率因数较低。,9.1,单相异步电动机,图,9.2,一相绕组通电时单相,异步电动机的机械特性,9.1,单相异步电动机,二、单,相异步电动机的起动方法,单相异步电动机不能自行起动，如果在定子上安放具有空间相位相差,90,的两套绕组，然后通入相位相差,90,的正弦交流电，那么就能产生一个像三相异步电动机那样的旋转磁场，实现自行起动。常用的方法有分相式和罩极式两种。,1.,单相分相式异步电动机,单相分相式异步电动机结构特点是定子上有两套绕组，一相称主绕组,(,工作绕组,),，另一相为副绕组,(,辅助绕组,),，它们的参数基本相同，在空间相位相差,90,的电角，如果通入两相对称相位相差,90,的电流，即,i,v=,I,msin,，,i,u,=,I,msin(+90),，就能实现单相异步电动机的起动，如图,9.3,所示。,图中反映了两相对称电流波形和合成磁场的形成过程。由图可以看出，当,t,经过,360,后，合成磁场在空间也转过了,360,，即合成旋转磁场旋转一周。其磁场旋转速度为,n,1=60,f,1,/P,，此速度与三相异步电动机旋转磁场速度相同，其机械特性如图,9.4,所示。,从上面分析中可看出，分相式单相异步电动机起动的必要条件为：,(1),定子具有空间不同相位的两套绕组；,(2),两套绕组中通入不同相位的交流电流。,9.1,单相异步电动机,图,9.3,两相绕组通入两,相电流的旋转磁场,图,9.4,椭圆磁动势时单相异,步电动机的机械特性,根据上面的起动要求，单相分相式异步电动机按起动方法分为以下几类：,1),单相电阻分相起动异步电动机,单相电阻分相起动异步电动机的定子上嵌放两个绕组，如图,9.5,所示。两个绕组接在同一单相电源上，副绕组,(,辅助绕组,),中串一个离心开关。开关作用是当转速上升到,80%,的同步转速时，断开副绕组使电动机运行在只有主绕组工作的情况下。,9.1,单相异步电动机,图,9.5,单相电阻分相起动异步电动机,为了使起动时产生起动转矩，通常可取两种方法：,(1),副绕组中串入适当电阻；,(2),副绕组采用的导线比主绕组截面细，匝数比主绕组少。,这样两相绕组阻抗就不同，促使通入两相绕组的电流相位不同，达到起动目的。,由于电阻分相起动时，电流的相位移较小，小于,90,电角，起动时，电动机的气隙中建立的椭圆形旋转磁场，因此电阻分相式异步电动机起动转矩较小。,单相电阻分相异步电动机的转向由气隙旋转磁场方向决定，若要改变电动机转向，只要把主绕组或副绕组中任何一个绕组电源接线对调，就能改变气隙磁场，达到改变转向目的。,2),单相电容分相起动异步电动机,单相电容分相起动异步电动机的电路，如图,9.6,所示。,9.1,单相异步电动机,(a),示意图,(b),相量图,图,9.6,单相电容分相起动异步电动机,从图,9.6,中可以看出，当副绕组中串联一个电容器和一个开关时，如果电容器容量选择适当，则可以在起动时通过副绕组的电流在时间和相位上超前主绕组电流,90,电角，这样在起动时就可以得到一个接近圆形的旋转磁场，从而有较大起动转矩。电动机起动后转速达到,75%,85%,同步转速时副绕组通过开关自动断开，主绕组进入单独稳定运行状态。,3),单相电容运转异步电动机,若单相异步电动机辅助绕组不仅在起动时起作用，而且在电动机运转中也长期工作，则这种电动机称为单相电容运转异步电动机，如图,9.7,所示。,单相电容运转异步电动机实际上是一台两相异步电动机，其定子绕组产生的气隙磁场较接近圆形旋转磁场。因此，其运行性能较好，功率因数、过载能力比普通单相分相式异步电动机好。电容器容量选择较重要，对起动性能和影响较大。如果电容量大，则起动转矩大，而运行性能下降。反之，则,9.1,单相异步电动机,图,9.7,单相电容运转异,步电动机示意图,起动转矩小，运行性能好。综合以上因素，为了保证有较好运行性能，单相电容运转异步电动机的电容比同功率单相电容分相起动异步电动机电容容量要小。起动性能不如单相电容起动异步电动机。,4),单相双值电容异步电动机,(,单相电容起动及运转异步电动机,),如果想要单相异步电动机在起动和运行时都能得到较好的性能，则可以采用将两个电容并联后再与副绕组串联的接线方式，这种电动机称为单相电容起动和运转电动机，如图,9.8,所示。,9.1,单相异步电动机,图中起动电容器,C,1,容量较大，,C,2,为运转电容，电容量较小。起动时,C,1,和,C,2,并联，总电容器容量大，所以有较大的起动转矩，起动后，,C,1,切除，只有,C,2,运行，因此电动机有较好运行性能。对电容分相式异步电动机，如果要改变电动机转向，只要使主绕组或副绕组的接线端对调即可，对调接线端后旋转磁场方向改变，因而电动机转向也随之改变。,2.,单相罩极式,(,磁通分相式,),异步电动机,单相罩极式异步电动机的结构有凸极式和隐极式两种，其中以凸极式结构最为常见，如图,9.9,所示。,图,9.8,单相电容起动与运转,异步电动机示意图,图,9.9,罩极异步电动机示意图,9.1,单相异步电动机,凸极式异步电动机定子做成凸极铁心，然后在凸极铁心上安装集中绕组，组成磁极，在每个磁极,1/3,1/4,处开一个小槽，槽中嵌放短路环，将小部分铁心罩住。转子均采用笼型结构。,罩极式异步电动机当定子绕组通入正弦交流电后，将产生交变磁通,，其中一部分磁通 不穿过短路环，另一部分磁通 穿过短路环，由于短路环作用，当穿过短路环的磁通发生变化时，短路环必然产生感应电动势和感应电流，感应电流总是阻碍磁通变化，这就使穿过短路环部分的磁通 滞后未罩部分的磁通 ，使磁场中心线发生移动。于是，电动机内部产生了一个移动的磁场或扫描磁场，将其看成是椭圆度很大的旋转磁场，在该磁场作用下，电动机将产生一个电磁转矩，使电动机旋转，,如图,9.10,所示。由图,9.10,可以看出，罩极式,电动机的转向总是从磁极的未罩部分向被罩,部分移动，即转向不能改变。,单相罩极式异步电动机的主要优点是结,构简单、成本低、维护方便。但起动性能和,运行性能较差，所以主要用于小功率电动机,的空载起动场合，如电风扇等。,图,9.10,罩极式电动机移,动磁场示意图,三、单相正弦绕组,9.1,单相异步电动机,普通的单相异步动机旋转磁场波形,不太好，在运行中不太平稳，振动、噪,声都比较大，一般都是用在环境要求不,太高的条件下。而在家用电器上就不适,用，如冰箱、空调、洗衣机、电风扇等。,而单相正弦绕组的单相电动机就可以,满足要求，大量应用在家用电器中。,下面就单相,4,极,24,槽电动机的正弦绕组,展开图为例进行说明，如图,9.11,所示。,(a),各槽导线匝数相对分布图,(b),绕组展开图,图,9.11,单相,4,极,24,槽电动机正弦绕组,9.1,单相异步电动机,图,9.11(a),中横轴代表电动机槽号分布，纵轴代表各槽中每相绕组匝数的相对量。从图,9.11(b),中可以看到，每个槽号下都有两条线圈边，这是一个双层绕组。也就是说每个线槽被分成了上下层，分配给主、副两相绕组,(,主、副两相绕组的参数可以一样也可以不一样,),。嵌线时，一般是先将主绕组各线圈嵌放进线槽下层，也即主绕组全部是下层，垫上绝缘后，再将副绕组嵌放入各槽上层。,产生磁极的几个线圈,(,一组线圈,),有同心式的几个线圈组成，但各线圈的匝数不同，大线圈匝数多，小线圈匝数少。嵌线以后，各线槽中每相绕组的导体数随槽号数按正弦规律分布，“正弦绕组”由此得名，这也是此种绕组与其他形式绕组的根本区别。现在观察一个线圈组，例如,U,相绕组的第一组：,4,号和,9,号槽中嵌大线圈，其匝数最多,(,以它为例,100%),，,5,号、,8,号槽中线圈匝数均为大线圈的,75%,，,6,号、,7,号槽中嵌小线圈，匝数最少，约是大线圈的,25%,。其他各线圈组,(,包括,V,相组,),的情况类似。由于正弦绕组为比较特殊的双层绕组，所以在绘制时要注意。例如,U,相绕组，要按照一个极距内所有下层边电流方向必须一致进行连接，,U,相绕组嵌放完毕，,V,相绕组,(,全部为上层绕组,),嵌放以,U,相为准，或左或右推半个极距，一个极距内所有上层边电流方向必须一致进行连接。实际中，单相电动机“正弦绕组”中的小线圈匝数可能是零，也就是说，造成整个绕组从外观上看好像是单、双层混绕，例如本例中的,6,号、,7,号槽内,U,相绕组匝数若为零，即没有,U,相绕组，只有,V,相单层绕组；而,3,号、,4,号槽中,V,相绕组匝数为零，即没有,V,相绕组，只有,U,单层相绕组；,8,号槽中为双层绕组，即,U,、,V,两相都有。需要注意的是，在此种情况下这里仍然按照双层绕组进行分析讨论。因为可以认为零不是没有，只是匝数很少，少到匝数为零，零只不过是一个数而已，与,10,匝、,20,匝等一样。,9.2,同步电动机,同步电动机也是交流电动机。同步电动机可以作发电动机用，世界上各发电厂和发电站所发的三相交流电能，都是三相同步发电机发出的；也可以作电动机用。三相同步电动机主要用于功率较大、转速不要求