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    电动机是试验机常用部件,常用有六种电机最简单的就是单项异步电动机,最简单的上面用的单相异步电动机是接单相交流电源运行的异步电动机,其结构简单、成本低廉,只需单相电源,广泛应用于家用电器、电动工具、医疗器械等方面,功率从几瓦到几百瓦,与三相异步电动机相比,效率和功率因数稍低,由于容量不大,故此缺点并不突出。

单相异步电动机采用普通鼠笼式转子。定子上有两相绕组,在空间互差900电角度,一相为主绕组,又称为运行绕组;另一相为副绕组,又称起动绕组。一相绕组单独通入交流电流时,产生的磁动势。两相绕组同时通入相位不同的交流电流时,在电机中产生的磁动势一般为椭圆旋转磁动势,特殊情况下可为圆形旋转磁动势。

一、单相异步电动机的工作原理

(一)运行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交流电源,流过交流电流时,电机中产生的磁动势为脉振磁动势。由于一个脉振磁动势可以分解为两个转向相反、转速相同、幅值相等的旋转磁动势F+和F-,所以单相异步电动机的转子在脉振磁动势作用下产生的电磁转矩Tem,应该等于正转磁动势F+和反转磁动势F-分别作用下产生的电磁转矩之和。

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,并且得出了相应的机械特性。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,因此,可以直接利用三相异步电动机的机械特性来分析单相异步电动机。设在正转磁动势作用下单相异步电动机的电磁转矩为T+,机械特性T+=f(s)或T+=f(n)如图3—54中的曲线3所示,同步转速为n1。在反

 

图3—54   运行绕组通电时的机械特性

转磁动势作用下单相异步电动机的电磁转矩为T- ,机械特性为T-=f(s)或T-=f(n)如图3—54中的曲线2所示,同步转速为-n1。由于F+=F-,两条特性曲线是对称的。合成转矩T=f(s)或T=f(n)就是运行绕组单独通电时的机械特性,如图3—47中的曲线1所示。从合成机械特性T=f(n)可以看出:(1)当转速n=0时,电磁转矩Tem=0,亦即运行绕组单独通电时,没有起动转矩,不能自行起动。(2)当n>0时,Tem>0,即只要电机已经正转,而且在此转速下的电磁转矩大于轴上的负载转矩,就能在电磁转矩的作用下升速至接近于同步转速的某点稳定运行。因此,单相异步电动机如果只有运行绕组,可以运行但不能自行起动。

(二)两相绕组通电时的机械特性

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流时,一般产生椭圆旋转磁动势,可以分解为两个转向相反、转速相同、幅值不等的旋转磁动势。设正转磁动势的幅值F+,大于反转磁动势的幅值F-,则F+单独作用于转子式的机械特性F+=f(s)如图3—55中的曲线1所示,F-单独作用于转子式的机械特性F-=f(s)如图3—55中的曲线2所示,转子所产生的合成转矩Tem=T++T-,合成机械特性Tem=f(s)如图3—55中的曲线3所示,从该机械特性看出:F+>F-,以及椭圆旋转磁动势正转的情况下,n=0时,Tem>0,电机有起动转矩,能自行起动,并正向运行。显然,如果F+< F-,即椭圆旋转磁动势反转的情况下,电机能够反方向起动,并反方向运行。

如果电机中产生的是圆形旋转磁动势,则单相异步电动机的机械特性与三相异步电动机情况相同。

以上分析表明,单相异步电动机自行起动的条件是电机起动时的磁动势是椭圆或圆形旋转磁动势,为此,一般应有起动绕组,并且要使起动绕组与运行绕组中电流的相位不同。

起动后的单相异步电动机,可以将起动绕组断开,也可以不断开。若需断开,可在起动绕组回路串联一个开关,当转速上升到同步转速的75%~80%时,使开关自动打开,切除起动绕组电路。此开关可用装在电机轴上的离心开关,当转速升至一定程度靠离心力打开;也可以用电流继电器的触点作此开关,起动开始电流大,触点吸合,转速上升至一定程度时电流减小,触点打开。

 

图3—55   椭圆旋转磁动势时的机械特性

单相异步电动机起动绕组和运行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,即所谓“分相”,是很重要的。单相异步电动机也因分相方法的不同而分为不同的类型。

二、单相异步电动机的基本形式

(一)电阻分相单相异步电动机

图3—56为电阻分相电动机的原理图,图中1为运行绕组,2为起动绕组,设计时起动绕组的匝数较少,导线截面取得较小,与运行绕组相比,其电抗小而电阻大。起动绕组和运行绕组并联接电源时,起动绕组和运行绕组并联电源时,起动绕组和运行绕组并联接电源时,起动绕组电流与运行绕组电流便不同相,超前一个电角度,从而产生椭圆旋转磁动势,使电动机能够自行起动。起动绕组一般按短时工作设计的,这时起动绕组回路串有开关K,当转速上升到接近稳定转速时,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,相量位于电压相量的同一侧,它们之间相位差不大,因而起动转矩不大,只能用于空载和轻载起动的场合。

 

图3—56    电阻分相电动机

(二)  电容分相单相异步电动机

电容分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电动机。根据性能要求的不同,电容分相单相异步电动机又分为以下三种:

1、电容起动单相异步电动机

图3—57是电容起动电动机的原理图,其接线图如图3—57a)所示,起动绕组串联一个电容器C和一个起动开关K,再与运行绕组并联接单相电源。电容器的大小合适时,起动绕组的电流位差接近900电角度,其相量图如图3—57b)所示。这样可使起动时电机中的磁动势接于圆形这种电动机的机械特性如图3—58,其中曲线1为接入起动绕组起动时的机械特性,曲线2的实线部分为起动开关断开,起动绕组切除以后的机械特性。

                

     图3—57   电容起动电动机                  图3—58   电容起动电动机的机械特性

1—运行绕组;2—起动绕组

2、电容运转单相异步电动机

图3—59是电容运转单相异步电动机的接线图,与电容起动单相异步电动机相比,仅将起动开关去掉,使起动绕组和电容器不仅起动时起作用,运行时也起作用,这样可以提高电动机的功率因数和效率,所以这种电动机的运行性能优于电容起动电动机。

                         

图3—59  电容运转电动机                      图3—60  电容起动运转电动机

电容运转电动机起动绕组所串电容器C的电容量,主要是根据运行性能要求而确定的,比根据起动性能要求而确定的电容量要小,为此,这种电动机的起动性能不如电容起动电动机好。电容运转电动机不要起动开关,所以结构比较简单,价格比较便宜,维护也简单一些,使用于风扇、洗衣机等。

3、电容起动式运转单相异步电动机

图3—60 为电容起动运转单相异步电动机的接线图,在起动绕组回路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,K闭合,两个电容器同时作用,电容量为两者之和,电动机有良好的起动性能。当转速上升到一定程度,K自动打开,切除电容器C2,电容器C1与起动绕组参与运行,确保良好的运行性能。由此可见,电容起动运行运转电动机虽然结构复杂,成本较高,维护工作量稍大,但其起动转矩大,起动电流小,功率因数和效率较高,适用于空调机、小型空压机和电冰箱等。

(三)罩极式单相异步电动机

罩极式单相异步电动机的转子仍为鼠笼式,定子有凸极式和隐极式两种,图3—61(a)所示为一台凸极式罩极单相异步电动机的结构原理图。定子每个磁极上套有集中绕组,作为运行绕组,极面的一边约三分之一处于开有小槽,经小槽放置一个闭合的铜环,称为短路环,把磁极的小部分罩在环中。

 

 

图3—61   罩极式单相异步电动机

三、单相异步电动机的调速与反转

   (一)调速

由于单相异步电动机有一系列的优点,所以使得它的使用领域越来越广泛,尤其在家用电器的使用上获得了迅速的发展。目前,各种家电品种已达几百种,规格款式数以千计。由于单相异电动机只需单相交流电源,所以在家用电器的使用上十分普通。

家用电扇一般都要求能调速,单相异步电动机的调速方法很多,对于电风扇用电动机调速,目前常用的有电抗法和抽头法。

1、串电抗调速

    将电抗器与电动机定子绕组串联,通电时,利用在电抗上产生的电压降施加到电动机定子绕组上的电压低于电源电压,从而达到降低调速的目的。因此用串电抗器调速时,电动机的转速只能由额定转速往低调。图3-62(a)为罩极电动机串电抗器调速电路图,而图3-62(b)图为电容电动机带有指示灯的电路。

 

图3-62  单相异步电动机串电抗器调速电路

(a)罩极电动机;(b)电容运转电动机(带指示灯)

这种调速方法线路简单,操作方便。缺点是电压降低后,电动机的输出转矩和功率明显降低,因此只始用于转矩及功率都允许随转速降低而降低场合。目前主要用于吊扇及台扇上。

2、电动机绕组抽头调速

电容式电动机较多地采用定子绕组抽头调速,此时电动机定子铁心槽中嵌有工作绕组U1U2,起动绕组Z1Z2和中间绕组D1D2。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,达到调节电动机转速的目的,这种调速方法通常有L形接法和T形接法两种,如图3-63(a)(b)两种。

与串电抗调速比较,用绕组内部抽头调速不需电抗器,故材料省,耗电少,缺点是绕组嵌线和接线比较复杂,电动机与调速开关的接线较多。

 

图3-63   电容电动机绕组抽头调速接线图

(a)L型接线法;(b)T型接线法

(二)反转

我们通过洗衣机用电动机来分析单相异步电动机的反转。

洗衣机主要有滚筒式,绊式和波轮式三种。目前我国的洗衣机大部分是波轮式,洗衣桶立轴,底部波轮高速转动带动衣服和水流在洗涤桶内旋转,由此使桶内的水形成螺旋涡流,并带动衣物转动,上下翻滚,使衣服与水流和桶壁摩擦以及拧搅的摩擦,在洗涤剂的作用下使衣服污垢(对洗衣机用电动机的主要要求是出力大,起动好,耗电少,温升低,噪音少,绝缘性能好,成本低等)脱落。

洗衣机工作时要求电动机在定时器的控制下正反交替运转。改变单相电容运转电动机转向的方法有两种:一是在电动机与电源断开时,在主绕组或副绕组中任何一组的首尾两端换接以改变旋磁场的方向,从而改变电动机的转向;二是在电动机运转时,将副绕组上的电容器串接于主绕组上,即主、副绕组对调,从而改变旋转磁场和转子的转向。洗衣机所采用的大都是后一种方法,因为洗衣机在正反转工作时情况完全一样,所以两相绕组可轮流充当主副相绕组,因而在设计时,主副相绕组应具有相同的线径、匝数、节距及绕组分布形式。

 

图3-64   洗衣机用电容运转电动机的正、反转控制

图3-64为洗衣机电动机与定时器的接线图,当主触点K与a接触时,流进绕组I的电流超前于绕组II的电流某一角度。假如这时电动机按顺时针方向旋转,那么当K切换到b点,流进绕组II的电流超前绕组I的电流一个电角度,电动机便逆时针旋转。

洗衣机脱水用电动机也是采用电容运转式电动机,它的原理和结构同一般单相电容运转电动机相同。由于脱水时一般不需要正反转,故脱水用电机按一般单相电容运转异步电动机接线,即主绕组直接接电源,副绕组和移相电容串联后再接入电源。由于脱水用电动机只要求单方向运转,所以主副绕组采用不同的线径和匝数绕制。

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