第四章-单相异步电机原理

4. 电容起动与运转异步电动机
为了使电动机在起动和运转时都能得到比较好的性能, 为了使电动机在起动和运转时都能得到比较好的性能, 在副绕组中采用两个电容的并联,如图4-6所示 电容C是运 所示. 在副绕组中采用两个电容的并联,如图 所示.电容 是运 转时使用的,电容C 是在电动机起动时使用的, 转时使用的,电容 s是在电动机起动时使用的,它与起动开 关串联后再与电容C并联 并联. 关串联后再与电容 并联.起动时串联在副绕组回路中的总电 容为C+Cs,比较大,可以使电机气隙中的旋转磁动势接近于 比较大, 容为 圆形旋转磁动势.当电动机转速接近于同步转速时, 圆形旋转磁动势.当电动机转速接近于同步转速时,起动开 关动作, 将电容C 切除,从而使电动机在运行时, 关动作, 将电容 s切除,从而使电动机在运行时,气隙中的 旋转磁动势也接近于圆形旋转磁动势. 旋转磁动势也接近于圆形旋转磁动势. 电容起动与运转的单相异步 电动机,与电容起动的单相异步 电动机, 电动机相比较, 电动机相比较,起动转矩和最大 转矩有所增加, 转矩有所增加,功率因数和效率 有所提高,电动机的噪音较小, 有所提高,电动机的噪音较小, 所以它是单相异步电动机中最理 想的一种. 想的一种.
图4-6 电容起动与运转异步电动机
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5. 罩极式异步电动机 罩极式异步电动机的定子铁心多制成凸 极式,由硅钢片叠压而成, 极式,由硅钢片叠压而成,每极上装有集中 的绕组,即主绕组, 的绕组,即主绕组, 在每极的极靴一边开 有小槽, 有小槽,在小槽中嵌 入短路铜环, 入短路铜环,将部分 磁极罩起来, 磁极罩起来,转子是 鼠笼式结构,如图 鼠笼式结构, 4-7所示. 所示. 所示
n1 (n) 2n1 (n1 n) s = = = 2 s+ n1 n1
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正转电磁转矩与正转转 正转电磁转矩与正转转 差率的关系 T+ = f ( s+ ) , 反转电磁转矩与反转转 反转电磁转矩与反转转 差率的关系T = f (s) = f (2s+) 如图4-1中曲线 和曲线2 中曲线1和曲线 如图 中曲线 和曲线 所示. 所示. 单相异步电动机的T = f (s) e 曲线就是曲线1, 的叠 曲线就是曲线 ,2的叠 如图中曲线3所示 所示. 加,如图中曲线 所示.
第二部分 单相异步电动机
单相异步电动机具有结构简单, 成本低廉, 单相异步电动机具有结构简单 , 成本低廉 , 噪声 小等优点. 由于只需要单相电源供电, 使用方便, 小等优点 . 由于只需要单相电源供电 , 使用方便 , 广 泛应用于工业, 农业和人民生活的各个方面, 泛应用于工业 , 农业和人民生活的各个方面 , 尤其以 家用电器, 电动工具, 医疗器械等使用较多. 家用电器 , 电动工具 , 医疗器械等使用较多 . 与同容 量的三相异步电动机相比较, 量的三相异步电动机相比较 , 单相异步电动机的体积 较大,因此一般只做成小容量的. 较大,因此一般只做成小容量的. 单相异步电动机的运行原理和普通三相异步电动 机基本相同,但有其自身的特点. 机基本相同,但有其自身的特点.单相异步电动机通 常在定子上有两相绕组,转子是普通鼠笼型的. 常在定子上有两相绕组,转子是普通鼠笼型的.两相 绕组在定子上的分布以及供电情况的不同, 绕组在定子上的分布以及供电情况的不同,可以产生 不同的起动特性和运行特性. 不同的起动特性和运行特性.
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一,工作原理
1. 一相绕组通电时
单相异步电动机定子两相绕组是主绕组m及副 单相异步电动机定子两相绕组是主绕组 及副 绕组a,它们一般是相差90° 绕组 ,它们一般是相差 °空间电角度的两个分布 绕组, 绕组,通电时主绕组及副绕组都要产生空间分布的 磁动势. 磁动势.定子绕组所产生的磁动势实际上是两相绕 组产生的磁动势的叠加. 组产生的磁动势的叠加.由于副绕组是用于单相异 步电动机的起动及改善运行性能, 步电动机的起动及改善运行性能,所以首先分析只 有主绕组一相绕组通电时的机械特性, 有主绕组一相绕组通电时的机械特性,在此基础上 再讨论定子两相绕组同时通电时的机械特性. 再讨论定子两相绕组同时通电时的机械特性.
两相通电时的T-S曲线 图4-2 两相通电时的 曲线
Te
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三,单相异步电动机的分类 单相异步电动机的主要优点是使用单相 交流电源, 交流电源 , 但是单相异步电动机起动时又要 求在两相绕组中通入相位不同的两相电流. 求在两相绕组中通入相位不同的两相电流 . 如何把定子绕组中的电流相位分开即" 分相" 如何把定子绕组中的电流相位分开即 " 分相 " 是单相异步电动机必须解决的首要问题. 是单相异步电动机必须解决的首要问题 . 根 据分相方法的不同就有不同类型的单相异步 电动机. 电动机.
2. 两相绕组通电时 当单相异步电动机主绕组与副绕组同时通 入不同相位的两相交流电流时, 入不同相位的两相交流电流时,一般情况下将 产生椭圆形旋转磁动势. 产生椭圆形旋转磁动势. F 椭圆旋转磁动势同样 可以分解成: 可以分解成: F F ≠F 一个正转磁动势与 F 一个反转磁动势. 一个反转磁动势. 此时合成的机械特性是一条不过原点的曲线. 此时合成的机械特性是一条不过原点的曲线. 当 F+ >F 时,电动机的 T+ = f (s+) ,T = f (s ) 条曲线如图4-2所示 及 Te = f (s ) 3条曲线如图 所示. 条曲线如图 所示. 11
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若 i = 2 I cos ω t
则f y ( x, t ) =
ωt=0°, ° i=Im
1 2 N yi = N y I cos ω t 2 2
ωt=90° ° i=0
这种从空间上看 这种从空间上看 空间上 位置固定, 位置固定,从时间上 看大小在正负最大值 之间变化的磁动势, 之间变化的磁动势, 称为脉振磁动势. 称为脉振磁动势.脉 振的频率就是交流电 流的频率. 流的频率.
n, s
n1
o
Te
n1
一相通电时的T-S曲线 图4-1 一相通电时的 曲线
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单相异步电动机的 Te = f (s) 曲线具有下列 特点: 特点: (1)当 n = 0 即 s+ =s =1 时,电磁转矩 Te = 0, ) 即无起动转矩,电机不能够起动; 即无起动转矩,电机不能够起动; (2)当 n ≠ 0 即 s+或s ≠ 1 时,电磁转矩Te ≠ 0 . ) 如果由于其它原因使电动机正转后, 如果由于其它原因使电动机正转后,电磁转矩 能使电动机继续正转运行.如果电动机反转了, 能使电动机继续正转运行.如果电动机反转了 也能继续反转运行. 也能继续反转运行. 所以,对于单相异步电动机, 所以,对于单相异步电动机,定子上如果 只有主绕组,则无起动转矩. 只有主绕组,则无起动转矩. 10
1 2
I&st
3. 电容运转异步电动机
在电容运转异步电动机中, 在电容运转异步电动机中,副绕组不仅在起动时 起作用,而且在电动机运转时也起作用, 起作用,而且在电动机运转时也起作用,长期处于工 作状态,因而实际上是两相电机, 作状态,因而实际上是两相电机,电动机定子接线如 所示. 图4-5所示.这种电机 所示 电容的选择是按照运 行时考虑的, 行时考虑的,要求在 运行时磁动势接近于 圆形旋转磁动势, 圆形旋转磁动势,以 提高电机的运行性能. 提高电机的运行性能. 但在起动时磁动势椭 圆度较大, 圆度较大,造成起动 转矩较小,而起动电 转矩较小, 图4-5 电容运转异步电动机 16 流较大. 流较大.
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1. 电阻分相起动异步电动机
电阻分相起动异步电动机的副绕组通过一个离心开关和主 绕组并联接到单相电源上,如图4-3所示 所示. 绕组并联接到单相电源上,如图 所示.为使定子两相绕组中 电流存在相位差,在设计上使两相绕组的阻抗不等, 电流存在相位差,在设计上使两相绕组的阻抗不等,接在同一 电源上可导致副绕组中电流的相位超前主绕组中电流的相位, 电源上可导致副绕组中电流的相位超前主绕组中电流的相位, 达到分相的目的. 达到分相的目的.这种异步电动机由于受到绕组的制约两相绕 组中电流的相位差不大,因而起动转矩不大. 组中电流的相位差不大,因而起动转矩不大.
+
+
Baidu Nhomakorabea
可见, 可见,当 n = 0 时,若 F+ > F ,则 Te > 0 ,电动机可 以正向起动;同理,当 n = 0 时,若 F+ < F ,则 Te < 0 , 以正向起动;同理, 电动机可以反向起动. 电动机可以反向起动.
n, s
根据上述分析 可知, 可知,单相异步电 动机若能起动必须 具备: 具备:① 定子具有 空间不同相位的两 个绕组; 个绕组;② 两个绕 组中通入不同相位 的交流电. 的交流电.
& U
& I st
图4-3 电阻分相起动异步电动机 a)电动机结构 电动机结构 b)相量图 相量图
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2. 电容分相起动异步电动机
电容分相起动异步电动机是在副绕组中串联电容 再通过一个离心开关和主绕组并联接到单相电源上, 再通过一个离心开关和主绕组并联接到单相电源上, 如图4-4所示 所示. 如图 所示.由于电容的作用副绕组回路的阻抗呈容 而主绕组回路的阻抗呈感性, 性,而主绕组回路的阻抗呈感性,从而导致两相绕组 中电流的相位差较大. 中电流的相位差较大. i i 因此电容分相起动异 步电动机具有较大的 起动转矩. 起动转矩.电容分相 起动异步电动机改变 转子旋转方向的方法 与电阻分相起动异步 图4-4 电容分相起动异步电动机 15 a)电动机结构 b)相量图 电动机结构 相量图 电动机的一样. 电动机的一样.
F+
+
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根据三相异步电机原理, 根据三相异步电机原理 , 可以将单相异步 电动机视为两台完全一样的三相异步电动机分 别作正相序运行及负相序运行时的叠加. 别作正相序运行及负相序运行时的叠加. 对于正相序运行的三相异步电动机, 其转 对于正相序运行的三相异步电动机 , n1 n 差率为: 差率为: s+ = n1 对于反转磁动势而言, 对于反转磁动势而言 , 即负相序运行的三 相异步电动机,其转差率应该为: 相异步电动机,其转差率应该为:
ωt=180° ° i=-Im
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若 i = 2 I cos ω t 则f ( x, t ) = 2 NI 4 1 1 cos x cos 3 x + cos 5 x L cos ω t 2 π 3 5
把以2τ 为周期的 矩形磁动势波用 傅氏级数分解
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若 i = 2 I cos ω t 则f ( x, t ) = 2 NI 4 1 1 cos x cos 3 x + cos 5 x L cos ω t 2 π 3 5
f1 ( x , t ) = F1m cos x cos ω t = 0 .5 F1m cos( x ω t ) + 0 .5 F1m cos( x + ω t )
由此可见基波脉振磁 F =F 动势可以分解成两个 F 转向相反,转速相同, 转向相反,转速相同, F 幅值相等的旋转磁动势, 幅值相等的旋转磁动势,两个旋转磁动势的 幅值等于脉振磁动势最大幅值的1/2. 幅值等于脉振磁动势最大幅值的 .
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单相绕组的磁动势– 单相绕组的磁动势 脉振磁动势
Ni 4 π 1 π 1 π f 空间谐波:y ( x) = cos x cos3 x + cos5 x + L 2 π τ 3 5 τ τ
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假定它的匝数为N,流过的瞬时电流为 , 假定它的匝数为 ,流过的瞬时电流为i, 电流i将产生磁动势 磁动势将产生磁通. 将产生磁动势, 电流 将产生磁动势,磁动势将产生磁通. 根据全电流定律可知, 根据全电流定律可知,闭合磁路的总磁动 势等于该闭合回路所包围的总安匝数. 势等于该闭合回路所包围的总安匝数.所 以无论路径远近, 以无论路径远近,每条磁力线的安匝数都 是相等的,又由于都经过两次气隙, 是相等的,又由于都经过两次气隙,如果 忽略铁心中的磁阻, 忽略铁心中的磁阻,那么每段气隙上的磁 动势各占总磁动势的二分之一, 0.5Ni 动势各占总磁动势的二分之一,即0.5 , 并且在气隙的不同空间位置上各点磁动势 都相等,只不过方向不同. 都相等,只不过方向不同.