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第15章其他异步电动机15.1单相异步电动机15.2感应调压器与移相器习题15.1单相异步电动机15.1.1结构、工作原理和转矩特性单相异步电动机的定子绕组为单相交流绕组,转子绕组为鼠笼式绕组。图15-1为最简单的单相异步电动机的结构与磁场示意图。单相异步电动机由于只有一相定子绕组,因此当接通正弦交流电源之后,会产生一个交变的脉动磁场,但这个磁场不会旋转,在磁路中各点磁感应强度按正弦规律变化,可表示为

B=Bmsinωt(15-1)这个磁场在转子中产生感应电动势和感应电流,但由于磁场固定不动,转子的导条在定子磁场的N极和S极下受到的转矩大小相等、方向相反,因而转子上得到的合成转矩为零,转子不动。在任何瞬间,这两个旋转磁场的合成磁感应强度,始终等于脉动磁场的瞬时值。图15-1单相感应电动机的结构和磁场示意图但是,如果用外力使电动机的转子向某方向转动一下,那么电动机就会沿着某方向持续转动下去,此时即使去掉外力,电动机仍然旋转。这就说明此时两个反向旋转磁场产生的合成转矩不为零。其原因如下:若外力作用使转子顺时针旋转磁场方向,此时转子和正向旋转磁场的相对速度变小,其转差率s+小于1;而和逆时针旋转磁场的相对速度变大,转差率s-大于1,即

(15-2)

(15-3)同三相异步电动机一样,正向旋转磁场产生正向转矩,反向旋转磁场产生反向转矩,其转矩特性曲线如图15-2所示。图中T=f(s)是合成转矩的特性曲线。它可以表明,如果电动机靠辅助方法启动起来,则无论启动方向如何,电动机都会产生沿启动方向的转矩,使转子持续旋转。当转子处于运行状态时,由于存在反方向的转矩,使合成转矩减小,电动机的过载能力降低。同时,也增加了损耗,电动机的效率降低,噪声增大。图15-2单相异步电动机的转矩特性曲线15.1.2启动方法

1.分相启动分相启动异步电动机在定子上放置两个绕组,一个主绕组L1(工作绕组),一个辅助绕组L2(启动绕组),如图15-3所示。两个绕组在空间上相隔90°,辅助副绕组串电容器后与主绕组并联。电容器的作用是使辅助绕组回路的阻抗呈容性,如果电容器选择得当,可以做到辅助绕组的电流基本上超前于主绕组90°。相当于电动机内部有两相空间上和时间上都错开相位的交流电在工作,能形成旋转磁场,带动转子旋转。因为这种电动机将单相电流分为两相电流,故称为分相式电动机。图15-3单相异步电动机电容启动电路图根据电动机性能的不同要求分相单相异步电动机又可分为以下四种类型:

1)电容启动单相异步电动机在单相异步电动机的定子槽中,除嵌有一套工作绕组外,还增加了一套启动绕组,且启动绕组中串联了电容器,接线图如图15-3所示,该启动绕组是按间歇工作方式设计的,其导线细、匝数少,具有高阻性。为了保护启动绕组,通常在启动绕组中串有离心开关S,电动机启动后(转速为0.75n1~0.8n1),离心开关S动作,切断启动绕组,电机开始正常运行。电容启动单相异步电动机的显著特征是启动转矩大,可用于压缩机、空调、泵等设备中。

2)电容运行单相异步电动机如果把启动绕组设计成连续工作方式,启动后电容器和启动绕组不被断开,这样,可以省去离心开关S,简化单相异步电动机的结构,同时电容器可以改进电动机的运行性能,提高功率因数、效率及过载能力,减小噪声。可用于电风扇、洗衣机、电冰箱等家用电器。3)电容启动运行单相异步电动机从理论上讲,如果单相异步电动机能同时获得最佳的启动性能和运行性能,应采用两个电容器并联后再与启动绕组串联,如图15-4所示,C1为启动电容器,容量较大,只承受启动时的电流,一般采用交流电解电容。C2为运行电容器,容量较小,由于是连续运行,采用交流纸质、箔质电容。启动时两个电容器都接入,电容量大,电动机可以获得较大启动转矩。启动后,离心开关S动作,把电容器C2切除,单相电动机有较好的运行性能。图15-4单相异步电动机电容启动运行电路图

4)电阻启动单相异步电动机这种电动机是在电容启动单相异步电动机的基础上,把串联在启动绕组中的电容器换成电阻器。由于启动绕组和工作绕组中电流的相位相差不大,气隙磁势椭圆度较大,其启动转矩较小,只适于较容易启动的场合,如吹风机、离心泵、医疗器械、办公设备等。

2.罩极启动单相罩极式电动机可以分为凸极式和隐极式电动机,常见的结构多做成凸极式,一般有两极和四极。凸极式单相电动机的定子铁芯做成凸极式的磁极,形状类似直流电动机的定子。定子铁芯上面绕有集中绕组,称为主绕组。定子铁芯上面1/3的极面开有小槽,用以嵌放短路铜环,短路铜环罩住了一部分磁通,所以把该电动机称为罩极电动机,如图15-5所示。通入单相交流电后,产生脉动磁场,铜环把磁通分成两部分:未被罩住的磁通ΦA和罩住的磁通ΦB。根据楞次定律,ΦB在短路环内产生感应电流,此感应电流又产生一定的磁通来阻碍原来磁通的变化,使得ΦB在相位上滞后ΦA一个相位角。图15-5两极凸极式单相罩极电动机结构图主绕组中,当电流从零增大时,磁场的中线在磁极的左边,如图15-6所示,当电流处于最大值附近时,变化不大,所以磁场的中线大致与几何中线吻合。当电流减小时,磁场中线偏向右边。因此,随着电流正半周期的变化,磁场的中线也随之变化,磁场的中线从左移向右,实际上形成了一个旋转磁场,使得转子顺时针旋转。当电流变化到负半周期时,磁极中的磁场方向也随之改变,磁场的中线也从左移向右,所以旋转磁场的方向是固定不变的,总是从未罩住的部分向罩住的部分移动。要改变凸极式罩极电动机的方向,显然只能改变罩极的位置,这一般难以实现,所以凸极式罩极电动机通常用于不需改变转向的电气设备中。这种电动机结构简单、成本低、制造方便、运行时噪声小。但它的启动和运行性能较差、效率低,多用于空载启动的场合,如仪用电风扇、小电器等。图15-6凸极式罩极电动机的磁通分布(a)电流增大;(b)电流不变;(c)电流减小15.2感应调压器与移相器15.2.1移相器移相器的结构与一般绕线式异步电动机相类似,但它是处于制动状态下工作,其原理与变压器相似。移相器上装有蜗轮、蜗杆传动机构,它既能使转子制动,又可调节转子角位移。它的接线图如15-7所示,定子绕组作为原边绕组接到电源上,转子绕组作为副边绕组经滑环接到负载。图15-7三相移相器接线图移相器工作原理是,当定子绕组接上电源,电源就提供一个励磁电流,并在气隙里产生旋转磁势,同时,在定、转子绕组中感应出电势和,它们的大小分别与各自的匝数成正比,而相位关系取决于定、转子绕组之间的相对位置。可见,调节转子使定、转子的相对位置改变,即改变了副边绕组上的感应电势相位,从而达到移相的目的。移相范围一般是0~±180°。15.2.2感应调压器感应调压器的结构与移相器一样,只是它的定、转子绕组,除了有磁的联系,还有电的联系,如同自耦变压器。感应调压器工作原理与移相器基本相同。感应调压器上装有蜗轮、蜗杆传动机构,它既能使转子制动又可调节转子角位移。当调节转子,使定、转子的相对位置改变后,让三相调压器改变了次级绕组的感应电势大小,再借自耦式线路的连接,使负载电压在一定范围内获得无极而平滑的变化。感应调压器一般也是三相的,为了接线方便,把转子绕组作为原边绕组接到电源上,它的接线如图15-8所示。图15-8三相感应调压接线图若只看输出

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