电机与变压器-课件-第五章-单相异步电动机

§5-1单相异步电动机的基本结构和铭牌§5-2单相异步电动机的工作原理§5-3单相异步电动机的分类和应用§5-4单相异步电动机的调速和反转§5-5单相异步电动机的常见故障及处理§5-6小功率三相电动机改为单相电动机运行一、单相异步电动机的基本结构单相异步电动机的结构与三相异步电动机基本相同，主要由定子和转子两大部分组成。典型单相异步电动机的结构如图所示。§5-1单相异步电动机的基本结构和铭牌 典型单相异步电动机的结构1—前端盖2—定子3—转子4—后端盖5—引出线6—电容器1. 定子部分定子部分主要由定子铁芯、定子绕组及引出线等部分组成。引出线用于接通单相交流电，为定子绕组供电。定子绕组的作用是通入交流电，在定子、转子及空气隙中形成旋转磁场。定子铁芯除支撑绕组外，主要是磁通的通路部分。典型单相异步电动机凸极式定子的结构2. 转子部分转子部分主要由转子铁芯、转子绕组、转轴等组成，是电动机的转动部分，常制成鼠笼式。其作用是转子导体切割旋转磁场，产生电磁转矩，拖动机械负载工作。3. 启动元件单相异步电动机没有启动力矩，不能自行启动，需在副绕组电路上附加启动元件才能启动运转。不同的单相异步电动机，其启动元件不同，主要有离心开关、电容器、PTC（正温度系数热敏电阻）元件等多种。有些启动元件安装在电动机的内部，有些则装在电动机的外部，无论是装在内部还是外部，一般认为启动元件是单相交流异步电动机的一个组成部分。（1）离心开关（2）电容器（3）其他启动元件二、单相异步电动机的铭牌和型号单相异步电动机的机座上钉有一块铭牌，标注有电动机的型号、规格等有关技术数据，如图所示。单相异步电动机的铭牌1. 型号产品型号由产品代号、规格代号、特殊环境代号和补充代号共4个部分组成，并按下列顺序排列，常见形式如下：①-②-③-④①——产品代号，由多个拼音字母组成，见表；②——规格代号；③——特殊环境代号；④——补充代号。单相异步电动机产品代号的含义2. 额定值单相异步电动机铭牌上标注的主要额定值见表。单相异步电动机铭牌上标注的主要额定值一、单相脉动磁场及机械特性由三相异步电动机工作原理可知，异步电动机要产生电磁转矩拖动负载转动，一定要存在旋转磁场。当单相异步电动机工作绕组通入单相交流电时，就会在绕组轴线方向上产生一个交变磁场。这个磁场的大小和方向随时间做正弦规律变化，但在空间方位上是固定的，因此称为单相脉动磁场，如图所示。由图可知，交流电流变化一个周期，磁场的磁极极性发生改变，但磁极的空间位置没有变化。§5-2单相异步电动机的工作原理单相脉动磁场a）电流正半周产生的磁场b）电流负半周产生的磁场为了便于分析，可将这个脉动磁场分解成两个大小相等、方向相反的旋转磁场，如图所示。将脉动磁场分解成两个大小相等、方向相反的旋转磁场这两个旋转磁场作用在鼠笼式转子的导体上，会产生两个大小相等、方向相反的电磁转矩。单相异步电动机两个旋转磁场对应的机械特性曲线单相异步电动机的机械特性曲线有如下特点：1.当n=0时，T+=T-，合成转矩T=0。即单相异步电动机静止时，接通交流电源，所产生的电磁转矩T+和T-大小相等，方向相反且互相抵消，启动转矩为零。这表明，单相异步电动机不能自行启动，这也是单相异步电动机区别于三相异步电动机的特殊之处。2.当n>0时，T>0。这说明如果有一个外力作用在单相异步电动机转子上，使电动机按照顺时针方向转动后，单相异步电动机正向转矩T+会变大，反向转矩T-会变小，T+与T-的合成转矩T就是一个顺时针方向的电磁转矩，这时即使撤销外力，在电磁转矩T作用下，电动机仍可以继续按顺时针方向旋转。当n<0时，T<0。这说明有外力作用在单相异步电动机转子上，使转子按逆时针方向反转后，即使外力撤销了，在电磁转矩T作用下，电动机仍可以继续反转。3.由于转子中存在着方向相反的两个电磁转矩，因此，理想空载转速n0小于旋转磁场的转速n1；与同容量的三相异步电动机相比，单相异步电动机额定转速稍低，过载能力、效率和功率因数也较低。二、单相异步电动机的启动由于单相异步电动机的启动转矩为零，所以单相异步电动机不能自行启动。为了解决单相异步电动机的启动问题，可在单相异步电动机的定子铁芯中加装一个启动绕组，通常工作绕组与启动绕组在空间上互差90°电角度。两相电流iu与iv在气隙中产生的合成磁场单相异步电动机在旋转磁场作用下产生启动转矩，在启动转矩的带动下，转子顺着旋转磁场旋转方向开始转动。单相异步电动机转子旋转以后，启动绕组就失去作用，如果此时将启动绕组的电源断开，其工作绕组中电流产生的磁场为脉动磁场，这时脉动磁场就会在转子上产生一个与旋转磁场转动方向一致的电磁转矩，拖动转子继续按原来的旋转方向转动下去，在电动机轴上输出机械能。一、分相式单相异步电动机分相式单相异步电动机常在定子铁芯上安装两套绕组，一套是工作绕组，长期接通电源工作；另一套是启动绕组，两套绕组的空间位置相差90°电角度。根据启动方式的不同，分相式单相异步电动机可分为电阻启动单相异步电动机和电容启动单相异步电动机。电容启动单相异步电动机可根据启动绕组是否参与正常运行而分成三类，即电容运转单相异步电动机、电容启动单相异步电动机和双值电容单相异步电动机。§5-3单相异步电动机的分类和应用1. 电阻启动单相异步电动机电阻启动单相异步电动机的相关特性见表。电阻启动单相异步电动机的相关特性电阻启动单相异步电动机的相关特性2. 电容运转单相异步电动机电容运转单相异步电动机的相关特性见表。电容运转单相异步电动机的相关特性3. 电容启动单相异步电动机电容启动单相异步电动机的相关特性见表。电容启动单相异步电动机的相关特性4. 双值电容单相异步电动机双值电容单相异步电动机又称为电容启动、电容运转单相异步电动机，其相关特性见表。电容启动单相异步电动机的相关特性二、罩极式单相异步电动机罩极式单相异步电动机是小型单相感应电动机中最简单的一种，也是日常生活中常见的一种电动机。1. 结构原理 罩极式单相异步电动机的转子是鼠笼式转子，定子铁芯做成凸极式，如图所示。定子绕组必须正确连接，以便使定子铁芯上下刚好产生一对磁极。如果是四极电动机，则磁极极性应按N、S、N、S的顺序排列。当定子绕组通过单相交流电时，磁场变化情况如图所示。罩极式单相异步电动机的磁场变化规律a）电流增大b）电流达到最大值瞬间c）电流减小（1）当电流i由零开始增大时，电流产生的磁通也随之增大，但在罩极被罩住的一部分磁极中，根据楞次定律，变化的磁通将在罩极中产生感应电动势和感应电流，并阻碍磁通的增加，从而使被罩磁极部分的磁通较疏，未罩磁极部分的磁通较密，如图a所示。（2）当电流i达到最大值时，电流的变化率近似为零，电流产生的磁通虽然最大，但基本不变。这时罩极中基本没有感应电流产生，罩极对整个磁极的磁场无影响，因而整个磁极中的磁通均匀分布，如图b所示。（3）当电流i由最大值下降时，电流产生的磁通也随之下降，罩极中又有感应电流产生,以阻止被罩磁极部分中磁通的减小，因而被罩部分磁通较密，未罩部分磁通较疏，如图c所示。从以上分析可以看出，罩极式单相异步电动机磁极的磁通分布在空间上是移动的，由未罩部分向被罩部分移动，好似旋转磁场一样，从而使鼠笼式转子获得启动转矩，也决定了电动机的转向由未罩部分向被罩部分旋转，其转向是由定子的内部结构决定的，改变电源接线也不能改变电动机的转向。2. 特点及应用罩极式单相异步电动机的主要优点是结构简单、制造方便、成本低、运行噪声小、维护方便。缺点是启动性能及运行性能较差，启动转矩、效率和功率都较小，主要用于小功率空载启动的场合，如录音机、仪表风扇、换气扇及计算机的散热风扇等。一、单相异步电动机的调速单相异步电动机与三相异步电动机一样，要实现平滑调速比较困难。一般有改变电源频率调速（变频调速）、改变电源电压调速（调压调速）及改变绕组磁极对数调速（变极调速）等多种，目前普遍使用的是改变电源电压调速。§5-4单相异步电动机的调速和反转改变电源电压调速有两个特点：一是电源电压只能从额定电压往下调，因此，电动机的转速也只能从额定转速往小调；二是因为异步电动机的电磁转矩与电源电压的平方成正比，因此，电源电压降低时，电动机的电磁转矩和转速都下降，所以这种调速方法只能用于电磁转矩随电动机转速下降而下降的负载（称为风机型负载），如风扇、鼓风机等。常用的改变电源电压调速有自耦变压器调速、串电抗器调速、串电容器调速、定子绕组抽头调速、双向晶闸管调压调速等多种。1. 自耦变压器调速自耦变压器调速是通过连续调节自耦变压器的输出电压，采用不同的供电方式来改变电动机的性能。自耦变压器的调速电路a）电动机降压运行b）工作绕组降压运行2. 串电抗器调速串电抗器调速是将电抗器与电动机定子绕组串联，利用电流在电抗器上产生的压降，使加到电动机定子绕组上的电压低于电源电压，从而达到降低电动机转速的目的。吊扇串电抗器调速电路3. 串电容器调速将不同容量的电容器串入单相异步电动机电路中，也可调节电动机转速。具有三挡速度的串电容器调速电路4. 定子绕组抽头调速定子绕组抽头调速是在单相交流异步电动机定子铁芯上再嵌放一个中间绕组LL（又称调速绕组），通过调速开关改变调速绕组与启动绕组LF及工作绕组LZ的接线方法，从而达到改变电动机内部旋转磁场的强弱，实现调速的目的。定子绕组抽头调速电路a）T形接法b）L形接法5. 双向晶闸管调压调速前面介绍的各种调压调速电路都是有级调速，单相交流异步电动机还可采用双向晶闸管实现无级调速。双向晶闸管调压调速电路二、单相异步电动机的反转单相交流异步电动机的转向与旋转磁场的转向相同，因此，要使单相交流异步电动机反转就必须改变旋转磁场的转向。改变旋转磁场的方法有两种：一种是改变绕组与电源的接线；另一种方法是改变电容器的接法，此方法只适合于电容运转单相异步电动机。1. 改变绕组与电源的接线改变绕组与电源的接线即把工作绕组或启动绕组中的一组首端和末端与电源的接线对调。2. 改变电容器的接法改变电容器的接法即把电容器从一组绕组中改接串到另一组绕组中。与三相异步电动机相类似，可通过听、看、闻、摸等手段，随时检查单相异步电动机的运行状态，要经常注意查看电动机转速是否正常，电动机能否正常启动，温升是否过高，声音是否正常，振动是否过大，有无焦煳味等。根据故障现象推断电动机可能的故障部位，并通过一定的检查方法找出有故障的地方，进行故障排除。§5-5单相异步电动机的常见故障及处理一、单相异步电动机的使用和维护方法单相异步电动机的使用和维护与三相异步电动机相类似，但要注意以下几点：1.单相异步电动机接线时，需正确区分工作绕组与启动绕组，并注意区分它们的首、尾端，如果标志脱落，则电阻大的为启动绕组。2.更换电容器时，新更换电容器的容量和工作电压必须与原来的电容器相同，启动用电容器应选用专用的电解电容器，其通电时间一般不得超过3s。3.只有在电动机静止或转速降低到使离心开关闭合时，才能改变单相异步电动机的接线方法。4.额定频率为60Hz的电动机不得使用额定频率为50Hz的电源，否则将导致电流增大，造成电动机过热甚至烧毁。二、分相式单相异步电动机的检修1. 启动元件的检修（1）离心开关的检查1）离心开关短路。2）离心开关断路。（2）电容器的检查1）万用表检查法。2）充放电法。3）替换法。2. 分相式单相异步电动机常见故障分析同一种故障现象既可由电气故障引起，也可由机械故障引起。维修前必须先分析可能出现的故障原因，然后根据先机外后机内的原则，逐一排查和维修。（1）电动机不能启动1）电气故障2）机械故障（2）电动机转速达不到额定值（3）电动机接通电源后熔丝很快熔断（4）电动机在运行中温度过高或冒烟（5）电动机在运行时噪声大或振动较大（6）电动机绝缘不良造成绝缘电阻太小或外壳带电三、罩极式单相异步电动机的检修罩极式单相异步电动机的电气结构比较简单，其检修比分相式单相异步电动机容易。其常见故障及排除方法介绍如下：1. 电动机不启动，无电磁振动声2. 电动机不启动，发出“嗡嗡”声，用手拨动转子后，电动机可慢慢启动，转动方向同拨动方向3. 电动机转速低于额定值4. 带负载时转速低或难以启动5. 运转正常，但总有很大的“嗡嗡”声各种电动机均是按照一定的运行条件设计制造而成的，只有在按照设计规定的条件下运行，电动机的性能才能达到最佳。在生产过程中，如果单相异步电动机突然损坏而无备用电动机时，可以将小功率三相异步电动机改接成单相异步电动机使用（常用于1kW以下电动机）。三相异步电动机改接成单相异步电动机后，运行状态不在最佳状态，输出功率将比原来的额定功率减小。因此，必须考虑电动机的负