《电机与变压器》课件 第二章　单相交流异步电动机

第二章单相交流异步电动机150目录151§2-1单相异步电动机的结构和参数§2-2单相异步电动机的工作原理和机械特性§2-3单相异步电动机的运行§2-4单相异步电动机的运维和检修§2-1单相异步电动机的结构和参数1521531．了解单相异步电动机的分类、特点、应用和参数。2．熟悉单相异步电动机的结构和各组成部分的作用。学习目标一、单相异步电动机的分类按照启动装置和工作原理的不同，单相异步电动机可分为罩极式单相异步电动机和分相式单相异步电动机两类。根据启动方式的不同，分相式单相异步电动机又可分为电阻分相（电阻启动）单相异步电动机和电容分相单相异步电动机两类。根据启动绕组是否参与正常运行，电容分相单相异步电动机又可分为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三类。154二、单相异步电动机的结构典型单相异步电动机的结构如图所示。单相异步电动机的结构与一般小型三相鼠笼式异步电动机的结构相似，主要由定子和转子两大部分组成，此外还包括风扇、接线盒等附件和电容器等启动元件。155典型单相异步电动机的结构a）内部结构b）外部结构1—定子铁芯2—定子绕组3—转轴4—机座5—转子6—风扇7—电容器8—接线盒1．定子部分单相异步电动机的定子部分主要由定子铁芯、定子绕组和机座等组成，其主要作用是接入单相交流电，在定子、转子及气隙中产生一个旋转磁场，将电能转化为磁场能。定子铁芯大多用0.35～0.5mm厚的硅钢片冲槽后叠压而成，槽型一般为半闭槽，槽内嵌放定子绕组。定子铁芯主要是磁通的通路部分，并起固定定子绕组的作用。156定子绕组一般采用高强度聚酯漆包铜线，先在绕线模具上绕好后，再嵌放在定子铁芯槽内，并需进行浸漆、烘干等绝缘处理。常用的定子绕组型式主要包括单层同芯式绕组、单层链式绕组和正弦绕组，这些绕组均属于分布绕组。机座一般用铸铁或铸铝制成，其作用是固定定子铁芯，并借助两端端盖与转子形成一个整体，使转轴上输出机械能，其结构主要取决于电动机的使用场合和冷却方式。单相异步电动机机座的结构型式一般分为开启式、防护式和封闭式等。157（1）分相式单相异步电动机定子的结构分相式单相异步电动机虽然分为电阻分相、电容分相两类，但其定子的结构基本相同，如图所示。158分相式单相异步电动机定子的结构1—定子铁芯2—定子绕组3—主绕组4—副绕组（2）罩极式单相异步电动机定子的结构罩极式单相异步电动机的定子包括凸极式和隐极式两种结构型式。功率较小的单相异步电动机采用凸极式定子结构。凸极式定子的结构如图所示。159凸极式定子的结构1—短路铜环2—定子铁芯3—定子绕组功率较大的单相异步电动机采用隐极式定子结构。隐极式定子的结构如图所示。160隐极式定子的结构a）定子绕组接线b）定子绕组的分布排列1—工作绕组2—启动绕组2．转子部分单相异步电动机的转子部分主要由转子铁芯、转子绕组和转轴等组成，常制成鼠笼型，如图所示。其作用是通过转子绕组切割旋转磁场，产生电磁转矩，拖动机械负载工作。161单相异步电动机的转子1—转子铁芯2—转子绕组3—端环4—转子风叶5—转轴（1）转子铁芯转子铁芯与定子铁芯一样，也用0.35～0.5mm厚的硅钢片冲槽后叠压而成，槽内放置转子绕组。（2）转子绕组单相异步电动机的转子绕组一般分为鼠笼型和电枢型两种型式。鼠笼型转子绕组常用铝或铝合金一次铸造而成，广泛应用于各种单相异步电动机，如上图所示。（3）转轴转轴用含碳轴钢制成，两端安装用于转动的轴承。1623．启动元件单相异步电动机没有启动转矩，不能自行启动，必须在启动绕组中附加启动元件才能启动运转。不同的单相异步电动机，其启动元件也不同，主要包括离心开关、电容器、启动继电器、电阻器等多种。有些启动元件安装在电动机的内部，有些则安装在电动机的外部，无论安装在内部还是安装在外部，一般都认为启动元件是单相异步电动机的组成部分。163（1）离心开关应用最多的离心开关是U形夹片式，主要包括开关部分和转动部分，如图所示。164离心开关（2）电容器电容器（见下图）是电容分相式单相异步电动机必不可少的元件，其中，电容启动单相异步电动机需要一个启动电容器，电容运转单相异步电动机需要一个运转电容器，双值电容单相异步电动机需要两个电容器。165电容器（3）启动继电器启动继电器主要用于专用电动机，如冰箱、空调压缩机等，包括电流式启动继电器、电压式启动继电器、PTC（正温度系数热敏电阻）启动继电器等。如图所示为PTC启动继电器。166PTC启动继电器三、单相异步电动机的特点和应用1．分相式单相异步电动机的特点和应用（1）电阻启动单相异步电动机的特点和应用电阻启动单相异步电动机的结构特点及应用范围见下表。167电阻启动单相异步电动机的结构特点及应用范围电阻启动单相异步电动机的结构特点及应用范围168（2）电容运转单相异步电动机的特点和应用电容运转单相异步电动机的结构特点及应用范围见下表。169电容运转单相异步电动机的结构特点及应用范围电容运转单相异步电动机的结构特点及应用范围170（3）电容启动单相异步电动机的特点和应用电容启动单相异步电动机的结构特点及应用范围见下表。171电容启动单相异步电动机的结构特点及应用范围电容启动单相异步电动机的结构特点及应用范围172（4）双值电容单相异步电动机的特点和应用双值电容单相异步电动机又称电容启动、电容运转单相异步电动机，其结构特点及应用范围见下表。173双值电容单相异步电动机的结构特点及应用范围双值电容单相异步电动机的结构特点及应用范围1742．罩极式单相异步电动机的特点和应用罩极式单相异步电动机是小型单相异步电动机中最简单的一种，也是日常生活中常见的电动机之一。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、运行噪声低、维护方便。采用凸极式定子结构的罩极式单相异步电动机的缺点是启动性能和运行性能较差，启动转矩、效率和功率都较小，旋转方向只能由未罩部分向被罩部分旋转，主要用于小功率空载启动的场合，如台扇、仪表风扇、换气扇、录音机、电动工具和计算机的散热风扇等。采用隐极式定子结构的罩极式单相异步电动机，其功率相对大一些，常用于小型鼓风机、油泵等设备。175四、单相异步电动机的参数1．单相异步电动机的铭牌单相异步电动机的机座上装有一块铭牌，标注电动机的型号、规格等技术参数，如图所示。铭牌是选择、安装、使用和修理（包括重绕绕组）单相异步电动机的重要依据。176单相异步电动机的铭牌2．单相异步电动机的型号含义单相异步电动机的型号由产品代号、机座代号、特征代号和特殊环境代号等4个部分组成，并按下列顺序排列：①-②-③-④①——产品代号，由汉语拼音字母组成，见下表。177单相异步电动机产品代号②——机座代号，以轴中心高（mm）表示。③——特征代号，表示机座长度代号、铁芯长度代号和磁极数。机座长度代号包括L（长机座）、M（中机座）、S（短机座）等；铁芯长度代号用数字1、2、3等表示，数字越大，铁芯越长；铁芯长度代号的后面一位为磁极数，用数字表示。④——特殊环境代号，表示产品适用的环境，一般不标注。1783．单相异步电动机的主要参数单相异步电动机的主要参数见下表。179单相异步电动机的主要参数180单相异步电动机的主要参数§2-2单相异步电动机的工作原理和机械特性1811821．理解单相异步电动机的工作原理。2．了解单相异步电动机的机械特性。学习目标一、单相异步电动机的工作原理由三相异步电动机的工作原理可知，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流时，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，当交流电流变化一个周期时，磁场的磁极极性发生改变，但磁极的空间位置不变。183184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便于分析，可采用矢量分解的方法，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。185单相脉动磁场的分解这两个旋转磁场作用在转子绕组上，产生两个大小相等、方向相反的电磁转矩，其机械特性曲线如图所示。186单相异步电动机的机械特性曲线二、单相异步电动机的机械特性单相异步电动机的机械特性曲线具有如下特点：1．当n=0时，转矩T1、T2

大小相等、方向相反，合成转矩T=0。即单相异步电动机静止时，接通单相交流电源，所产生的转矩T1、T2

互相抵消，启动转矩为零，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。1872．当n>0时，T>0，说明如果有外力作用在单相异步电动机的转子上，使电动机按顺时针方向转动后，单相异步电动机正向转矩T1

变大，反向转矩T2

变小，合成转矩T

就是一个顺时针方向的电磁转矩，此时即使撤销外力，在电磁转矩T

的作用下，电动机仍然可以继续按顺时针方向旋转。3．当n<0时，T<0，说明如果有外力作用在单相异步电动机的转子上，使电动机按逆时针方向反转后，此时即使撤销外力，在电磁转矩T

的作用下，电动机仍然可以继续反转。1884．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；与额定功率相同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。综上所述，单相异步电动机接通单相交流电源时，如果用外力拨动单相异步电动机的转子，则转子绕组切割单相脉动磁场，从而产生感应电动势和感应电流，并将在磁场中受到电磁力的作用，转子将顺着拨动的方向转动起来。因此，要使单相异步电动机具有实际使用价值，就必须解决电动机的启动问题。189§2-3单相异步电动机的运行1901911．掌握单相异步电动机的启动原理。2．理解单相异步电动机反转和调速的原理。3．掌握单相异步电动机的反转和调速方法及适用范围。学习目标一、单相异步电动机的启动1．分相式单相异步电动机的启动原理由于单相异步电动机的启动转矩为零，因此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，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，两套绕组在空间上互差90°电角度。192单相异步电动机在旋转磁场的作用下产生启动转矩，在启动转矩的带动下，转子顺着旋转磁场的旋转方向开始转动。单相异步电动机转子转动以后，启动绕组就失去作用，如果此时将启动绕组的电源断开，工作绕组中电流产生的磁场为脉动磁场，脉动磁场就会在转子上产生一个与旋转磁场旋转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，在电动机转轴上输出机械能。上述启动方法称为单相异步电动机的分相启动，即把单相交流电裂变为两相交流电，从而在电动机内部建立起一个旋转磁场。1932．罩极式单相异步电动机的启动原理对于采用凸极式定子结构的罩极式单相异步电动机，当定子绕组通入单相交流电流时，产生脉动磁场，该磁场的一部分磁通Ф1

不穿过短路环，另一部分磁通Ф2

穿过短路环，如图所示。由于短路环中感应电流的阻碍作用，Ф2

在相位上滞后Ф1，从而在电动机定子铁芯上产生一个由未罩部分向被罩部分（短路环）方向移动的磁场，从而使转子获得启动转矩，启动转矩的方向是由定子的内部结构决定的，改变电源接线也不会改变电动机的转向。194195凸极式定子中脉动磁场的磁通示意图采用隐极式定子结构的罩极式单相异步电动机的启动原理类似，当工作绕组通入单相交流电流时，启动绕组在回路中产生感应电流，进而产生一个旋转磁场，由定子铁芯的工作绕组部分向启动绕组部分的方向旋转，使转子获得所需的启动转矩。196二、单相异步电动机的反转1．分相式单相异步电动机的反转改变分相式单相异步电动机旋转磁场旋转方向的方法包括两种：一种是改变电容器的接法，另一种是改变定子绕组与电源的接法。（1）改变电容器的接法改变电容器的接法是指将电容器从一套绕组中改接到另一套绕组中。197电容运转单相异步电动机的正、反转原理如图所示，电容启动单相异步电动机的正、反转原理如图所示。198电容运转单相异步电动机的正、反转原理a）启动绕组接电容器，电动机正转b）工作绕组接电容器，电动机反转199电容启动单相异步电动机的正、反转原理a）启动绕组接电容器，电动机正转b）工作绕组接电容器，电动机反转（2）改变定子绕组与电源的接法改变定子绕组与电源的接法是指将工作绕组或启动绕组的首端、尾端与电源的接线对调。电阻启动单相异步电动机的正、反转原理如图所示，双值电容单相异步电动机的正、反转原理如图所示。200201电阻启动单相异步电动机的正、反转原理a）工作绕组正接，电动机正转b）工作绕组反接，电动机反转202双值电容单相异步电动机的正、反转原理a）工作绕组正接，电动机正转b）工作绕组反接，电动机反转2．罩极式单相异步电动机的反转罩极式单相异步电动机的旋转方向是由磁极的未罩部分转向被罩部分，即使改变电源的接线，也不能改变电动机的转向，尤其是凸极式定子结构，罩极部分已经固定，如果要改变电动机的转向，只能在允许的条件下将转子从机座中抽出来，将机座调转180o

后再将转子装进去，这样就可以使罩极式单相异步电动机反转，如图所示。203204罩极式单相异步电动机的正、反转原理a）转子反向安装前，电动机正转b）转子反向安装后，电动机反转三、单相异步电动机的调速1．变频调速（改变电源频率调速）变频调速是指通过变频器先将单相工频交流电转换为直流电，再将直流电转换为频率可调的单相交流电，实现单相异步电动机的调速。电源频率越高，电动机转速越高；电源频率越低，电动机转速越低。这种方法需要变频器设备，成本较高，但可以实现单相异步电动机较宽范围的精准调速，适用于大功率单相异步电动机的调速。2052．变极调速（改变电动机磁极对数调速）变极调速是指通过改变单相异步电动机的磁极对数来调节电动机转速。磁极对数越多，电动机转速越低；磁极对数越少，电动机转速越高。这种方法需要更换电动机的定子和转子，成本较高。2063．调压调速（改变电源电压调速）调压调速方法适用于小功率单相异步电动机的调速。调压调速具有两个特点：一是电源电压只能从额定电压往下调，因此电动机转速也只能从额定转速往低调；二是由于单相异步电动机的电磁转矩与电源电压有效值的平方成正比，因此电源电压降低时，电动机的转矩大幅减小、转速大幅降低，故这种调速方法只能用于转矩随转速降低而减小的负载（称为风机型负载）。207（1）自耦变压器调速自耦变压器调速是通过调节自耦变压器的输出电压，采用不同的供电方式来调节单相异步电动机转速的方法。如图所示为自耦变压器调速电路，单相异步电动机上的电压可以通过自耦变压器来调节。208自耦变压器调速电路a）两套绕组降压运行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单相异步电动机定子绕组串联，利用电流在电抗器上产生的电压降，使电动机定子绕组上的电压低于电源电压，来调节单相异步电动机转速的方法。串电抗器调速时，电动机转速只能由额定转速往低调节。如图所示为串电抗器调速电路，启动绕组LF串联电容器C后与工作绕组LZ并联在单相交流电源上。209串电抗器调速电路（3）串电容器调速串电容器调速是将不同电容量的电容器串入单相异步电动机电路中，来调节单相异步电动机转速的方法。由于电容器的容抗与电容量成反比，因此，电容器的电容量越大，容抗就越小，相应的电压降也越低，电动机转速就越高；反之，电容器的电容量越小，容抗就越大，电动机转速就越低。如图所示为具有三挡速度的串电容器调速电路，其中电容器C2的电容量大于C1的电容量，电阻R1和R2为电容器的泄放电阻，在断电时将电容器中的电能泄放掉。210211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），通过调速器改变调速绕组与启动绕组LF、工作绕组LZ的接法，从而改变电动机内部旋转磁场的强弱，来调节单相异步电动机转速的方法。为了节约材料、降低成本，可将调速绕组与定子绕组做成一体。如图所示为定子绕组抽头调速电路，其绕组接法分为T形接法和L形接法两种。212213定子绕组抽头调速电路a）T形接法b）L形接法（5）双向晶闸管调速前面介绍的各种调压调速方法都是有级调速，单相异步电动机可以采用双向晶闸管实现无级调速。如图所示为双向晶闸管调速电路，调速时，旋转电路中带开关的电位器，就能改变双向晶闸管的控制角，使电动机得到不同的电压，达到调节单相异步电动机转速的目的。214双向晶闸管调速电路§2-4单相异步电动机的运维和检修2152161．了解单相异步电动机的运行与维护要求和方法。2．熟悉单相异步电动机的常见故障及检修方法。3．掌握单相异步电动机维修后的检验方法。学习目标一、单相异步电动机的运行与维护1．单相异步电动机使用环境应保持干燥，表面应保持清洁，通风口没有尘土等的阻碍。2．当单相异步电动机的热保护连续动作时，应查明故障原因，排除故障后方可投入运行。3．只有在单相异步电动机静止或转速降低到使离心开关复位后，才能改变电动机的接线方法。2174．额定频率为60Hz的单相异步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。5．单相异步电动机接线时，应准确区分工作绕组和启动绕组以及它们的首端和尾端。6．更换单相异步电动机的电容器时，电容器的电容量和额定电压必须与原规格相同，启动电容器应选用专用的电解电容器。218二、分相式单相异步电动机的检修1．启动元件的检修（1）离心开关的检修1）离心开关短路。离心开关短路后，其触点不能断开启动绕组与电源的连接，导致启动绕组发热而烧坏。2）离心开关断路。离心开关断路后，启动绕组不能接入电源，电动机无法启动。219（2）电容器的检修电容器是否正常可以采用以下方法进行检查：1）万用表检查法。万用表检查法是最常用的方法，利用电容器对直流电的充、放电特性进行。检查时，将指针式万用表置于电阻“R×10k”挡，对于刚使用过的电容器，先把电容器两引脚短接，使之放电，然后将万用表两表笔接电容器两引脚，如图所示。220用指针式万用表检测电容器2）充放电法。若没有万用表，可采用此方法。将电容器接到3～9V的直流电源上，经过2s左右取下电容器。将电容器两引脚短接，若听到噼啪的放电声，或看到放电火花，则说明电容器正常，否则说明电容器已损坏。注意：对于电解电容器，电源正极应接电容器“＋”极性端。3）替换法。将怀疑有故障的电容器从电路中拆下，用一只正常的电容器替换，如果电动机工作正常，则可断定原电容器已损坏。经过检查，若发现电容器出现短路、失效、漏电等故障，应更换新的电容器。替换时必须注意电容量、额定电压、工作温度、外形尺寸等，否则会影响电动机的正常工作。2212．分相式单相异步电动机的常见故障及检修方法电动机的同一种故障现象既可能由电气故障引起，也可能由机械故障引起。检修时，必须先分析可能的故障原因，然后根据先外后内的原则，逐一排查和修复。分相式单相异步电动机的常见故障及检修方法见下表。222223分相式单相异步电动机的常见故障及检修方法224分相式单相异步电动机的常见故障及检修方法三、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的检修容易。罩极式单相异步电动机的常见故障及检修方法见下表。225罩极式单相异步电动机的常见故障及检修方法226罩极式单相异步电动机的常见故障及检修方法四、单相异步电动机维修后的检验1．外观检查