单相异步电动机和同步电动机.ppt

单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,第9章 单相异步电动机和同步电动机,,9.,27,第9章  单相异步电动机和同步电动机,,,,返回总目录,单相异步电动机,,同步电动机,,,本章小结,,习题与思考题,,,,,,,,,,,本章内容,单相异步电动机就是指用单相交流电源供电的异步电动机单相异步电动机因其电源的方便而在家用电器、医疗器械以及工具中广泛使用三相同步电动机在额定负载内工作，是一种恒速电动机，三相同步发电动机广泛应用于各交流发电厂、站，同步电动机还可作为大容量异步电动机的功率补偿装置9.1 单相异步电动机,单相异步电动机具有结构简单、成本低、噪声小、运行可靠等优点，因此，广泛应用在家用电器、电动工具、自动控制系统等领域单相异步电动机与同容量的三相异步电动机比较，它的体积较大，运行性能较差因此，一般只制成小容量的电动机我国现有产品的功率从几瓦到几千瓦一、单相异步电动机基本工作原理,1. 一相定子绕组通电的异步电动机,,,一相定子绕组通电的异步电动机就是指单相异步电动机定子上的主绕组(工作绕组)是一个单相绕组当主绕组外加单相交流电后，在定子气隙中就产生一个脉振磁场(脉动磁场)，该磁场振幅位置在空间固定不变，大小随时间做正弦规律变化，如图9.1所示。

a) 正半周 (b) 负半周 (c) 脉振磁势变化曲线,图9.1 单相绕组通电时的脉振磁场,,为了便于分析，本节利用已经学过的三相异步电动机的知识来研究单相异步电动机，首先研究脉振磁动势的特性通过对图9.1的分析可知，一个脉振磁动势可由一个正向旋转的磁动势 和一个反向旋转的磁动势 组成，它们的幅值大小相等(大小为脉振磁动势的一半)、转速相同、转向相反、由磁动势产生的磁场分别为正向和反向旋转磁场同理，正反向旋转磁场能合成一个脉振磁场2. 单相异步电动机的机械特性,,单相异步电动机单绕组通电后产生的脉振磁场，可以分解为正、反向旋转的两个旋转磁场因此，电动机的电磁转矩是由两个旋转磁场产生的电磁转矩的合成当电动机旋转后，正、反向旋转磁场产生电磁转矩 、 ，它的机械特性变化与三相异步电动机相同在图9.2中的曲线1和曲线2分别表示,,的特性曲线，它们的转差率为,9.1 单相异步电动机,(9.1),,(9.2),,曲线3表示单相单绕组异步电动机机械特性当 为拖动转矩， 为制动转矩时，其机械特性具有下列特点：,,(1) 当转子转动时，,n,=0， = ，,T,= ，,,=0，表明单相异步电动机一相绕组通电时无起动转矩，不能自行起动。

2) 旋转方向不固定时，由外力矩确定旋转方向，并一经起动，就会继续旋转当,n,＞0，,T,＞0时机械特性在第一象限，电磁转矩属拖动转矩，电动机正转运行当,n,＜0，,T,＜0时机械特性在第二象限，,T,仍是拖动转矩，电动机反转运行3) 由于存在反向电磁转矩起制动作用，因此，单相异步电动机的过载能力、效率、功率因数较低9.1 单相异步电动机,图9.2 一相绕组通电时单相,,异步电动机的机械特性,,9.1 单相异步电动机,二、单,相异步电动机的起动方法,单相异步电动机不能自行起动，如果在定子上安放具有空间相位相差90°的两套绕组，然后通入相位相差90°的正弦交流电，那么就能产生一个像三相异步电动机那样的旋转磁场，实现自行起动常用的方法有分相式和罩极式两种1. 单相分相式异步电动机,,,单相分相式异步电动机结构特点是定子上有两套绕组，一相称主绕组(工作绕组)，另一相为副绕组(辅助绕组)，它们的参数基本相同，在空间相位相差90°的电角，如果通入两相对称相位相差90°的电流，即,i,v=,I,msin，,i,u=,I,msin(+90°)，就能实现单相异步电动机的起动，如图9.3所示图中反映了两相对称电流波形和合成磁场的形成过程。

由图可以看出，当ωt经过360°后，合成磁场在空间也转过了360°，即合成旋转磁场旋转一周其磁场旋转速度为,n,1=60,f,1,/P,，此速度与三相异步电动机旋转磁场速度相同，其机械特性如图9.4所示从上面分析中可看出，分相式单相异步电动机起动的必要条件为：,,(1) 定子具有空间不同相位的两套绕组；,,(2) 两套绕组中通入不同相位的交流电流9.1 单相异步电动机,图9.3 两相绕组通入两,,相电流的旋转磁场,,图9.4 椭圆磁动势时单相异,,步电动机的机械特性,,根据上面的起动要求，单相分相式异步电动机按起动方法分为以下几类：,,1) 单相电阻分相起动异步电动机,,单相电阻分相起动异步电动机的定子上嵌放两个绕组，如图9.5所示两个绕组接在同一单相电源上，副绕组(辅助绕组)中串一个离心开关开关作用是当转速上升到80%的同步转速时，断开副绕组使电动机运行在只有主绕组工作的情况下9.1 单相异步电动机,图9.5 单相电阻分相起动异步电动机,,为了使起动时产生起动转矩，通常可取两种方法：,,(1) 副绕组中串入适当电阻；,,(2) 副绕组采用的导线比主绕组截面细，匝数比主绕组少。

这样两相绕组阻抗就不同，促使通入两相绕组的电流相位不同，达到起动目的由于电阻分相起动时，电流的相位移较小，小于90°电角，起动时，电动机的气隙中建立的椭圆形旋转磁场，因此电阻分相式异步电动机起动转矩较小单相电阻分相异步电动机的转向由气隙旋转磁场方向决定，若要改变电动机转向，只要把主绕组或副绕组中任何一个绕组电源接线对调，就能改变气隙磁场，达到改变转向目的2) 单相电容分相起动异步电动机,,单相电容分相起动异步电动机的电路，如图9.6所示9.1 单相异步电动机,(a) 示意图 (b) 相量图,图9.6 单相电容分相起动异步电动机,,从图9.6中可以看出，当副绕组中串联一个电容器和一个开关时，如果电容器容量选择适当，则可以在起动时通过副绕组的电流在时间和相位上超前主绕组电流90°电角，这样在起动时就可以得到一个接近圆形的旋转磁场，从而有较大起动转矩电动机起动后转速达到75%～85%同步转速时副绕组通过开关自动断开，主绕组进入单独稳定运行状态3) 单相电容运转异步电动机,,若单相异步电动机辅助绕组不仅在起动时起作用，而且在电动机运转中也长期工作，则这种电动机称为单相电容运转异步电动机，如图9.7所示。

单相电容运转异步电动机实际上是一台两相异步电动机，其定子绕组产生的气隙磁场较接近圆形旋转磁场因此，其运行性能较好，功率因数、过载能力比普通单相分相式异步电动机好电容器容量选择较重要，对起动性能和影响较大如果电容量大，则起动转矩大，而运行性能下降反之，则,9.1 单相异步电动机,图9.7 单相电容运转异,,步电动机示意图,起动转矩小，运行性能好综合以上因素，为了保证有较好运行性能，单相电容运转异步电动机的电容比同功率单相电容分相起动异步电动机电容容量要小起动性能不如单相电容起动异步电动机4) 单相双值电容异步电动机(单相电容起动及运转异步电动机),,如果想要单相异步电动机在起动和运行时都能得到较好的性能，则可以采用将两个电容并联后再与副绕组串联的接线方式，这种电动机称为单相电容起动和运转电动机，如图9.8所示9.1 单相异步电动机,图中起动电容器,C,1容量较大，,C,2为运转电容，电容量较小起动时,C,1和,C,2并联，总电容器容量大，所以有较大的起动转矩，起动后，,C,1切除，只有,C,2运行，因此电动机有较好运行性能对电容分相式异步电动机，如果要改变电动机转向，只要使主绕组或副绕组的接线端对调即可，对调接线端后旋转磁场方向改变，因而电动机转向也随之改变。

2. 单相罩极式(磁通分相式)异步电动机,,,单相罩极式异步电动机的结构有凸极式和隐极式两种，其中以凸极式结构最为常见，如图9.9所示图9.8 单相电容起动与运转,,异步电动机示意图,,图9.9 罩极异步电动机示意图,,9.1 单相异步电动机,凸极式异步电动机定子做成凸极铁心，然后在凸极铁心上安装集中绕组，组成磁极，在每个磁极1/3～1/4处开一个小槽，槽中嵌放短路环，将小部分铁心罩住转子均采用笼型结构罩极式异步电动机当定子绕组通入正弦交流电后，将产生交变磁通Φ，其中一部分磁通 不穿过短路环，另一部分磁通 穿过短路环，由于短路环作用，当穿过短路环的磁通发生变化时，短路环必然产生感应电动势和感应电流，感应电流总是阻碍磁通变化，这就使穿过短路环部分的磁通 滞后未罩部分的磁通 ，使磁场中心线发生移动于是，电动机内部产生了一个移动的磁场或扫描磁场，将其看成是椭圆度很大的旋转磁场，在该磁场作用下，电动机将产生一个电磁转矩，使电动机旋转，,,如图9.10所示由图9.10可以看出，罩极式,,电动机的转向总是从磁极的未罩部分向被罩,,部分移动，即转向不能改变。

单相罩极式异步电动机的主要优点是结,,构简单、成本低、维护方便但起动性能和,,运行性能较差，所以主要用于小功率电动机,,的空载起动场合，如电风扇等图9.10 罩极式电动机移,,动磁场示意图,,三、单相正弦绕组,9.1 单相异步电动机,普通的单相异步动机旋转磁场波形,,不太好，在运行中不太平稳，振动、噪,,声都比较大，一般都是用在环境要求不,,太高的条件下而在家用电器上就不适,,用，如冰箱、空调、洗衣机、电风扇等而单相正弦绕组的单相电动机就可以,,满足要求，大量应用在家用电器中下面就单相4极24槽电动机的正弦绕组,,展开图为例进行说明，如图9.11所示a) 各槽导线匝数相对分布图,(b) 绕组展开图,,图9.11 单相4极24 槽电动机正弦绕组,,9.1 单相异步电动机,图9.11(a)中横轴代表电动机槽号分布，纵轴代表各槽中每相绕组匝数的相对量从图9.11(b)中可以看到，每个槽号下都有两条线圈边，这是一个双层绕组也就是说每个线槽被分成了上下层，分配给主、副两相绕组(主、副两相绕组的参数可以一样也可以不一样)嵌线时，一般是先将主绕组各线圈嵌放进线槽下层，也即主绕组全部是下层，垫上绝缘后，再将副绕组嵌放入各槽上层。

产生磁极的几个线圈(一组线圈)有同心式的几个线圈组成，但各线圈的匝数不同，大线圈匝数多，小线圈匝数少嵌线以后，各线槽中每相绕组的导体数随槽号数按正弦规律分布，“正弦绕组”由此得名，这也是此种绕组与其他形式绕组的根本区别现在观察一个线圈组，例如U相绕组的第一组：4号和9号槽中嵌大线圈，其匝数最多(以它为例100%)，5号、8号槽中线圈匝数均为大线圈的75%，6号、7号槽中嵌小线圈，匝数最少，约是大线圈的25%其他各线圈组(包括V相组)的情况类似由于正弦绕组为比较特殊的双层绕组，所以在绘制时要注意例如U相绕组，要按照一个极距内所有下层边电流方向必须一致进行连接，U相绕组嵌放完毕，V相绕组(全部为上层绕组)嵌放以U相为准，或左或右推半个极距，一个极距内所有上层边电流方向必须一致进行连接实际中，单相电动机“正弦绕组”中的小线圈匝数可能是零，也就是说，造成整个绕组从外观上看好像是单、双层混绕，例如本例中的6号、7号槽内U相绕组匝数若为零，即没有U相绕组，只有V相单层绕组；而3号、4号槽中V相绕组匝数为零，即没有V相绕组，只有U单层相绕组；8号槽中为双层绕组，即U、V两相都有需要注意的是，在此种情况下这里仍然按照双层绕组进行分析讨论。

因为可以认为零不是没有，只是匝数很少，少到匝数为零，零只不过是一个数而已，与10匝、20匝等一样9.2 同步电动机,,同步电动机也是交流电动机同步电动机可以作发电动机用，世界上各发电厂和发电站所发的三相交流电能，都是三相同步发电机发出的；也可以作电动机用三相同步电动机主要用于功率较大、转速不要求调节的生产机械，例如拖动大型水泵、空气压缩机和矿井通风机等一、同步电动机的特点,1. 同步电动机的分类,,,同步电动机就是转子的转速始终与定子旋转磁场的转速相同的交流电动机按照其结构形式分类有：同步发电动机、同步电动机、同步调相机2. 同步电动机的特点,,,同步电动机转子的转速,n,与定子电源频率,f,1、磁极对数,p,之间应满足,,n,=,n,1=60,f,1/,p,(9.3),,上式表明，当定子电流频率,f,1不变时，同步电动机的转速为常数，与负载大小无关(在不超过其最大拖动能力时)，是它的一大优点另外，同步电动机的功率因数可以调节，当处于过励状态时，还可以改善电网的功率因数，这也是它的最大优点9.2 同步电动机,,3. 同步电动机的结构,,,同步电动机有旋转电枢式和旋转磁极式两种。

旋转电枢式应用在小容量电动机中，而旋转磁极式用于大容量电动机中图9.12所示为旋转磁极式同步电动机a) 隐极式 (b) 凸极式,,图9.12 三相旋转磁极式同步电动机结构示意图,,1—定子 2—转子 3—集电环,,从图9.12中可以看出，同步电动机的主要结构由定子和转子组成定子部分与三相异步电动机完全一样，是同步电动机的电枢同步电动机转子上装有磁极，分为凸极式和隐极式两种当励磁绕组通入电流,If,时，转子上产生N、S极9.2 同步电动机,,二、同步电动机基本工作原理,由于同步电动机在工作中是可逆的，又多用于同步发电动机发电场合，所以在此我们只介绍同步电动机的基本工作原理1. 三相同步电动机的基本工作原理,,,如果三相交流电源加在三相同步电动机定子绕组时，就产生旋转速度为,n,的旋转磁场转子励磁绕组通电时建立固定磁场假如转子以某种方法起动，并使转速接近,n,1，这时转子的磁场极性与定子旋转磁场极性之间异性对齐(定子S极与转子N极对齐)根据磁极异性相吸原理，定转子磁场间就产生电磁转矩，促使转子跟旋转磁场一起同步转动即,n,=,n,1，故称为同步电动机。

同步电动机实际运行时，由于空载总存在阻力，因此转子的磁极轴线总要滞后旋转磁场轴线一个很小角度θ，促使产生一个异性吸力(电磁场转矩)；负载时，,θ,角增大，电磁场转矩随之增大电动机仍保持同步状态当然，负载若超过同步异性吸力(电磁转矩)时，转子就无法正常运转2. 同步电动机的电磁关系,,,以隐极式同步电动机为例，如图9.13所示根据图9.13给出的同步电动机定子绕组各电量正方向，可列出U相回路的电压平衡方程式(忽略定子绕组电阻)9.2 同步电动机,,(9.4),,式中 ——励磁磁通在定子绕组里的感应电动势(V)；,,——电枢绕组等效电抗，称为同步电抗(,,)根据电压平衡方程式，并假设此时同步电动机的功率因数为领先时的相量图，如图9.14所示图中与之间的夹角,θ,称为功率角，其物理定义是合成等效磁极与转子磁极轴线之间的夹角，如图9.15所示θ,角的大小，表征了同步电动机电磁功率和电磁转矩的大小图9.13 同步电动机各电量,,的正方向(按电动机惯例),,图9.14 隐极式同步电动,,机的电动势相量图,,9.2 同步电动机,,3. 三相同步电动机的起动及调速,,1) 三相同步电动机的起动,,三相同步电动机本身没有起动转矩，通电后转子不能起动。

下面以图9.16说明不能自行起动的原因图9.15 等效磁极,,图9.16 同步电动机的起动,,由图9.16可看出当静止的三相同步电动机的定、转子接通电流时，定子三相绕组产生旋转磁场，转子绕组产生固定磁场9.2 同步电动机,,假设起动瞬间，定、转子磁极的相对位置如图9.16(a)所示，旋转磁场产生逆时针方向转矩由于旋转磁场以同步速旋转，而转子本身存在惯性，不可能一下子达到同步速这样定子的旋转磁场转过180°到了图9.16(b)，这时转子上又产生一个顺时针转矩由此，可见在一个周期内，作用在同步电动机转子上的平均起动转矩为零所以，同步电动机就不能自行起动三相同步电动机的起动方法有3种：辅助起动法、变频起动法和异步起动法下面介绍目前应用较多的异步起动法三相异步电动机异步起动法就是在转子极靴上装一个起动绕组(阻尼绕组)，利用异步电动机起动原理来起动，具体步骤如下：,,(1) 首先将三相同步电动机的励磁绕组通过一个附加电阻短接，该附加电阻约为励磁绕组电阻的10倍，并且励磁绕组不可开路2) 起动过程中采用定子绕组建立的旋转磁场，在转子的起动绕组中产生感应电动势及电流，而产生类似于异步电动机的电磁转矩。

3) 当三相同步电动机的转速接近同步转速时，将附加电阻切除，励磁绕组与励磁电源连接，依靠同步转矩保持电动机同步运行在三相同步电动机异步起动时，如果为限制起动电流，可采用减压起动当转速达到同步转速时，电压恢复至额定值，然后再给直流励磁，使同步电动机进入同步运行9.2 同步电动机,,2) 三相同步电动机的调速,,一般由三相同步电动机、变频器及磁极位置检测器，再配上控制装置等，就构成了自控式同步电动机调速系统改变自控式同步电动机电枢电压即可调节其转速，并具有类似直流电动机的调速特性，但不需要直流电动机那样的机械换相器，所以也称无换相器电动机自控式同步电动机调速系统可以用于拖动轧钢机、造纸机以及数控机床用伺服电动机等要求高精度，高静、动态特性的场合；也可以用于拖动风机、泵类负载等只要求调速节能而对待特性要求不高的场合有些大容量同步电动机，为了能平稳起动，在起动过程中，改接成自控式同步电动机运行，待起动完毕，再把同步电动机直接并网运行显然，针对不同的使用场合，应采用不同的控制方法9.2 同步电动机,,三、同步电动机的功率因数的调整,,1. 功角、矩角特性,,,同步电动机接在电网上运行时，当,,,角变化时，电磁功率,P,M的大小也随之变化，通常把,P,M =,f,(,,,)的关系称为同步电动机的功角特性。

其数学表达式(隐极式)为式(9.5)，特性曲线如图9.17所示把式(9.5)等号两边同除以,,得电磁转矩为,,,,式(9.6)为三相同步电动机的矩角特性表达式，,,如图9.17所示同步电动机额定运行时，,,N =20°～30°当,,,=90°时，,P,M=,P,Mmax，,T,=,T,max；当,,,＞90°，,,会出现“失步”现象，同步电动机不能正常运行9.5),,(9.6),,图9.17 隐极式同步电动机的功角、矩角特性,,,2. V形曲线,,,同步电动机的V形曲线是指在电网恒定和电动机输出功率恒定的情况下，电枢电流和励磁电流之间的关系曲线，即,I,=,f,(,I,f)，如图9.18所示如果电网电压恒定，则,U,与,f,1均保持不变忽略励磁电流,I,f改变时附加损耗的微弱变功率也保持不变即,9.2 同步电动机,,图9.18 同步电动机的V形曲线,,当,,(9.7),,有 常数 常数 (9.8),当电动机带有不同的负载时，对应有一组V形曲线输出功率越大，在相同励磁电流条件下，定子电流增大，V形曲线向右上方移。

对应每条V形曲线定子电流最小值处，即为正常励磁状态，此时 1左边是欠励区，右边是过励区并且欠励时，功率因数是滞后的，电枢电流为感性电流；过励时，功率因数是超前的，电枢电流为容性电流由于,P,Mmax与,E,0成正比，所以当减小励磁电流时，它的过载能力也要,9.2 同步电动机,,降低，而对应功率角则增大，这样，在某一负载下，励磁电流减少到一定值时，θ角就超过90°，对隐极式同步电动机就不能同步运行图9.18虚线表示了同步电动机不稳定运行的界限由于电网上的负载多为感性负载，如果同步电动机工作在过励状态下，则可提高功率因数这也是同步电动机的最大优点所以，为改善电网功率因数和提高电动机过载能力，同步电动机的额定功率因数为1～0.8(超前)本 章 小 结,,本章主要介绍了单相异步电动机的工作原理、起动方法和调速方法，同时介绍了同步电动机的结构、原理及起动和调速方法1) 单相异步电动机最大特点是以单相电源工作当工作绕组通电后，产生脉振磁场脉振磁场是由两个大小相等、速度相等、转向相反的旋转磁场组成，因此不产生起动转矩2) 为了解决单相异步电动机起动问题，常用分相起动或罩极起动。

两种起动方法的共同点是：在气隙中建立一个旋转磁场(圆形或椭圆形)，故分相式异步电动机在定子增加一套绕组，使其与主绕组一起工作，达到分相作用并获得相位不同的两相电流，从而获得起动转矩3) 同步电动机转子转速与旋转磁场转速相同，常用的结构形式为凸极式和稳极式两种由于转子转速以同步转速旋转，因此与负载大小无关三相同步电动机由于无起动转矩，常用的起动方法有异步起动法、辅助起动法、调频起动法同步电动机特点：①转速恒定；②功率因数可调；③电网变化时，过载能力小思考题与习题,9-1 单相单绕组异步电动机能否自行起动?,,9-2 比较单相电阻起动电动机、单相电容起动电动机、单相电容运转电动机的运行特点及使用场合9-3 如何改变分相式异步电动机的旋转方向？罩极式单相异步电动机的旋转方向能否改变？为什么？,,9-4 一台定子绕组为Y接法的三相笼型异步电动机轻载运行时，若一相引出线电源突然断电，电动机还能否继续运行？如果带额定负载运行能否继续运行？电动机停下来能否重新起动?,,9-5 一台单相电容运转式风扇，通电后不转动，用手拨动风扇叶，则它转动这是什么故障?,,9-6 正常运行时同步电动机为什么能保持同步转速状态？而三相异步电动机却不能？,,9-7 同步电动机能否自行起动？若不能一般采用哪些起动方法？,,9-8 同步电动机V形曲线是指什么？,,9-9 三相同步电动机采用异步起动法时，为什么其励磁绕组要先经过附加电阻短接？,,9-10 一台拖动恒转矩负载运行的同步电动机，忽略定子电阻，当功率因数为领先的情况下，若减小励磁电流，电枢电流怎样变化？功率因数又怎样变化？,。