單相感應(yīng)電動機的啟動課件

1、10單相及特殊用途的電動機 110.1 萬用電動機 要設(shè)計一部單相電機，最簡單的方法可能是拿一部直流電機而將其接於交流電源運轉(zhuǎn)。 由於電樞電流與場電流必須同時反轉(zhuǎn)，以上的設(shè)計將只適用於串激直流電動機（見圖 10-1）。為了使串激直流電動機能在交流輸入下有效的工作，電動機的磁極及定子框架必須完全由薄鋼片組成。如果不這麼做，鐵心損失將十分的嚴(yán)重。我們常將磁極及定子均以薄鋼片組成的電動機稱為萬用電動機（universal motor），因為它們可以同時操作於直流或交流電源之下。 2圖 10-1 萬用電動機的等效電路。 3典型的萬用電動機轉(zhuǎn)矩-速度曲線如圖 10-2 所示?；兑韵碌膬蓚€原因，此曲線將

2、與由直流電源驅(qū)動之同一電動機特性曲線有所不同圖 10-2 萬用電動機操作於直流及交流電源時之轉(zhuǎn)矩-速度特性比較。 41. 電樞與磁場線圈在 50 赫茲或在 60 赫茲之下會有很大的 電抗。這會造成輸入電壓在這些電抗上有明顯的壓降。如此一來，在交流輸入情況下的內(nèi)電壓 EA 將比直流輸入情況下低。由於 EAK，若電樞電流與感應(yīng)轉(zhuǎn)矩給定時，交流操作下之電動機將比直流操作下慢。52.另外，由於交流電壓的峯值是均方根值的倍，因此磁飽和可能會在電動機電流達(dá)到峯值時產(chǎn)生。這飽和現(xiàn)象會在給定的電流準(zhǔn)位下減少電動機磁通的均方根值，進(jìn)而降低電動機之感應(yīng)轉(zhuǎn)矩。而對直流電動機而言，磁通的降低將相對的造成轉(zhuǎn)速增加，這個

3、效應(yīng)將對第一點所造成之速度減低提供部分的補償。 6萬用電動機的應(yīng)用萬用電動機較不適合於定轉(zhuǎn)速的應(yīng)用。它的體積較小，且每安培可提供的轉(zhuǎn)矩較任何單相電動機均為大，適用於需要重量輕及高輸出轉(zhuǎn)矩的場合。 萬用電動機的速度控制控制萬用電動機速度之最佳方法為控制其輸入電壓之均方根值。輸入電壓之均方根值愈高，電動機之轉(zhuǎn)速將愈快。典型萬用電動機之轉(zhuǎn)矩-速度特性曲線對速度變化情形，如圖 10-3 所示。7圖 10-3 改變?nèi)f用電動機的端電壓對轉(zhuǎn)矩-特性曲線造成的影響。810.2 單相感應(yīng)電動機之簡介 圖 10-5 為一具有鼠籠式轉(zhuǎn)子及單相定子之感應(yīng)電動機。單相感應(yīng)電動機有一極不利的缺點。由於它的定子上只有單相繞

4、組，單相感應(yīng)電動機將不會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。由於單相感應(yīng)電動機沒有旋轉(zhuǎn)磁場，因此單相感應(yīng)電動機沒有啟動的轉(zhuǎn)矩。 由於定子磁場並不旋轉(zhuǎn)，定子磁場與轉(zhuǎn)子便沒有相對運動。轉(zhuǎn)子沒有因相對運動而產(chǎn)生的電壓及電流，同時也就不會有感應(yīng)轉(zhuǎn)矩。事實上，轉(zhuǎn)子上有由變壓器反應(yīng) d/dt 產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，而由於轉(zhuǎn)子線圈是短路的，電流亦在轉(zhuǎn)子中流動。但此一產(chǎn)生的磁場與定子的磁場成一直線，將無法在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生淨(jìng)轉(zhuǎn)矩。 9圖 10-5 單向感應(yīng)電動機。其轉(zhuǎn)子與三相感應(yīng)電動機相同，但定子只有單相。 10圖 10-6 單相感應(yīng)電動機啟動時的狀況。定子繞組在轉(zhuǎn)子上感應(yīng)反向的電壓及電流。產(chǎn)生與定子磁場成一直流的轉(zhuǎn)子磁場。ind0。 11單

5、相感應(yīng)電動機的雙旋轉(zhuǎn)磁場理論單相感應(yīng)電動機的雙旋轉(zhuǎn)磁場理論，基本上是將靜止的脈動磁場分解成兩個大小相同卻旋轉(zhuǎn)方向相反的磁場。這兩個磁場將分別影響感應(yīng)電動機，同時電動機所生的淨(jìng)轉(zhuǎn)矩則為此二磁場所感應(yīng)出的轉(zhuǎn)矩之總和。靜止磁場的磁通密度如下式所示BS(t)(Bmax cost) j（10-1） 12順時鐘方向旋轉(zhuǎn)的磁場可以下式表示（10-2）逆時鐘方向旋轉(zhuǎn)的磁場則可以表示成（10-3） 13圖 10-7 將單相脈動磁場分解成兩個同大小但旋轉(zhuǎn)方向相異的旋轉(zhuǎn)磁場。注意任何時刻兩磁場的和均在垂直平面上。 14圖 10-7 (續(xù)） 15順時鐘與逆時鐘方向旋轉(zhuǎn)的磁場的總和即為靜止的脈動磁場 BSBSBCW(t

6、)BCCW(t)（10-4）在單相感應(yīng)電動機中，順向和逆向的磁場均是由同一個電流所產(chǎn)生。由於兩個磁場均存在，正向旋轉(zhuǎn)磁場（有很高的等效轉(zhuǎn)子電阻 R2 /s）將限制電動機的定子電流（此電流會同時產(chǎn)生正向及反向的磁場）。 16圖 10-10當(dāng)電動機轉(zhuǎn)子被強迫反轉(zhuǎn)，BR 與 BS 間的角度趨近 180 。 17圖 10-11 所示只是單相感應(yīng)電動機的平均淨(jìng)轉(zhuǎn)矩，兩倍定子頻率的轉(zhuǎn)矩脈動。這些轉(zhuǎn)矩脈動的成因乃是因為在每週期中正向與反向磁場會互相交會兩次。 18圖 10-11 單向電動機的轉(zhuǎn)矩-速度特性線。此圖將反向旋轉(zhuǎn)磁場的電流限制考慮進(jìn)來。 19單相感應(yīng)電動機的交磁理論單相感應(yīng)電動機的交磁理論主要考慮

7、當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，定子磁場將會在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體上感應(yīng)出電壓及電流。以某種方法使得轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動的單相感應(yīng)電動機，如圖 10-12a 所示轉(zhuǎn)子的導(dǎo)體上將感應(yīng)出電壓，轉(zhuǎn)子電壓會使得轉(zhuǎn)子中有電流流動，由於轉(zhuǎn)子上的極大電抗，電流將落後電壓約 90。而由於轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速接近同步速度，轉(zhuǎn)子電流的 90 落後將造成峯值電流與峯值電壓間的 90 相角差。產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁場如圖 10-12b 所示。20圖 10-12 (a) 以交磁理論解釋之單向感應(yīng)電動機中的感應(yīng)轉(zhuǎn)矩。如果定子磁場是脈動的，它將會依圖上的標(biāo)示在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體上感應(yīng)電壓。無論如何，轉(zhuǎn)子電流落後於轉(zhuǎn)子電壓幾乎 90。而若轉(zhuǎn)子是轉(zhuǎn)動的，轉(zhuǎn)子電流的峯值將會落後於電壓一個角度。2

8、1圖 10-12 (續(xù)) (b) 此一轉(zhuǎn)子電流將產(chǎn)生落後定子旋轉(zhuǎn)磁場一個角度的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場。 22由於轉(zhuǎn)子上的損失，轉(zhuǎn)子磁場會比定子磁場略小且在空間與時間上均與定子磁場相差 90 。如果在不同的時間將此二磁場加入，將可得到一個反時針方向旋轉(zhuǎn)的磁場（參見圖 10-13）。 23圖 10-13 (a) 旋轉(zhuǎn)磁場的大小對時間的函數(shù)。24圖 10-13(續(xù)) (b) 不同時間下轉(zhuǎn)子與定子磁場之向量和，此圖顯示淨(jìng)磁場是反轉(zhuǎn)的。 2510.3 單相感應(yīng)電動機的啟動 有三種方法可用來啟動一單相感應(yīng)電動機，同時電動機也依此來分類。1. 分相繞組法2. 電容啟動繞組3. 蔽極啟動法上述的三種方法均是使電動機中的

9、兩個旋轉(zhuǎn)磁場的大小不同，從而使得電動機順著某方向啟動。 26分相繞組法分相繞組法是在單相感應(yīng)電動機中裝置兩組繞組，一為主繞組（M），而另一為輔助繞組（A）（見圖 10-14）。這兩個繞組在電氣上相差 90，輔助繞組將在電動機到達(dá)一預(yù)設(shè)之速度時，由離心開關(guān)切離。輔助繞組較主繞組有較高的電阻/電抗比，因此輔助繞組上的電流將會超前於主繞組電流。27圖 10-14 (a) 分相感應(yīng)電動機。(b) 啟動時電動機中的電流。 28由圖 10-15 可了解輔助繞組的功能。由於輔助繞組的電流超前於主繞組電流，因此輔助繞組的磁場峯值 BA 亦會超前於主繞組的磁場峯值 BM。由於 BA 之峯值較 BM 早產(chǎn)生，如此

10、將產(chǎn)生一逆時針旋轉(zhuǎn)的淨(jìng)磁場。 大部分應(yīng)用在不需很高啟動轉(zhuǎn)矩的場合。諸如風(fēng)扇、吹風(fēng)機及離心式抽水機等。 29圖 10-15 由於 IA 之峯值超前於 IM，將有一個反時針的淨(jìng)旋轉(zhuǎn)磁場。所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩-速度特性曲線如 (c) 所示。 30圖 10-15 (續(xù)) 31圖 10-16 分相電動機的剖面圖，其中有主繞組，輔助繞組及離心開關(guān)。 32電容啟動電動機在電容啟動電動機中（圖 10-17），電容與電動機中的輔助繞組串聯(lián)。適當(dāng)?shù)倪x擇電容的大小，可使得輔助繞組的磁動勢等於主繞組的磁動勢，且輔助繞組的電流超前主繞組 90 。當(dāng)這兩個繞組在空間上相差 90 時，電流的 90 相角差將會產(chǎn)生一固定大小的定子旋

11、轉(zhuǎn)磁場，而電動機將予以三相電源啟動之特性相同。在這種情況下，電動機的啟動轉(zhuǎn)矩將會達(dá)額定值的 300% 以上（圖 10-18）。 電容啟動電動機較分相電動機昂貴，故多用於需要較高啟動轉(zhuǎn)矩的場合，典型的應(yīng)用為壓縮機，幫浦，冷氣機及其他需要高啟動轉(zhuǎn)矩的設(shè)備。（見圖 10-19） 33圖 10-17 (a) 電容啟動感應(yīng)電動機。 (b) 啟動時電動機中的電流角。 34圖 10-18 電容啟動感應(yīng)電動機的轉(zhuǎn)矩-速度特性曲線。 35圖 10-19 (a) 電容啟動電動機。36圖 10-19 (b) 電容啟動電動機的內(nèi)部。 37永久分相電容及電容啟動電容運轉(zhuǎn)電動機由於啟動電容對電動機的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性曲線有很

12、大的改善，因此有時會將一小電容永久的留在電動機電路中。如果適當(dāng)?shù)倪x擇電容大小，電動機將與三相感應(yīng)電動機相同，在某一特定的負(fù)載下有一完美的固定大小之旋轉(zhuǎn)磁場。以這個方式設(shè)計的電動機通常稱為永久分相電容電動機或電容啟動-運轉(zhuǎn)電動機（圖 10-20）。在正常的負(fù)載情況下，永久分相電容電動機較傳統(tǒng)的單相感應(yīng)電動機較有效率，有更高的功因及更平滑的轉(zhuǎn)矩曲線。 38圖 10-20 (a) 永久電容分相電動機。(b) 此一電動機之轉(zhuǎn)矩-速度特性線。 39如果同時需要高啟動轉(zhuǎn)矩及良好的運轉(zhuǎn)狀況，有時必須在輔助繞組上使用兩個電容器。裝置兩個電容的電動機通常稱為電容啟動電容運轉(zhuǎn)電動機或雙值電容電動機（見圖 10-2

13、1）。較大的電容用於啟動，可以保證啟動時主繞組電流及輔助繞組電流的大略平衡及提供非常高的啟動轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電動機運轉(zhuǎn)至某一特定速度時，離心開關(guān)打開，輔助繞組上只剩下一較小的永久電容，此一電容足以使得正常負(fù)載下的電流平衡，同時使得電動機可以較有效率的提供高轉(zhuǎn)矩及高功因。永久電容大約是啟動電容的 10% 至 20% 大小。 40圖 10-21 (a) 電容啟動，電容運轉(zhuǎn)電動機 (b) 此一電動機之轉(zhuǎn)矩-速度特性線。 41蔽極電動機蔽極電動機是只有主繞組的感應(yīng)電動機。它並沒有輔助繞組，但相對的蔽極電動機在主磁極上有凸極，且凸極上繞有短路線圈，稱為蔽極線圈（shading coil）（見圖 10-22a）。

14、主繞組將在磁極上產(chǎn)生時變的磁通，當(dāng)磁通改變時，蔽極線圈上將感應(yīng)出一電壓電流，以反抗磁通之變化，這種反抗現(xiàn)象導(dǎo)致主磁通變化遲緩，繼而造成兩反向旋轉(zhuǎn)磁場輕微不平衡。這將造成一淨(jìng)旋轉(zhuǎn)磁場，淨(jìng)轉(zhuǎn)動方向乃是由主磁極上沒有蔽極線圈的一邊到有蔽極線圈的一邊。此一方法通常只用於非常?。ㄐ§?1/20 馬力）且只須非常小啟動轉(zhuǎn)矩的場合。但在上述的場合下，蔽極電動機是最便宜的選擇。 42圖 10-22 (a) 蔽極感應(yīng)電動機。(b) 此一電動機之轉(zhuǎn)矩-速度特性線。 43各種單相感應(yīng)電動機的比較 下列為根據(jù)啟動和運轉(zhuǎn)特性的優(yōu)劣，依序列出最好到最差的單相感應(yīng)電動機1. 雙值電容電動機2. 電容啟動電動機3. 永久分相

15、電動機4. 分相電動機5. 蔽極電動機4410.4 單相感應(yīng)電動機之速度控制 對於鼠籠式的電動機而言，可用的有下列三種控速方法1.改變定子頻率。2.改變極數(shù)。3.改變外加電壓 VT。 4510.5 單相感應(yīng)電動機之電路模型 本節(jié)主要是以雙旋轉(zhuǎn)磁場理論來導(dǎo)出電動機的等效電路。當(dāng)電動機靜止時，它就像是一個二次側(cè)短路的單相變壓器，因此其等效電路將如圖 10-27a 所示，與變壓器的等效電路相同。電動機在靜止時，氣隙中之脈動磁通可以分成兩個同大小但反向旋轉(zhuǎn)的磁場。由於這兩個磁場的大小相同，它們在轉(zhuǎn)子電路上的電阻及電抗上所產(chǎn)生的壓降亦會相等。我們可以將轉(zhuǎn)子分成兩個部分，藉以表示出兩個磁場的影響（圖 10

16、-27 b）。 46圖 10-27 (a) 單相感應(yīng)電動機靜止時之等效電路。只有主繞組內(nèi)有能量。(b) 正向及反向磁場效應(yīng)分開之等效電路。 47對正向的磁場而言，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的速度及正向旋轉(zhuǎn)磁場速度的標(biāo)么差即為轉(zhuǎn)差率 s，因此，在此部分的轉(zhuǎn)子電阻將變成 0.5R2 /s。正相旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)速度是 nsync，反相旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)速度則為 nsync。正向旋轉(zhuǎn)磁場速度及反向旋轉(zhuǎn)磁場速度的標(biāo)么差為 2。由於轉(zhuǎn)子是以低於正向旋轉(zhuǎn)磁場一個轉(zhuǎn)差率的速度旋轉(zhuǎn)，因此轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度與反向旋轉(zhuǎn)磁場速度的標(biāo)么差為（2s）。相對於此部分的轉(zhuǎn)子電阻將變成 0.5R2 /（2s）。 48單相感應(yīng)電動機等效電路之電路分析可以應(yīng)用

17、至三相感應(yīng)電動機之轉(zhuǎn)矩及功率的關(guān)係式亦可應(yīng)用在單相感應(yīng)電動機的正向及反向成分上，而單向感應(yīng)電動機的淨(jìng)轉(zhuǎn)矩則為正向成分與反向成分的差值。圖 10-29 為可供參考的單向感應(yīng)電動機之功率流向圖。 我們定義兩個阻抗，ZF 及 ZB，其中 ZF 為相對於正向旋轉(zhuǎn)磁場所有阻抗之等效阻抗，ZB 則為相對於反向旋轉(zhuǎn)磁場所有阻抗之等效阻抗。49圖 10-28 單相感應(yīng)電動機某一速度下之等效電路。只有主繞組內(nèi)有能量。 50圖 10-29 單相感應(yīng)電動機的功率流向圖。51（10-5）（10-6） ZF 及 ZB，流入電動機定子線圈的電流變成（10-7）52正向旋轉(zhuǎn)磁場在單相感應(yīng)電動機中所產(chǎn)生之氣隙功率為消耗於正向

18、成分轉(zhuǎn)子電阻 0.5 R2 /s 上的功率，而反向旋轉(zhuǎn)磁場在單相感應(yīng)電動機中所產(chǎn)生之氣隙功率則為消耗於反向成分轉(zhuǎn)子電阻 0.5R2 / (2s) 上的功率。因此，電動機的氣隙功率可由正向電阻 0.5 R2 /s 所產(chǎn)生的功率，反向電阻 0.5 R2 / (2s) 的功率，以及上述二者之差值計算出來。正向旋轉(zhuǎn)磁場上產(chǎn)生的氣隙功率可表示成 （10-8） 53反向旋轉(zhuǎn)磁場上產(chǎn)生的氣隙功率可表示成（10-9） 單相感應(yīng)電動機中的總和氣隙功率為（10-10） 三相感應(yīng)電動機中的感應(yīng)轉(zhuǎn)矩可由下式獲得（10-11） 54PAG 即為式（10-10）中所定義的淨(jìng)氣隙功率。PRCLPRCL,FPRCL,B （1

19、0-12） 單相感應(yīng)電動機的正向轉(zhuǎn)子銅損為PRCL,FsPAG,F（10-13）反向轉(zhuǎn)子銅損則為PRCL,BsPAG,B（10-14）雖然這兩項轉(zhuǎn)子損失式在不同的頻率下得到，轉(zhuǎn)子的總損失仍為此二者之加總。 55單相感應(yīng)電動機中電功率所產(chǎn)生的機械功率如 Pconv，以下式表示Pconvindm（10-15）由於 m(1s)sync，上式可改寫成Pconvind(1s)sync（10-16）由式（10-11），PAGindsync，所以Pconv 可以表示成Pconv(1s) PAG（10-17） 5610.6 其他形式的電動機 步進(jìn)電動機步進(jìn)電動機是設(shè)計成當(dāng)接受控制單元的一個信號脈衝時便前進(jìn)固定

20、角度的同步電動機，通常一個脈衝將使電動機前進(jìn) 7.5 或 15。此類的電動機多用於控制系統(tǒng)中，因為電動機的主軸或其他機械結(jié)構(gòu)可以被很準(zhǔn)確的控制。當(dāng)增加步進(jìn)電動機的極數(shù)時，每一步所前進(jìn)的度數(shù)將可減少。由式（4-31）可看出機械角度，極數(shù)及電角度間的關(guān)係為（10-18） 57表 10-1 兩極步進(jìn)電動機中之轉(zhuǎn)子位置與電壓的關(guān)係 58圖 10-38 (a) 簡單的三相步進(jìn)電動機及其控制單元。控制單元的輸入為一直流電源及一連串的脈衝。59圖 10-38 (b) 當(dāng)一連串的脈衝控制信號輸入時，控制單元的輸出電壓。(c) 脈衝數(shù)與控制單元輸出電壓的關(guān)係表。60圖 10-39 步進(jìn)電動機的操作(a) 在 a 相的定子輸入電壓 V，產(chǎn)生 a 相電流進(jìn)而產(chǎn)生定子磁場 BS，BR 與 BS 之間的交互作用會產(chǎn)生轉(zhuǎn)子上的反向轉(zhuǎn)矩。(b) 當(dāng)轉(zhuǎn)子磁場與定子磁場連成一直線後，淨(jìng)轉(zhuǎn)矩降為零。(b) 在 c 相的定子輸入電壓V，產(chǎn)生 c 相電流進(jìn)而產(chǎn)生定子磁場 BS，BR 與 BS 之間的交互作用會產(chǎn)生轉(zhuǎn)子上的反向轉(zhuǎn)矩。使轉(zhuǎn)子可以固定在新的位置上。 61步進(jìn)電動機的速度可以由式（10-18）及控制單元每單位時間輸入的脈衝數(shù)決定