单相异步电动机的应用及控制方案

1.单相异步电动机的启动

由前面的分析可知，若单相异步电动机只有一个工作绕组，向单相异步电动机工作绕组通入单相交流电后，产生的是一个脉振磁场，脉振磁场对转子没有磁场力的作用，不能产生启动转矩，单相异步电动机也就不能自行启动。只能借助外力拨动转子，使转子导体切割定子脉振磁场后电动机才能启动并顺着拨动的方向转动起来。因此，必须解决单相异步电动机的启动问题。

若要让单相异步电动机能够产生启动转矩，关键是要在单相电动机的气隙中形成旋转磁场，而产生旋转磁场的条件是多相绕组（空间的）通入多相电流（时间的）。所谓多相至少是两相。因此在单相电动机中除了空间有相位差以外，流过它们的电流在时间上也必须要有相位差。这样才能产生旋转磁场，使电动机能够自行启动。通常采用的解决办法是在定子铁芯内放置两个有空间角度差的绕组（工作绕组和启动绕组），并且使这两个绕组中流过的电流不同相位（即分相），这样就可以在电动机气隙内产生一个旋转磁场，电动机就可以自行启动了。实践中经常采用分相式和罩极式2种启动方法。

（1）分相式单相异步电动机

分相式单相异步电动机包括电容启动电动机、电容运转电动机、电容启动运转电动机和电阻启动电动机等，如图5-5所示。分相式单相异步电动机的定子铁芯上嵌有主绕组和副绕组，两者的轴线在空间相距90°电角度，并接在同一电源上。

①电容启动电动机。

单相电容启动异步电动机的定子有两套绕组，一套称为工作绕组（也称为主绕组），另一套称为启动绕组（也称为辅助绕组）。两绕组在安装的空间位置上相差90°，启动绕组串联一个容量较大的电容器，起到电流分相的作用，并通过离心开关或者继电器的触点与工作绕组共同并联在单相电源上。因为工作绕组呈电感性，电流滞后于电压U。如果适当选择电容C，使流过启动绕组的电流超前I190°。如图5-6所示，相当于在时间相位上互差90°的两相电流流入在空间相差90°的两相绕组中，便在气隙中产生旋转磁场，并在该磁场作用下产生电磁转矩使电动机转动。

图5-5　分相式单相异步电动机启动方式

1－运行绕组；2－启动绕组

图5-6　相量图

这种电动机的启动绕组是按的短时工作方式设计的，所以当电动机转速达同步转速70％～85％时，启动绕组和启动电容器C就在离心开关作用下自动退出工作，这时电动机就在工作绕组单独作用下运行。

欲改变电容启动电动机的转向，只需将工作绕组或启动绕组的两个出线端对调，也就是改变启动时旋转磁场的旋转方向即可。

此类电动机启动电流及启动转矩均大，但价格稍贵，主要应用于电冰箱、洗衣机、压缩机和小型水泵等。

②电容运转电动机

单相电容运转异步电动机与单相电容启动异步电动机之间的区别就在于，电容运转电动机启动后不需把电容器切除。这样做不但能使电动机产生较大的启动转矩，同时还能改善电动机的功率因数，提高电动机的过载能力。电容运转电动机的启动绕组和电容器不仅在电动机启动的时候起作用，运行的时候也起作用。所以，电容运转电动机实质上相当于一台两相异步电动机，因此启动绕组应按长期工作方式设计。

此类电动机的启动性能不如电容启动电动机好，价格低，功率因数高，结构比较简单，维护也简单一些，适用于风扇、洗衣机等。

③电容启动运转电动机

单相电容运转异步电动机启动绕组所串电容器的电容量，主要是根据运行性能要求而确定的，比根据启动性能要求而确定的电容量要小，因此，这种电动机的启动性能不如电容启动电动机好。为了进一步提高电动机的启动转矩、功率因数、效率和过载能力，通常在启动绕组中串入两个并联的电容器，即启动电容器和工作电容器。其中启动电容器串接启动开关，启动时，闭合启动开关，两个电容器同时作用，电容量为两者之和，电动机有良好的启动性能。当转速上升到一定程度，开关自动打开，切除启动电容器，运行电容器与启动绕组参与运行，确保良好的运行特性。

此类电动机虽然结构较复杂、成本较高，维护工作量较大，但其启动转矩大，启动电流小，功率因数和效率较高，适用于空调机、小型控压机和电冰箱等。

④电阻启动电动机

定子具有主绕组和副绕组，它们的轴线在空间相差90°电角度。电阻值较大的副绕组经启动开关与主绕组并联后接于单相电源上。当转速上升到同步转速的75％～80％时，使开关自动打开，切断启动绕组电路。此开关可用装在电机轴上的离心开关，当转速升至一定程度靠离心力打开；也可以用电流继电器的触头作此开关，启动开始电流大，触头吸合，转速上升至一定程度时电流见小，触头打开。

此类电动机结构简单，启动电流大，价格稍低，主要应用于搅拌机、小型鼓风机、医疗器械等。

（2）罩极式单相异步电动机

单相罩极式异步电动机按磁极形式的不同，其结构可分为凸极式和隐极式两种。凸极式结构应用较广泛。

凸极式罩极电动机的定子、转子铁芯用厚度0.5mm的硅钢片叠成，定子做成凸极铁芯，工作绕组集中绕制，套在定子磁极上。在极靴表面的处开有一个小槽，并用短路环把这部分磁极罩起来，故称为罩极电动机，如图5-7（a）所示。短路环起到启动绕组的作用。罩极电动机的转子仍做成笼型。它结构简单，工作可靠，但启动转矩较小，功率因数低。此类电动机价格低，主要应用于小型风扇、仪器仪表电动机、电唱机等。(www.xing528.com)

当单相交流电通过工作绕组时，定子磁极中产生脉振磁场，一部分磁通穿过磁极未罩部分，另一部分磁通Φ2穿过短路环。并在短路环中产生感应电动势和感应电流，这个感应电流所产生的磁通为Φk。这样通过短路环的总磁通是与的相量和，即Φ′2，如图5-7（b）所示。Φ2′与Φ1在相位上相差一个φ角，如图5-7（c）所示，因此罩极式电动机中也是一个旋转磁场。当交流电的相位改变时，Φ1的相位永远超前Φ2′的相位，使转子旋转的方向总是从超前绕组轴线转向滞后绕组的轴线，即电动机的转向总是从磁极的未罩部分转向被罩部分。显然，罩极式异步电动机制成后是不能改变其旋转方向的。

图5-7　罩极式电动机

2.单相异步电动机的正反转控制

分相式单相异步电动机，如果要改变电动机的转向，只需将工作绕组或启动绕组中的任意一个绕组接电源的两出线对调，即可将气隙旋转磁场的旋转方向改变，随之转子转向也可改变。

单相罩极式异步电动机，即使对调工作绕组接电源的两个出线端，也不能改变它的转向。

3.单相异步电动机的调速

单相异步电动机在某些场合应用时也会有不同的速度要求，如家用风扇一般有三挡风速。但是单相异步电动机与三相异步电动机相比，其单位容量的体积大，效率及功率因数均较低，过载能力差。因此，单相异步电动机只能做成微型的，功率一般在几十瓦至几百瓦之间。对于单相异步电动机的调速和常用的方法有变频调速、降压调速和变极调速。常用的降压调速又分为串电抗器调速、绕组抽头调速、串电容调速、自耦变压器调速和晶闸管调速等。

（1）串电抗器调速

这种调速方法是将电抗器与电动机定子绕组串联，通电时，利用在电抗器上产生的电压降使加到电动机定子绕组上的电压低于电源电压，从而达到降压调速的目的。因此用串电抗器调速法时，电动机的转速只能从额定转速向低速调速。如图5-8所示为电风扇的串电抗器调速电路。

这种调速方法的优点是线路简单、操作方便；缺点是电压降低后，电动机的输出转矩和功率明显降低，因此只适用于转矩及功率都允许随转速降低而降低的场合。

图5-8　电风扇调速电路

（2）绕组抽头调速

电容运转电动机在调速范围不大时，普遍采用定子绕组抽头调速。这种调速方法是在定子铁芯上再放一个调速绕组（又称中间绕组），它与工作绕组及启动绕组连接后引出几个抽头，通过改变调速绕组与工作绕组、动绕组的连接方式，调节气隙磁场大小及椭圆度来实现调速的目的，这样就省去了调速电抗铁芯，降低了产品成本，节约了电抗器的能耗。其缺点是使电动机嵌线比较困难，引出线头多，接线复杂。这种调速方法通常有L形接法和T形接法两种，如图5-9所示。

图5-9　电容电动机绕组抽头调速接线图

（3）串电容调速

将不同容量的电容器串入单相异步电动机电路中，也可调节电动机的转速。电容器容抗与电容量成反比，故电容量越小，容抗就越大，相应的电压降也就越大，电动机转速越低；反之电容量越大，容抗就越小，相应的电压降也就越小，电动机转速越高。

由于电容器具有两端电压不能突变的特点，因此在启动瞬间，调速电容器两端的电压为零，即电动机的电压为电源电压，电动机启动性能好。正常运行时，电容器上无功率损耗，效率较高。

（4）自耦变压器调速

可以通过调节自耦变压器来调节加在单相异步电动机上的电压，从而实现电动机的调速，如图5-10所示。图5-10（a）为电路在调速时使整台电动机降压运行，因此低速挡时启动性能较差。图5-10（b）为电路在调速时仅使工作绕组降压运行，因此低速挡时启动性能好，但接线较复杂。

图5-10　自耦变压器调速电路

（5）晶闸管调压调速

前面介绍的各种调速电路都属于有级调速，目前采用晶闸管调压的无级调速已越来越多，如图5-11所示，整个电路只用了双向晶闸管、双向二极管、带电源开关的电位器、电容和电阻等5个元件，电路结构简单，调速效果好。

图5-11　吊扇晶闸管调压调速电路