单相异步电动机的起动方法优化

实际使用的单相异步电动机有两套绕组，且两套绕组接同一个电源。为使流入两套绕组中的电流相位不同，需要人为地使它们的阻抗不同，这种方法称为分相。分相的结果使电动机气隙中出现了椭圆形旋转磁场，从而使电动机具有一定的自行起动能力。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°电角度，如果通入两相对称相位相差90°的电流，即i_v=I_msinωt，i_u=I_msin（ωt+90°），就能实现单相异步电动机的起动，如图5-2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。由图可知，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n₁=60f/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5-3所示。

图5-2 两相绕组通入电流时的旋转磁场

图5-3 椭圆磁动势时单相异步电动机械特性

从上面分析中可看出，单相分相式异步电动机起动的必要条件一是定子具有空间不同相位的两套绕组，二是两套绕组中通入不同相位的交流电流。

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5-4所示。两个绕组接在同一单相电源上，副绕组（辅助绕组）中串一个起动开关。起动开关的作用是当转速上升到80%同步转速时切除副绕组，使电动机运行在只有主绕组工作的情况下。

为了使起动时产生起动转矩，通常可取以下两种方法。

图5-4 单相电阻分相起动异步电动机

a）示意图 b）相量图

1）副绕组中串入起动电阻。

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。电阻分相起动时，电流的相位移较小（小于90°电角度），电动机气隙中建立的是椭圆形旋转磁场，起动转矩较小。

（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电路如图5-5所示。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，则可以使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°电角度，得到一个接近圆形的旋转磁场，从而得到较大的起动转矩。同理，电动机转速达到75%～85%同步转速时，开关自动切除副绕组，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5-6所示。

图5-5 单相电容分相起动异步电动机(www.xing528.com)

图5-6 单相电容运转异步电动机

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。电容器容量对起动性能影响较大：电容量大，则起动转矩大，运行性能下降；反之，则起动转矩小，运行性能好。综合以上因素，为了保证有较好的运行性能，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5-7所示。图中，起动电容器C₁容量较大，运转电容C₂容量较小。起动时，C₁和C₂并联，总电容器容量大，保证电动机有较大的起动转矩；起动结束，切除C₁，由C₂维持运行，保证电动机有较好的运行性能。

单相分相式异步电动机转向由气隙旋转磁场方向决定，对调主绕组或副绕组电源接线，即可改变气隙磁场和电动机转向。

2.单相罩极式（磁通分相式）异步电动机

图5-7 单相电容起动及运转电动机

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5-8所示。凸极式异步电动机定子做成凸极铁心，凸极铁心上安装集中绕组，组成磁极，每个磁极1/4～1/3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。当定子绕组通入正弦交流电时，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，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5-9所示。

图5-8 单相罩极式异步电动机

图5-9 罩极电动机移动磁场示意图

由图5-9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。

综上所述，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；不足之处是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、排风扇等。

【思考与练习】

1）单相异步电动机起动的条件是什么？

2）什么是单相异步电动机的分相？常用的方法有哪两种？

3）单相分相式异步电动机按起动方法分哪几类？分别说明各类起动方法。

4）单相分相式异步电动机是如何改变旋转方向的？

5）单相异步电动机接通单相交流电时，产生一个____，____为零。通常采用____法使单相异步电动机起动。

6）采用单相____电源供电的电动机叫单相异步电动机，比如在实际应用中的____、____、____等。