基于旋轉相量的單相交流異步電動機原理講解

摘 要：針對單相交流異步電動機原理講解困難，從旋轉相量分析入手，分析了2極4極脈動磁場，總結得單相交流異步電動機原理，并用1臺家用排風扇的分相式以4極電機作為對象，利用萬用表和光電轉速表實踐驗證，得出可信結論。

關鍵詞：旋轉相量 脈動磁場 單相交流異步電動機

中圖分類號：G71 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）12（c）-0172-02

1 背景介紹

電動機按用電類型分為交流電機和直流電機，直流電機結構和使用維修較復雜[1]，使用選擇順序依次是交流三相鼠籠式，交流三相繞線式，單相鼠籠式，直流電機等。

單相交流異步電機在工農業生產和家用電器中應用非常廣泛[2]，是機電專業學生必學內容[3]，要學習單相交流異步電機工作原理，須先掌握三相交流異步電機工作原理和其轉矩特性。在掌握三相交流異步電機工作特性后，通過分析單相電機磁場關系，得出單相電機旋轉結論。

2 三相交流異步電動機原理

三相交流異步電動機原理是在三相對稱的定子繞組中通入對稱三相交流電產生旋轉磁場[4，5]，旋轉磁場切割轉子繞組產生感生電動勢。感生電動勢在閉合的轉子回路中產生感生電流。由感生電流在磁場中產生旋轉力矩使電機旋轉起來。至此可看出：只要有旋轉磁場，而且轉子回路是閉合回路就可旋轉。

三相交流異步電動機描述轉矩特性是根據

M=CMφSE20r2/[r+（SX20）2]

CM為轉矩常數；

φ為定子繞組轉子繞組共同作用的磁通；

S為轉差率；

r2為轉子回路電阻值；

E20為轉子不轉時，轉子感生電動勢；

X20為轉子不轉時，轉子回路漏電抗。

由上述關系和多次試驗等方法得出特性曲線。

雖各類三相交流異步電機轉矩特性曲線有一定的差別，但大體走勢（如圖1）。

單相交流異步電機的講解和學習，就是建立在前面這些基礎理論之上的。講解方法一般有兩種[5，6]：一種是采用在波形圖上直接分解成二個相反的旋轉磁場；另一種方法是采用三角函數轉換進行講解。這兩種方法都要求數學基礎好，而多數學生數學知識不足，理解起來比較費勁，筆者經過分析研究采用了旋轉相量法進行講解，效果較好，現介紹如下。

3 單相交流異步電動機原理

單相交流異步電動機是單相繞組中通入單相交流電，由此而產生的磁場是一個脈動磁場（見圖2、3）。

以二級電機為例分析，由于通入的電流i=IMsinωt，因此產生的磁感應強度B=BMsinωt。下面我們做個假設：有二個B =BM的相量，以同一圓心ω的角頻率相反旋轉（見圖4）。

當ωt=0時，B=BM-BM=0。

當ωt等于任一值時，

X軸合成為BX=BMcosωt-BMcosωt

Y軸合成為BY=BMsinωt+BMsinωt

=BMsinωt

則總的B=BY=BMsinωt。

既然可以把一個單相的脈動磁場分解成兩個磁感應強度幅值相等的轉向相反的旋轉磁場，則可認為，單相異步電動機的電磁轉矩也是由這兩個旋轉磁場分別產生的電磁轉矩合成的結果（見圖5）。從圖4中可得出四個特點：（1）它的起動轉矩為零，不能自行起動。（2）它的旋轉方向是不固定的，完全取決于起動時的旋轉方向。（3）離開零點后可保證啟動（M與n同方向增大）。（4）當n增大到一定程度時，M開始減小，達到平衡時轉速穩定。對于4級、6級單相電機分解類同，只是分解角度分別是1/2、1/3，即旋轉速度分別是2級電機的1/2、1/3（見圖5）。

4 實踐驗證

4.1 電機參數（見表1）

4.2 測試儀器

萬用表AC97，產地：中國；光電轉速表DT-2234B，產地：中國臺灣。

4.3 驗證步驟

步驟1：先測量電源，測定電壓，測試為結果，三次分別為226 V、224 V、225 V。滿足要求，將交流電通入單相電機（沒有接電容），電機不轉。用手轉動一下轉軸則電機迅速起動運轉起來，經過一段時間轉速穩定，用轉速表測定轉速，轉速測定結果三次分別為1230 rpm，1250 rpm，1240 rpm，停電使電機停轉。

步驟2：用上述方法反方向起動運行。測得數據分別為224 V、225 V、225 V；1245 rpm，1240 rpm，1240 rpm，停電使電機停轉。

步驟3：接電容后運行測試，轉速分別為1420 rpm、1430 rpm、1420 rpm；1430 rpm、1420 rpm、1430 rpm。

5 實驗結論

（1）單相電機無法自行啟動，旋轉方向依靠外部決定，一旦啟動后可以保持相對穩定速度。

（2）分相式單相式電機，配以適當電容可以提高轉速，方向與電容接線有關。

6 教學結果及注意點

通過這種理論與實踐結合的講解，學員感到思路很新，開擴了學員的眼界，同時通過實踐增強了可信度。

該種方法應注意的問題：由于要動用電機，而且在課堂上，（1）必須注意用電安全，電機必須在使用前做絕緣測試，電壓選擇220V，～50Hz較方便。（2）電機功率不宜選擇過大，或過小，過小轉速測定誤差較大；過大控制困難，危險較大；一般以百瓦左右較合適。極數一般選擇4級較好，而且比較好找。（3）在操作時一般以兩人為宜，一人負責電機的固定，一人負責通電，用手轉動一下轉軸測速停電等。（4）通電后觀察不動時間不要過長，否則容易燒壞電機。（5）測量用光電轉速表測試簡單。

參考文獻

[1]向波，周平，等.電動叉車直流電機換向片間短路的快速測量[C]//中國控制會議論文集（CCC2012），2012.

[2]邱阿瑞.電機與拖動基礎[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3]曾祥富，鄧朝平.電工技能與實訓[M].北京：高等教育出版社，2004.

[4]羌予踐.電機與電力拖動基礎教程[M].北京：電子工業出版社，2008.

[5]李發海、王巖.電機與拖動基礎學習指導[M].北京：清華大學出版社，2012.

[6]唐介.電機與拖動[M].北京：高等教育出版社，2003.