10单相及特殊用途的电动机.ppt

10.1 萬用電動機 要設計一部單相電機，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。 　　由於電樞電流與場電流必須同時反轉，以上的設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。 圖 10-1 　萬用電動機的等效電路。 　　典型的萬用電動機轉矩-速度曲線如圖 10-2 所示。基於以下的兩個原因，此曲線將與由直流電源驅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 矩-速度特性比較。 1. 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電壓 EA 將比直流輸 入情況下低。由於 EA＝K?ω，若電樞電流與感應轉矩 給定時，交流操作下之電動機將比直流操作下慢。 2. 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到峯值時產生。 這飽和現象會在給定的電流準位下減少電動機磁通 的均方根值，進而降低電動機之感應轉矩。而對直 流電動機而言，磁通的降低將相對的造成轉速增 加，這個效應將對第一點所造成之速度減低提供部 分的補償。 萬用電動機的應用 　　萬用電動機較不適合於定轉速的應用。它的體積較小，且每安培可提供的轉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，電動機之轉速將愈快。典型萬用電動機之轉矩-速度特性曲線對速度變化情形，如圖 10-3 所示。 圖 10-3 改變萬用電動機的端電壓對轉矩-特性曲線造成的影響。 10.2 單相感應電動機之簡介 　　圖 10-5 為一具有鼠籠式轉子及單相定子之感應電動機。 　　單相感應電動機有一極不利的缺點。由於它的定子上只有單相繞組，單相感應電動機將不會產生旋轉磁場。由於單相感應電動機沒有旋轉磁場，因此單相感應電動機沒有啟動的轉矩。 　　由於定子磁場並不旋轉，定子磁場與轉子便沒有相對運動。轉子沒有因相對運動而產生的電壓及電流，同時也就不會有感應轉矩。事實上，轉子上有由變壓器反應 d?/dt 產生的感應電壓，而由於轉子線圈是短路的，電流亦在轉子中流動。但此一產生的磁場與定子的磁場成一直線，將無法在轉子上產生淨轉矩。 　　 圖 10-5 單向感應電動機。其轉子與三 相感應電動機相同，但定子只有單相。 圖 10-6 單相感應電動機啟動時的狀 況。定子繞組在轉子上感應反向的電 壓及電流。產生與定子磁場成一直流 的轉子磁場。τind＝0。 單相感應電動機的雙旋轉磁場理論 　　單相感應電動機的雙旋轉磁場理論，基本上是將靜止的脈動磁場分解成兩個大小相同卻旋轉方向相反的磁場。這兩個磁場將分別影響感應電動機，同時電動機所生的淨轉矩則為此二磁場所感應出的轉矩之總和。 　　靜止磁場的磁通密度如下式所示 BS(t)＝(Bmax cosωt) j （10-1） 順時鐘方向旋轉的磁場可以下式表示 ? （10-2） 逆時鐘方向旋轉的磁場則可以表示成 ?（10-3） 圖 10-7 將單相脈動磁場分解成兩個同大小但旋轉方向相異的旋轉磁場。注意任何時刻兩磁場的和均在垂直平面上。 圖 10-7 (續） 順時鐘與逆時鐘方向旋轉的磁場的總和即為靜止的脈動磁場 BS︰ BS＝BCW(t)＋BCCW(t) （10-4） 　　在單相感應電動機中，順向和逆向的磁場均是由同一個電流所產生。由於兩個磁場均存在，正向旋轉磁場（有很高的等效轉子電阻 R2 /s）將限制電動機的定子電流（此電流會同時產生正向及反向的磁場）。 圖 10-10　當電動機轉子被 強迫反轉，BR 與 BS 間的角 度趨近 180 °。 　　圖 10-11 所示只是單相感應電動機的平均淨轉矩，兩倍定子頻率的轉矩脈動。這些轉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。 圖 10-11 單向電動機的轉矩-速度特性線。此圖將反向旋轉磁場的電流限制考慮進來。 單相感應電動機的交磁理論 　　單相感應