电机机械实习课程介绍CH05

單相感應和小馬力電動機第五章單相感應和小馬力電動機5-1單相感應電動機5-2單相感應電動機及同步電動機之啟動及運轉性能5-3單相感應電動機的旋轉磁場理論5-4對稱二相電動機之不平衡運轉；對稱分量觀念5-5步進電動機5-6運轉特性和典型應用5-7總結習題‧單相和小馬力電動機主要供應給家庭、辦公室及工廠中各類型的設備。它們與整數馬力電動機在設計及特性使用上有很大的不同，所不同是在於經濟及應用上特殊需求之考慮。‧許多分數馬力的交流電機設計用於單相應用。於家庭中單相感應馬達是作為電冰箱、空調機、風扇、洗衣機及烘乾機。雖然其構造簡單，但比三相電動機更難以分析。‧個人電腦輔助裝置像印表機，與廣泛的個人娛樂設備像VCRs，攝影機，及光碟機(CD)玩者的增加，使得步進馬達廣泛的被應用。這些小的交流電動機結合數位控制與電子處理的優點，提供了更具有彈性與控制之需求。‧對於圖5-1的單相定子繞組之感應電動機，若定子電流是時間的餘弦函數，則磁動勢波可寫成時間(wt)與空間函數(q)，如：‧與(4-21)式所示，可以寫成大小相等的正向及負向進行磁動勢波之和，正向進行波如：5-1單相感應電動機圖5-1基本單相感應電動機Preview而負向進行波為：‧當轉子正在運轉時，假設氣隙磁通波依然相等，對實際的狀態是太過簡化。第一、定子漏阻抗的效應被忽略了；第二、沒有適當地說明感應的轉子電流之效應。‧當轉子旋轉時，正向磁場的轉矩大於反向磁場之轉矩如圖5-2(a)中所示。真實的情況如圖5-2(b)所示。只有百分之幾之轉差率的正常運轉範圍中，正向磁場為反向磁場的數倍，而其磁通波與平衡多相感應電動機於氣隙中固定－振幅旋轉磁場沒有多大的不同。圖5-1基本單相感應電動機圖5-2單相感應電動機之轉矩-速率特性；(a)以固定正向與反向為基礎之磁通波；(b)考慮在磁通波中之變化。一、分相式電動機‧分相電動機有兩個定子繞組以及另一個其軸空間位移電角度的轉助繞組a。其接線如圖5-3(a)所示，輔助繞組電阻對電抗比值大於主要繞組，因此兩繞組的電流相位不同，如圖5-3(b)之相量圖所示。其代表起動之情況。5-2單相感應電動機及同步電動機之啟動及運轉性能圖5-3分相式電動機：(a)接線圖；(b)起動之相量圖，及(c)典型的起動-速率操作。二、電容式電動機‧電容器起動電動機也是分相電動機的一種，但是兩電流之時間相位移是由電容器串聯輔助繞組而得。如圖5-4(a)所示。於電動機起動之後，輔助繞組再分開，因此輔助繞組及電容器為間歇性服務之最小成本設計。‧典型的轉矩－速率特性示於圖5-4(c)中，高起動轉矩為顯著的特性。這些馬達用在壓縮機泵，冷凍及空調設備及其他不易起動的負載。電容式起動之電動機剖視圖如5-5所示。‧電容器必須是最佳起動及最佳運轉值之間的折衷值，因此，起動轉矩必須有所犧牲。其轉矩-速率特性及示意圖如圖5-6所示。圖5-4電容啟動電動機：(a)接線圖；(b)啟動時之相量圖，及(c)典型的轉矩-速率特性。圖5-5電容器起動感應電動機之剖視圖，起動開關在轉子右側，此電動機為防滴型結構。(GeneralElectricCompany)圖5-6永久分離電容器電動機及典型的轉矩-速率特性圖5-7電容器-起動、電容器-運轉(雙值電容)電動機及典型的轉矩-速率特性圖5-8蔽極式電動機及典型的轉矩-速率特性三、蔽極式電動機‧如圖5-8(a)說明圖所示，蔽極電動機通常具有凸極，每一磁極的一部分由稱為蔽極線圈(shadingcoil)銅製短路圈所圍繞。便宜，40W以下。四、自行起動磁阻電動機‧圖5-9(a)所示，為隨著四極定子而設計的轉子疊片。磁阻轉矩的產生是由於轉子以最小磁阻位置對應於同步正向氣隙磁通波成一直線之趨勢，在轉差率很小時，這種轉矩慢慢地改變方向，在轉矩變動的正半週期間，轉子加速，而負半週則減速。‧單相磁阻型分相啟動同步電動機之典型轉矩-速率特性如圖5-9(b)所示。注意：感應電動機高轉矩值是為得到滿足同步電動機之特性，而創設了磁阻型同步電動機的架構，使其感應電動機的轉矩相當於同步電動機轉矩的2或3倍。其中，可觀的“槽齒”(cogging)是很明顯，亦即轉矩大小隨著轉子位置而上下變化。五、磁滯電動機‧在單相電動機中，定子繞組通常是永久-分離-電容式(permanent-split-capacitortype)。如圖5-6所示。被選用的電容器能在電動機繞組中產生近乎平衡兩相情況。定子因而產生近似定值的空間波形的旋轉磁場，以同步速率旋轉。圖5-9四極磁阻式同步電動機之(a)轉子疊片及(b)典型的轉矩-速率特性‧如圖5-10(b)所示理想之轉矩-速率特性曲線。這種特質是磁滯電動機的優點之一，與磁阻電動機對比，磁阻電動機必須從感應電動機，轉矩-速率特性“抓住”(snap)其負載進入同步，但是磁滯電動機不管多大的慣量都可將它所承擔的負載加速到同步。到達同步之後，電動機仍持續以同步速率旋轉，並調整其轉矩角以產生負載所需要的轉矩。‧磁滯電動機本質安靜並使其負載平滑轉動。而且轉子能產生與定子磁場相同的磁極數。電動機可提供多速同步轉速運轉，其中定子分成幾組繞組繞製而成，並且，以極數變換的接法來達成。磁滯電動機能夠使高慣量的負載加速且同步化。因為其轉矩從靜止到同步速率都是均勻的。圖5-10(a)磁滯電動機的氣隙與轉子中磁場的一般性質；(b)理想的轉矩-速率特性。‧每一個定子磁動勢波之分量感應了它本身的轉子電流，且產生感應電動機作用。就像多相電動機一樣。這種雙旋轉磁場的觀念不但對定性的觀測很有用，而且能發展出一套應用在各種不同的感應電動機的定量理論。一個簡單而且重要的事情是，單相感應電動機僅以其主繞組在運轉。5-3單相感應電動機的旋轉磁場理論SKIP圖5-11單相感應電動機的等效電路：(a)轉子堵住(靜止)；(b)轉子堵住，顯示其正向磁場及反向磁場之效應；(c)轉動情況。SKIP‧轉子依然以對應於正磁場轉差率而轉動，其對應正反磁場方向以標么轉速n為：相對於反向磁場的轉子相對速率為，或其對應於反向磁場的轉差率為：‧利用圖5-11(c)的等效電路，可算出在任意假設轉差值時，所加入的電壓，及電動機阻抗為已知時，電路之定子電流，輸入功率及功率因數，將符號簡化，令1ns1n12ns22fffRZRjXjXjXs並聯SKIP且此阻抗代表正向及反向磁場效應，由單相的觀點來看，定子繞組m分別為及，示於圖5-11(c)之中。‧如(4-23)式中，正向磁場之內部轉矩以牛頓-米表示時等於乘上功率(以瓦特表示)，此功率是由定子繞組傳送到正向磁場。其中為同步角速度，以每秒機械弳度表示；因此222bbbRZRjXjXjXs並聯0.5fZ0.5bZfT1/swgfPsw1fgfsTPw當磁化阻抗被描述為純電感性時，為阻抗所吸收之功率；即為其中是(5-6)式所定義的正向磁場阻抗之電阻性分量。同樣地，反向磁場之內部轉矩為其中是由定子繞組傳送到反向磁場的功率，或gfP0.5fZ20.5gfmfPIRfRbT1bgbsTPwgbP20.5gbmbPIR其中是(5-7)式所定義的反向磁場阻抗之電阻性分量。反向磁場之轉矩是在正向磁場的反方向，因此，內部淨轉矩T為‧比較(4-17)及(4-18)式得到證明；由旋轉磁場所引起的轉子損等於磁場轉差率乘以從定子吸收之功率，因此正向磁場轉子反向磁場轉子總轉子bR1()fbgfgbsTTTPPw2IR2gfIRsP2(2)gbIRsP2(2)gfgbIRsPsP‧轉矩乘角速度等於功率，而轉子之角速度為，內部速率P轉換成機械的形式以瓦特表示為：‧若稍為大一點之近似法，則在反向磁場阻抗上之分流效果經常忽略，因此省略(5-17)式中的則所得之反向磁場電阻之值則太低。因此，這樣近似將趨於抵消(5-17)式中的誤差。因此，對於小轉差率時(1)ssw(1)(1)()sgfgbPsTsPPwjX222bRZjXs(5-17)222bRZjX‧感應電動機的不平衡運轉是發生在當加於定子電壓不能構成平衡多相繞組時，或當定子及轉子繞組相對於各相不構成對稱時。‧轉子以a繞組向m繞組的方向以標么轉速n轉動，當外加電壓領先時，每相之端點阻抗可由圖5-12(a)的等效電路中得到，此相序稱為正序(positivesequence)，以註腳f標示。若轉子一直強迫以相同的速率和方向旋轉，當落後時，每相端點阻抗由5-12(b)等效電路得到。這個相序稱為負相序(negativesequence)而以註腳b標示。5-4對稱二相電動機之不平衡運轉；對稱分量觀念av90mvav90mv圖5-12在平衡情形下兩相電動機之等效電路：(a)順向磁場；(b)逆向磁場。圖5-13由兩個平衡相序、相反的系統之和所合成的不平衡兩相系統。‧假設兩個相序相反的平衡兩相電壓源成串聯連接且同時加入電動機，如圖5-13(a)所示。其中由一平衡正序系統所供應之相量電壓及分別加到繞組m及a，而另一平衡負序的系統所供應的相量電壓為及也分別加到m與a的繞組上，因此加到繞組m的合成電壓以相量表示：而加到繞組a的電壓為正向或正序系統如圖5-13(a)之相量圖及。而反向或負序系統為及，則合成電壓由及相量所給。因此，不平衡外加電壓及的兩相系統是由兩個反相序的對稱系統合併而成。ˆmfVˆmfjVˆmbVmbjVˆmVˆˆˆmmfmbVVVˆˆˆamfmbVjVjVˆmfVˆmfjVˆmbVˆmbjVˆmVˆaVˆmVˆaVSKIP‧由重疊定理知在一繞組中的實際電流為分量的和，因此，如果及分別為繞組m中之正序及負序分量之相量電流，則在繞組a中的對應正序及負序分量分別為及，而實際的繞組電流及為‧對於相量及在(5-19)及(5-20)式的解，以已知相量電壓及表示，為ˆmfIˆmbIˆmfjIˆmbjIˆmIˆaIˆˆˆmmfmbIIIˆˆˆamfmbIjIjIˆmfVˆmbVˆmVˆaV1ˆˆˆ()2mfmaVVjVSKIP‧此種運算在圖5-14的相量圖中說明。很明顯地，同樣也可得到繞組m中電流的相量對稱分量及，以相中的特定相量電流及表示；於是1ˆˆˆ()2mbmaVVjVˆmfIˆmbIˆmIˆaI1ˆˆˆ()2mfmaIIjI1ˆˆˆ()2mbmaIIjISKIP圖5-14兩相不平衡電壓分解成對稱分量SKIP‧步進電動機是在數位控制系統中使用，其中電動機接受如脈波序列的閉迴路(open-loop)指令以轉動其軸或移動一指定距離。‧圖5-15中所示為具有兩極轉子的四相步進電動機的基本操作，轉子可能是鐵磁性元件或永久磁鐵。當繞組依照的順序激勵時，假設轉子角度θ=0°,45°,90°……等，圖5-15之步進馬達，也可以對每一線圈單獨地激磁，而使每一步90°。5-5步進電動機,,aabbNNNN圖5-15四相步進電動機的基本圖形圖5-16對圖5-15的步進電動機的轉矩-角度曲線(a)永久轉子及(b)可變磁阻轉子‧永磁轉子的另一特色是由繞組電流所定的轉子位置θ不會含糊，然而鐵磁轉子對於每一繞組電流圖型(patterns)都有兩個可能位置。‧圖5-17顯示一種多級(multistack)可變磁阻步進電動機。此電動機包括一系列的堆疊(stack)，每一軸狀地位移完全相同的幾何構造而被單相繞組激勵，如圖5-18所示。‧在圖5-17中，轉子極是對齊的，但是定子則抵銷(offset)三分之一極距(polepitch)角度位移。經由連續地對個別的相激勵，轉子可以增量位移角度轉動。圖5-17三相三疊堆可變磁阻步進電動機的剖面圖圖5-18一堆疊且多相的圖表，像在圖5-17中，多堆疊可變磁阻步進電動機。對n堆疊電動機轉子或定子(但不是兩者)在每一堆疊的位移是乘上極齒距(polepitch.)。/n1‧混合式步進電動機從多堆疊可變磁阻步進電動機有明顯的變化。圖5-21(b)顯示一個混合步進電動機從末端看到的簡圖。此定子有4極，1相繞組繞在垂直極，而2相繞組繞在水平極。轉