第三章 单相电动机控制电路
第一节 单相异步电动机启动元件
一、离心开关
在单相异步电动机中，除了电容运转电动机外，在启动过程中，当转子转速达到同步转速的70%左右时，常借助于离心开关，切除单相电阻启动异步电动机和电容启动异步电动机的启动绕组，或切除电容启动及运转异步电动机的启动电容器。离心开关一般安装在轴伸端盖的内侧。如图3-1所示。
图3-1 离心开关及安装位点
离心开关：它包括静止部分和旋转部分。静止部分装在前端盖内，旋转部分则装在转轴上，它利用转子转速的变化，引起旋转部分的重块所产生离心力大小的改变，通过滑动机构来闭合或分断触头，达到在启动时接通启动绕组的目的；电动机运转时重块飞离，触点断开，切断电源；电动机静止时，重块因有弹簧拉力而复位，触头闭合以备启动时接通电源。离心开关的结构比较复杂，电动机接通电源后，如触头氧化或被电火花烧蚀，接触不良，则电动机不能启动；如电动机启动后，重块不能飞离，则副绕组也参加了运行，不久副绕组就会因高温而烧毁。离心开关损坏，必须更换，触头接触不良，可以用小挫或细纱布修好。
二、启动继电器
有些电动机，如电冰箱电动机，由于它与压缩机组装在一起，并放在密封的罐子里，不便于安装离心开关，就用启动继电器代替。继电器的吸铁线圈串联在主绕组回路中，启动时，主绕组电流很大，衔铁动作，使串联在副绕组回路中的动合触点闭合。于是副绕组接通，电动机处于两相绕组运行状态。随着转子转速上升，主绕组电流不断下降，吸引线圈的吸力下降。当到达一定的转速，电磁铁的吸力小于触点的反作用弹簧的拉力，触点被打开，副绕组就脱离电源。
1.重力式启动器
主要由励磁线圈、衔铁、电触点和电绝缘壳体等构成与接线图（如图3-2所示）。励磁线圈与电动机的运行绕组串联，当电机启动时，通过运行绕组的电流比正常运行电流大4~6倍。因为电流通过励磁线圈所产生的磁场强度与电流成正比，因此，启动时磁场吸引大于衔铁组件的重力，衔铁带着动触点被吸向上，与静触点闭合；接通启动绕组电源，电动机随机启动运转，启动后随着转速迅速增加，通过绕组的电流也迅速减小。当电动机转速达到额定转速的75%以上时，励磁线圈磁场吸力已小于衔铁组件的重力，衔铁和动触点迅速落下，切断启动绕组电源，电动机进入正常运行状态。重力式启动器的优点是结构紧凑，体积较小，可靠性好，缺点是可调性差，如果电源电压波动较大时，就会出现触点不能释放或接触不良而造成触点烧损。
图3-2 启动器构造与接线图
能使启动器触点吸合的最小电流称为吸合电流，能使启动器触点下落断开的最大电流称为释放电流。吸合电流和释放电流是启动器的两个主要技术参数，它以对电动机的正常启动有重要作用。如果电冰箱的压缩机和电动机无故障。启动器的吸合或释放主要受电源电压的影响，因此，对电冰箱的电源电压，要求其不能超出允许的最大波动范围。吸合电流与释放电流之差越小，则适应的电压范围越广，但对灵敏度的要求越高。启动器灵敏度一定时，提高电动机的启动电流和降低运行电流可扩大电动机工作电压的适应范围，但要涉及电机的经济性和其他性能指标，因此，必须综合考虑，不能只追求单项指标，启动器的吸合电流与释放电流之差一般要求不高于0.5A。
2.电压式启动继电器
电压式继电器又称电位式继电器，它也是使启动电容器瞬时间投入的自控装置。其在电动机电路中的连接如图3-3所示。
图3-3 电压式启动继电器接线图
1—启动器；2—线圈；3—接点；4—运转电容器；5—启动电容器；6—启动绕组；7—运转绕组
电压式继电器线圈与电动机的启动绕组相并联，常闭接触与启动电容器串联。在电流开始通过运转绕组和启动绕组时，直接流过闭合触点和启动电容器。加在继电器线圈两端的电压随着电动机转速的增加而增加。当电动机接近工作转速时，感应于线圈上的电压使线圈动作，吸引衔铁，与其相连的连杆装置动作使常闭触点断开，于是启动电容器电路被切断。在电路断开时，触点再次闭合。其结构如图3-4所示。
图3-4 电压式启动继电器
1—线圈；2—可动铁片；3—固定接点；4—簧片；5—电阻；6—动接点；7—定接点
它是利用启动电流的大小，使继电器动作，从而接通或切断启动绕组的。它一般装在电动机外壳上的接线盒里。启动时，主绕组启动电流较大，流过继电器线圈（继电器线圈串接在主绕组电路中）的电流产生足够大的电磁力吸引衔铁而使常开触头闭合，接通启动绕组电路，于是电动机启动，转子转速上升，随着转速的升高，主绕组电流减小，当小到一定程度时，因继电器线圈吸力不足，继电器释放复位，其常开触头随之断开，切除启动绕组，单让主绕组运行。
启动继电器失灵，检查其触头是否接触不良，弹簧是否因氧化而失去拉力，继电线圈是否短路，能修则修，不能修复的则更换启动继电器。
以上两种启动机构损坏，如果都买不到，则可用按钮开关代替。将按钮开关同启动机绕组串接后，并串接于主绕组电源端，通过开关接通或切断电源。启动时，按下按钮开关接通启动绕组电源，电机启动，当电动机启动后转速达到75%~80%时，放开按钮开关，便切断了启动绕组的电源，让主绕组单独运行。这不过在启动时需用手按一按而已。
三、电容器
电容器是一种能充、放电的电器元件。它的充、放电作用能供给额外的电功率和转矩，在空调器中用来启动和运转电动机。电动机电容器通常使用纸介电容器或油介质电容器。启动电容器是帮助电动机启动的，其结构如图3-5所示。启动电容器与电动机的启动绕组相串联，使启动绕组中的电流超前运转绕组电流90°，启动电容器从启动开始直至压缩机的电动机接近正常转速为止，其时间仅为数秒钟。
图3-5 电容器
1—端子；2—绝缘；3—壳体；4—电容器元件；5—绝缘纸；6—填充剂；7—铆钉
当启动电容器与运转电容器联合使用时，应用半启动电容容量时，运转电容容量小，启动电容器和运转电容器相并联可以增加电路的能量。运转电容器用来减小运转电流和提高电动机功率因数。运转电容器与电动机启动绕组串联，并以这种组合方式和运行绕组并联。电压波动、连续的过电流及过热的结果都会使电容器的效率降低，从而增加满负荷电流，电容器的参数主要是耐压（V）和电容量（UF）。
（1）启动电容器 采用电解电容器，其额定电压为250V，允许最高电压约为该额定电压的1.25倍。在启动过程中电容器的端电压不得超过该允许最高电压值。
（2）运转电容器 采用油浸或金属箔或金属化薄膜电容器，其额定电压为250V、400（450）V、500V、600（630）V。该额定电
压值必须大于电容器端电压 
。式中：U0为主相绕组电压；a为副相对主相绕组有效匝数比。
单相电容电动机的电容器的容量一般均不大于150μV。其耐压程度一般都要高于额定电压值（220~400V）。
电容器的检查方法：用万用电表测量，将万用电表拨到10kΩ或1kΩ挡，为了安全起见，先将电容器残余电量放光（即将电容器的两个接线端头短路一下），然后再检查电容器的故障。
将万用电表的两根表笔同时接触电容器的两个接线端头，观察万用电表指针的反应：
①万用表指针先大幅度向电阻零方向摆动，然后慢慢回到某一数值（约几百千欧），则说明电容器质量是好的。
②万用电表指针不摆动，说明电容器已开路。
③万用电表指针大幅度摆动到电阻为零的位置上，停下来不返回，说明电容器已短路。
④万用电表指针摆到某刻度的位置后，停下来不返回，说明电容器漏电较大。
⑤万用电表指针摆动比正常电容器小，说明电容器容量已下降，达不到标准容量的数值。
如电动机电容器出现以上②、③、④、⑤种情况，都必须更换新的电容器，才能保证电动机正常工作。
四、PTC启动器
最新式的启动元件是“PTC”，它是一种能“通”或“断”的热敏电阻。外型及结构图如图3-6所示。PTC热敏电阻是一种新型的半导体元件，可用作延时型启动开关。使用时，将PTC元件与电容启动或电阻启动电机的副绕组串联。在启动初期，因PTC热敏电阻尚未发热，阻值很低，副绕组处于通路状态，电机开始启动。随着时间的推移，电机的转速不断增加，PTC元件的温度因本身的焦耳热而上升，当超过居里点TC（即电阻急剧增加的温度点），电阻剧增，副绕组电路相当于断开，但还有一个很小的维持电流，并有2~3瓦的损耗，使PTC元件的温度维持在居里点TC值以上。当电机停止运行后，PTC元件温度不断下降，约2~3分钟其电阻值降到TC点以下，这时有可以重新启动，这一时间正好是电冰箱和空调机所规定的两次开机间的停机时间。
图3-6 PTC外型及结构图
1—PTC元件；2—绝缘壳；3—接线端子PTC
启动器的工作原理如图3-7所示。
图3-7 PTC特性曲线及电流曲线
电冰箱开始启动时，PTC元件温度较低，电阻较小，而且截面积很大，所以，可等效为直通电路，由于启动过程的电流要比正常运行电流高4~6倍，使PTC元件温度升高，至临界温度后电阻值突增大至数万欧，能通过的电流可忽略不计，可视为断路，故又称其为无触点启动器。这种启动器的特点是：无运动零件、无噪声、可靠性好、成本低，寿命长，对电压波动的适应性强，电压波动只影响启动时间产生微小的变化，而不会产生触点不能吸合或不能释放的问题，而且与压缩机的匹配范围较广。但由于其通断性能取决于自身温度变化，所以，电冰箱停机后不能立刻启动，必须待其温度降到临界点以下时才能重新启动，一般要等4~5min。对于电冰箱来说，自动停车后一般均要5min以上才能启动，足以满足使用要求。另外，使用PTC启动器冰箱启动后，启动绕组仍需要消耗3W左右的能量以维持发热量。
其特点是：无触点、无电弧，工作过程比较安全可靠，安装方便，价格便宜。缺点是不能连续启动，两次启动需间隔3~5分钟。低阻时约几欧至几时欧，高阻时阻值为几时千欧。常温下如测得阻值较大，说明元件已经损坏，应更换新的PTC启动元件。