第 17 章 單相感應電動機 學習重點 1.了解單相感應電動機旋轉原理。 2.認識單相感應電動機的啟動方法。 3.了解單相感應電動機的用途。

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1 第 17 章 單相感應電動機 學習重點 1.了解單相感應電動機旋轉原理。 2.認識單相感應電動機的啟動方法。 3.了解單相感應電動機的用途。
第 17 章　單相感應電動機 學習重點 1.了解單相感應電動機旋轉原理。 2.認識單相感應電動機的啟動方法。 3.了解單相感應電動機的用途。 4.了解單相感應電動機的轉向與轉速控制。

2 前言 17-1 單相感應電動機的旋轉原理 17-2 單相感應電動機的分類、特性及用途 17-3 單相感應電動機的轉向與轉速控制 本章彙總

3 1.前言 目前在家庭、辦公室與小型商場的用電，一般採用單相電源，故單相電動機廣泛用於家電、抽水機及電動工具機等場合，但容量均不大，通常在 110 伏特單相供電所採用之單相電動機容量以不超過 1 馬力為原則，在 220 伏特單相供電所採用的單相電動機容量以不超過 3 馬力為原則。 一般來說，單相電動機可分為單相感應電動機及單相換向電動機兩類。 節目次

4 2.啟動原理 圖例 單相感應電動機啟動原理乃源自二相電源的旋轉磁場，定子須放置兩個相隔 90°電機角的繞組 A-A' 及 B-B'，且加入相位差 90°電機角的電流 iA 及 iB，其產生的磁動勢分別為 A＝mcost 及 B＝mcos(t－90°)，且以同步角速率  旋轉。現將其與時間合併，則合成的二相綜合磁通勢 T 為： T＝Acos＋Bcos(－90°)＝mcos(－t)

5 3.結論 (1)旋轉磁場的綜合磁動勢 T 等於每相電流最大值所產生的磁動勢 m 的 1 倍，即 T＝m。
(2)旋轉磁場以同步速率 ns＝　　 旋轉。 (3)兩繞組中任意一個繞組的電流方向改變，則旋轉磁場反轉。 節目次

6 17-1 單相感應電動機的旋轉原理 1.原理 單相感應電動機的構造，轉子為鼠籠式，而定子只有單相繞組，當加入單相交流電源時，只能產生交變磁場，不能產生旋轉磁場，故無法啟動。但若以外力將轉子朝某方向啟動後，即能產生轉矩並朝啟動方向維持運轉，然而因所產生的是單相脈動轉矩，故運轉時的振動及噪音均較相同容量的三相感應電動機大，而此現象可用雙旋轉磁場理論來解釋。 節目次

7 2.構造 圖例 單相感應電動機為了啟動時能產生旋轉磁場，定子繞組有運轉繞組（或稱主繞組－Main winding）及啟動繞組（或稱輔助繞組－Auxiliary winding），兩繞組裝置位置相差 90°電機角，及啟動繞組電流 iS 相位超前運轉繞組電流 iR 90°，如此即可產生旋轉磁場。

8 3.說明 圖例 當單相感應電動機啟動後，啟動繞組將切離電源，剩下運轉繞組產生的交變磁場，該交變磁場可分解成由 1 及 2 所合成的兩個瞬間大小相同、方向相反的旋轉磁場。 順時針方向的旋轉磁場 1 所產生的轉矩 T1，會驅使轉子往順時針方向旋轉。 逆時針方向的旋轉磁場 2 所產生的轉矩 T2，則會驅使轉子往逆時針方向旋轉。

9 4.結論 (1)由於 T1 及 T2 對轉子所產生的合成轉矩 T 大小相同，方向相反，故互相抵消，轉子不會轉動。
(2)轉子若已往順時針方向啟動，則兩個旋轉磁場加諸於轉子的轉矩大小會不同，1 施加於電動機轉子的轉矩 T1 會大於 2 所產生的 T2，這可持續讓電動機順時針方向旋轉，且 T1 會愈來愈大，T2 會愈來愈小，轉速會愈快，直到與負載取得平衡為止。 圖例 圖例

10 　　　1 有關單相繞組接單相交流電源產生交變磁場的現象及作用，下列敘述何者錯誤？　(A)雙旋轉磁場理論可將其視為由兩個大小相等，方向相反的合成磁場　(B)啟動轉矩為零，故無法自行啟動　(C)該交變磁場為大小及方向隨時間作正弦變化的旋轉磁場　(D)藉外力使轉子朝順時針方向旋轉，則轉子朝該方向加速至接近同步速率。 　 (C)錯誤。 　 因單相交變磁場為方向不變，而大小隨時間變化的磁場。

11 2 有一部 4 極、50 赫芝、1425 轉／分的單相感應電動機，試求其轉子與順向磁場的轉差率及逆轉向磁場的轉差率各為若干？
　　　2 有一部 4 極、50 赫芝、1425 轉／分的單相感應電動機，試求其轉子與順向磁場的轉差率及逆轉向磁場的轉差率各為若干？ 　 ∵已知 P＝4極，f＝50赫芝，nr＝1425轉／分 　 ∴同步轉速 ns＝　　　　　　　＝1500（轉／分） 　 (1)順向磁場轉差率 S1＝　　　　　　　　 ＝0.05 　 (2)逆向磁場轉差率 S2＝2－S1＝2－0.05＝1.95 節目次

12 17-2 單相感應電動機的分類、 特性及用途 由於單相感應電動機的體積較三相感應電動機大，且價格更貴，效率及功率因數也較低，因此單相感應電動機僅應用於只有單相電源或小型動力的場合。 此外，單相感應電動機主要是依據啟動繞組配線方式分類，有分相式、電容式及蔽極式三種，茲分別說明如下。 節目次

13 分相式感應電動機 1.電路及構造 定子槽內裝置有兩個繞組，輔助繞組 A 較主繞組 M 落後 90°電機角的位置，其電路如圖所示。

14 (1)主繞組 M： 　 由線徑較粗、匝數較多的導線所繞成，置於定子線槽底部，為低電阻、大電感抗的電感性線圈，又稱為運轉繞組。 (2)輔助繞組 A： 由線徑較細、匝數較少的導線所繞成，置於定子線槽頂部，為高電阻、小電感抗的電阻性線圈，又稱為啟動繞組。

15 (3)離心開關 S.W.： 　 利用裝置於轉軸上的驅動裝置，藉由離心力將與輔助繞組串聯的 b 接點在轉子速率達同步轉速的 75%時，切離輔助繞組的電源，僅留主繞組繼續運轉，其轉矩-轉差率特性如圖所示。

16 2.相量圖 如圖所示，E 為電源電，IM 為流經主繞組的電流，IA 為流經輔助繞組的電流，I 為電源供應的電流。

17 3.特性 功率因數低（因電壓 E 與電流 I 間相角差 S 很大），啟動轉矩小（因 IM 與 IA 間相角差 ＜ 90°），啟動電流大，所以運轉特性不佳（因離心開關會跳脫）。 4.轉向控制 因鼠籠式轉子係順著旋轉磁場方向旋轉，而旋轉磁場的轉向係由電流越前的繞組轉向電流滯後的繞組，故欲改變單相感應電動機的轉向，只要將主繞組或輔助繞組其中之一的接線，頭尾對調即可。

18 5.適用 因主繞組的電流 IM 與輔助繞組的電流 IA 間之相角差  不到 90°，故該電動機啟動電流大而啟動轉矩小，但因其構造簡單、價格便宜，故適用於小型工具機的場合。

19 電容式感應電動機 電容式感應電動機在構造上與分相式感應電動機大致相同，其轉向控制也相同，只需將主繞組或輔助繞組其中任一繞組，在接線時頭尾對調即可；然而為了改善分相式感應電動機的缺點，可以在輔助繞組的電路上增設一個或兩個串聯電容，以期增加啟動轉矩、提高運轉效率及改善功率因數。 依該串聯電容器的功能及接線，可將此類電動機分成電容啟動式、永久電容式及雙值電容式三種，茲分別說明其構造、特性與用途如下。

20 1.電容啟動式感應電動機（Capacitor-start motor）
(1)電路及構造： 電容啟動式感應電動機的啟動繞組串聯一個高電容量且具有極性的電解質啟動電容器 CS 和離心開關，再與運轉繞組並聯接於單相交流電源。轉子轉速達 75%同步轉速時，離心開關 S.W. 的 b 接點跳脫切斷，啟動繞組電流，完成啟動並持續運轉。 圖例

21 (2)特性曲線： 藍色曲線部分代表無啟動繞組時，以外力啟動後之轉矩特性曲線。 紅色曲線部分為運轉繞組與啟動繞組同時工作時的轉矩特性曲線。
黃色曲線部分則為離 心開關跳脫後，只剩 下運轉繞組時的轉矩 特性曲線。

22 (3)相量圖： 如圖所示，E 為電源電壓，I 為電源供應電流，IM 為流經運轉繞組的電流，IA 為流經啟動繞組的電流。

23 (5)適用： 因具有高啟動轉矩的特性，故適用於必須在有載狀態下啟動的設備上，如抽水泵、冷凍或空調設備的壓縮機…等。
(4)特性： 為了提高啟動轉矩，須令 IM 及 IA 間相角差 ＝90°，致 E 與 I 間相角差 S 減少，故啟動功率因數 cosS 提高。 【註】XC：啟動電容電抗值，XM：運轉繞組電抗值，RM：運轉繞組電阻，XA：啟動繞組電抗值，RA：啟動繞組電阻值。 (5)適用： 因具有高啟動轉矩的特性，故適用於必須在有載狀態下啟動的設備上，如抽水泵、冷凍或空調設備的壓縮機…等。

24 　　　3 電容啟動式感應電動機的啟動電容器應為何種電容器？　(A)低電容量有極性電解質　(B)高電容量有極性電解質　(C)低電容量無極性浸油紙　(D)高電容量無極性浸油紙。 　 (B)。 　 為了縮短啟動時間，應使用有極性電解質電容器， 　 又為了提高啟動轉矩 T＝KmIA，須提高 IA＝　 ， 　 故須減小電抗值 XC＝　　，並提高輔助繞組電流 IA 　 值，即 CS 應為高電容量。

25 4 已知 ＝10＋j16歐姆， ＝32＋j8歐姆 ∵XC＝ ＝28（歐姆） ∴CS＝ ≒95（微法拉）
　　　4 有一部單相 110 伏特、60 赫芝的電容啟動式感應電動機，其運轉繞組阻抗　　　　　　＝10＋j16歐姆，啟動繞組阻抗　　　　　 ＝32＋j8歐姆，欲使運轉繞組的電流 IM 與啟動繞組電流 IA 間相差 90°，試求啟動用電容器的電容量 CS 為若干？ 　 已知　　　　　　＝10＋j16歐姆，　　　　　 ＝32＋j8歐姆 　 ∵XC＝ 　　　　　　　　　　　　　　 ＝28（歐姆） 　 ∴CS＝　　　　　　　　　≒95（微法拉）

26 2.永久電容式感應電動機（Permanent-split capacitor motor）
(1)電路及構造： 永久電容式感應電動機的啟動繞組串聯一個低電容量且無極性的浸油紙式電容器 CE，再與運轉繞組並聯接於單相交流電源。 電動機在啟動及運轉時，啟動繞組和電容器均接於電源上。 圖例

27 (2)特性： 　 除去離心開關，雖然改善了運轉特性，但為了保護輔助繞組（啟動繞組）在長時間接於電源的狀況下，不致被燒毀，故須減低流經輔助繞組的電流，會降低啟動轉矩。 (3)適用： 電風扇、洗衣機及抽 風機…等。

28 　　　5 永久電容式感應電動機的運轉電容器應為何種電容器？　(A)低電容量有極性電解質　(B)高電容量有極性電解質　(C)低電容量無極性浸油紙　(D)高電容量無極性浸油紙。 　 (C)。 　 因長期接於交流電源，故須使用無極性浸油紙電容器，但為了保護電容器，須限制啟動電流，所以 CE 應選用低電容量，以期提高 XC 值。

29 3.雙值電容式感應電動機（Two-value capacitor motor）
(1)電路及構造： 雙值電容式感應電動機，具有兩個電容器，一個專供啟動用電容器 CS，另一個作為啟動及運轉用電容器 CE。CS 為高電容量有極性的電解質電容器，串聯離心開關；CE 為低電容量無極性的浸油紙式電容器，啟動時 CS 因與 CE 並聯連接，故可提高啟動轉矩。 圖例

30 (2)特性： 具有最好的啟動特性及運轉特性。 (3)適用： 冷氣機的壓縮機馬達。
雙值電容式感 應電動機的轉 矩曲線，其特性 與電容啟動式感應電動機相同。 　 具有最好的啟動特性及運轉特性。 (3)適用： 冷氣機的壓縮機馬達。

31 蔽極式感應電動機 1.電路及構造 蔽極式感應電動機（Shaded-polemotor）係將鼠籠式轉子置於主磁極繞組，並連接單相交流電源，此外，在每一個主磁極鐵心的一側套上匝數很少、且自行短路的蔽極線圈（Shading coil），如圖所示。 蔽極線圈一般 係由銅環所組 成。

32 2.旋轉原理 當主磁場繞組接上單相交流電源，就會形成交變磁場，此交變磁場令蔽極線圈產生感應電勢，依據楞次定律，該感應電勢使蔽極線圈產生感應電流來反抗磁極中的磁通變化，故造成在蔽極線圈的磁通較主磁極磁通滯後 90°，而形成移動磁場，鼠籠式轉子將隨磁場同方向旋轉，即轉子由磁極未蔽極處轉向蔽極處。

33 3.特性 所有電動機中構造最簡單，價格便宜，啟動轉矩最小，正常運轉時轉差率較大，效率差，其轉矩特性曲線如圖所示。

34 4.轉向控制 欲改變蔽極式感應電動機的轉向，須將主磁極鐵心翻面，或如圖所示，欲順時針方向旋轉時，可將 A、C 銅環短路，而 B、D 銅環開路；而欲逆時針方向旋轉時，則將 A、C 銅環開路，B、D 銅環短路。 5.適用 啟動轉矩較小的負載 均適用之，如吊扇、 吹風機、錄影帶迴帶 機及魚缸抽水泵…等。 節目次

35 17-3 單相感應電動機的轉向與 轉速控制 17-3.1 轉向控制 1.原理
圖例 單相感應電動機的轉向係由啟動繞組與運轉繞組所生成的旋轉磁場決定，故於單相感應電動機啟動前，將啟動繞組（或運轉繞組）兩線端反接，會產生反向的旋轉磁場，致使電動機反向旋轉。若將電源兩線端反接，相當於將啟動繞組及運轉繞組的線端同時反接，則旋轉磁場方向不變，即轉向不會改變。 節目次

36 2.方法 (1)繞組電流方向切換法： ①僅依賴運轉繞組所產生的交變磁場維持運轉者，如分相式、電容啟動式等，運轉中即使調換啟動繞組（或運轉繞組）接線，也不會改變轉向，須待停止後切換接線才可反轉。 ②依賴運轉繞組及啟動繞組所形成的旋轉磁場維持運轉者，如永久電容式、雙值電容式等，運轉中若調換啟動繞組（或運轉繞組）接線，該感應電動機轉向就會反轉，然而實際操作時不宜於轉動中作如此的調換。

37 (3)蔽極線圈切換法： 如第 17-2.3 節所敘述的原理及方法。
(2)電容切換法： 圖例 　 如圖所示為洗衣機正逆轉切換法，A 及 B 兩繞組構造完全相同，由開關切換改變兩繞組的功能。當切換開關（S.W.）切到正轉時，A 繞組為主繞組，B 繞組串聯電容器成為輔助繞組；切到反轉時，B 繞組為主繞組，A 繞組串聯電容器成為輔助繞組。 (3)蔽極線圈切換法： 如第 節所敘述的原理及方法。

38 17-3.2 轉速控制 單相感應電動機的轉速控制與三相感應電動機由定子作轉速控制的方法相同，包括下列三種。
1.變頻法：利用變頻器改變電源頻率。 2.變極法：利用生成極的原理改變主磁極極數。 3.變壓法：利用調速線圈 改變加到運轉繞組的端 電壓，如圖所示之電扇 轉速控制電路，當轉速 切換開關由 1 逐次切到 3，則運轉繞組端電壓 愈來愈小，轉速會逐次 減慢。 節目次

39 本章彙總 1.單相電動機可分為單相感應式電動機及單相換向式電動機。
2.110 V 電源的單相感應電動機以不超過 1 馬力為原則；220 V 電源的單相感應電動機以不超過 3 馬力為原則。 3.單相感應電動機由運轉繞組產生交變磁場，利用雙旋轉磁場理論可分解成兩個大小相同、方向相反的旋轉磁場，互相抵消，故無法啟動；但運轉時，兩磁場相互消長，故可持續運轉。 4.單相感應電動機轉速約達 75%同步轉速，離心開關的 b 接點跳脫切斷，啟動繞組電源。 節目次

40 本章彙總 5.單相感應電動機的構造： (1)轉子：鼠籠式。
(2)定子：為了啟動時能產生旋轉磁場，定子需要主繞組 M（或稱運轉繞組）與輔助繞組 A（或稱啟動繞組），並須相隔 90°電機角配置。 ①主繞組：線徑粗、匝數多、電阻小、感抗大， 　為電感性，置於定子槽底部。 ②輔助繞組：線徑細、匝數少、電阻大、感抗 　小，為電阻性，置於定子槽頂部。 6.單相感應電動機依啟動繞組接線方式： (1)分相式：啟動轉矩小、啟動電流大、功率因數低、運轉特性不佳。 節目次

41 本章彙總 (2)電容式： ①電容啟動式：啟動轉矩大，運轉特性不佳，啟 　動電容器 CS 為高電容量有極性的電解質電容 　器，耐壓低。 ②永久電容式：啟動轉矩小，運轉特性佳，啟動 　兼運轉電容器 CE 為低電容量無極性的浸油紙 　式電容器，耐壓高。 ③雙值電容式：啟動及運轉特性均佳。 (3)蔽極式：啟動轉矩小，構造簡單，轉向由未蔽極處轉向蔽極處，因蔽極線圈磁通落後主磁場磁通 90°，故形成移動磁場。 節目次

42 本章彙總 7.單相感應電動機轉向控制： (1)繞組電流方向切換法： ①停止間切換運轉繞組或啟動繞組線頭：適用於分相式、電容啟動式感應電動機。 ②運轉中切換運轉繞組或啟動繞組線頭：適用於永久電容式、雙值電容式感應電動機。 (2)電容切換法：適用永久電容式感應電動機。 (3)蔽極線圈切換法：適用蔽極式感應電動機。 8.單相感應電動機轉速控制法：變頻法、變極法、變壓法。 節目次

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44 二相旋轉磁場的產生條件 BACK

45 單相感應電動機的構造 BACK

46 雙旋轉磁場合成的交變磁場 BACK

47 兩旋轉磁場對轉子轉矩 BACK

48 順向轉矩大於逆向轉矩，電動機持續順向轉動
BACK

49 電容啟動式感應電動機接線圖 BACK

50 公式推導 運轉繞組阻抗　　　　　　相角M＝ 輔助繞組阻抗　　　　　 相角S＝ 而＝M－S＝　　　　　　　　　　 ＝90°   　　　　　　 故 BACK

51 永久電容式感應電動機接線圖 BACK

52 雙值電容式感應電動機接線圖 BACK

53 單相感應電動機的轉向控制電路圖 BACK

54 洗衣機正逆轉切換接線圖 BACK