专题十九 三相异步电动机的运行原理（课件）-河南省对口招生《电压与变压器》（第5版）(高教社）专题复习讲练测

专题十九 三相异步电动机的运行原理 《电压与变压器》（第5版） 高教社 考纲解读 知识点梳理和重点概念复习 真题或常考题讲解 内容归纳小结 考纲解读--常见考点 1.掌握定子（E₁=4.44K₁f₁ΦmN₁）和转子（E₂=sE₂₀）电动势公式，理解绕组系数、匝数、频率对电动势的影响。 2.明确转差率（s=(n₁-n)/n₁）与转子频率（f₂=sf₁）、电动势、电抗的关系，以及启动（s=1）和额定状态的差异。 3.漏电抗特性：理解定子漏电抗（X₁）和转子漏电抗（X₂=sX₂₀）的定义，掌握转子漏电抗随转差率变化的规律。 01 02 03 考纲解读--考试要求 掌握转差率的计算及对转子频率、电动势、电抗的影响，能分析不同工况（启动、额定运行）下的参数变化。 会运用电路特性公式，推导转子电流、功率因数与转差率的关系，能通过参数计算判断电动机运行状态。 能准确表述三相异步电动机定子、转子感应电动势的产生原理，解释旋转磁场与绕组相对运动的作用。 结合转差率计算转子电动势、电流、功率因数，如已知额定转速求相关参数。 选择题 简答题 考查漏电抗、转差率、频率的关系，如转子转动时漏电抗的变化规律。 实操分析题 解释定子与转子电路的能量传递方式，或分析转差率对电动机性能的影响。 考纲解读--易考题型 知识点梳理和重点概念复习--知识点思维导图 知识点梳理和重点概念复习 一、绕组的电动势与电抗 1.定子绕组与转子绕组的感应电动势 在分析异步电动机的基本原理时，讲到转子绕组切割磁感线时，转子绕组要产生感应电动势。定子绕组在空间是静止不动的，那么定子绕组与旋转磁场也有交链和相对运动，因而定子绕组也要切割磁感线，所以也要产生感应电动势。 (1)定子绕组的感应电动势在三相异步电动机定子绕组内通入三相交流电后，即产生旋转磁场，旋转磁场以 转速旋转，而定子绕组是静止不动的。因此，定子绕组切割旋转磁场产生感应电动势，其频率也与电源频率一样，也为f₁。 知识点梳理和重点概念复习 假设旋转磁场的磁感应强度沿圆周气隙是按正弦分布的，即某一时刻沿气隙圆周上各点的磁感应强度大小可用正弦函数来描述。或者说，气隙圆周上某一点的磁感应强度随时间按正弦函数变化。这样，由这个磁场切割某一导体而产生的感应电动势，将随时间按正弦函数变化。感应电动势大小的推理过程和变压器一次绕组感应电动势的推理过程一样。所不同的是，变压器绕组是集中绕在一个铁心上的，在任意瞬间穿过绕组各个线圈中的主磁通大小和方向都相同，整个绕组的电动势为各个线圈电动势的代数和。而在异步电动机中，同一相的定子绕组并不是集中嵌放在一个槽内，而是按规律分别嵌放在若干个槽内，整个绕组的电动势是各个线圈中电动势的相量和，比代数和要小一些。 知识点梳理和重点概念复习 因此，与变压器一次绕组的感应电动势比较起来，还要乘上一个绕组系数K₁。 定子绕组感应电动势大小为 式中E₁——定子绕组感应电动势有效值； K₁——定子绕组的绕组系数(K₁<1); N₁——每相定子绕组的匝数； f₁——定子绕组感应电动势频率； φ…旋转磁场每极磁通最大值。 知识点梳理和重点概念复习 (2)转子绕组的感应电动势在旋转磁场的作用下，转子绕组也要切割磁场，产生感应电动势E₂。由于转子转速为n,转向与旋转磁场的转向一致，旋转磁场的转速为n₁,所以转子绕组与旋转磁场的相对转速为n₁-n,故转子绕组中感应电动势的频率f₂为 因为 即 故 从上式可见，转子绕组感应电动势的频率随转差率s而变，即随电动机的转速而变。 知识点梳理和重点概念复习 从上式可见，转子绕组感应电动势的频率随转差率s而变，即随电动机的转速而变。 当电动机刚启动时，n=0即s=1,转子与旋转磁场间相对速度最大，旋转磁场被转子绕组切割得最快，所以此时f₂最高，f₂=f₁。当带额定负载时，s=0.02～0.06,f₁=50 Hz时，则f₂=1～3 Hz。可见满载时转子电流频率是很低的。 同定子绕组相似，也可以推出转子感应电动势E₂的大小，即 式中K₂——转子绕组系数；N₂——转子绕组每相串联匝数。 当n=0,s=1时，将转子感应电动势的大小记为E2₀,则 此时感应电动势最大，而且是一个不变的量。当电动机转动起来时，E₂随转差率s而变化，即 当电动机达到额定转速时，转差率达到额定值。此时 知识点梳理和重点概念复习 2.漏电抗 能同时使定子绕组和转子绕组产生感应电动势的磁通称为主磁通，它穿过的路径是定子铁心→气隙→转子铁心→气隙→定子铁心，形成闭合回路，它既交链定子绕组，又交链转子绕组。 另外，在定子方面还有一小部分磁通只交链定子绕组不交链转子绕组，称为定子绕组漏磁通(如同变压器一次绕组漏磁通一样)。由于它产生感应电动势e₁s,其有效值为 式中1,——定子电流；X₁——由定子绕组漏磁通引起的电抗，称为定子漏电抗，简称X₁。 同理，在转子方面也有一小部分磁通只交链转子绕组不交链定子绕组，称为转子绕组漏磁通，它在转子绕组中产生感应电动势ezs,其有效值为 知识点梳理和重点概念复习 式中I₂——转子电流； X₂s——由转子绕组漏磁通引起的电抗，称之为转子漏电抗，简称X₂。 X₂的大小与转子漏电感有关，即 从上式可以看出，当转子不动s=1时漏电抗最大，即 当转子转动时，漏电抗为 由此得出 式中Z₂——每相转子绕组的阻抗；R₂——每相转子绕组的电阻。 可以看出转子绕组的阻抗在启动瞬间最大，随着转速的增加(即s下降)而减小。 知识点梳理和重点概念复习 二、定子电路与转子电路特性 在绕组的电动势和电抗的内容中，是从电磁感应这个角度来研究讨论定子绕组和转子绕组的反应，但对于外加电源来说，它们又起到与负载相似的作用。现在分析讨论定子与转子对于电源来说的一些特性。 1.定子电路 定子绕组加上电源电压U₁后，将产生主磁通，由于主磁通的变化又要产生感应电动势E₁。对电源来说，E,具有反电动势的性质，因而电源中有一个分量-E,来与它平衡。此外，定子绕组还有电阻R₁,漏电抗X₁,当电流1流过时，将产生电阻压降和漏电抗压降。这样，加在定子绕组上的外加电压，大部分用来平衡定子绕组的感应电动势，一小部分用在电阻及漏电抗的电压降上。这样就有定子电路电压平衡方程式为 知识点梳理和重点概念复习 但由于R₁、X₁很小，所以电阻压降及漏电抗压降同外加电压U₁相比可以忽略，因而近似认为 这就是说，感应电动势与外加电压U,在数值上近似相等，在方向上近似反相位，E₁与U₁相对抗。在数值上小于U₁,而又接近U₁,一般 2.转子电路 (1)转子电流与转差率的关系在转子绕组方面感应电动势E₂,对转子电阻R₂和漏电抗 X₂组成的转子电路来说，具有电源电动势的性质，由它产生转子电流，i₂的有效值为 知识点梳理和重点概念复习 从上式可以看出，转子电流的大小与转差率s的大小有关。当s=0时，I₂=0,它的物理意义是：当转子转速达到同步转速时，转差率为0,转子不切割磁感线，转子没有电流。当s变化时，起初由于s较小 式 中的X₂₀可以忽略，因而近似认为 可见I₂与s是成正比的。 当s增加到一定数值时值变小，此时不能忽略X₂₀了，电流I₂的增长就变慢了。 当s接近于1时值接近于R2值。X₂₀是一个不变的值，所以I₂变化不大，近于常数，达到最大值。据此，可以画出I₂随s变化的曲线，如图4-14所示。 知识点梳理和重点概念复习 (2)功率因数与转差率的关系由于转子电路中漏电抗X₂的存在，使转子电流i₂滞后于转子感应电动势e₂一个角度φ₂,因此转子电路的功率因数cosφ2为 可见，cosφ₂也与s的大小有关。当s很小时，sX₂0也很小，式 分母中sX₂₀也可以忽略，cosφ2接近于1,即正常运转时功率因数较高。随着s增大，式 分母√R²+(sX₂₀)²增加较快，因此cosφ2减小较快，即电动机启动时转子功率因数很低。对于整台电动机而言，其功率因数应为定子的功率因数cosφ₁,但它与转子功率因数cosφ2相互影响，成为整机的功率因数，如图4-14所示。 知识点梳理和重点概念复习 从以上分析可知，转子的电动势、电流、频率、电抗及功率因数等，都与转差率s密切相关。 综上所述，异步电动机的定子电路与转子电路是由主磁通Φ联系起来的，这和变压器的一次绕组与二次绕组的关系是相同的。但定子电路与转子电路两边的电动势、电流的频率不同，变压器的一次绕组与二次绕组的电动势、电流的频率却是相同的。定子与转子之间只有磁的联系，能量从定子绕组通过旋转磁场经气隙传给转子绕组。异步电动机定子绕组与转子绕组等效电路图如图4-15所示。此图形象地说明了定子电路与转子电路的关系。 知识点梳理和重点概念复习 常考习题练习与讲解--选择题 1.三相异步电动机定子绕组感应电动势的频率取决于（ ） A.转子转速 B.电源频率 C.转差率 D.磁极对数 答案：B 解析：定子绕组静止，其感应电动势频率与旋转磁场频率一致，即等于电源频率f₁，与转子状态无关。 常考习题练习与讲解--选择题 2.当三相异步电动机转子不动时（s=1），转子漏电抗为（ ） A.X₂=0 B.X₂=X₂₀ C.X₂=sX₂₀ D.X₂>X₂₀ 答案：B 解析：转子不动时转差率s=1，由X₂=sX₂₀可知，此时漏电抗等于最大漏电抗X₂₀。 常考习题练习与讲解--选择题 3.转差率s增大时，三相异步电动机转子电流的变化趋势是（ ） A.先增大后趋于稳定 B.一直增大 C.先减小后增大 D.一直减小 答案：A 解析：当s较小时，I₂随s近似正比增大；s接近1时，I₂增长变缓并趋于最大值，故整体先增后稳。 常考习题练习与讲解--选择题 4.三相异步电动机的主磁通是指（ ） A.仅交链定子绕组的磁通 B.仅交链转子绕组的磁通 C.同时交链定、转子绕组的磁通 D.气隙中的所有磁通 答案：C 解析：主磁通通过定子铁心→气隙→转子铁心形成闭合回路，同时交链定、转子绕组，是能量传递的关键。 常考习题练习与讲解--选择题 5.某三相异步电动机额定转差率sN=0.05，电源频率f₁=50Hz，则转子电流频率为（ ） A.50Hz B.25Hz C.2.5Hz D.0Hz 答案：C 解析：转子频率f₂=sf₁=0.05×50=2.5Hz，随转差率变化而变化。 常考习题练习与讲解--选择题 6.定子绕组感应电动势公式E₁=4.44K₁f₁ΦmN₁中，K₁的取值范围是（ ） A.K₁>1 B.K₁=1 C.0<K₁<1 D.K₁=0 答案：C 解析：绕组系数K₁因绕组分布嵌放导致电动势相量和小于代数和，故其值小于1。 常考习题练习与讲解--选择题 7.三相异步电动机运行时，转子电动势E₂与转差率s的关系是（ ） A.E₂与s无关 B.E₂与s成反比 C.E₂与s成正比 D.E₂随s增大先增后减 答案：C 解析：转子电动势E₂=sE₂₀，其中E₂₀为启动时的电动势（恒定），故E₂与s成正比。 常考习题练习与讲解--选择题 8.下列关于转子功率因数cosφ₂的说法正确的是（ ） A.启动时cosφ₂最高 B.额定运行时cosφ₂接近1 C.cosφ₂与转差率无关 D.s增大时cosφ₂增大 答案：B 解析：额定运行时s很小，sX₂₀可忽略，cosφ₂≈R₂/√R₂²≈1，启动时s=1，cosφ₂最低。 常考习题练习与讲解--填空题 1.三相异步电动机旋转磁场的转速n₁=______（用电源频率f₁和磁极对数p表示）。 答案：60f₁/p 解析：旋转磁场转速由电源频率和磁极对数决定，公式为n₁=60f₁/p，单位为r/min。 常考习题练习与讲解--填空题 2.转子不动时的感应电动势E₂₀=______，此时转子频率f₂=______。 答案：4.44K₂N₂f₁Φm；f₁ 解析：转子不动时s=1，电动势为E₂₀=4.44K₂N₂f₁Φm，频率f₂=sf₁=f₁。 常考习题练习与讲解--填空题 3.定子电路电压平衡方程近似为U₁≈______，表明感应电动势与外加电压______。 答案：-E₁；近似反相位 解析：因定子电阻和漏电抗压降很小，故U₁≈-E₁，E₁与U₁方向相反，数值接近。 常考习题练习与讲解--填空题 4.转子绕组阻抗Z₂=√R₂2+(____)²，随转差率s增大，Z₂______。 答案：sX₂₀；增大 解析：转子漏电抗X₂=sX₂₀，故阻抗Z₂=√R₂2+(sX₂₀)²，s增大时Z₂随之增大。 常考习题练习与讲解--判断题 1.三相异步电动机的主磁通仅由定子绕组产生。（ ） 答案：错误 解析：主磁通由定子绕组电流和转子绕组电流共同产生，是定、转子能量传递的媒介。 常考习题练习与讲解--判断题 2.转差率s=0时，转子绕组中没有感应电动势和电流。（ ） 答案：正确 解析：s=0意味着转子转速等于同步转速，转子与旋转磁场无相对运动，故无感应电动势和电流。 常考习题练习与讲解--判断题 3.定子漏电抗X₁和转子漏电抗X₂均与转差率s有关。（ ） 答案：错误 解析：定子漏电抗X₁由定子漏磁通决定，与s无关；转子漏电抗X₂=sX₂₀，与s成正比。 常考习题练习与讲解--判断题 4.转子功率因数cosφ₂随转差率s增大而减小。（ ） 答案：正确 解析：s增大时，sX₂₀增大，分母√R₂2+(sX₂₀)²增大，故cosφ₂=R₂/分母减小。 常考习题练习与讲解--简答题 1.简述三相异步电动机定子与转子绕组感应电动势的产生原理。 答案：定子绕组通入三相交流电产生旋转磁场，定子绕组静止，与旋转磁场有相对运动，切割磁感线产生感应电动势E₁；转子绕组随转子转动，与旋转磁场存在相对转速（n₁-n），切割磁感线产生感应电动势E₂，其频率和大小随转差率变化。 常考习题练习与讲解--简答题 2.转差率s对转子电流I₂和功率因数cosφ₂有何影响？ 答案：s增大时，转子电动势E₂=sE₂₀增大，漏电抗X₂=sX₂₀增大。I₂先随s近似正比增大，后趋于稳定；cosφ₂因X₂增大而减小，故启动时I₂大但cosφ₂低。 常考习题练习与讲解--简答题 3.比较三相异步电动机与变压器的磁路和电路特性差异。 答案：两者均通过主磁通传递能量，但异步电动机磁路含气隙，磁阻较大；变压器定、转子（原、副边）频率相同，而异步电动机定子频率f₁与转子频率f₂=sf₁不同，且转子可转动。 常考习题练习与讲解--简答题 4.为什么三相异步电动机启动时电流大而功率因数低？ 答案：启动时s=1，转子与旋转磁场相对速度最大，E₂₀最大，故I₂大；此时X₂₀最大，cosφ₂=R₂/√R₂2+X₂₀²，因X₂₀>>R₂，故功率因数很低。 课堂小结 重点复习知识点： 1.核心公式：掌握定子（E₁=4.44K₁f₁ΦmN₁）和转子（E₂=sE₂₀）电动势公式，以及转差率（s=(n₁-n)/n₁）、转子频率（f₂=sf₁）的计算。 2.转差率的关键作用：转差率是联系定、转子参数的核心，影响转子电动势、电流、电抗和功率因数，启动（s=1）和额定运行（s≈0.02-0.06）状态差异显著。 3.电路特性：定子电压近似平衡反电动势（U₁≈-E₁）；转子电流和功率因数随s动态变化，体现电动机运行特性。 阅读相关教材和课堂笔记，梳理重点知识点和关键概念。制作复习提纲或思维导图，以帮助理清知识框架和内部逻辑。进行练习题和例题的练习，加深对知识的理解和应用。 感谢 观看 $$