专题二十四 单相异步电动机的启动（教案）-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

专题二十四单相异步电动机的启动（教案）-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 一、考纲解读 1.重点考查欧姆定律、串并联电路特性及电功率计算，要求能结合分压、分流原理解决实际问题，如复杂电路的等效电阻化简与电流分配分析。 2.掌握正弦交流电的三要素、有效值计算及电感电容对交变电流的影响，理解相位差与阻抗概念，能分析RLC串联电路的电压电流关系。 3.核心考点为互感现象、理想变压器的变压/变流规律（U1/U2=n1/n2、I1/I2=n2/n1），需熟练运用功率守恒（P入=P出）解决多绕组变压器问题。 4.结合中性点接地系统、漏电保护装置等知识，分析触电防护措施及电气火灾预防，掌握安全电压等级与操作规范。 二、知识点梳理 单相异步电动机的启动，就是要使定子产生一个旋转磁场，最好是产生一个圆形旋转磁场。有了旋转磁场，单相异步电动机就能启动。根据使定子产生旋转磁场的方法，可将单相异步电动机分为分相式电动机和罩极式电动机两类。 1.单相电阻启动异步电动机 单相电阻启动异步电动机接线原理图如图5-12(a)所示，工作绕组U1U2和启动绕组Z1Z2接到同一电源电压U上，在工作绕组电路中，感抗比电阻大得多，所以工作绕组内电流i。的相位滞后于电源电压U,且相位角φu较大；在启动绕组电路中，电阻比感抗大，启动绕组电流Iz的相位角也滞后于电源电压U,但相位角φz较小，这样i,、iz之间出现了相位差φ,如图5-1 2(b)所示。这样两个绕组的电流就分相了，但Iu和Iz的相位差是较小的，因而启动转矩也较小。单相电阻启动异步电动机转矩曲线如图5-13所示，可以看出，加了电阻比电感大的启动绕组，启动转矩明显增大，可达到额定转矩的1.1～1.7倍，这时电动机沿曲线2和曲线3启动。 由于两绕组内的阻抗不等，因此电流I和Iz的大小也不相等。虽然在设计时可以选择适当的匝数N。和N₂,使两绕组上产生的磁动势幅值相等，即I₀No=I₂N₂,但不可能使两个绕组电流之间相位差等于90°,φ一般可达到30°~40°。因此，不能满足产生圆形旋转磁场的条件，只能产生椭圆形旋转磁场。 为了使启动绕组电路内获得较大的电阻值，一般采取以下措施： (1)启动绕组用较细的导线或电阻率较高的铝线绕制，甚至采用部分反绕匝数以增加电阻。 (2)部分线圈反绕，减小感抗，可得到较高的电阻与感抗的比值。 这种用电阻使启动绕组和工作绕组的电流产生相位差的方法，称为电阻分相法。 电阻启动异步电动机的启动绕组只允许启动时短时间工作，待电动机转速达到75%～80%额定转速时，由启动(离心)开关S将启动绕组切断，由工作绕组单独运行工作。 离心开关工作原理如图5-2所示。它是利用转子转速的变化，引起重块所产生的离心作用，通过滑动机构来闭合或分断触点，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。电动机停止转动时，重块复位，触点闭合，可以重新启动。 单相电阻启动异步电动机基本系列代号为(BO、B02)YU。功率等级有40 W、60 W、120W、 180 W、250W、350W,额定电压为220V,同步转速有1500 r/min、3000 r/min。适用于具有中等启动转矩和过载能力的小型车床、鼓风机、医疗机械等。 2.单相电容启动异步电动机 单相电容启动异步电动机接线原理图如图5-14(a)所示。启动绕组Z1Z2与电容器C及离心开关S串联后，与工作绕组U1U2并联，再与电源接通。在启动绕组电路内，容抗大于感抗，是电容性电路。如果电容器选择适当，可使启动时的Iz相位正好超前Iu90°,如图5-14(b)所示。并使两个绕组磁通势幅值相等，I,Nu=IzN₂,这就使启动时的磁场成为圆形旋转磁场，因而启动转矩较大。因此，这种电动机具有较大的启动转矩。从图5-14(c)所示转矩曲线可以看出，启动转矩可达到额定转矩的2.5~3.0倍，加电容器后，沿曲线2和曲线3启动。 这种用电容器使启动绕组和工作绕组内的电流产生相位差的方法，称为电容分相法。 单相电容启动异步电动机的启动绕组和电容器只允许短时间工作，当电动机启动后，待转速达到75%～80%额定转速时，由启动(离心)开关S将启动绕组切断电源，由工作绕组单独运行。 单相电容启动异步电动机的基本系列代号为(CO、CO2)YC。功率等级有120 W、180 W、250W、370 W、550W、750W,额定电压为220 V,同步转速有1500 r/min、3000 r/min。适用于具有较高启动转矩的小型空气压缩机、电冰箱、磨粉机、水泵及满载启动的机械。 3.单相电容运行异步电动机 如果电容启动的单相异步电动机的启动绕组设计成能长期接在电源上工作，这种电动机就称为单相电容运行电动机或单相电容电动机。这时，电动机实质上是一台二相异步电动机，它的原理线路图如图5-15(a)所示。如果选择适当的电容器及工作、启动绕组匝数，可使运行时具有圆形或近似圆形的旋转磁场。因此，电动机不但解决了启动问题，而且运行性能也有较大的改善。这种电动机的启动转矩为额定转矩的0.35~1.0倍，如图5-15(b)所示。 单相电容运行异步电动机的基本系列为(DO、D02)YY。功率有8 W、15 W、25W、40 W、60 W、90 W、120 W、180 W,同步转速有1500 r/min和3000 r/min两种。此种电动机具有较高的功率因数及效率，体积小、重量轻，适用于电风扇、通风机、录音机、各种空载和轻载启动的机械。 4.单相电容启动和运行异步电动机(单相双值电容电动机) 单相电容启动和运行异步电动机接线原理图如图5-16(a)所示。 电容启动单相异步电动机在启动绕组中串联一个电容器，用这种方法可提高启动转矩。电容运行单相异步电动机，其电容及启动绕组长期参与运行，运行时具有圆形或近似圆形的磁场，改善了运行性能。 经过计算知道，要想使单相异步电动机有较大的启动转矩，需要启动绕组串联的电容器容量较大；而要使电动机有较好的工作性能，需要启动绕组串联的电容器容量却要小些。如果既要有大的启动转矩，又要有好的工作性能，则采用两个电容器并联后再与启动绕组串联，如图5-16(a)所示。Cs为启动电容器，容量较大，C₆为工作电容器，容量较小。启动时，两个电容器并联，总电容量为Csr+C₆,电动机可以产生较大的启动转矩；启动后，当电动机转速达到75%～80%额定转速时，靠离心开关S将电容器Cs切除，电容量减小，这时只有电容量较小的Cc参加运行。这种电动机又称单相双值电容电动机。 这种电动机的启动转矩Ts是额定转矩的1.8倍，如图5-16(b)所示。20世纪90年代系列代号为E。它的功率范围是8~750 W,额定电压是220 V,同步转速为1500 r/min和3000 r/min两种。这种电动机具有较好的启动性能，过载能力大，效率和功率因数高，适用于家用电器、泵、小型机械等。 5.单相罩极式异步电动机 (1)凸极式罩极异步电动机如图5-17所示，它的定子铁心用硅钢片叠压而成，每个极上绕有集中绕组，称为主绕组。在每个极面的一边开有一个小槽，槽中嵌入短路铜环，罩住磁极面1/3左右。铜环的作用是通过电磁感应改变极面磁场的分布，铜环把极面罩住一部分，故称罩极电动机；又因为主磁极是凸出来的，全称凸极式罩极异步电动机。 当定子绕组上通人单相交流电时，它所产生的脉动磁场在短路环的作用下，磁极之间形成一个连续移动的磁场，这是一个旋转磁场，使转子旋转。罩极电动机旋转磁场的形成如图5-18所示。在主绕组中，在电流的正半波内，磁极内磁通分布情况如图5-18(a)所示。设电流从零增大到a点这一段时间内，穿过短路环那一部分的磁通是增大的。根据楞次定律，铜环内就要产生感应电流，感应电流的磁通要阻碍原磁通的变化。因此，感应电流的磁通与原磁通方向相反，结果铜环罩住这部分磁通较弱，罩极部分的合成磁通减少，整个磁极的磁场中心线偏离几何中心线而处于磁极的左边，即左强右弱。 当工作绕组中的电流从a点变到b点这段时间内，电流大小变化慢，经过极大值时则大小不变。此时铜环中感应电流非常小，对原磁场几乎无影响，整个磁场的中心线与几何中心线重合，如图5-18(b)所示。 当工作绕组中的电流从b点减小到零这段时间内，电流减小，穿过铜环内的磁通也在减少，铜环内感应电流的磁通与原磁通方向相同，合成磁通比原来增强。于是整个磁极的磁场中心线就偏向铜环移向右边，即左弱右强，如图5-18(c)所示。 从上面分析可以看到，磁场的中心线在磁极中自左向右移动，同理可知在S极内的磁场中心线也同时移动。在电流变化半个周期内，磁场中心线移过一个磁极，电流变化到下半周期时，每个磁极的极性同时改变，接着还同先前一样，磁场中心线自左向右移动一个磁极。以后，周而复始。电流频率为50 Hz,在1/50 s内，磁场中心线即转过一对磁极，这个罩极使脉振磁场变成了旋转磁场，因而能使转子自行启动。罩极式异步电动机转矩特性曲线如图5-19所示。磁场的旋转方向是从磁极无罩极处向短路环方向(即被罩的磁极)移动。 (2)隐极式罩极异步电动机隐极式罩极异步电动机的定子铁心与三相异步电动机定子铁心基本相同，由硅钢片叠压而成，内圆分布若干槽，工作绕组和罩极绕组分布在这些槽内。工作绕组轴线和罩极绕组轴线相距30°~60°电角度(常取45°),如图5-20所示。 工作绕组匝数多，线较细；罩极绕组(启动)匝数少(2～8匝),线较粗，一般为工作绕组导线直径的3~5倍。罩极绕组自成闭合回路，其作用与凸极式铜环一样。这种电动机在定子铁心槽上，不易看出磁极，故称隐极式罩极。隐极式异步电动机磁场旋转方向是从工作绕组向启动绕组方向移动，转子沿旋转磁场方向单向旋转。 凸极式或隐极式单相罩极异步电动机，启动转矩均较小，启动转矩为额定转矩的50%。功率因数和效率也较低，启动性能和运行性能较差。但结构简单，成本低，运行时噪声小，经久耐用，维修容易。功率范围15~90 W,额定电压为220V,同步转速有1500 r/min和3000 r/min两种，适用于小型电风扇、电动模型、电唱机及各种轻载启动的小功率电动设备。 三、真题练讲 1.（2023年河南省统一考试）某理想变压器原线圈接220V交流电源，副线圈输出36V电压，若副线圈匝数为180匝，则原线圈匝数为（ ） A.1100匝 B.990匝 C.550匝 D.330匝 答案：A 解析：根据变压公式U1/U2=n1/n2，代入数据得n1=(220/36)×180=1100匝。 2.（2024年河南省统一考试）变压器运行时，若副线圈负载电阻增大，原线圈输入电流将（ ） A.增大 B.减小 C.不变 D.无法确定 答案：B 解析：负载电阻增大导致副线圈电流减小，根据I1/I2=n2/n1，原线圈电流随之减小。 3.（2022年河南省统一考试）某变压器铭牌标注“220V/110V，50Hz”，其额定容量为1000VA，则副线圈额定电流为（ ） A.4.55A B.9.09A C.18.18A D.22.73A 答案：B 解析：副线圈额定电流I2=S/U2=1000/110≈9.09A，与功率守恒原理一致。 4.（2021年山东省统一考试）变压器油的主要作用是（ ） A.绝缘与散热 B.防锈与润滑 C.防潮与密封 D.导电与冷却 答案：A 解析：变压器油通过对流带走热量，并隔离绕组与铁芯，防止短路。 5.（2025年江苏省统一考试）下列哪种情况会导致变压器铁芯损耗增大？（ ） A.负载电流减小 B.电源频率升高 C.绕组匝数增加 D.铁芯硅钢片绝缘老化 答案：D 解析：硅钢片绝缘老化会增大涡流损耗，导致铁芯发热加剧。 四、限时练讲 1.某理想变压器原副线圈匝数比为5:1，若副线圈接10Ω电阻，则原线圈等效阻抗为（ ） A.250Ω B.50Ω C.10Ω D.2Ω 答案：A 解析：等效阻抗Z1=(n1/n2)^2×Z2=25×10=250Ω，体现阻抗变换特性。 2.变压器空载运行时，铁芯中的磁通主要由（ ）产生。 A.原线圈电流 B.副线圈电流 C.电源电压 D.负载电阻 答案：C 解析：空载时副线圈开路，磁通由原线圈电压感应生成。 3.若变压器原线圈输入电压有效值为220V，副线圈输出电压有效值为110V，则该变压器为（ ） A.升压变压器 B.降压变压器 C.隔离变压器 D.自耦变压器 答案：B 解析：副线圈电压低于原线圈，属于降压变压器。 4.变压器短路试验的目的是测量（ ） A.铁损 B.铜损 C.励磁阻抗 D.变比 答案：B 解析：短路试验时铁芯损耗可忽略，主要测量绕组电阻引起的铜损。 5.下列哪种措施能提高变压器效率？（ ） A.增大铁芯截面积 B.减小绕组匝数 C.采用高导磁率硅钢片 D.提高负载功率因数 答案：C 解析：高导磁率硅钢片可降低铁芯损耗，提升效率。 6.变压器负载运行时，若副线圈电流增大，原线圈电流将（ ） A.按匝数比成比例增大 B.按匝数比成比例减小 C.保持不变 D.随机变化 答案：A 解析：根据I1/I2=n2/n1，原线圈电流与副线圈电流成正比。 7.某三相变压器连接组别为Yyn0，其含义是（ ） A.原副线圈均为星形连接，相位差为0° B.原线圈星形、副线圈三角形，相位差为30° C.原副线圈均为三角形连接，相位差为0° D.原线圈三角形、副线圈星形，相位差为30° 答案：A 解析：Yyn0表示原副线圈均为星形连接，中性点接地，相位差为0°。 8.变压器并联运行的条件不包括（ ） A.变比相等 B.连接组别相同 C.额定容量相同 D.短路阻抗标幺值相等 答案：C 解析：容量不同的变压器可并联，但需按容量比例分配负载。 9.简述变压器的工作原理。 答案：变压器基于电磁感应原理工作。原线圈通入交流电时，铁芯中产生交变磁通，该磁通穿过副线圈，根据法拉第电磁感应定律，副线圈两端感应出电动势。通过改变原副线圈匝数比，可实现电压变换。理想情况下，U1/U2=n1/n2，且输入功率等于输出功率。 10.说明安全用电的基本原则。 答案：安全用电需遵循：①不接触低压带电体，不靠近高压带电体；②工作前切断电源并验电；③使用符合安全标准的电气设备；④安装漏电保护器和接地装置；⑤定期检查线路绝缘状况，避免过载运行。 五、学法建议 重点复习知识点： 1.通过推导理解其物理意义，避免死记硬背。例如，结合能量守恒定律分析多绕组变压器的电流分配。 2.按题型（如变比计算、功率分析、故障诊断）整理例题，总结解题思路。例如，变压器动态分析题需先确定变量（电压、负载），再结合公式逐步推导。 3.通过实验验证变压器特性，如空载/短路试验中观察电压、电流变化，加深对互感现象和损耗机制的理解。可利用仿真软件模拟不同负载下的运行状态。 4.建立错题本，分析错误原因（概念混淆、公式误用、计算失误），针对性强化薄弱环节。例如，涡流损耗与磁滞损耗的区别需结合铁芯材料特性理解。 5.将变压器知识与直流电路、交流电路、安全用电等模块结合，解决实际问题。例如，分析远距离输电中变压器如何通过升压减少线路损耗。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 $$