专题二十三 单相异步电动机的基本原理（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

专题二十三 单相异步电动机的基本原理（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.重点掌握电压的基本概念、参考方向及欧姆定律的应用，理解变压器通过电磁感应实现电压变换的原理，明确变比k=N1/N2与电压、电流的关系。需区分理想变压器与实际变压器的差异，关注能量守恒在功率计算中的体现。 2.熟悉变压器的铁芯、绕组等核心部件，掌握空载与负载运行时的电动势、电流分布规律。理解电压调整率、效率等参数的计算方法，结合实验数据分析变压器的实际性能。 3.掌握三相变压器的磁路系统（心式/组式）及连接组别（如Yyn0、Dyn11）的判定方法。了解互感器、自耦变压器等特殊类型的工作特点，能分析其在电力系统中的应用场景。 4.掌握变压器的接线规则、极性判别方法（如直流法、交流法），熟悉安全操作流程。通过实验数据处理，提升故障排查能力，如绕组短路、铁芯发热等问题的分析与解决。 二、知识点梳理 一、单相异步电动机的结构 决定单相异步电动机总体结构的因素很多，如电动机的使用条件、环境、所配套机械负载的特点、冷却方式、防护方式、安装方式和启动方式等。 单相异步电动机总体结构可按不同方式进行分类。 按冷却方式分类：有空气自冷、外风扇自冷、内风扇自冷等； 按防护方式分类：有开启式、防护式、封闭式、防爆式、潜水式、潜油式等。 按安装方式分类：有机座带底脚、端盖无凸缘；有机座无底脚、端盖有小凸缘，轴伸在凸缘端；有机座有底脚、端盖上有小凸缘、轴伸在凸缘端；有机座无底脚、端盖上有大凸缘，轴伸在凸缘端等四种。 按启动方式分类：有分相式和罩极式。 单相异步电动机中，专用电机占有很大比例，如电风扇电动机、电冰箱电动机、洗衣机电动机、电吹风电动机、空调风扇电动机。它们的结构各有特点，形式繁多。尽管如此，就其共性而言，单相异步电动机的结构都由固定部分——定子、转动部分转子、支撑部分——机座、端盖和轴承等三大部分组成，如图5-1所示。 现简要介绍如下： (1)机座机座结构随电动机冷却方式、防护类型、安装方式和用途而异。就其材料分类，有铸铁、铸铝和钢板结构等几种。 铸铁机座，通常带有散热筋。机座与端盖连接，用螺栓紧固。 铸铝机座、往往不带散热筋，常有加强筋和装饰筋采用长螺栓紧固端盖。 钢板结构的机座，是由厚为1.5~2.5 mm的薄钢板卷制、焊接而成，再焊上钢板冲压件的底脚。近年来有一次冲压成形与端盖连在一起的。此种结构国内正在普及。 有的专用电动机的机座相当特殊，如电冰箱的电动机，它通常与压缩机一起装在一个密封的罐子里。而洗衣机的电动机，包括甩干机的电动机，均无机座，端盖直接固定在定子铁心上。 机座型号按微型驱动电机国家标准的规定，可有两种表示方法：一种是以电机的轴中心线高表示，有36、40、50、56、63、71、80和90(单位mm)等多种，其固定方式是用底脚安装的；另一种是以电机的机壳外径表示，有12.5、16、20、24、28、36、45、55、70、90、110、130和160(单位mm)。其固定方式是用机壳上靠近输出轴端的凸缘或凹槽安装的。 (2)铁心铁心包括定子铁心和转子铁心，作用同三相异步电动机一样，是用来构成电动机的磁路。其中为减少交变磁通产生的铁损，也是用相互绝缘的电工钢片冲制后叠成。此类电机的铁心冲片已普遍采用无硅低碳电工钢片，性能要求较高的产品则用无取向冷轧硅钢片。 定子铁心紧固方式，分为内压装和外压装两种。常见的外压装方式有：铁心冲片带有扣片槽，叠压紧时用扣片扣紧即可；冲片带有焊槽，叠压紧时用氩弧焊焊成整体；冲片带有铆孔，叠压紧时用铜或铝铆钉铆接成整体。内压装工艺是将铁心叠齐后，与铝壳同时压铸成整体，简单方便。 转子铁心与三相异步电动机转子铁心相同，也是采用定子冲片内圆冲下来的硅钢片做转子叠片。 (3)绕组单相异步电动机定子绕组通常做成两相：工作绕组和启动绕组。两种绕组的中轴线错开一定的电角度。目的是为了改善启动性能和运行性能。定子绕组多数采用高强度聚酯漆包线绕制。通常采用常规绕组，如同心绕组、链式绕组等。为了减少谐波，常常采用正弦绕组。 转子绕组一般采用笼型绕组，通常用铝压铸而成。 (4)端盖相应于不同的机座材料、端盖也有铸铁件、铸铝件(或铝压铸件)及钢板冲压件三种。 根据安装要求，有的前端盖带有大凸缘、小凸缘或其他形状的安装孔。对于容量更小的电动机，有时只有一个端盖，另一只端盖与机壳连成一体，像只杯子。 (5)轴承单相异步电动机用的轴承，有滚珠轴承和含油轴承两种。前者价格高而噪声大，但寿命长；后者价格低而噪声小，但寿命短。 电动机专用的滚珠轴承，径向间隙比普通轴承小。国产电动机专用轴承有两种：国内电动机用的，以符号Z标志；出口电动机用的，以符号Z1标志。安装轴承时宜用热套，轻压内圈，切忌用榔头猛敲；拆卸轴承时宜用专用工具。严格控制定子、转子同心度。 含油轴承又可分为球形与圆柱形两种。球形轴承有自定位作用，装配要求低；圆柱形轴承对电动机同心度要求较高，装配较难但噪声较小。 (6)离心开关或启动继电器和PTC启动器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%时，常常借助于离心开关，切除单相电阻启动电动机及电容启动电动机的启动绕组，或切除电容启动及运转电动机的启动电容器。如图5-2所示，离心开关一般安装在轴伸端盖的内侧。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，此时就用启动继电器代替。如图5-3所示，继电器的吸铁线圈串联在工作绕组回路中，启动时，主绕组电流1m很大，衔铁动作，使串联在启动绕组回路中的动合触点K闭合。于是启动绕组接通，电动机处于两相绕组运行状态。随着转子转速上升，工作绕组电流I.不断下降，吸铁线圈的吸力也随之下降。当到达一定的转速时，电磁铁的吸力小于触点K的反作用弹簧的拉力，触点K被打开，这时启动绕组就脱离了电源。 最新式的启动元件是“PTC”,它是一种能“通”或“断”的热敏电阻。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。PTC元件电阻-温度特性曲线如图5-4所示。图中电阻急剧增加的温度点Tc称为居里点，它的高低可通过原材料配方来调节，温度在Tc点以下时，电阻值甚低，当温度超过Tc以后，电阻有很大的正温度系数，电阻值随温度升高急剧增大，以后又趋于稳定。最大阻值与最小阻值之比可达1000。使用时，将PTC元件与电容启动或电阻启动电机的启动绕组串联。在启动初期，因PTC热敏电阻尚未发热，阻值很低，启动绕组处于通路状态，电机开始启动。随着时间推移，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Tc时，电阻剧增，启动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 W的损耗，使PTC元件的温度保持在Tc值以上。 当电机停止运行后，PTC元件温度不断下降，约2~3 min(分钟)其电阻值降到Tc点以下，这时又可以重新启动，而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。 PTC启动器有很多优点：无触点、运行可靠、无噪声、无电火花，因而防火、防爆性能好，且耐振动、耐冲击、体积小、重量轻、价格低。 (7)铭牌单相异步电动机铭牌，用来标示电动机的额定数据及其他必要项目，见表5-1。 型号表示该产品的种类、技术指标、防护结构及使用环境等。型号含义如下： 二、单相异步电动机的基本原理 1.单相绕组的脉振磁场 现在分析定子绕组通入单相交流电时，所产生磁场的情况。 如图5-5所示，假设通入的是正弦变化的交流电i=1sin wt。在单相交流电的正半周时，电流从定子绕组的左侧流入，从右侧流出，由电流所产生的磁场方向如图5-6所示，该磁场的大小随电流的大小而变化，方向则保持不变。当电流过零时，磁场也为零。当电流变为负半周时，则产生磁场的方向也随之发生变化，如图5-7所示，磁场的大小仍旧随电流的大小而变化。下一个周期重复上一个周期的变化。由此可见，单相异步电动机定子绕组通入单相交流电时，产生磁场的大小及方向在不断地周期变化着。但磁场的轴线(图中纵轴)却固定不变，这种磁场称为脉振磁场。 由于定子绕组通入单相交流电所产生的磁场只是脉振而不旋转。如果此时的转子静止不动，尽管在脉振磁场的作用下，转子导体因与磁场之间没有相对运动(即没有切割磁感线),而不产生感应电动势和电流，也就不存在电磁力的作用，因此转子仍然静止不动，也就是说，单相异步电动机不能自行启动，没有启动转矩。这是单相异步电动机的一个缺憾。 如果用外力去转动一下电动机的转子，则转子导体就切割定子脉振磁场，从而有电动势和电流产生，并在磁场中受到力的作用，转子将顺着外力转动的方向继续转动下去。这时，定子磁场与转子磁场合成为旋转磁场，使转子继续转动下去。因此，要使单相异步电动机具有应用价值，就必须设法解决电动机的自行启动问题。 2.两相绕组的旋转磁场 要使电动机自行启动就必须有一个旋转磁场，这样就能同三相异步电动机那样自行启动。常用的办法是在电动机的定子上安放两相定子绕组，使两相绕组在圆周上相差90°电角度，并将单相电源通过电阻、电容和电抗的合理配合分为有90°相位差的两相电源，将它们分别接在两绕组上，便能产生旋转磁场，在笼型转子上产生启动转矩。 如图5-8中，U1U2和Z1Z2代表两相绕组，它们空间位置上相差90°电角度，将两相电流iu、i2,分别通入两相绕组，且iz超前i90°,可用下式表示 图5-9所示为对两绕组产生磁通势的分析，图5-10所示为两相电流波形图。规定电流为正时，电流从首端流入，末端流出；电流为负时，电流从末端流入，从首端流出。从电流表达式或从波形图可以看出，当wt=0时，iu=0,iz=Im,Iu为零时，U1U2绕组内没有电流；Iz为正的最大值，电流从首端Z1流入，末端Z2流出，合成磁场就等于Z1Z2绕组产生的磁场，方向向下，如图5-1 1(a)中箭头所示。当wt=45°时iu=iz=1/√2Im,Iu为正，电流从首端U1流入，从末端U2流出；Iz也为正，电流从首端Z1流入，从末端Z2流出，其合成磁场如图5-11(b)所示。与wt=0时比较，合成磁场方向已转过了45°电角度。同样的方法可以求出wt=90°的合成磁场方向，在空间又比wt=45°时转过了45°电角度，如图5-11(c)所示。其他时刻合成磁场的情况，如图5-11(d)～(h)所示。当wt=360°时，合成磁场也在空间转过了360°电角度，所以合成磁场为旋转磁场，其转速 设绕组U1U2、Z1Z2的匝数分别为Nu、N2,如果两相绕组的磁通势幅值相等，即IuNu=I₂Nz, 且电流I。和Iz的相位差为90°,就能得到每极磁通不变的旋转磁场。这样的磁场与三相对称绕组内通过三相对称交变电流所产生的旋转磁场性质相同，称为圆形旋转磁场或等幅旋转磁场。如果两相磁通势不相等，即I₁Nu≠I₂Nz,或两相电流之间的相位差不等于90°,所产生的旋转磁场，称为椭圆形旋转磁场，或称不等幅旋转磁场。这样的旋转磁场每极磁通的大小随时间发生变化，相当于一个脉振磁场加上一个圆形旋转磁场。如果单相异步电动机在启动时能获得圆形旋转磁场，电动机就像三相异步电动机一样自行启动。如果只能获得椭圆形旋转磁场，单相异步电动机也能自行启动，但启动转矩较小。因此，在定子上除了主绕组以外，还要有一个与主绕组在空间位置上相距90°电角度的启动绕组，并设法在这两个绕组内通入相差90°的两相电流，从而产生旋转磁场，单相异步电动机即能自行启动。 通过理论分析，两相绕组在转子上产生的电磁转矩T与两个绕组通过电流后产生的磁通①,和Φ₂及它们的电流相位差φ的正弦乘积成正比，即T=KΦ₁Φ₂sinφ因此，要想得到理想的启动电磁转矩，就必须设法增大φ角，当φ=9 0°时，转矩T最大。 三、真题练讲 1.（2023年河南省统一考试）某理想变压器原线圈匝数为1100匝，输入电压为220V，副线圈输出电压为11V。若副线圈接有阻值为2Ω的负载，则副线圈匝数及负载电流分别为（ ） A.55匝，5.5A B.55匝，11A C.110匝，5.5A D.110匝，11A 答案：A 解析：由变比公式k=U1/U2=N1/N2，得N2=U2/U1×N1=11/220×1100=55匝。副线圈电流I2=U2/R=11/2=5.5 A。 2.（2022年河北省统一考试）三相变压器连接组别为Yd11，其含义是（ ） A.原边星形、副边三角形，副边线电压滞后原边30° B.原边三角形、副边星形，副边线电压超前原边30° C.原边星形、副边三角形，副边线电压超前原边30° D.原边三角形、副边星形，副边线电压滞后原边30° 答案：C 解析：Yd11表示原边星形（Y）、副边三角形（d），连接组别数字11对应相位差11×30°=330°，即副边线电压超前原边30°。 3.（2023年河南省统一考试）某变压器空载损耗为100W，短路损耗为400W。当负载系数为0.5时，总损耗为（ ） A.150W B.200W C.250W D.300W 答案：B 解析：空载损耗（铁损）为不变损耗，短路损耗（铜损）与负载系数平方成正比。总损耗P=100+400×(0.5)2=100+100=200 W。 4.（2024年山东省统一考试）用直流法判断变压器绕组极性时，若原边接电池正极，副边接电压表，合闸瞬间表针正向偏转，则（ ） A.原边正极与副边正极为同名端 B.原边正极与副边负极为同名端 C.无法判断极性 D.需重复实验确认 答案：A 解析：合闸瞬间原边电流增大，副边感应电动势使电压表正向偏转，说明原边正极与副边正极的磁通方向一致，即为同名端。 5.（2023年河南省统一考试）某自耦变压器变比为3:1，输入电压为220V，输出电压为（ ） A.660V B.220V C.73.3V D.无法确定 答案：C 解析：自耦变压器输出电压U2=1/3×220≈73.3 V，降压运行时副边匝数为原边的1/3。 四、限时练讲 1.变压器原边电压为220V，副边电压为36V，若副边接有36W负载，则原边电流约为（ ） A.0.16A B.0.5A C.1A D.1.5A 答案：A 解析：副边电流I2=P/U2=36/36=1 A，原边电流I1=U2/U1×I2=36/220×1≈0.16 A。 2.三相心式变压器的磁路特点是（ ） A.各相磁路独立 B.磁路互相关联，零序磁通需经空气闭合 C.磁阻较大 D.适用于大容量输电 答案：B 解析：三相心式变压器磁路互相关联，零序磁通无法通过铁芯闭合，需经空气路径，导致磁阻较大。 3.变压器铭牌标注“额定容量50kVA，电压10kV/0.4kV”，则高压侧额定电流为（ ） A.5A B.2.89A C.125A D.25A 答案：B 解析：高压侧额定电流I1=S/√3U1=50×103/√3×10×103≈2.89 A。 4.变压器绕组极性错误可能导致（ ） A.输出电压升高 B.铁芯过热 C.绕组短路 D.功率因数降低 答案：C 解析：极性错误会使绕组中电流方向相反，导致磁势抵消，产生环流，引发短路故障。 5.某变压器负载运行时，副边电压为220V，空载电压为230V，其电压调整率为（ ） A.4.35% B.4.55% C.5% D.5.26% 答案：A 解析：电压调整率∆U%=U20-U2/U20×100%=230-220/230×100%≈4.35%。 6.互感器的主要作用是（ ） A.变换电压或电流，隔离高压 B.调节电路功率因数 C.稳定输出电压 D.保护电路短路 答案：A 解析：互感器通过电磁感应将高电压/大电流变换为低电压/小电流，便于测量和保护，同时实现电气隔离。 7.自耦变压器与普通变压器的主要区别是（ ） A.铁芯结构不同 B.绕组匝数更多 C.原副边有电气连接 D.效率更高 答案：C 解析：自耦变压器原副边共用部分绕组，存在直接电气连接，而普通变压器通过磁耦合传递能量。 8.变压器油的主要作用是（ ） A.绝缘和冷却 B.润滑和防锈 C.灭弧和防潮 D.密封和减震 答案：A 解析：变压器油具有高绝缘强度和良好的导热性，用于绝缘和散热，延长设备寿命。 9.简述用交流法判断变压器绕组极性的步骤。 答案： ①将变压器原边接入低频交流电源，副边开路；②用交流电压表分别测量原边和副边的电压；③调换原边任意两端子，再次测量副边电压；④若两次副边电压均增大或减小，说明同名端正确；若一次增大一次减小，则极性相反。 10.分析变压器负载运行时效率下降的原因。 答案： 负载运行时，铜损（与电流平方成正比）随负载增加而增大，铁损（与电压有关）基本不变。当负载超过额定值时，绕组发热加剧，导致效率下降。此外，磁滞、涡流损耗及漏磁也会降低能量传递效率。 五、学法建议 重点复习知识点： 1.深入理解电压、电动势、变比等基本概念，掌握U1/U2=N1/N2、I1/I2=N2/N1等公式的推导过程。通过例题练习，熟练运用公式解决实际问题，如参数计算、故障分析。 2.结合实验掌握绕组极性判别、空载/短路试验等技能，分析实验数据（如电压调整率、效率）与理论值的差异，总结误差来源。通过实际操作加深对变压器工作原理的理解。 3.类整理历年真题，重点突破三相变压器连接组别、参数计算、故障分析等高频考点。通过对比不同省份的题型，掌握命题规律，如河南省侧重实际应用，山东省侧重理论推导。 4.将变压器与电路分析、电磁感应等知识结合，构建完整的知识体系。例如，分析变压器在电力系统中的作用时，需联系输电线路损耗、电压等级匹配等内容，提升综合应用能力。 5.建立错题本，标注易混淆概念（如电压调整率与效率）、易错公式（如三相变压器容量计算）。针对薄弱环节，如连接组别判定、实验数据分析，进行专项训练，确保知识无盲区。 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 $$