专题三十一 同步电动机的启动方法（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

专题三十一 同步电动机的启动方法（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.电磁感应与变压器原理：理解电磁感应定律在变压器中的应用，掌握理想变压器的电压、电流与匝数关系公式（U1/U2=N1/N2、I1/I2=N2/N1），明确能量守恒在变压器工作中的体现。 2.变压器结构与分类：识别铁芯、绕组等核心部件，区分升压/降压变压器、单相/三相变压器的特点，掌握铭牌参数（额定电压、容量）的实际意义。 3.动态分析与应用：能分析负载变化对变压器输出电压、电流的影响，结合远距离输电模型计算线路损耗，理解涡流、磁滞损耗的成因及减少方法。 4.实验操作与误差分析：掌握“探究电压与匝数关系”实验的步骤，能设计电路验证公式，分析漏磁、线圈电阻等因素对实验结果的影响，提出改进方案。 二、知识点梳理 同步电动机本身无启动转矩，如图6-22所示，所以通电以后，转子不能自行启动。 定子通入三相电流后，产生定子旋转磁场，旋转方向为顺时针旋转，在图6-22(a)所示的瞬间，定子磁场顺时针旋转，由于异性磁极相吸引，旋转磁场对转子有一个转矩，欲把转子拖转。但是由于转子惯性很大，转子不能立即以同步转速旋转。旋转磁场转速却很快，当定子旋转磁场转过180°电角度时(即定子电流经过半个周期),定子旋转磁场的位置变为图6-22(b)所示。这时定子磁场对转子磁场产生一个反向作用的转矩，转子还是因惯性不能转动。在电流变化一个周期内旋转磁场对转子的平均转矩为零，所以转子不能启动。 当用外力将转子以一定的转速沿定子旋转磁场方向旋转时，再给定子绕组通以三相交流电，则转子所受交变转矩的频率将降为f₂=sf₁,当s越来越小时，所受交变作用力的次数越来越少，当s=0时，受到大小恒定的作用力，转子就达到了同步转速。 一、异步启动法 1.异步启动法结构及启动过程 在设计和制造同步电动机时，在转子磁极的圆周表面上加装一套启动绕组。绕组的形式与笼型异步电动机一样，在转子磁极表面的槽内嵌入铜条，两端用端环把铜条短接，构成笼型启动绕组，如图6-23所示。这种在转子上加笼型启动绕组的方法称为异步启动法。 在启动前，先将励磁绕组经过电阻R=(5～10)r(启动电阻R,励磁绕组电阻r₁)短接，如图6-24所示。这样可防止刚开始转动时励磁绕组切割磁感线而产生很大的电动势，从而避免对人或设备造成危害。 然后，接通三相电源，定子与笼型启动绕组组成一台异步电动机，靠这种转矩使转子加速。当转速增至空载转速时，即达到所说的亚同步速，就可给转子磁极通入励磁电流。旋转磁场对转子磁场作用力矩的频率很小，方向几乎不变。这时靠同步速度的旋转磁场就可以将转子拉到同步转速(称为牵入同步)。 转子达到同步转速后，转子笼型导条与旋转磁场之间没有相对转速，转子启动绕组中也就没有感应电流了，此时启动绕组就完成了启动任务。 另外，如果电动机容量较大，启动时定子绕组中的电流会很大，为了限制启动电流，应该采用恰当的启动方法，如降压启动等。 2.异步启动原理 装有启动绕组的同步电动机转子结构如图6-23所示。启动绕组在启动时产生异步转矩，此转矩在启动过程中起主要作用。 同步电动机在异步启动过程中，作用在转子上的转矩有四种：一是励磁绕组产生的单轴转矩；二是启动绕组产生的异步转矩；三是磁阻转矩；四是励磁绕组励磁后产生的同步转矩。 单轴转矩是同步电动机在异步状态下由励磁绕组中流过感应电流与气隙磁场相互作用产生的。由于励磁绕组相当于一个单相绕组，故由此而产生的转矩称为单轴转矩。这是因为同步电动机作异步启动时，不允许将励磁绕组开路。若开路，在刚启动时，气隙磁场与转子之间的相对转速很大，励磁绕组的匝数又很多，将在两端产生很高电压，很可能破坏绕组的绝缘，并危及人身安全。但若将励磁绕组直接短路，则在励磁绕组中感应出很大的电流，这个电流与气隙磁场作用将产生较大的单轴转矩，其特点是在略大于半同步速时产生较大的负转矩，使电动机合成转矩曲线发生明显的下凹，可能把同步电动机卡在此速度下不能继续升速。单轴转矩对同步电动机启动的影响如图6-25所示。 在启动过程中，可将同步电动机看成是一个具有三相定子绕组和单相转子绕组的感应电动机。转子绕组产生频率为sf,的脉振电流，这个脉振电流与定子三相旋转磁场相互作用而产生转矩，这个转矩也是随频率sf,变化的。它与笼型绕组的启动转矩合成时，在1/2同步转速附近变小，出现最小转矩，即所谓单轴转矩效应。 启动过程中，启动绕组产生的转矩就是普通的异步转矩，其T-s曲线与感应电动机一样，如图6-25中虚线所示。同步电动机启动性能的好坏与合成启动转矩的大小有关。为使同步电动机启动转矩增大，在启动时励磁绕组回路中应串联一个启动电阻，电阻值为励磁绕组电阻r:的5~10倍，以限制转子励磁绕组的感应电流，减少单轴转矩效应。 同步电动机启动性能可以用最初启动转矩Tsro和名义牵入转矩T₄的大小来表征。名义牵入转矩是指转速达到95%n,(即s=0.05)时电动机的异步转矩。同步电动机的启动转矩是单轴转矩与异步转矩的合成转矩。笼型启动绕组的电阻越大，名义牵入转矩T就越小，而启动转矩Tsro则变大，所以通常要求牵入转矩大而启动转矩较小。拖动鼓风机等的同步电动机可用电阻系数较小的紫铜来做启动绕组；而要求启动转矩大而牵入转矩较小的连续轧钢机的电机，应选用电阻系数较高的黄铜或铝青铜来做启动绕组。图6-26所示为同步电动机启动过程的异步合成转矩。 当异步启动达到同步转速n,的95%时，此时转差率s较低，磁阻转矩已起作用。由于转子尚未励磁，转子励磁仍无固定的极性而仅由定子磁场磁极决定。磁阻转矩是定子旋转磁场吸引转子凸极铁心产生的，当定子磁场等效磁极在转子凸极铁心之前时，其吸引力将使转子加速；反之则使转子减速。在异步状态下磁阻转矩是交变的，在电机启动初期，s较大，磁阻转矩对大转动惯量电机的转速影响很小；但当转速接近同步转速时，由于s很小，磁阻转矩对电机转速的影响很显著,使转子转速发生振荡，即形成时大时小的变化。 当转速达到同步转速n₁的95%时，接通励磁电流，则转子磁极就有了确定的极性。这时产生了同步转矩，在转子磁极落后于气隙等效磁极的情况下，则二者极性相同时转子减速，极性相反时转子加速；当转子磁极超前于气隙等效磁极时则相反(这在辅助电动机启动时经常出现)。每当气隙等效磁极相对于转子滑过一对磁极时，转矩变化一个周期，该转矩引起的转速振荡周期比磁阻转矩引起的要大。由于其周期较长，转矩值又比磁阻转矩大得多，所以转速变化也大得多。转速的瞬时值可以超过同步转速，经过减速过程又回到同步转速附近，在整步转矩(同步转矩)作用下，经过很短一段衰减振荡后，转子即可牵入同步，如图6-27所示。一般来说，同步电动机轴上负载越轻，电动机就越容易牵入同步。 二、辅助启动法 如果同步电动机中没有设启动绕组，可以用辅助启动法解决启动问题。就是用一台异步电动机或其他动力机械(如柴油机等),把转子加速到接近同步转速时脱开，再通入定子电流及励磁电流，就可以使电动机进入同步运行。 具体做法是辅助电动机通常采用和同步电动机相同磁极对数的异步电动机，且容量为主机容量的5%～15%。启动时，先由辅助电动机将主机拖动到接近同步转速，再用自同步法将其投入电网，然后切断辅助电动机电源。 辅助电动机也可以采用比同步电动机少一对磁极的异步电动机。异步机启动后，异步电动机的同步转速高于主机的同步转速。待将主机拖动到高于主机同步转速后，再切断辅助电动机电源，使转速下降，当转速降到等于主机同步转速时，立即将主机投入电网。这样可得到较大的整步转矩。 另外，还可以用和主机同轴的直流励磁机兼作辅助电动机，即把直流励磁机先当直流电动机使用，将同步电动机拖动到接近同步转速，用自同步法将其投入电网后，再断开直流电源，当然，在启动过程中，主机励磁电流要由直流电网供电。 辅助电动机启动方法的缺点是不能带负载启动，否则，辅助电动机的容量将很大，启动设备和操作也将变得很复杂。如用其他动力机械启动，道理也是如此。 三、调频启动法 调频启动法需要一个能够把电源频率从零逐步调节到额定频率的变频电源。这样，可把旋转磁场的转速从零调至额定同步转速。在启动的整个过程中，转子的转速始终与定子旋转磁场的转速同步。此法的主要不足是需要一个变频电源，并且励磁机不能和主机同轴，因为一开始就需要对励磁绕组通入所需要的励磁电流，如果同轴，励磁机在最初转速很低时，无法产生所需要的励磁电压。 三、真题练讲 1.（2023年河南省对口升学考试）下列关于理想变压器的说法正确的是（ ） A.输入功率随输出功率的增加而增大 B.原线圈电流与副线圈电流成正比 C.匝数比决定电压比，与负载无关 D.铁芯中的磁通量变化率与匝数有关 答案：A 解析：理想变压器遵循能量守恒，输入功率等于输出功率，故A正确。电流比与匝数比成反比（I1/I2=N2/N1），B错误；匝数比直接决定电压比，与负载无关，C正确但非本题答案；磁通量变化率由电源频率决定，与匝数无关，D错误。 2.（2022年山东省春季高考）某变压器原线圈接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.900匝 B.1100匝 C.1320匝 D.1600匝 答案：B 解析：根据电压比公式U1/U2=N1/N2，代入数据得N1=220/36×180=1100匝，选B。 3.（2024年河南省单招考试）远距离输电时，为减少线路损耗，应（ ） A.提高输送电压，增大电流 B.降低输送电压，减小电流 C.提高输送电压，减小电流 D.降低输送电压，增大电流 答案：C 解析：根据P损=I2R，在输送功率P=UI不变时，提高电压U可减小电流I，从而降低损耗，选C。 4.（2025年河北省技能高考）变压器空载运行时，下列说法正确的是（ ） A.原线圈电流为零 B.副线圈电压为零 C.铁芯中磁通量为零 D.输入功率等于铁损 答案：D 解析：空载时副线圈开路，电压不为零（由匝数比决定），但电流为零。原线圈仍有励磁电流，产生交变磁通，输入功率用于克服铁芯损耗（铁损），选D。 5.（2021年河南省统一考试）某理想变压器原副线圈匝数比为2:1，副线圈接10Ω电阻，原线圈输入电压为220V，则副线圈电流为（ ） A.11A B.22A C.44A D.88A 答案：B 解析：副线圈电压U2=1/2×220=110V，电流I2=110/10=11A。根据电流比I1/I2=1/2，原线圈电流I1=5.5A，但题目问副线圈电流，选B。 四、限时练讲 1.下列关于变压器的说法错误的是（ ） A.铁芯用硅钢片叠成是为了减小涡流损耗 B.升压变压器的副线圈匝数多于原线圈 C.变压器不能改变直流电压 D.负载电阻增大时，副线圈电流增大 答案：D 解析：负载电阻增大时，副线圈电压不变（由匝数比决定），根据I2=U2/R，电流应减小，D错误。其他选项均正确。 2.某变压器原线圈匝数为1000匝，副线圈匝数为200匝。若原线圈输入电压为220V，则副线圈输出电压为（ ） A.44V B.110V C.220V D.440V 答案：A 解析：根据U1/U2=N1/N2，得U2=200/1000×220=44V，选A。 3.变压器负载运行时，输入功率主要用于（ ） A.铁芯发热 B.线圈发热 C.输出给负载 D.克服空气阻力 答案：C 解析：理想变压器输入功率等于输出功率，实际变压器输入功率用于输出给负载（大部分）和损耗（铁损、铜损），选C。 4.远距离输电中，若输送功率不变，提高输送电压的目的是（ ） A.增大输电电流 B.减小输电电流 C.增大线路电阻 D.减小线路电阻 答案：B 解析：由P=UI知，电压升高则电流减小，从而降低I2R损耗，选B。 5.变压器的变压比为3:1，副线圈接电阻R时，原线圈电流为I。若副线圈改接电阻2R，则原线圈电流变为（ ） A.0.5I B.I C.2I D.4I 答案：A 解析：副线圈电压U2=1/3U1，原电流I1=I2/3。当R变为2R，I2'=U2/2R=1/2I2，则I1'=I2'/3=1/2I，选A。 6.下列哪种情况会导致变压器输出电压降低？（ ） A.原线圈匝数增加 B.副线圈匝数增加 C.负载电阻减小 D.输入电压升高 答案：A 解析：原线圈匝数增加，根据U1/U2=N1/N2，副线圈电压U2降低，选A。 7.变压器空载实验的目的是测量（ ） A.铜损 B.铁损 C.输出功率 D.短路阻抗 答案：B 解析：空载时副线圈开路，原线圈电流很小，输入功率主要用于铁芯损耗（铁损），选B。 8.某理想变压器原副线圈匝数比为4:1，副线圈接10Ω电阻。若原线圈输入电压为220V，则副线圈电流为（ ） A.5.5A B.11A C.22A D.44A 答案：B 解析：副线圈电压U2=1/4×220=55V，电流I2=55/10=5.5A。根据电流比I1/I2=1/4，原线圈电流I1=1.375A，但题目问副线圈电流，选B。 9.简述变压器的基本工作原理。 答案：变压器基于电磁感应原理工作。原线圈通入交流电后，产生交变磁场，铁芯将磁场传递至副线圈，使副线圈中磁通量发生变化，从而感应出电动势。电压比等于匝数比（U1/U2=N1/N2），电流比与匝数比成反比（I1/I2=N2/N1），能量通过磁场耦合实现传递。 10.分析远距离输电中采用高压输电的原因。 答案：根据P=UI，在输送功率P不变时，提高电压U可减小输电电流I。由于线路损耗P损=I2R，电流减小会显著降低损耗。例如，电压提高10倍，电流降为1/10，损耗降为1/100，从而提高输电效率。 五、学法建议 重点复习知识点： 1.区分铁芯、绕组的作用，掌握铭牌参数的物理意义（如额定电压、容量）。 2.结合远距离输电模型，计算线路损耗和效率，明确升压/降压变压器的应用场景。 3.理解实验数据处理方法（如控制变量法），学会通过图像或表格归纳规律。 4.了解常见故障（如过载、绝缘老化）的成因及预防措施，结合教材案例学习故障排查方法。 5.定期复习错题，强化薄弱环节，避免重复犯错。 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 $$