专题十八 三相异步电动机的工作原理（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

专题十八 三相异步电动机的工作原理 （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、电流的基本定义及变压器工作原理，理解电磁感应定律在互感现象中的应用，明确主磁通与漏磁通的区别及对变压器性能的影响。需熟练运用变压比公式。 2.掌握变压器的基本构造（铁芯、绕组）及空载、负载运行时的电压、电流关系。理解外特性曲线的意义，分析负载性质（阻性、感性、容性）对输出电压稳定性的影响，掌握效率计算及最高效率条件（铜耗等于铁耗）。 3.区分铁损（磁滞、涡流）与铜损（绕组电阻发热）的产生机制，掌握空载试验与短路试验的目的及数据处理方法。熟悉变压器的额定参数（如额定电压、电流、容量），明确安全操作规范（如电流互感器二次侧不得开路）。 4.能综合运用变压比、电流比公式解决多绕组变压器问题，分析远距离输电中电压损失与功率损耗的计算方法。结合实际案例（如配电系统），理解变压器在电力传输中的作用及选型原则。 二、知识点梳理 一、异步电动机的基本工作原理 为了说明异步电动机的基本工作原理，先做一个简单的实验。如图4-6所示，一个装有手柄的马蹄形磁铁，在它的两极间放着一个可以自由转动的，由许多铜条组成的导体。铜条两端分别用金属环短接，与笼型相似，称为笼型转子，磁铁和转子之间没有机械联系，当用手摇手柄使马蹄形磁铁旋转时，笼型转子就会跟着它一起旋转。 根据法拉第电磁感应定律，当导体和磁场之间有相对运动时，即导体在磁场中做切割磁感线运动时，导体中就会产生感应电动势。在图4-6中，当马蹄形磁铁沿顺时针方向旋转时(从右向左看),转子导体与磁场就有相对运动，相当于磁铁不动，转子逆时针方向转动，于是导体内产生感应电动势。由于导体(铜条)两端被金属短路环短接而形成闭合回路，因此在导体中就有感应电流通过。感应电动势和感应电流的方向可按右手螺旋定则判断，如图4-7所示。当导体在S极范围内时，感应电动势和感应电流的方向由外向里进入纸内，用“⊗”表示。N极范围内的导体，感应电动势和感应电流的方向由纸面向外指向读者，用“⊙”表示。运动方向瞬时间与磁感应线平行的两根导体无感应电动势和感应电流。 通电导体在磁场中会受到磁场对它的作用力称为电磁力，受力方向用左手定则判定。因此，在图4-6中S极范围内导体受力方向是向左的，而N极范围内导体的受力方向是向右的。这一对力形成顺时针方向的力矩，于是转子在这个力矩的作用下沿顺时针方向(即磁场旋转方向)旋转起来。 如果磁铁的旋转方向改变了，按着上述的方法同样可以确定转子的旋转方向也会随之发生改变。可见，转子的转向与磁铁旋转方向相同。 从上面的实验中知道，磁铁的旋转，实质是磁场在旋转，即旋转的磁场使转子导体中产生了感应电流，而载流导体又在磁场中受到电磁力的作用，使转子旋转。这就是异步电动机旋转的基本原理。因为转子导体中的电流是靠电磁感应产生的，所以这种电动机又称感应电动机。 二、三相异步电动机旋转磁场的产生 上面实验说明了异步电动机基本原理，实用电动机不能靠磁铁的旋转产生旋转磁场，而是采用三相交流电来产生旋转磁场的，从而实现了从电能向机械能的转换。 1.三相定子绕组的最简接线 图4-8(a)所示为定子三相绕组分布示意图。三相绕组U1-U2,V1-V2,W1-W2在空间互差120°,成星形联结，即将三个绕组的尾端接在一起。图4-8(b)所示为三相绕组星形联结。 通过绕组的三相交流电波形如图4-8(c)所示。相序为U-V-W,且i。初相位为0,即有 2.电流通过三相绕组产生旋转磁场的分析 电流通过三相绕组，绕组周围就产生磁场，这个磁场按一定规律分布在定子、转子铁心和气隙中，并绕着中心轴在空间不停地旋转，但定子绕组是静止不动的。 定子绕组通过对称的三相电流，电流的大小、方向随时间做周期性的变化，为方便研究问题，提供一种分析问题的思维方法：就是对变化量的研究变成对在某一瞬间不变量的研究。从对各瞬间不变量的研究结果，推断出变化量的变化规律。规定电流从绕组首端U1、V1、W1流入，末端U2、V2、W2流出时为正值；电流从绕组末端流入，从首端流出时为负值，或者说，当某一时刻某相电流为正值时，电流是从该相绕组的首端进入，末端流出的。根据这个规定，分析在图4-8(c)中不同瞬间三个绕组中三相电流所产生的磁场。 当t=0的瞬间，iu=0表示绕组U1-U2中电流为零，此时无电流通过，则 i、为负值表示电流从V2流入，从V1流出，则 iw为正值表示电流从W1流入，从W2流出。将绕组的分布示意图画成剖面图，如图4-9所示。用“⊗”表示电流流入纸面，用“◎”表示电流流出纸面，再用右手螺旋定则判断电流产生的磁场，一并画于图中，可见磁场的方向指向。 依次画出几个时刻的磁场，当t变化时，磁场的指向是不同的。可以看到，当电流变化1/2T时，一对磁极的磁场在空间转过了半周，可以推知电流再经过1/2T磁场又转过半周，即电流经过一个周期变化时，磁场在空间转过一周。如果电流周而复始地通过绕组，磁场就会连续旋转。可以推知定子三相绕组通以三相交流电时，就在绕组周围空间产生了旋转磁场。 三、三相异步电动机旋转磁场的转速 1.同步转速与电源频率的关系 实际应用的异步电动机是定子绕组接通三相交流电源，绕组中通过三相对称电流，在电动机的气隙中就产生一个旋转磁场。这个旋转磁场的转速称为同步转速，它是由电源频率以及定子绕组的磁极对数决定的。已经知道，若定子绕组形成一对磁极，当电流变化一个周期时，旋转磁场旋转一周。如果交流电的频率为f,即每分钟变化60f次，那么旋转磁场每分钟要转60f周，n₁=60f(r/min)。这就是说，旋转磁场的转速与电源频率成正比关系。 2.同步转速与磁极对数的关系 那么,同步转速与磁极对数又有什么关系呢? 上面讨论了一对磁极(p=1)时的旋转磁场，如果定子绕组由六组线圈组成，每一相绕组有两组线圈，每组线圈在空间相隔60°排列，如图4-10所示。 三相绕组接成星形联结，通过三相交流电，三相绕组中的电流波形和图4-8(c)完全相同，按照一对磁极所用的分析方法，可以画出不同时刻三相交流电产生的四极旋转磁场情况，如图4-11所示。 从图中可以看出，这时由三相交流电产生的磁场有4个磁极，即磁极对数p=2,当电流变化半个周期时，磁场只转过90°,即1/4周。可以推理，电流变化一个周期，磁场只能转半周。磁极对数增多了，磁场转速反而降低了。可以改变绕组的分布，使其产生三对、四对磁极，它的转速就要变到一对磁极时的这就是说，磁场的转速与磁极对数成反比关系。 3.同步转速数学表达式 综上所述，旋转磁场的同步转速与电流频率f、磁极对数p的关系可以用下面数学表达式表示 式中n₁——磁场的转速，单位是r/min(转/分);f——交流电的频率；p——磁极对数。 我国交流电频率的规定标准是50 Hz,因此，一对磁极时，磁场转速即同步转速为n₁=3000 r/min;两对磁极，n₁=1500 r/min;三对磁极，n₁=1000 r/min。 如果交流电频率发生变化，同步转速也将随之变化。因此，改变电源的频率可以改变三相异步电动机的同步转速。 四、三相异步电动机的工作原理 1.转子的转动 通过上面分析，定子绕组通入三相交流电时，在气隙中产生旋转磁场，假定磁场旋转的转向是顺时针方向，如图4-12所示。开始通电时，转子是静止的，与磁场有相对运动。相当于转子按逆时针方向运动，转子上部的导条相当于向左做切割磁感线运动，产生感应电动势，感应电动势的方向用右手定则判断，方向由纸面向外；转子下部的导条相当于向右做切割磁感线运动，产生感应电动势的方向垂直纸面向里。所有转子导条又是被短路的，因此导条内有感应电流流过，这样转子导条又成为通电导体，在磁场中又受到电磁力的作用，作用力的方向用左手定则来判断。转子上部导条受力方向为顺时针方向，下部导条受力方向也为顺时针方向，所以转子在上下力偶矩的作用下就顺时针旋转起来了。 2.转子的转速和方向 三相交流电产生的是旋转磁场，转子的转向与旋转磁场的方向相同，转子的转速一般要小于磁场的转速(也可以大于磁场的转速),这样才能使转子旋转时，能时时切割磁感线而受到电磁力的作用。否则，转子的转速与旋转磁场的转速相同，转子导条不切割磁感线，就不能产生感应电动势，因而也就没有感应电流通过，就不受力的作用，力矩将无法产生，转子也就不能转动了。因此，转子转速必须小于磁场的转速——即小于同步转速，异步电动机由此得名。 电动机转子的转向由旋转磁场的转向决定，旋转磁场的转向取决于电源的相序，因而，对调三相电源线中的任意两相电源线，电动机就可反转。利用一只倒顺开关就能使异步电动机进行正反转控制，如图4-13所示。开关S向上合，电动机正转；开关S向下合，电动机反转。 3.转差率s 旋转磁场的同步转速n,与转子转速n之差称为转差(△n=n₁-n),转差与同步转速的比值称为转差率s,即转差率是异步电动机的一个重要参数。 异步电动机转子的转速n,最小是0,最大为同步转速。n=0时，s=1;n=n₁时，s=0,可见转差率s值在0~1之间。转差率的大小对异步电动机的其他参数有直接影响。一般三相异步电动机在空载时，s在0.005以下；在额定工作状态时，s在0.02～0.06之间。 三、真题练讲 1.（2023年河南省统一考试）变压器空载运行时，二次绕组输出电压为零的主要原因是（ ）。 A.二次绕组匝数不足 B.铁芯中主磁通为零 C.二次绕组开路无电流 D.电源频率过低 答案：C 解析：空载时二次绕组开路，无电流通路，因此无法输出电压。主磁通由一次绕组励磁产生，与二次侧是否开路无关。 2.（2022年山东省统一考试）某变压器变压比k=2，一次侧电压U1=220V，若二次侧接100Ω电阻负载，则一次侧电流为（ ）。 A.1.1A B.2.2A C.0.55A D.4.4A 答案：A 解析：二次侧电压U2=U1/k=110V，二次侧电流I2=U2/R=1.1A。根据I1=I2·N2/N1=1.1A，选A。 3.（2024年河南省统一考试）变压器短路试验的目的是测定（ ）。 A.铁损与励磁阻抗 B.铜损与短路阻抗 C.变压比与空载电流 D.效率与功率因数 答案：B 解析：短路试验时二次侧短路，一次侧加低电压使电流达额定值，此时铁损可忽略，测得的功率近似为额定铜损，同时可计算短路阻抗。 4.（2025年河北省统一考试）当变压器负载功率因数由0.8滞后变为0.9滞后时，其电压调整率将（ ）。 A.增大 B.减小 C.不变 D.无法确定 答案：B 解析：功率因数提高时，负载电流的无功分量减小，漏抗压降降低，电压调整率∆U随之减小。 5.（2020年河南省统一考试）电流互感器二次侧必须短路的原因是（ ）。 A.防止二次侧产生高电压 B.避免铁芯饱和 C.减小测量误差 D.保护一次侧设备 答案：A 解析：电流互感器二次侧开路时，二次绕组感应电动势极高，可能危及设备和人身安全，因此必须短路。 四、限时练讲 1.变压器铁芯采用硅钢片叠压的主要目的是（ ）。 A.减少涡流损耗 B.提高导磁性能 C.降低磁滞损耗 D.增强机械强度 答案：A 解析：硅钢片电阻率高，叠压结构可分割涡流路径，显著减少涡流损耗。 2.某变压器额定容量为100kVA，空载损耗400W，短路损耗1000W，当负载系数为0.5时，效率为（ ）。 A.98.6% B.98.8% C.99.0% D.99.2% 答案：B 解析：效率公式，代入数据计算得98.8%。 3.自耦变压器的主要特点是（ ）。 A.体积小、效率高 B.绝缘要求高 C.绕组匝数多 D.输出电压不可调 答案：A 解析：自耦变压器一次、二次绕组共用部分线圈，节省材料且效率较高，但需注意电气隔离问题。 4.变压器带感性负载时，其外特性曲线是（ ）。 A.上升曲线 B.下降曲线 C.水平直线 D.先升后降 答案：B 解析：感性负载时，负载电流滞后电压，漏抗压降增大，输出电压随负载增加而下降。 5.若变压器一次侧电压降低10%，其他条件不变，则铁芯中的主磁通将（ ）。 A.增大10% B.减小10% C.不变 D.无法确定 答案：B 解析：根据，电压降低10%，主磁通同步减小10%。 6.变压器油的主要作用是（ ）。 A.绝缘与散热 B.润滑与防锈 C.灭弧与防潮 D.密封与防腐 答案：A 解析：变压器油具有良好的绝缘性能和导热性，可有效散热并增强绕组间的绝缘。 7.某三相变压器联结组标号为Yyn0，其含义是（ ）。 A.一次侧星形联结，二次侧星形联结且中性点接地，相位差为0° B.一次侧三角形联结，二次侧星形联结，相位差为30° C.一次侧星形联结，二次侧三角形联结，相位差为0° D.一次侧三角形联结，二次侧三角形联结，相位差为30° 答案：A 解析：Yyn0表示一次侧星形联结，二次侧星形联结且中性点接地，高低压绕组线电压相位差为0°。 8.远距离输电中采用高压输电的主要目的是（ ）。 A.提高供电可靠性 B.减少线路损耗 C.降低设备成本 D.增大传输功率 答案：B 解析：传输功率一定时，提高电压可降低电流，从而减少线路电阻产生的焦耳损耗。 9.简述变压器的工作原理及实现变压的条件。 答案：变压器基于电磁感应原理工作。当一次绕组接入交流电源时，铁芯中产生交变磁通，在二次绕组中感应出电动势。实现变压的条件是：①一、二次绕组匝数不同；②铁芯提供闭合磁路；③电源为交流电以维持磁通交变。 10.分析变压器负载运行时输出电压下降的原因。 答案：负载运行时，二次侧电流产生漏磁通，导致绕组漏抗压降；同时，负载电流通过绕组电阻产生电压降。此外，若负载为感性，无功电流会进一步增大漏抗压降，最终使输出电压低于空载电压。 五、学法建议 重点复习知识点： 1.区分空载损耗（铁损）与短路损耗（铜损）的实验测定方法，理解效率公式的应用场景。 2.分析外特性曲线和效率曲线的变化规律，结合负载性质（阻性、感性、容性）解释曲线形状。 3.限时完成模拟卷，训练答题速度和准确率，重点突破综合应用题（如多绕组变压器计算、输电损耗分析）。 4.关注行业规范（如电流互感器的安全操作），培养工程实践意识。 5.将变压器知识与电路分析、电磁感应等模块结合，例如分析含变压器的复杂电路中电压、电流的分布规律，提升综合解题能力。 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 $$