专题二十一 三相异步电动机的工作原理（课件）-河北省对口升学《电机与变压器》（第5版）(高教社）专题复习讲练测

《电机与变压器》（第5版） 高教社 专题二十一 三相异步电动机的工作原理 目录 01 考纲解读 04 内容归纳小结 02 知识点梳理和重点概念复习 03 真题或常考题讲解 2 考纲解读—常见考点 03 02 01 考查三相异步电动机产生旋转磁场的两个核心条件（三相绕组对称分布、通入三相对称交流电），常以填空或简答题形式出现。 通过选择题或简答题，考查对“电磁感应→转子受力→旋转（转差率存在）”整个工作过程的理解，尤其侧重转差率的作用。 给定电机磁极对数和电源频率，要求用公式“n₀=60f/p”计算旋转磁场的同步转速，属于基础计算题。 考纲解读—考试要求 要明确异步电动机“异步”的含义（转子转速低于同步转速），掌握转差率的概念及作用，理解电磁感应、电磁力与电机旋转的内在逻辑。 需熟记同步转速计算公式，能根据磁极对数（如2极、4极）和工频（50Hz）准确计算转速，解决实际选型中的基础参数问题。 要求学生理解旋转磁场的产生机制，明确其与三相绕组、三相对称电流的关系，这是理解电机工作的基础。 4 考纲解读—易考题型 描述工程场景，要求结合三相异步电动机的工作原理，分析其无法正常工作的原因，并提出 2 种解决措施。 实际分析题 给出表格，其中部分数据空缺，要求根据已知为三相异步电动机，写出其工作原理。 填空题 给出关于三相异步电动机的工作原理，要求选出表述正确的选项，重点考察对基础概念的精准辨析能力 选择题 5 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 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。 一、异步电动机的基本工作原理 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。 知识点梳理和重点概念复习 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。 一、异步电动机的基本工作原理 知识点梳理和重点概念复习 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人纸内,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。 一、异步电动机的基本工作原理 知识点梳理和重点概念复习 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。 一、异步电动机的基本工作原理 知识点梳理和重点概念复习 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。 一、异步电动机的基本工作原理 知识点梳理和重点概念复习 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。 二、三相异步电动机旋转磁场的产生 知识点梳理和重点概念复习 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,且初相位为 0,即有 二、三相异步电动机旋转磁场的产生 知识点梳理和重点概念复习 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。 二、三相异步电动机旋转磁场的产生 知识点梳理和重点概念复习 当t=0的瞬间，=0 表示绕组 U1-U2 中电流为零,此时无电流通过,则 为负值表示电流从 V2流人,从 V1流出,则 二、三相异步电动机旋转磁场的产生 知识点梳理和重点概念复习 为正值表示电流从 W1流人,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“"表示电流流人纸面,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。 二、三相异步电动机旋转磁场的产生 知识点梳理和重点概念复习 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,,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。 三、三相异步电动机旋转磁场的转速 知识点梳理和重点概念复习 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、三相异步电动机旋转磁场的转速 知识点梳理和重点概念复习 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(e)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。 三、三相异步电动机旋转磁场的转速 知识点梳理和重点概念复习 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磁极对数p的关系可以用下面数学表达式表示 式中 —磁场的转速,单位是r/min(转/分);—交流电的频率;p—磁极对数。 三、三相异步电动机旋转磁场的转速 知识点梳理和重点概念复习 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=3 000 r/min;两对磁极,=1 500 r/min;三对磁极,=1 000 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。 三、三相异步电动机旋转磁场的转速 知识点梳理和重点概念复习 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。 四、三相异步电动机的工作原理 知识点梳理和重点概念复习 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。 四、三相异步电动机的工作原理 知识点梳理和重点概念复习 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。 四、三相异步电动机的工作原理 知识点梳理和重点概念复习 3.转差率s 旋转磁场的同步转速与转子转速n之差称为转差(Δn=-n),转差与同步转速的比值称为转差率s,即 s= 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。 四、三相异步电动机的工作原理 常考习题练习与讲解—选择题 答案：C 解析：旋转磁场是连接定子电能和转子机械能的桥梁，通过它实现能量的转换和传递。 1.三相异步电动机中，传递能量的关键是（ ） A. 定子铁心 B. 转子铁心 C. 旋转磁场 D. 端盖 26 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：负载减小，所需转矩减小，转子转速升高，与同步转速差距缩小，转差率减小。 2.当三相异步电动机的负载减小时，转差率会（ ） A. 增大 B. 减小 C. 不变 D. 无法确定 27 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：工作顺序为：通入电流→产生磁场→感应电流→产生转矩转动，符合电磁转换的逻辑流程。 3.关于三相异步电动机工作原理，正确的顺序是（ ） ①产生旋转磁场 ②转子受电磁力转动 ③转子绕组感应电流 ④通入三相对称交流电 A. ①②③④ B. ④①③② C. ④③①② D. ①④③② 28 常考习题练习与讲解—选择题 答案：D 解析：电磁转矩T与旋转磁场幅值B、转子电流I₂及两者夹角的正弦值成正比，故A、B、C均有关。 4.三相异步电动机的电磁转矩大小与（ ）有关 A. 旋转磁场强度 B. 转子感应电流大小 C. 磁场与电流的夹角 D. 以上都是 29 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：。 5.若三相异步电动机的旋转磁场转速为1500r/min，转子转速为1440r/min，其转差率为（ ） A. 0.02 B. 0.04 C. 0.06 D. 0.08 30 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：s=0.03在额定转差率范围内（0.02-0.05），电机可正常运行；s=0和s=1分别为理想空载和启动瞬间，s=2为异常低速。 6.下列情况中，三相异步电动机能正常运行的是（ ） A. s=0 B. s=0.03 C. s=1 D. s=2 31 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：转子转速低于同步转速，导致磁场相对于转子运动，才能持续切割绕组，产生感应电流。 7.三相异步电动机运行时，转子与旋转磁场之间存在相对运动的原因是（ ） A. 转子转速高于同步转速 B. 转子转速低于同步转速 C. 磁场不旋转 D. 转子不转 32 常考习题练习与讲解—选择题 答案：D 解析：A错误（异步即转速不同）；B错误（转子电流为感应电流）；C错误（额定转差率小）；D正确。 8.下列关于三相异步电动机的说法，正确的是（ ） A. 转子转速等于同步转速 B. 转子电流由外部供给 C. 转差率始终为1 D. 依靠旋转磁场实现能量转换 33 常考习题练习与讲解—填空题 答案：0；无 解析：转速相等时，磁场与转子无相对运动，无法切割绕组，电磁感应消失，无感应电流和电磁转矩。 1.当转子转速等于同步转速时，转差率s=____，此时转子绕组____感应电流。 34 常考习题练习与讲解—填空题 答案：120 解析：三相对称交流电的U、V、W相在时间上依次相差120°，是形成旋转磁场的电流条件。 2.三相交流电的三个相之间，相位差均为____度。 35 常考习题练习与讲解—填空题 答案：交换 解析：交换任意两根相线可改变定子绕组的电流相序，进而改变旋转磁场方向，实现电机反转。 3.改变三相异步电动机旋转方向的方法是____任意两根电源线的连接。 36 常考习题练习与讲解—填空题 答案：低 解析：由可知，在频率f固定时，p与n₀成反比，磁极对数越多，同步转速越低。 4.旋转磁场的磁极对数越多，其同步转速越____。 37 常考习题练习与讲解—判断题 答案：√ 解析：空间上互差120°的对称分布，配合时间上互差120°的交流电，才能形成旋转磁场。 1.定子绕组的对称分布是指三个绕组在定子铁心上按空间120°均匀排列。（ ） 38 常考习题练习与讲解—判断题 答案：√ 解析：转子绕组中的感应电流在旋转磁场中受电磁力，合成后形成电磁转矩，直接带动转子和负载旋转。 2.三相异步电动机的电磁转矩是驱动转子旋转的直接动力。（ ） 39 常考习题练习与讲解—判断题 答案：× 解析：同步转速与频率成正比，频率不同则转速不同，60Hz时转速高于50Hz。 3.同一台三相异步电动机，接入50Hz和60Hz电源时，同步转速相同。（ ） 40 常考习题练习与讲解—判断题 答案：√ 解析：由可知，磁极对数p改变时，同步转速会相应变化，这是变极调速的原理。 4.改变定子绕组的磁极对数，可改变三相异步电动机的同步转速。（ ） 41 常考习题练习与讲解—简答题 答案：转差率是衡量转子转速与同步转速差距的物理量。计算公式为，其中n为转子实际转速。额定工况下，转差率通常在0.02-0.05（即2%-5%）之间。 1.什么是转差率？写出其计算公式，并说明额定工况下的大致范围。 42 常考习题练习与讲解—简答题 答案：首先，定子绕组通入三相对称交流电产生旋转磁场；其次，旋转磁场切割转子绕组，使其感应出电流；最后，带电的转子绕组在旋转磁场中受到电磁力作用，产生电磁转矩，驱动转子和负载旋转。由于转子转速低于同步转速，故为异步电机。 2.简述三相异步电动机的基本工作原理。 43 常考习题练习与讲解—简答题 答案：同步转速；额定转差率（即4%）。 3.电源频率为50Hz时，一台6极三相异步电动机的同步转速是多少？若转子额定转速为960r/min，其额定转差率是多少？ 44 常考习题练习与讲解—简答题 答案：不能产生旋转磁场，只能产生脉动磁场。因为缺一相后，通入的不再是三相对称交流电，对称条件被破坏，气隙中的磁场只会在固定方向上来回变化（脉动），无法形成旋转效果，电机无法启动。 4.若三相异步电动机的定子绕组缺一相供电，能否产生旋转磁场？为什么？ 45 重点复习知识点： 1. 旋转磁场的产生：三相异步电动机定子绕组按空间120°对称分布，通入相位差120°的三相对称交流电时，会在定转子气隙中形成旋转磁场。其旋转方向由电流相序决定（改变相序可反转），是电机工作的“动力源”。 2. 旋转磁场的转速：旋转磁场的同步转速n₀由电源频率f和磁极对数p决定，公式为n₀=60f/p。我国工频为50Hz，故2极电机同步转速3000r/min，4极为1500r/min，磁极对数越多，转速越低。 3. 电机工作原理：旋转磁场切割转子绕组，使其感应出电流；带电转子在磁场中受电磁力作用产生转矩；因转子转速需低于同步转速（存在转差率）才能持续切割磁场，故称为“异步”电机，最终实现电磁能向机械能的转换。 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。 课堂小结 46 $