专题二十五 单相异步电动机的反转控制和调速方法（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

专题二十五 单相异步电动机的反转控制和调速方法（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.理解电压、电流、电阻的基本定义及欧姆定律的应用，掌握串联、并联电路的特点及分压、分流规律。重点区分电源电动势与路端电压的差异，明确闭合电路欧姆定律的表达式及适用场景。 2.掌握变压器的基本构造（铁芯、原副线圈）及互感现象的工作原理，熟练运用变压比公式U1/U2=n1/n2和功率关系P1=P2进行电压、电流及匝数的换算。理解理想变压器的假设条件及实际应用中的能量损耗。 3.能分析含变压器的复杂电路，结合动态变化（如负载电阻改变）判断电压、电流的变化趋势。掌握伏安法测电阻、电表改装等实验原理，熟悉实验器材的选择与误差分析方法。 4.牢记安全用电原则（如高压线路的安全距离、短路防护），能结合实际场景（如远距离输电）分析变压器的升压、降压作用。综合运用电学规律解决生活、生产中的电路设计与故障排查问题。 二、知识点梳理 一、单相异步电动机的正反转控制 1.对分相式单相异步电动机的正反转控制 对于三相异步电动机，如果将输入的三相电源线对调任意两相，电动机就可以反转。若使单相异步电动机反转，必须把工作、启动绕组中任意一个的首端和尾端对调，方能使电动机反转。因为，单相异步电动机的转向是由工作、启动绕组产生的磁场在时间上有近于90°的相位差决定的，把其中的一个绕组反接，等于将这个绕组的磁场相位改变180°。如果原来是超前90°,则改接后变成了滞后90°。旋转磁场的方向改变了，转子的转向也就改变了。 单相异步电动机的正反转控制，多用于电容电动机，如洗衣机中的电动机。电容式电动机的工作、启动绕组可以交换使用，把启动绕组当成工作绕组使用时，它的旋转磁场改变了旋转方向，电动机也就改变了转向。单相电容电动机正反转控制电路如图5-21所示。如果开关S接触点1为正转，那么开关S接触点2电动机就反转。这样连接，相当于每变化一次工作绕组(或启动绕组)就反接一次。 实际应用中，正在推广一种类似三相异步电动机作单相运行的电动机。例如，在洗衣机控制电路中，将电容器串联一个合适的电阻，就可以大大改善电动机的运行性能，如图5-22所示。 2.对罩极式单相异步电动机的正反转控制 (1)普通罩极异步电动机罩极式单相异步电动机的旋转方向总是朝着被罩那一部分磁极方向转动的，一般情况下，不能用改变外部接线的方法改变电动机的转向。尤其是凸极式，罩极部分已经固定。如果一定要改变转向，在允许和可能的情况下将定子铁心从机座中抽出来，调转180°再装进去，这样就可以使凸极式罩极异步电动机反转了。 对于隐极式罩极异步电动机，可以将定子调转180°改变转向，另外还可以改变启动绕组在定子槽内的位置，改变转向，但不能随时改变转向。这样的电动机一般都安装在不需要改变转向的机械中，如电风扇、鼓风机等。 (2)可逆转罩极异步电动机罩极电机经特殊设计，可以在两个方向上旋转。 对于凸极式罩极电动机，它的定子铁心叠片的两个极掌尖上，都开有放罩极绕组的槽口，如图5-23所示。根据需要闭合一个罩极绕组，电机就朝那个方向旋转。所要注意的是罩极绕组的闭合，由电机外面的转向双掷开关控制。图5-24所示为一个4极12槽可逆转罩极电动机绕组的实际接线图。一套主线组与两套罩极绕组分别各自串联，每组的极性与左右相邻的极性相反。电极向某一方向旋转时，一组罩极绕组的电路闭合，同时另一罩极绕组断电。改变转向只要通过开关S与A或B接通即可。 对于隐极式罩极电动机，它的定子冲片也要重新设计，以适应绕组的嵌放，但形状为原来的形状即可。这种可逆电动机主要是绕组的变化。一种情况是定子槽中必须具备一套工作绕组和两套罩极绕组，如图5-25所示，其极数相同。当一套罩极绕组闭合时，电动机就朝这套绕组方向旋转，另一套绕组闭合时，电机反转。在运行中只有一套绕组起作用。 另一种情况是用两套工作绕组和一套罩极绕组。如图5-26所示，罩极绕组可以是绕线的，也可以是铜圈。沿着顺时针方向旋转时，则给相应的工作绕组A(沿顺时针方向旋转时工作绕组)通电，绕组B(沿逆时针方向旋转时工作绕组)断电；沿逆时针方向旋转时，则让工作绕组B通电，工作绕组A断电。图5-27所示为双主极12槽4极可逆转罩极电动机绕组排列方式。 二、单相异步电动机的调速 单相异步电动机同三相异步电动机一样，都是靠旋转磁场工作的，它们的平滑调速都比较困难。如采用变频无级调速，设备复杂成本太高，一般情况下均不采用。 1.变极调速 要求速比成倍变化时，可以采用变极调速。 单相异步电动机的转速与磁极对数成反比，改变定子铁心中绕组元件的连接方法，产生不同的磁极对数，电动机的转速就跟着改变。例如，图5-45所示的工作绕组由4组同心式绕组元件构成，按图中所接方法可产生4个磁极，如果每组线圈之间采用头-尾接法，就可以产生8个磁极，转速较4个磁极时低一半。这种调速的电动机绕组引出线很多，而且要用专门的调速开关才能保证接头的迅速切换，单相异步电动机的转速可以成倍地变化。它是由单一工作绕组改变连接来变极的。现在有关部门正在研制一种YYD90-4/2型单相电容运转变极调速电动机，电机设计时采用了两个参数完全相同的电容C,从而达到两种转速都处于最佳状态，但两种转速输出功率不同。现在又设计出采用两套工作绕组的双速电动机，这种电动机不是由单一工作绕组来变磁极数，而是使每套绕组都按最佳条件设计，使电机能有较好的性能指标。 (1)电阻或电容启动双速异步电动机电阻或电容启动电动机，工作时仅由工作绕组单独承担。这样要具有两种转速，仅把工作绕组设计成具有不同极数的两套即可，而启动绕组可以设计成一个，通常都是设计成高速启动。启动后，根据需要可转换为低速运行。当然这样要使槽截面积增大，以便安放两套工作绕组。图5-28所示为双速分相异步电动机接线图。 (2)双绕组变极调速电容电动机根据负载的需要，电机可以设计有两套不同极数的绕组，运行在不同的转速上。以洗衣机为例，波盘式洗衣机洗涤转速为400~500 r/min,而甩干时转速多为800～1000 r/min,两种情况的转速比为1:2。对于滚筒式洗衣机洗涤转速为50~52 r/min,脱水甩干的转速要求在500~800 r/min。这样，转速比就要达到1:(10~20)。对于具有高转速比的电动机，高速多为p=2的L联结的两相绕组，而低速则为Y联结的三相绕组。变速比不大的则为同类型绕组。图5-29所示为双速电容异步电动机。图5-30(a)所示为三速电容电动机。 如图5-29所示，双速电容电机备有低速供洗涤、高速供脱水两套绕组。开关S2为选择开关，而开关S1则为正反转用的转换开关，仅用在洗涤期间，串入洗涤回路。两套绕组分别有移相电容。 图5-3 0(a)所示三速电容电动机同样适用于洗衣机中的变极调速异步电动机。电机有两套绕组，AA绕组和BB绕组，其结构相同，分别作为工作、启动绕组。B绕组具有L型抽头。图中S1为单刀双掷开关，负责洗衣机的洗涤、脱水选择。S2也为单刀双掷开关，负责洗涤时的正反转选择。S3为单刀开关，S4、S5为双刀双掷开关。如图所示位置是脱水用，B绕组中B₁B₂串联，配以电容C₂,电机成6极或8极运行，属于低速运行洗涤。两对S4、S5同时转到另一位置时，同时将S3闭合，洗涤B绕组B₁B₂便成并联，C₂、C₃处于并联状态。电机成四极运行，实现高速强洗涤。三速电容电动机转矩特性如图5-30(b)所示。 2.改变绕组主磁通调速法 改变绕组主磁通调速法实质是通过工作、启动绕组连接方式的改变，使电动机主磁通发生改变，从而达到转速改变的目的。因为电动机工作、启动绕组在定子铁心内嵌好之后，是不能任意改变的，若改变只能是事先设计好部分抽头、端子，通过外部抽头、端子连接方式的改变来增减工作绕组、启动绕组的匝数及串并联关系而使主磁通改变。常用的方法有： (1)工作绕组串、并联调速图5-31所示为工作绕组串并联调速接线图。电动机中工作绕组总体上分成两部分，其中一部分设有抽头，将图中高速开关闭合，使工作绕组两部分成为并联接线，这样工作绕组中电流增大，主磁通增加，电动机所产生的转矩便增大，电动机运行的转速就提高了。 将工作绕组两部分改成串联接线时，电流减少，相当于降低了绕组的端电压，主磁通减小，降低了转矩，从而转速就降低了。这种改变接线的调速方法，只能变化两挡或三挡，并要求两部分绕组匝数和线径相同。它在台扇电动机中多有应用，效果较好。 (2)L型连线抽头调速抽头调速是电容电动机各种调速方法中最简单的一种。它是通过改变部分绕组的连线，以改变电机的工作特性，实现调速的方法。这样就不需要任何附加设备，可降低成本，也是最经济的一种。实质上是改变绕组上的电压，通过降压来减速。由于降压后总要使启动转矩减少，因此，这种方法适合启动转矩不大的负载，如电风扇、空调器等。 实用中，有工作绕组抽头调速和启动绕组抽头调速两种，统称L接法调速。之所以称L型调速，是指工作、启动两绕组为两边，有一边增加了附加绕组，L有加长之意。 ①工作绕组抽头调速如图5-32所示，可在工作绕组上改变抽头来调速。按工作绕组所具有的全部匝数来设计电机槽形，安排绕组。这种情况下，工作绕组的抽头1是高速挡。当触点从1移向2或3时使工作绕组回路匝数增多，启动绕组回路匝数减少，从而达到转速下降的目的。原因是，在这种情况下，电机正向旋转磁通是由工作绕组与附加工作绕组的合成匝数决定的。匝数增多，主磁通下降。若负载转矩不变，由于主磁通减少转差率增加(转速降低，转子电流增加),重新稳定在低速运行点上。这就是L接法调速的原理。 (3)双抽头调速在L型连线启动绕组抽头调速的基础上，又衍生出一种如图5-34所示双抽头调速。它是把移相电容器连在电源的一端，改为接在工作绕组的中间，而调速的抽头仍从启动绕组上引出。这种连线，不是简单地改动一个原L型连线电动机的电容接线位置。这时电容器两端的电压会降低，而电容值需要增大。这种连接的优点是启动转矩大，调速效果好，启动绕组用铜线可减少，如果这种低压大电容的价格不增加，电动机的成本还会下降。三菱、东芝、日立电风扇都采用这种连线。 (4)T型抽头调速图5-35所示为T型连线抽头调速示意图。其中(a)、(b)两种，是在原高速挡工作、启动绕组的基础上，在工作绕组或启动绕组上再加一部分线圈使之产生一定的压降来改变电机的转速。当然，这些调速线圈都是事先设计好并且放在电机内部的。外加线圈使工作、启动绕组流过的电流减少，磁通减少，若负载转矩不变，就要有较大的转差率s,转速降低，产生较大的转子电流才可以产生与负载力矩平衡的电磁转矩。 而图中的(c)、(d)两种，则不是靠再外加绕组，而是在原有高速挡工作、启动绕组的基础上，通过改变抽头位置，减少工作绕组或启动绕组的匝数来调速的，因(c)的连线是通过改变抽头，把工作绕组的一部分化为共同支路，增大压降，减少实际工作绕组上的电压，但是效果并不明显。图(d)则是把启动绕组的一部分化为共同支路来降压，它能增大主回路的阻抗，比图(c)线路的调速效果明显。(c)、(d)两种连线需要具有两排触点的开关，作为接通电源和转换抽头之用。 3.改变单相异步电动机端电压调速 改变绕组主磁通调速是将调速绕组加在电机内部，与电机成为一体，是专门为调速而设的附加绕组。其实质可以认为是改变产生转矩的绕组上的电压，而使主磁通减少。改变单相异步电动机端电压调速，是从电机外部使常规电源电压降低后加于电动机上，使其主磁通减少，得以调速。电机外部调压调速的常用方法有以下几种： (1)串电抗器降压调速把对交流电起降压作用的电抗器串联接在电机线路上，并用改变电抗器抽头的不同连接实现调速，其接线方法有两种，如图5-36所示。 如图5-36(a)所示，电动机工作绕组、启动绕组并联后，再与电抗器串联，接线简单，是常规的一种接线法，多用于一些简易家用电风扇中。当调速开关接至快挡时，电动机绕组不通过电抗器直接接到电源上，电机为全压运行，转速最高。调速开关接至中挡或慢挡时，电机绕组分别经过一部分或全部电抗器线圈接至电源，电源电压经过电抗器局部降压后再加到电动机上，从而使电动机在低转速下运行。 图5-36(b)的接线与(a)相仿，只是在其启动绕组中还串有一组反绕(或有时也用正绕)的线圈，用来调整中、慢挡时工作、启动绕组电流的大小和相位，使之尽量趋于对称，改善电机性能。但是这组反绕线圈串接在启动绕组回路中，相当于改变了启动绕组的电抗，所以在设计电机时，应选择适当的匝数比和工作电容。 采用外接电抗器调速，电抗值可任意选择，电机调速范围可以很大。前述的L、T接法调速，可以看成是线圈绕在电机内部的降压调速。受到定子槽空间的限制，可调电抗值不会太大，调速范围有限，只适用调速范围不大的场合。 (2)采用自耦变压器调压调速采用自耦变压器可以改变输出电压，达到改变电动机转速的目的。而且其方式灵活，可以多样化供电。图5-37所示为自耦变压器降压调速。 图(a)的接线，对电动机来说，与串电抗器调速没有区别。对电源来说，可使输入电流在数值上减少些，可提高功率因数。但是，自耦变压器的功率要比电抗器的稍大些。这种调速的缺点也同电抗器调速一样，就是启动转矩低。因为转矩与所加电压平方成正比，往往是降压满足了降速要求，同时也使启动转矩大大降低，以致启动困难。这种调速法适用于轻载或空载启动场合，如电风扇等负载随转速而变的场合。 图(b)是启动绕组接全压，仅改变工作绕组电压来调速。这样，启动转矩大小仅与工作绕组电压成正比，不至于随电压平方比例减少，因此，这种调速可以改善启动性能。它的转换开关比图(a)所示要复杂些。因为在工作绕组没有接通时，启动绕组也不应通电，也要与电源有一端断开，这样就需要开关上有两排触点，分别供工作、启动绕组转换触点用。 图(c)的接线，可在降低工作绕组电压的同时提高启动绕组电压，从而增大启动转矩，以满足需要。 自耦变压器调速的主要特点是供电可多样化，可连续调节电压。图(b)可视为基本类型。与抽头调速比较，有损耗小、启动转矩大、不使电机绕线复杂化的优点。与串电抗器调速比较，它的铁心磁通小，磁路不致饱和。电抗器会因饱和而使电流畸变，出现高次谐波分量，以致增大损耗，产生噪声。自耦变压器仅对工作绕组供电，所用功率较小，用原来的电抗器改绕完全可以。这样，既可以改善启动性能，也降低了调速时所消耗的功率。 (3)采用双向晶闸管调压调速最近，越来越多采用双向晶闸管VT调节单相异步电动机转速。图5-38所示为单相异步电动机双向晶闸管调压调速电路。只要改变晶闸管导通角(即改变电位器Rp(R=50kΩ))的电阻值，即可改变电动机端电压的大小，实现无级调速。 图中，VS是双向晶闸管，VD是用以触发双向晶闸管的双向二极管。双向二极管两端电压超过阻断电压时，二极管导通，使双向晶闸管被触发导通。 工作原理：220V交流电源经Rp(50kΩ电位器)向C₂(0.22μF)充电，电容C₂两端电压上升，当上升至双向二极管VD的阻断电压时，VD导通，使双向晶闸管VS导通。由于触发电路工作在交流电路中，因此，在正、负两个半周对称地分别发出一次正脉冲和负脉冲给晶闸管控制极，使双向晶闸管在正、负半周内，对称地各导通一次。 增大电位器Rp的阻值，使电容C₂充电变慢，延迟了双向二极管VD转折导通时间，也就增大了双向晶闸管VS的触发角，导通角减小，输出电压降低。反之，输出电压升高。达到了调压调速的目的。 在小导通角时，电位器Rp阻值增大，使电容器C₂充电很慢，由于在小导电角时，触发电路电源电压已过峰值并降得很低，使C₂充电电压过小，不足以击穿双向二极管。因此，另增一阻容电路(R₁C₁)、R₁=22kΩ、C₁=0.22μF,使在小导电角时，获得一个滞后电压Uc₁,它给电容C₂增加一个充电电路，R₂是充电电路电阻。使在小导电角时，C₂的充电电压能增大，以保证晶闸管可靠地触发导通。因此，增设R₁C₁阻容电路后，能使双向晶闸管VS最小导通角减小，扩大调压范围，调速范围也就随之扩大了。 (4)采用PTC元件调速在需要有微风挡的电风扇中，常采用PTC元件调速电路。所谓微风，是指电风扇转速在500 r/min以下送出的风，如果采用一般的调速方法，电风扇电动机在这样低的转速下往往难以启动，较为简单的方法就是利用PTC元件的特性来解决这一问题。图5-39所示为PTC元件的工作特性，当温度t较低时，PTC元件本身的电阻值很小，当高于一定温度后(图中A点以上，称为居里温度),即呈高阻状态，这种特性正好满足微风挡的调速要求。图5-40即为电风扇微风挡PTC元件调速电路，在电风扇启动过程中，电流流过PTC元件，电流的热效应使PTC元件温度逐步升高，当达到居里温度时，PTC元件的电阻值迅速增大，使电风扇电动机上的电压迅速下降，进入微风挡运行。 三、真题练讲 1.（2022年河南省统一考试）某理想变压器原线圈接220V交流电源，副线圈输出电压为36V，若原线圈匝数为1100匝，则副线圈匝数为（ ） A.180匝 B.220匝 C.360匝 D.440匝 答案：A 解析：根据变压比公式U1/U2=n1/n2，代入数据得n2=U2 cdot n1/U1=36×1100/220=180匝。 2.（2023年山东省统一考试）变压器正常工作时，下列说法正确的是（ ） A.原线圈电流与副线圈电流成正比 B.输入功率随输出功率的增大而增大 C.副线圈两端电压由原线圈匝数决定 D.铁芯中的磁通量与输入电压无关 答案：B 解析：理想变压器中，输入功率等于输出功率，故输入功率随负载变化而变化。原副线圈电流与匝数成反比，副线圈电压由原线圈电压和匝数比共同决定，铁芯磁通量与输入电压频率相关。 3.（2024年河南省统一考试）某变压器原线圈接100V直流电源，副线圈输出电压为0V，原因是（ ） A.匝数比不合适 B.直流电源无法产生互感 C.铁芯材料不导磁 D.线圈电阻过大 答案：B 解析：变压器利用互感现象工作，直流电源产生的恒定磁场无法在副线圈中激发感应电动势，因此输出电压为0V。 4.（2021年江苏省统一考试）若变压器副线圈接电阻R，当R减小时，原线圈输入电流将（ ） A.增大 B.减小 C.不变 D.无法确定 答案：A 解析：R减小时，副线圈电流I2=U2/R增大，根据I1=n2/n1 I2，原线圈电流随之增大。 5.（2025年河南省统一考试）安全用电中，人体直接接触36V以上电压可能触电，这是因为（ ） A.电压越高，电阻越小 B.电流超过人体承受阈值 C.电压与电流无关 D.人体电阻恒定不变 答案：B 解析：人体触电的本质是通过人体的电流超过安全值，36V为安全电压上限，超过此值时电流可能引发心室颤动等危险。 四、限时练讲 1.理想变压器原副线圈匝数比为2:1，原线圈输入电压为220V，副线圈接100Ω电阻，则副线圈电流为（ ） A.1.1A B.2.2A C.4.4A D.8.8A 答案：B 解析：副线圈电压U2=n2/n1 U1=110V，电流I2=U2/R=110/100=1.1A。 2.变压器工作时，铁芯中产生的损耗主要是（ ） A.铜损 B.铁损 C.线损 D.磁损 答案：B 解析：铁芯损耗包括磁滞损耗和涡流损耗，统称铁损；铜损是线圈电阻产生的焦耳热。 3.某变压器原线圈电流为0.5A，副线圈电流为2A，则匝数比为（ ） A.1:4 B.4:1 C.1:2 D.2:1 答案：B 解析：由I1/I2=n2/n1，得n1/n2=I2/I1=2/0.5=4:1。 4.远距离输电中，采用高压输电的目的是（ ） A.增大电流 B.减小电阻 C.降低损耗 D.提高功率 答案：C 解析：根据P损=I2 R，提高电压可减小输电电流，从而降低线路损耗。 5.下列哪种情况会导致变压器输出电压升高？（ ） A.减少原线圈匝数 B.增加副线圈匝数 C.增大负载电阻 D.减小输入电压 答案：B 解析：输出电压U2=n2/n1 U1，增加副线圈匝数n2可直接提高U2。 6.测量高压线路电压时，应使用（ ） A.电压互感器（降压） B.电流互感器（升压） C.万用表直接测量 D.示波器观察波形 答案：A 解析：电压互感器是降压变压器，可将高电压转换为低电压供电表测量。 7.变压器空载运行时，原线圈电流主要用于（ ） A.产生主磁通 B.克服铜损 C.输出功率 D.抵消副线圈电流 答案：A 解析：空载时副线圈无电流，原线圈电流主要用于励磁，产生铁芯中的主磁通。 8.若变压器原线圈输入功率为100W，副线圈输出功率为95W，则效率为（ ） A.95% B.90% C.85% D.80% 答案：A 解析：效率η=P出/P入×100%=95/100×100%=95%。 9.简述变压器的工作原理。 答案：变压器利用互感现象工作。原线圈接入交流电后，产生交变磁场，铁芯中磁通量周期性变化，在副线圈中激发感应电动势。根据电磁感应定律，原副线圈的电压与匝数成正比，从而实现电压变换。 10.列举两种安全用电的具体措施。 答案： ①避免湿手操作电器，防止人体电阻降低导致触电； ②在高压设备周围设置警示标志，保持安全距离（如10kV线路需保持0.7米以上）。 五、学法建议 重点复习知识点： 1.重点掌握电压、电流、电阻的定义及相互关系，通过实际案例（如家庭电路）理解串联、并联的应用。变压器部分需明确变压比、电流比的推导过程，区分理想与实际变压器的差异。 2.熟练运用公式，结合题目条件建立方程。通过典型例题（如负载变化时的动态分析）提升计算速度与准确性。 3.掌握伏安法测电阻、电表改装等实验的原理和步骤，注意误差来源（如电表内阻）。能解读U-I图像、磁通量变化曲线，分析电路状态。 4.结合生活场景（如输电线路、电器铭牌）进行电路设计与故障分析。建立错题本，分类整理易混淆知识点（如电压互感器与电流互感器的区别）。 5.定期进行限时练习，模拟考试环境，提升答题速度和时间分配能力。重点突破计算题中的多步骤问题，确保逻辑清晰、步骤完整。 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 $$