专题四十七 测速发电机（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

专题四十七测速发电机（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.掌握变压器的电磁感应原理，理解理想变压器的电压比U1/U2=n1/n2、电流比I1/I2=n2/n1及功率守恒P入=P出，能区分主磁通与漏磁通的作用。 2.学会分析负载变化、匝数调整对变压器工作状态的影响，掌握远距离输电中电压损失和功率损失的计算方法。 3.熟练操作变压器电压与匝数关系实验，掌握控制变量法的应用，能通过实验数据验证U\propton，并分析误差来源（如漏磁、线圈电阻）。 4.结合欧姆定律、基尔霍夫定律解决含变压器的复杂电路问题，理解自耦变压器、互感器等特殊类型的工作特点及应用场景。 二、知识点梳理 在自动控制系统中，有时要把机械旋转量变为电信号，以便对系统进行控制，测速发电机就是测量转速的信号元件，它能把转速变为相应的电压信号，在应用中，要求它的输出电压必须精确地与其转速成正比。 测速发电机在自动控制系统和计算装置中，通常作为测速元件、校正元件、解算元件和角加速度信号元件。 测速发电机可分为两大类，一类是交流测速发电机，一类是直流测速发电机。近年来，已出现采用新原理、新结构研制成的霍尔效应测速发电机。 一、交流测速发电机 交流测速发电机分为同步和异步两类。 (1)同步测速发电机可再分为永磁式、感应子式和脉冲式三种。 ①永磁式交流测速发电机其实质上是一台单相永磁转子同步发电机，定子绕组感应的交变电动势大小和频率都随输入信号(转速)大小而变化，即(8-1) (8-2) 式中p——电机磁极对数；N——定子绕组每相匝数；K——定子基波绕组系数；Φm——电机每极基波磁通幅值；f——频率；n——转速。 永磁式交流测速发电机，感应电动势的频率随转速而变化，致使电机本身的阻抗及负载阻抗均随转速而变化。因此，这种测速发电机的输出电压不再与转速成正比关系。尽管其结构简单，又没有滑动接触，但不适用于精密的自动控制系统，通常只是作为指示用转速计。 ②感应子式测速发电机它是利用定子、转子齿槽位置相对变化而使输出绕组中的磁通发生变化，从而感应出电动势，这就是感应子测速发电机的原理。其结构图如图8-8所示，定子、转子铁心均由高硅钢片冲压成形再叠压而成。定子内圆上有大槽和小槽，大槽与小槽之间放置励磁绕组，如图中A,B所示。在12个定子齿上分别放置输出绕组，并将输出绕组连接成三相对称绕组。转子外圆周上为24个均匀齿槽。 当励磁绕组通入直流电流时，使定子铁心磁化为N、S相间的四极磁场。转子不动时，定子齿中的磁通不随时间变化，定子输出绕组中没有感应电动势。转子转动后，定子、转子齿的相对位置发生周期性变化，则使定子齿中的磁通也发生周期性变化，输出绕组中便产生交变电动势。 从其结构可以看出，每当转子转过一个齿，输出绕组的感应电动势就变化一个周期，故输出电动势的频率为(8-3) 式中Z——转子的齿数；n——电机转速；f——频率。 由式(8-3)可知，其感应电动势的频率和转子的转速之间有着严格的关系，所以它属于同步电机。其感应电动势的大小和转速成正比，可作为测速发电机使用。但其电动势的频率随转速而变化，致使负载阻抗和电机本身的阻抗均随转速而变化。与永磁式交流测速发电机一样，感应子式测速发电机也不宜在自动控制系统中用作交流测速发电机。但是，通常采用二极管对这种测速发电机的三相输出电流进行桥式整流后，取其直流输出电压作为速度信号而用于自动控制系统。这种电机因为转子齿数较多，所以输出电压的频率甚高，再经过三相桥式整流，使直流输出电压中的波纹频率很高，再配以适当的滤波措施后，其直流输出电压相当平稳。这样，将感应子式测速发电机和整流滤波电路结合后，可作为一台性能良好的直流测速发电机使用。但这种测速发电机的直流输出电压极性是由整流电路所决定的，与电机转子的转向无关，所以实际使用中的缺点是不能测旋转方向。 ③脉冲式测速发电机脉冲式测速发电机与感应子式测速发电机基本原理相同。它是以脉冲频率作为输出信号的。这种发电机因输出电压的频率与转子转速保持严格的正比关系，所以也属于同步电机类型。其特点是输出信号的频率相当高，即使在较低的转速下，也能输出较多的脉冲数。因此，以脉冲个数表示的速度分辨率就比较高，它适用于速度较低的调节系统。 (2)异步测速发电机有笼型转子和杯形转子两种。 ①异步测速发电机的结构目前使用最广泛的一种是杯形转子异步测速发电机。杯形转子异步测速发电机的基本结构如图8-9所示。其结构与杯形转子的交流异步伺服电动机相似。测速发电机的杯形转子也是用高电阻率(如磷青铜、硅锰青铜或锡锌青铜)材料制成的。杯的壁厚为0.2~0.3mm。杯形转子可在内外两定子间旋转。定子用导磁材料做成，定子上嵌有在空间相差90°电角度的两组绕组。一组为励磁绕组，另一组为输出绕组。 对机座外壳直径小于28mm的电机，两绕组均放在内定子上。外定子是一个无槽的铁心。对机座的外壳等于或大于36mm的电机，常把励磁绕组放在外定子上，把输出绕组放在内定子上。在内定子上装有转动调节装置，可调节内、外定子的相对位置，以使剩余电压为最小。目前，我国生产的这种测速发电机型号为CK,还有S-C系列交流伺服-交流测速发动机组。 ②工作原理图8-10所示为杯形转子异步测速发电机工作原理图。励磁绕组LE和输出绕组LY安放在定子上。当转子静止时，励磁绕组通入单相交流电，产生一个轴线与LY所在平面重合的脉动磁通ΦE,如图8-10(a)所示。脉动磁通ΦE在转子中引起感应电动势和电流(电磁感应原理),转子电流产生磁通ΦN,ΦN的轴线与ΦE的轴线重合。ΦE、ΦN两个磁场的轴线都在绕组LY的平面内，没有磁通穿过绕组LY,所以LY不产生感应电动势，没有电压输出。当转子被测量对象拖转之后，转子与脉动磁场ΦE有相对运动，转子切割ΦE而产生感应电流，转子的感应电流产生磁通ΦN,这时的ΦN轴线不再与ΦE的轴线相重合，而是互相垂直，如图8-10(b)所示。这时ΦN垂直穿过输出绕组LY,因此LY有感应电动势产生，也就有信号电压输出。输出电压的大小与转速n基本成正比。其感应电动势的大小为E=CeΦn(8-4) 式中Ce——电机常数； ΦN——转子电流产生磁通的幅值； n——转子的转速。 如输出端接有负载Z,用电压表测出负载电压就可以知道相应的转速值。负载Z的性质变化(如容性、阻性、感性)将引起测量误差，实际中选用适当的阻容性负载可以使输出电压与转速保持线性关系。转子反转时，输出电压的相位也相反，反映输出电压与转速n之间关系的曲线称为输出特性曲线，如图8-11所示。这就是异步测速发电机的基本工作原理。 当电机的励磁绕组外施恒频恒压的交流电源Uf时，便有电流If通过励磁绕组，产生以电源频率f变化的脉振磁通。当转子转动后，转子切割此脉振磁通，在转子杯中产生同频率的脉振电动势与电流，于是输出绕组也产生同频率的脉振电动势和脉振电流。因此，异步测速发电机的输出电动势E的频率即为励磁电源的频率f,而与转子转速的大小无关，但输出电动势E的大小却正比于转子的转速n。异步测速发电机克服了同步测速发电机的缺点，使负载阻抗Z不会因转子转速的变化而发生变化。因此，空心杯转子异步测速发电机在自动控制系统中得到了广泛的应用。 二、直流测速发电机 1.分类和结构 直流测速发电机是一种微型直流发电机。它的定子、转子结构和直流伺服电动机基本相同。若按定子磁极的励磁方式来分，直流测速发电机分为两种，一种是他励式，一种是永磁式。若以电枢不同结构形式来分，又可分为有槽式电枢和无槽式电枢，空心杯电枢和圆盘式印制绕组电枢等。近年来，因自动控制系统的需要又出现了永磁式直线测速发电机。他励式需要一个恒定电源，比较少用，多采用永磁式。永磁式的定子用永久磁钢制成，一般为凸极式。常用的为有槽式电枢结构。目前，我国的电磁式直流测速发电机，产品型号为ECF;永磁式直流测速发电机，产品型号为CY。 (8-5) 空载时，电枢电流Ia=0,直流测速发电机的输出电压和电枢感应电动势相等，由式(8-5)可知，输出电压与转速成正比。负载时，电枢电流Ia≠0,直流测速发电机的输出电压为(8-6) 式中R——电枢回路总电阻(包括电枢绕组电阻，电刷+换向器接触电阻)。 负载时，电枢电流(8-7) 式中R——测速发电机的负载电阻。将式(8-7)代入式(8-6),可得 则测速发电机的输出电压(8-8) 又因为 (8-9) 当及负载电阻Rf均为常数时，则比值固定，用C表示，C为测速发电机输出特性曲线的斜率。 由此可知，直流测速发电机输出特性仍是一组直线，如图8-29所示。从式(8-9)和图中可以看出，对于不同的负载电阻Rf,测速发电机的输出特性的斜率与就不相同，它将随负载电阻Rf的减小而减小。 3.直流测速发电机的运行特性 直流测速发电机输出特性如图8-13中虚线所示，实际上直流测速发电机的输出电压与转速之间并不是保持严格的正比关系。 产生这种非线性误差原因有三： (1)电枢反应 直流测速发电机的电枢与普通直流发电机一样；当其有负载时，具有电枢反应的去磁作用。电机的气隙磁通不再是常数，它将随负载的大小(电枢电流Ia的大小)而改变。实际上气隙合成磁通是减少的，因而使输出电压呈下降趋势。为了改善输出特性，必须减少或削弱电枢反应的去磁作用，尽量使电机的气隙磁通保持不变。通常采取以下三条措施：第一，对电磁式直流测速发电机，在定子磁极上安装补偿绕组；第二，在设计时，选取较小的线负荷，并适当加大电机的气隙；第三，使用时，负载电阻不应小于规定值，使电枢电流不致过大。 (2)电刷接触压降 由于电刷接触电阻的非线性，当电机转速较低，电枢电流较小时，电刷接触电阻较大，这时，测速发电机的输出电压变小。只有当电机转速较高，电枢电流较大时，电刷接触压降才可以认为是常数。考虑电刷接触压降影响的直流测速发电机输出特性曲线如图8-14所示，在转速较低时，电机的输出特性曲线初始端出现一曲线区域，在这一转速范围内，测速发电机虽然有输入信号(转速),但输出电压甚低，不成正比例，将此区域称为不灵敏区。 由于电枢反应和电刷接触压降对直流测速发电机输出电压的影响，它在低速时，存在着不灵敏区，在转速太高时，又向下弯曲。因此，转速不应超过产品的最大线性工作转速。 为了减小电刷接触压降的影响，缩小不灵敏区，采用接触压降小的铜-石墨电刷、铜电刷，或在电刷与换向器接触的表面上镀有银层。 (3)温度的影响 在电磁式直流测速发电机中，因励磁绕组中长期通过电流而发热，绕组阻值随之增大，致使励磁电流减小，由此而引起电机气隙磁通Φ下降，导致电枢绕组的感应电动势和输出电压减小。经计算表明，铜绕组温度每升高25℃,其电阻值相应增大10%。为了减小温度对励磁电流的影响，实际使用时可在直流测速发电机励磁绕组回路中串联一个较大电阻值的，且温度系数低的附加电阻。可用康铜或锰铜材料绕制而成。这样，当励磁绕组温度升高时，它的电阻值虽然有所增加，但励磁回路总阻值却变化很小，励磁电流几乎不变。缺点是，采用附加电阻后，相应励磁电源的电压也要升高，励磁功率随之增大，这是不经济的。 综上所述，当负载电流小时，内部电压降也小，电枢反应也小，输出的端电压与电动势基本相等。输出电压与转速成正比，可将转速值直接刻在电压表上读出。如果通过仪表的电流过大，即发电机的负载电流大，则内电压降增大，电枢反应也增大，这时电压与转速不能严格地成正比，测量将产生误差。因此，测量仪表必须是高阻抗仪表，使电流尽量减小，保证测量的准确性。 直流测速发电机主要缺点是电刷与换向器的接触问题。往往因为接触不良而影响测量的准确度。优点是灵敏度高，比交流测速发电机高约20倍，没有相位误差；正负极能够反映转动方向。因此，直流测速发电机多在要求较高的测速系统中采用。 三、真题练讲 1.(2023年河南省统一考试)某理想变压器原线圈接220V交流电，副线圈匝数为200匝，输出电压11V。若副线圈增加100匝，其他条件不变，则新输出电压为（ ） A.16.5V B.22V C.33V D.44V 答案：A 解析：根据变压比公式U1/U2=n1/n2，原匝数比为220/11=n1/200，得n1=4000匝。副线圈增至300匝后，新电压U2'=220×300/4000=16.5V。 2.(2024年山东省统一考试)远距离输电中，若输送功率P不变，输电电压升高为原来的2倍，则输电线上的功率损失变为原来的（ ） A.1/2 B.1/4 C.2倍 D.4倍 答案：B 解析：电压翻倍后，电流变为原来的1/2，损失功率变为原来的=1/4。 3.(2022年河南省统一考试)某变压器原副线圈匝数比为10:1，副线圈接10Ω电阻，原线圈输入功率100W。若副线圈改接20Ω电阻，其他条件不变，原线圈输入功率变为（ ） A.25W B.50W C.100W D.200W 答案：B 解析：原副线圈电压比为10:1，副线圈电压U2=220/10=22V。原负载功率P2=222/10=48.4W，因P入=P出，输入功率为100W。改接20Ω后，P2'=222/20=24.2W，输入功率变为50W。 4.(2025年河北省统一考试)理想变压器原线圈接正弦交流电，副线圈接电阻R。当原线圈电压有效值增大为原来的2倍时，副线圈电流（ ） A.不变 B.增大为原来的2倍 C.增大为原来的4倍 D.减小为原来的1/2 答案：B 解析：原线圈电压增大为2U1，副线圈电压变为2U2。根据I2=U2/R，电流增大为原来的2倍。 5.(2021年河南省统一考试)某变压器空载时输入功率为P0，当副线圈接额定负载时，输入功率为P。忽略线圈电阻，下列关系正确的是（ ） A.P=P0 B.P>P0 C.P<P0 D.无法确定 答案：B 解析：空载时输入功率用于铁芯损耗P0。负载接入后，副线圈有电流，原线圈需提供额外功率P出，故P=P0+P出>P0。 四、限时练讲 1.理想变压器原线圈匝数n1=1000，副线圈匝数n2=200，原线圈接220V交流电。若副线圈接10Ω电阻，则副线圈电流为（ ） A.1.1A B.2.2A C.4.4A D.5.5A 答案：B 解析：副线圈电压U2=220×200/1000=44V，电流I2=44/10=4.4A。 2.远距离输电中，若输电电压为U，输电线电阻为R，输送功率为P，则输电线上的电压损失为（ ） A.P/UR B.P/U2R C.U2/PR D.U/PR 答案：A 解析：输电电流I=P/U，电压损失∆U=IR=P/UR。 3.某变压器原副线圈匝数比为5:1，副线圈接20Ω电阻，原线圈输入电流0.2A。忽略损耗，副线圈电流为（ ） A.0.1A B.0.4A C.1A D.2A 答案：C 解析：电流比I1/I2=n2/n1=1/5，副线圈电流I2=5×0.2=1A。 4.理想变压器原线圈接220V交流电，副线圈接110V负载。若原线圈匝数减少为原来的1/2，其他条件不变，副线圈电压变为（ ） A.55V B.110V C.220V D.440V 答案：C 解析：原线圈匝数减半，变压比变为U1/U2=n1/2/n2=1/2×n1/n2。原电压比为220/110=2，新电压比为1，故副线圈电压变为220V。 5.某变压器空载时输入电流为I0，当副线圈接负载后，原线圈电流为I。忽略损耗，下列关系正确的是（ ） A.I=I0 B.I>I0 C.I<I0 D.无法确定 答案：B 解析：空载时电流仅用于铁芯励磁I0。负载接入后，原线圈需提供负载电流对应的分量，故I>I0。 6.自耦变压器的原副线圈部分匝数重叠，其主要优点是（ ） A.体积小 B.效率高 C.可平滑调压 D.绝缘要求低 答案：C 解析：自耦变压器通过滑动触头改变匝数比，可实现输出电压的连续调节。 7.某变压器副线圈接4Ω电阻，输出功率100W。若副线圈改接16Ω电阻，其他条件不变，输出功率变为（ ） A.25W B.50W C.100W D.200W 答案：A 解析：副线圈电压U2=√P2R=√100×4=20V。改接16Ω后，功率P2'=20^2/16=25W。 8.理想变压器原线圈接220V交流电，副线圈接11V灯泡正常发光。若原线圈电压降至110V，灯泡功率变为原来的（ ） A.1/2 B.1/4 C.2倍 D.4倍 答案：B 解析：副线圈电压与原线圈电压成正比。原电压减半，副电压变为5.5V，功率P=U2/R变为原来的1/4。 9.简述变压器的工作原理及理想变压器的条件。 答案：变压器利用电磁感应原理，原线圈交变电流产生交变磁场，通过铁芯耦合到副线圈，感应出电动势。理想变压器需满足：无漏磁（主磁通完全耦合）、无能量损耗（铜损、铁损为零）、线圈电阻为零。 10.分析负载电阻增大时，理想变压器原线圈电流的变化过程。 答案：负载电阻增大→副线圈电流I2减小→副线圈功率P2=U2I2减小→原线圈输入功率P1=P_减小→原线圈电流I1=P1/U1减小。 五、学法建议 重点复习知识点： 1.熟练操作变压器电压与匝数关系实验，掌握数据处理方法及误差分析。 2.归类动态分析、功率计算等易错题，标注易错点（如忽略原线圈电压不变）。 3.分析手机充电器、电力变压器等实际应用，理解变压原理的工程价值。 4.研究近年职教高考真题，把握命题规律（如河南省侧重变压器动态分析）。 5.以“变压器”为核心，分支展开原理、公式、实验、应用等模块，强化记忆。 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 $$