专题五十一 电机扩大机（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

专题五十一 电机扩大机（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.基础概念与结构：掌握变压器的基本构造（铁心、绕组、附件）及分类（单相/三相、油浸/干式），理解电磁感应原理在变压过程中的应用，明确理想变压器的电压比、电流比与匝数比的关系。 2.运行特性与参数：分析变压器的空载、负载运行状态，掌握外特性曲线与电压调整率的计算方法，理解铜损耗、铁损耗的产生机制及效率公式的实际应用。 3.特殊应用与实验：熟悉三相变压器的磁路结构、绕组极性及联结组标号，掌握互感器、自耦变压器等特种变压器的工作原理，能设计小型变压器并分析实验数据。 4.安全规范与维护：了解变压器的铭牌参数（额定电压、电流、容量），掌握并联运行条件及故障排查方法，强化绝缘保护、冷却系统维护等实操要点。 二、知识点梳理 在自动控制系统中，控制信号的功率或电压往往很小，不足以直接驱使执行机构动作，而要通过放大机来提高它的功率或电压，以便控制执行机构，调节机构动作，完成自动控制任务。因此，电机扩大机是自动控制系统中极为重要的器件之一。它是借电源输入的功率，将微弱的输人入(控制)信号高倍放大成较强的同性质的输出大功率的装置，所以又称功率放大机。常用的电机扩大机就是功率放大机的一种。 一、基本结构 电机扩大机一般同笼型异步电动机一起组成电机扩大机组。图8-31所示为电机扩大机结构图。 电机扩大机的定子铁心由硅钢片叠压而成，定子冲片有大、中、小三种槽形，如图8-32所示。 1.控制绕组 两个大槽内嵌放控制绕组Lk及补偿绕组LB的一部分。控制绕组上一般加控制电压，称为控制信号。控制绕组一般有2～4个，以适应同时有几个控制信号输入的情况，如图8-33所示。 2.补偿绕组 小槽内嵌放补偿绕组Lg的主要部分。当电机扩大机电枢输出端接到发电机的励磁绕组上作为电机扩大机负载时，电枢绕组中便有电流通过，如图8-34所示，这些电流产生的磁通Φ。对控制绕组中的磁通Φk有强烈的去磁作用，使电机扩大机无法工作。为了抵消磁通Φ,在大槽和小槽中嵌放补偿绕组LB,补偿绕组中电流产生的磁通ΦB和控制绕组的磁通Φ同方向，抵消了Φ。的去磁作用，补偿了Φk由于负载电流Ia的变化而引起的改变。补偿绕组与电枢绕组串联。 3.换向绕组和交轴助磁绕组 中槽内嵌放换向绕组La及交轴助磁绕组(横向绕组)L。电机扩大机在直轴方向装有换向绕组，是因为电机扩大机的输出电流较大，为了改善直轴换向而设置的，换向绕组也与电枢绕组串联。交轴助磁绕组接到交轴两个电刷之间，交轴助磁绕组产生的磁通与Φ₄同方向，使交轴电刷中的电流可以小一些，改善了交轴的换向。 4.交流去磁绕组 两个大槽内的轭部装有交流去磁绕组L₀,目的是为了减小电机扩大机的剩磁和磁滞回线面积。施加工频电压1~3 V。 两个大槽之间的铁心形成一对磁极。四个中槽之间的铁心形成一对换向极。 电机扩大机的电枢与直流发电机相同。电枢上嵌有单叠绕组，只是在换向器上装有在空间 互相垂直的交轴和直轴两对电刷。一对q₁q₂放在主磁极中性面处，两电刷连线与磁极轴线正交，称为交轴电刷(两交轴电刷用导线短接)。另一对d,d2放在主磁极轴线位置，称为直轴电刷，与负载相连。如图8-34(a)所示，两对电刷装在同一刷杆座上，电刷的位置可以通过刷杆座进行调节。 两个主磁极上嵌放两个绕组，一个是控制绕组L,与控制信号电压相接，一个是补偿绕组LB,与直轴电刷串联。 电机扩大机的定子、转子冲片及各绕组嵌放位置如图8-34(b)所示。 二、工作原理 1.电机扩大机的磁通关系 当原动机把电机扩大机电枢拖动并保持恒速旋转时，向控制绕组Lk加上控制电压ULK,控制绕组通电而产生直轴磁通Φk,在交轴电刷q₁q₂间产生电动势E₄。这个电动势虽不大，但由于两电刷短接，电流却比较大，这电流叫交轴电流Iq,这比较大的交轴电流产生较强的交轴磁通Φ。电枢绕组切割这个较强的交轴磁通Φ。时，在直轴电刷d₁d²间产生较大的电动势Ea。依靠这个较大的电动势E。向负载输出较大的电压，也就输出了较大的功率。这就是电机扩大机的功率放大原理。 由于负载电流I的通过，将产生很强的直轴电枢反应，磁通Φ』去抵消Φk,因此，必须安放补偿绕组LB去补偿ΦK,以使电机扩大机正常工作。为了更好地补偿，补偿绕组采用分布绕组。为了调节补偿程度，用补偿调节电阻R与补偿绕组并联。 为了改善交直流的换向，在交、直轴回路中分别串联交轴助磁绕组L和换向绕组LH。去磁绕组L。的作用是除去电机的剩磁。 2.电机扩大机的工作原理 从工作原理看，电机扩大机如同两台直流发电机串联工作，只是共用一个电枢。第一台发电机以控制绕组产生的磁通Φ作为主磁通，在交轴之间得到较小的电动势，利用短接可以得到较大的交轴电流，产生较强的交轴磁通。第二台发电机是利用这个较强的交轴磁通作为主磁通，在直轴电刷之间得到较大的电动势。 在额定负载时，电机扩大机的输出功率Pa与控制绕组输入功率Pk的比值，称为电机扩大机的功率放大系数，即 电机扩大机的功率放大系数通常在500～1000之间。 应该指出，电机扩大机输出功率的增大，其能量完全是由拖动它的原动机供给，否则，功率放大是不可能实现的。 三、电机扩大机的特性 电机扩大机的特性主要有空载特性和外特性。 1.空载特性 当电机扩大机不接负载时，由交流电动机将电机扩大机拖动到额定转速，其电动势E随控制绕组的磁通的变化关系称为电机扩大机的空载特性。图8-35所示为电机扩大机空载特性曲线。 从特性曲线中看出：当电机扩大机控制绕组的磁通较小时，电机扩大机的电动势E。也比较小，随着磁通的增加，电机扩大机的电动势E。增加较慢。因为这时电刷的接触电阻相对比较大，交轴电刷间的电流和交轴磁通都较小。随后一段电动势E。随着磁通的增加而增加较快。当磁通较大时，使E。增加又变慢，这是由于磁路饱和的缘故。因此，设定电机的额定工作点较低，远离饱和区段，使之工作在线性段。这样，在过渡过程中，可以递增控制绕组的电流(称为强励磁),以加快过渡过程。 2.外特性 当电机扩大机的转速及其控制绕组上的电流保持不变时，其端电压U。随输出电流I』的变化关系，称为电机扩大机的外特性。 电机扩大机的外特性可由试验测定。外特性曲线除与电机扩大机中的一些绕组(包括电枢绕组、补偿绕组和换向绕组)上的电压降有关以外，还与补偿绕组对电枢反应的补偿程度有很大关系。根据补偿绕组对电枢反应的补偿程度，通常把电机扩大机的外特性分为三种情况，如图8-36所示。 (1)全补偿 补偿绕组的磁通正好抵消电枢反应的磁通，称为全补偿。这时电机扩大机的输出电压随输出电流的变化只与扩大机内部一些绕组上的电压降有关。因此，外特性曲线呈一条稍微下降的曲线。 (2)欠补偿 补偿绕组的磁通小于电枢反应的磁通，称为欠补偿。这时随着输出电流的增加，电机扩大机的输出电压有较大的降低。其外特性曲线是一条下降较快的曲线。 (3)过补偿 补偿绕组的磁通大于电枢反应的磁通，称为过补偿。过补偿太强时，随着输出电流的增大，电机扩大机的输出电压有较大的上升。这种特性使扩大机工作不稳定，容易失去控制。为了保证电机扩大机的正常工作，一般补偿绕组的补偿程度都调到低于全补偿的欠补偿状态。这种调整在电机扩大机出厂前已调好。 电机扩大机的控制绕组上所加的电压一般不高，励磁电流不大，而输出的电动势较高，电流较大。实质上是输入的功率较小，而输出的功率较大，即输入较小的功率变化，能够引起输出较大的功率变化，这个作用就是功率放大，因此它也称功率放大机。使用电机扩大机时应注意两个问题： ①原动机转向必须正确(机壳上有箭头标示),否则不能正常工作。 ②补偿程度出厂时已调好，不得随意挪动补偿绕组上的变阻器动触点位置。现在由于电子技术的发展，晶体管放大电路完全可以代替电机扩大机的功能。 三、真题练讲 1.(2023年河南省统一考试)某单相变压器原边匝数N₁=1000匝，副边匝数N₂=200匝，若原边输入电压U₁=220V，则副边输出电压U₂为（ ）。 A.44V B.110V C.220V D.550V 答案：A 解析：根据电压比公式U₁/U₂=N₁/N₂，代入数据得U₂=220V×200/1000=44V。变压器通过电磁感应实现电压变换，匝数比直接决定输出电压大小。 2.(2022年河南省统一考试)变压器运行时，若负载增加且功率因数不变，其铜损耗（ ）。 A.不变 B.增大 C.减小 D.先增后减 答案：B 解析：铜损耗与负载电流平方成正比（P_cu=I²R），负载增加时副边电流增大，原边电流随之增大，导致铜损耗增大。铁损耗因主磁通不变而基本稳定。 3.(2024年河南省统一考试)三相变压器采用Y,d11联结组时，原边绕组为星形接法，副边绕组为三角形接法，其线电压相位差为（ ）。 A.30° B.60° C.90° D.180° 答案：A 解析：Y,d11联结组表示原边线电压超前副边线电压30°。联结组标号由绕组连接方式和相位差决定，是三相变压器并联运行的重要条件。 4.(2021年山东省统一考试)某变压器空载试验测得铁损耗为50W，短路试验测得铜损耗为100W，当负载率为50%时，总损耗为（ ）。 A.50W B.75W C.100W D.125W 答案：B 解析：空载损耗近似等于铁损耗（不变损耗），短路损耗近似等于额定负载时的铜损耗（可变损耗）。负载率为50%时，铜损耗为100W×(0.5)²=25W，总损耗=50W+25W=75W。 5.(2025年广东省统一考试)自耦变压器与普通双绕组变压器相比，其主要优点是（ ）。 A.体积小、效率高 B.绝缘要求高 C.成本高 D.安全性好 答案：A 解析：自耦变压器因原副边共用部分绕组，材料用量减少，体积缩小且效率提升。但由于原副边电气直接连接，绝缘要求较高，安全性略低。 四、限时练讲 1.变压器原边电压不变时，若副边负载电阻减小，其副边电流（ ）。 A.增大 B.减小 C.不变 D.不确定 答案：A 解析：副边负载电阻减小时，根据欧姆定律I₂=U₂/R_L，若U₂不变则I₂增大。实际中变压器存在内阻，U₂会略有下降，但负载电阻变化对电流的影响占主导。 2.变压器电压调整率的定义是（ ）。 A.(U₂N-U₂)/U₂N×100% B.(U₂-U₂N)/U₂N×100% C.(U₁N-U₁)/U₁N×100% D.(U₁-U₁N)/U₁N×100% 答案：A 解析：电压调整率反映负载变化时副边电压的稳定性，计算公式为（空载电压U₂N-负载电压U₂）/U₂N×100%。感性负载会使U₂下降，调整率为正值。 3.三相变压器并联运行时，必须满足的条件不包括（ ）。 A.联结组标号相同 B.额定电压比相等 C.短路阻抗标幺值相等 D.容量相同 答案：D 解析：并联条件包括联结组标号、电压比、短路阻抗标幺值一致，容量可不同但需按比例分配负载。容量差异过大会导致负载分配不均。 4.某变压器额定容量为100kVA，额定电压为10kV/0.4kV，其额定电流I₁N和I₂N分别为（ ）。 A.10A/250A B.5.77A/250A C.10A/144.3A D.5.77A/144.3A 答案：B 解析：原边额定电流I₁N=S/(√3U₁N)=100000/(√3×10000)=5.77A，副边I₂N=100000/(√3×400)=144.3A。计算时需注意三相变压器线电压与相电压的关系。 5.变压器油的主要作用是（ ）。 A.绝缘与散热 B.润滑 C.防潮 D.灭弧 答案：A 解析：变压器油填充在油箱内，既能增强绕组间的绝缘性能，又能通过循环流动带走铁心和绕组产生的热量，是油浸式变压器的关键介质。 6.若变压器原边绕组匝数增加，其他条件不变，其励磁电流将（ ）。 A.增大 B.减小 C.不变 D.无法确定 答案：B 解析：匝数增加会使绕组电感增大，根据I₀=U₁/(ωL)，励磁电流I₀减小。匝数与励磁电流成反比关系。 7.互感器的主要用途是（ ）。 A.升高电压 B.隔离电路 C.测量大电流/高电压 D.调节功率因数 答案：C 解析：电流互感器和电压互感器分别用于将大电流、高电压变换为标准量程的小信号，便于测量和保护设备接入。 8.变压器铁心采用硅钢片叠压而成，目的是（ ）。 A.减少涡流损耗 B.降低成本 C.增强机械强度 D.提高导磁率 答案：A 解析：硅钢片的高电阻率和叠压结构可有效限制涡流路径，减少涡流损耗。这是降低铁损耗的关键措施。 9.简述变压器空载试验的目的及测量参数。 答案：空载试验在低压侧施加额定电压，高压侧开路。目的是测量励磁电流、空载损耗（铁损耗）及励磁阻抗。通过空载损耗可评估铁心质量，励磁电流反映铁心磁化特性，为等效电路参数计算提供依据。 10.比较自耦变压器与普通双绕组变压器的优缺点。 答案：自耦变压器优点是体积小、效率高、成本低；缺点是原副边电气直接连接，绝缘要求高，安全性较差。普通双绕组变压器优点是电气隔离性好、安全性高；缺点是体积大、材料消耗多、效率略低。自耦变压器适用于电压变化较小的场合，如电动机降压启动。 五、学法建议 重点复习知识点： 1.重点掌握电压比（U₁/U₂=N₁/N₂）、电流比（I₁/I₂=N₂/N₁）、效率（η=(P₂/P₁)×100%）等公式的推导逻辑，结合例题练习参数变换应用，避免死记硬背。例如，通过负载率计算不同工况下的铜损耗。 2.熟练掌握空载试验和短路试验的操作步骤、数据采集方法及参数计算（如励磁阻抗、短路阻抗）。结合教材中的实验电路图，分析试验结果对变压器性能的影响，如空载损耗与铁心材质的关系。 3.按用途（电力传输、测量、特殊设备）梳理变压器类型，对比三相变压器联结组标号（如Y,d11与D,y11）的差异，掌握自耦变压器、互感器等特种变压器的适用条件及选型要点。 4.整理易错题，分析错误类型（概念混淆、公式误用、计算失误）。例如，针对电压调整率计算错误，需强化负载性质（感性/容性）对电压变化的影响分析，结合相量图辅助理解。 5.通过组合知识点（如并联运行条件+效率计算+保护措施）进行跨章节练习，提升知识迁移能力。例如，设计题目要求分析某变压器在特定负载下的温升是否超标，并提出改进方案。 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 $$