专题四十九 测速发电机（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 专题五十 测速发电机 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 交流测速发电机与直流测速发电机的输出信号类型。 某机床需通过测速装置实时检测主轴转速，并将转速信号转换为直流电压反馈给控制器以实现调速，另一设备需在高频运转场景下输出稳定的交流转速信号。哪台设备更适合选用直流测速发电机？ 直流测速发电机因存在电刷和换向器，长期使用后可能出现输出电压波动，结合其结构特点，说明该故障的主要原因。 考纲解读—考试要求 能根据设备的信号需求、运行工况（如低速/高频运转），正确选择适配的测速发电机类型，并能清晰说明选择依据。 能结合结构分析两类测速发电机的性能特点，例如说明直流测速发电机因电刷、换向器存在可能导致的输出波动问题。 能准确区分交流测速发电机与直流测速发电机的核心差异，包括输出信号类型（交流/直流）、结构特点。 4 考纲解读—易考题型 原理差异、结构对性能的影响 简答题 原理特性、结构与性能关系、应用常识 判断题 输出信号类型、结构特点、基础性能 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 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人信号(转速)大小而变化,即 f = （8-1） E = 4.44fNKΦm = 4.44NKΦmn （8-2） 式中p—电磁极对数；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。 一、交流测速发电机 知识点梳理和重点概念复习 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看压而成。 一、交流测速发电机 知识点梳理和重点概念复习 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。 一、交流测速发电机 知识点梳理和重点概念复习 (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。 一、交流测速发电机 知识点梳理和重点概念复习 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。 一、交流测速发电机 知识点梳理和重点概念复习 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。 其感应电动势的大小为 E = CeΦNn （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。 一、交流测速发电机 知识点梳理和重点概念复习 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。 二、直流测速发电机 知识点梳理和重点概念复习 2.工作原理 直流测速发电机的工作原理与一般直流发电机相同,转子上有电枢绕组和换向器,用电刷与测量仪表相连。转子被所要测量的机械拖动。电枢中产生电动势的大小与转速成正比,从电动势的大小就可知转速。 如图8-12所示,电枢绕组在恒定磁场中旋转,产生感应电动势。由两电刷引出的电枢感应电动势为 Ea = CeΦn （8-5） 二、直流测速发电机 知识点梳理和重点概念复习 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。 二、直流测速发电机 知识点梳理和重点概念复习 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1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。 二、直流测速发电机 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,负载电阳不应小于规定值,使电枢电流不致过大。 知识点梳理和重点概念复习 (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。 二、直流测速发电机 知识点梳理和重点概念复习 (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。 二、直流测速发电机 知识点梳理和重点概念复习 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。 二、直流测速发电机 知识点梳理和重点概念复习 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。 二、直流测速发电机 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：超过额定转速运行时，转子转速过高，电刷与换向器的摩擦速度加快，会导致电刷磨损加剧，缩短使用寿命。 1.直流测速发电机若长期在超过额定转速的情况下运行，会导致（ ） A. 输出电压幅值减小 B. 电刷磨损加快 C. 输出电压极性改变 D. 励磁磁通增大 21 常考习题练习与讲解—选择题 答案：D 解析：交流测速发电机的输出电压相位差与转速相关，转速不同，转子切割磁场的时间差不同，相位差也会随之变化；转速为0时，输出电压与励磁电压相位差固定，转速变化后相位差改变。 2.交流测速发电机的输出电压与励磁电压的相位关系是（ ） A. 同相位 B. 反相位 C. 相位差固定 D. 相位差随转速变化 22 常考习题练习与讲解—选择题 答案：C 解析：交流测速发电机输出的是交流电压，其幅值随转速变化，但极性无法反映转向，无法用于检测转向；无电刷、输出稳定、适合高频运转均为其优点。 3.下列哪项不是交流测速发电机的优点（ ） A. 无电刷，维护成本低 B. 输出信号稳定，寿命长 C. 可检测转向 D. 适合高频运转场景 23 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：励磁绕组开路时，无法产生励磁磁场，转子转动时无感应电动势产生，输出电压为0；只有励磁绕组正常供电产生磁场，转子切割磁场才能输出电压。 4.直流测速发电机的励磁绕组若出现开路，会导致（ ） A. 输出电压最大 B. 输出电压为0 C. 输出电压波动 D. 输出电压与转速成正比 24 常考习题练习与讲解—选择题 答案：A 解析：空心杯转子式交流测速发电机的转子转动惯量小、磁场分布均匀，输出电压与转速的线性关系（正比关系）更精准，线性度优于实心转子式、永磁同步式和异步式，是精度要求高场景的首选。 5.下列哪种交流测速发电机的输出电压线性度最好（ ） A. 空心杯转子式 B. 实心转子式 C. 永磁同步式 D. 异步式 25 常考习题练习与讲解—选择题 答案：C 解析：直流测速发电机有额定负载电阻要求，当负载电阻小于额定值时，负载电流增大，会导致输出电压幅值降低，说明负载超过额定值；正常工作时，负载电阻在额定范围内，输出电压稳定。 6.直流测速发电机的输出电压幅值若随负载电阻减小而降低，说明（ ） A. 电机正常工作 B. 电刷磨损严重 C. 负载超过额定值 D. 励磁磁通减小 26 常考习题练习与讲解—选择题 答案：C 解析：励磁电源接反会导致定子励磁磁场的方向改变，转子切割磁场产生的感应电动势相位也会随之反转，进而使输出电压相位反转；输出电压幅值、频率均不受励磁电源极性影响，仍能正常输出电压。 7.交流测速发电机的定子绕组若接反励磁电源，会导致（ ） A. 输出电压幅值减小 B. 输出电压频率改变 C. 输出电压相位反转 D. 无法输出电压 27 常考习题练习与讲解—选择题 答案：C 解析：直流调速系统需要直流转速反馈信号，直流测速发电机可直接输出直流电，无需额外整流，比交流测速发电机更适配；其余场景中，交流测速发电机的无电刷、适合高频的优势更明显。 8.下列场景中，直流测速发电机比交流测速发电机更具优势的是（ ） A. 高频风机转速检测 B. 无需维护的长期运行设备 C. 直流调速系统的转速反馈 D. 大型电机的高速转速检测 28 常考习题练习与讲解—填空题 答案：幅值；频率 解析：转速越高，转子切割磁场的速度越快，感应电动势越大；同时转子切割磁场的频率加快，使输出电压频率也随之升高，两者均与转速正相关。 1.交流测速发电机输出电压的________随转速升高而增大，________随转速升高而升高。 29 常考习题练习与讲解—填空题 答案：励磁磁场 解析：励磁绕组的作用是产生稳定的磁场，转子需切割该磁场才能产生感应电动势；若励磁绕组开路，无电流通过，无法产生磁场，转子转动时无感应电压，因此输出为0。 2.直流测速发电机的励磁绕组若出现开路，会导致无法产生________，电机无输出电压。 30 常考习题练习与讲解—填空题 答案：电刷与换向器 解析：交流测速发电机无需电刷和换向器，避免了电刷磨损、换向器维护等问题，维护成本远低于直流测速发电机，可适应长期无维护的工业场景。 3.交流测速发电机相比直流测速发电机，最显著的优势是无________结构，维护成本低，适合长期无维护运行。 31 常考习题练习与讲解—填空题 答案：励磁磁通；转速 解析：公式中Kn为电机结构常数（与极对数、绕组匝数相关），φ为励磁绕组产生的磁通，n为转子转速；该公式体现了直流测速发电机输出电压与转速、磁通的正比关系，是其工作原理的核心表达式。 4.直流测速发电机的输出电压公式为U=Knφn，其中φ代表________，n代表________。 32 常考习题练习与讲解—判断题 答案：× 解析：换向器的作用是与电刷配合，将转子绕组产生的交流电转换为直流电输出；改变励磁电流方向的是励磁电源极性，与换向器无关，故错误。 1.直流测速发电机的换向器作用是改变励磁电流的方向，保证磁场稳定。（ ） 33 常考习题练习与讲解—判断题 答案：√ 解析：空心杯转子磁场分布均匀、转动惯量小，输出电压与转速的正比关系（线性度）更精准；实心转子因涡流影响，线性度较差，该说法正确。 2.空心杯转子式交流测速发电机的输出电压线性度优于实心转子式，精度更高。（ ） 34 常考习题练习与讲解—判断题 答案：√ 解析：负载电阻小于额定值时，负载电流增大，电机带载能力不足，输出电压幅值会降低（类似电源过载）；在额定负载范围内，输出电压稳定，该说法正确。 3.直流测速发电机若负载电阻小于额定值，会导致输出电压幅值降低。（ ） 35 常考习题练习与讲解—判断题 答案：√ 解析：交流测速发电机无需定期更换电刷、维护换向器，维护成本远低于直流测速发电机，能适应长期连续无维护的场景（如大型设备的转速检测），该说法正确。 4.交流测速发电机因无电刷结构，维护成本低，适合长期连续无维护的工业场景。（ ） 36 常考习题练习与讲解—简答题 答案：①输出信号类型：直流测速发电机输出直流电压信号，交流测速发电机输出交流电压信号；②结构：直流测速发电机含有电刷和换向器，交流测速发电机无电刷、无换向器。 1.简述直流测速发电机与交流测速发电机在输出信号类型和结构上的两个核心区别。 37 常考习题练习与讲解—简答题 答案：因为空心杯转子式交流测速发电机的转子采用薄壁空心结构，重量轻、转动惯量极小，能快速跟随被测转速的变化（转速改变时，转子能迅速调整转动状态），响应速度远高于其他类型的测速发电机，因此适合响应速度要求高的场景（如精密仪器转速检测）。 2.为什么空心杯转子式交流测速发电机适合对响应速度要求高的场景？ 38 常考习题练习与讲解—简答题 答案：直流测速发电机需要稳定的励磁磁场来保证输出电压与转速的精准正比关系；他励励磁方式通过独立直流电源给励磁绕组供电，可避免励磁电流随电机转速、负载变化而波动，从而保证励磁磁通稳定，确保输出电压能准确反映转速，因此通常采用他励方式。 3.直流测速发电机为何通常采用他励励磁方式？ 39 常考习题练习与讲解—简答题 答案：直流测速发电机的输出电压极性与转子转向相关：当被测轴正转时，电机输出正方向的直流电压；当被测轴反转时，电刷与换向器配合整流后的电压极性反转，输出负方向的直流电压；因此可通过观察输出电压的极性（正/负）来判断被测轴的转向。 4.如何通过直流测速发电机的输出电压判断被测轴的转向？ 40 重点复习知识点： 1.交流与直流测速发电机的两大核心差异：一是输出信号与结构。二是核心特性。 2.直流测速发电机因电刷、换向器存在，长期使用易出现电刷磨损，导致输出电压波动，需定期检查更换电刷；交流测速发电机无电刷结构，输出更稳定、维护成本低，适合高频运转或长期无维护场景。 3.若设备需直流信号、需检测转向，优先选直流测速发电机；若设备为高频运转、要求长期无维护、只需交流信号，优先选交流测速发电机。 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 41 $