《变压器与电动机》控制式自整角机 (举一反三考点练）-讲义

举一反三考点练 《变压器与电动机》控制式自整角机-讲义 1. 理解控制式自整角机的基本结构与工作方式。 2. 掌握控制式自整角机系统的信号传递与协调过程。 3.认识控制式自整角机在自动控制系统中的典型应用。 知识点一 基本结构与工作方式 一、控制式自整角机的系统构成： 控制式自整角机系统主要由三部分组成：控制式发送机、控制式自整角变压器（接收机） 和伺服机构。 图1 控制式自整角机接线图 发送机和自整角变压器的定子上都装有三相整步绕组，并按相序对应连接。 发送机的转子装有单相励磁绕组，接至单相交流电源。自整角变压器的转子也装有单相绕组，但该绕组不作为励磁使用，而是作为输出绕组，其输出电压信号。 二、各主要部件的结构特点与作用： 控制式自整角发送机：其结构与力矩式发送机相似，可采用凸极或隐极转子，励磁绕组匝数较多。作用是接收主令轴的机械转角，并将其转换为三相电信号输出。 控制式自整角变压器：这是系统的核心检测元件。它通常采用隐极式转子，转子上装有高精度的正弦分布输出绕组。工作时，其定子三相绕组接收来自发送机的信号，转子输出绕组则感应出与失调角成正弦函数关系的电压。因其工作状态类似变压器，故称“自整角变压器”。 输出绕组的特点：自整角变压器的输出绕组必须连接到高输入阻抗的放大器上。这样设计是为了避免负载电流产生的电枢反应磁势影响输出电动势的准确性，确保输出电压只与失调角有关。 三、与力矩式的主要区别： 输出信号不同：控制式系统输出的是与失调角相关的电压信号，而非直接驱动负载的转矩。 图2 力矩式自整角机结构图 图3 力矩式自整角原理图 接收机工作状态不同：自整角变压器转子不直接转动，也不产生驱动负载的转矩，仅作为信号检测器。 系统构成不同：控制式系统是包含放大器、伺服电动机、减速器的闭环随动系统，而力矩式是开环的指示系统。 图4 自整角机的电磁示意图 在控制式自整角机系统中，通常将接收机称为“自整角变压器”，主要是因为（ ） A. 它的外形和变压器一模一样 B. 它工作在变压器状态，输出绕组感应电压信号 C. 它需要变压才能工作 D. 它能放大功率 【答案】B 【解析】控制式接收机（自整角变压器）的定子接收发送机的电信号，转子输出绕组感应出与之相关的电压，其能量传递方式和信号变换原理与变压器类似，故得此名。它本身并不进行电压等级变换。 1. 控制式自整角变压器的转子输出绕组通常需要连接到（ ） A. 大功率的照明负载 B. 低输入阻抗的仪表 C. 高输入阻抗的放大器 D. 直接短路 【答案】C 【解析】为了准确检测失调角对应的电压信号，避免负载电流产生的磁场干扰（电枢反应），输出绕组必须连接至高输入阻抗的放大器。这样流过输出绕组的电流极小，对内部磁场的影响可以忽略。 2. 下列哪种结构是控制式自整角变压器最常采用的（ ） A. 定子凸极式 B. 转子凸极式 C. 隐极式转子结构 D. 无槽结构 【答案】C 【解析】为了获得高精度的正弦输出电压信号，控制式自整角变压器普遍采用隐极式转子结构，并在其上放置经过精心设计的正弦分布绕组。 3. 控制式自整角发送机与力矩式发送机在结构上一个显著区别是（ ） A. 没有定子绕组 B. 励磁绕组匝数通常较多 C. 不需要滑环 D. 采用直流励磁 【答案】B 【解析】控制式发送机为了获得更好的信号特性和较高的空载输入阻抗，其励磁绕组的匝数通常设计得比力矩式发送机要多。 1. 在控制式系统中，发送机转子单相绕组的作用是（ ） A. 输出控制信号 B. 产生励磁磁场 C. 提供阻尼 D. 连接伺服电机 【答案】B 【解析】在控制式系统中，发送机转子的单相绕组接入单相交流电源，用于产生脉振励磁磁场，从而在定子三相绕组中感应出与转子位置相关的电动势。 2. 控制式自整角机系统与力矩式系统在工作原理上的本质区别在于（ ） A. 使用的电源不同 B. 接收机输出的是转矩还是电压信号 C. 是否需要连接导线 D. 发送机的结构不同 【答案】B 【解析】这是两者最核心的区别。力矩式接收机输出整步转矩直接驱动指针；控制式自整角变压器输出与失调角成正弦关系的电压信号，经放大后驱动伺服电机。 3. 自整角变压器输出绕组的电动势主要取决于（ ） A. 电源电压的大小 B. 发送机与变压器转子之间的失调角 C. 连接导线的长度 D. 伺服电动机的转速 【答案】B 【解析】在电源电压恒定的情况下，自整角变压器输出绕组的感应电动势（即输出电压）的大小和相位，是由发送机转子和自整角变压器转子之间的相对位置（即失调角）决定的，两者满足正弦函数关系。 · 控制式自整角机系统由发送机、自整角变压器及伺服机构组成。 · 自整角变压器采用隐极转子和正弦输出绕组，输出与失调角相关的电压信号。 · 整个系统是输出信号、而非直接输出转矩的检测控制装置。 知识点二 信号传输与协调过程 一、系统协调位置与失调状态： 协调位置：当发送机转子与自整角变压器转子的相对位置使两者磁场轴线在空间上成90°电角度时，定义为系统的协调位置。此时，自整角变压器输出绕组的感应电动势为零，输出电压U=0。 失调状态与失调角：当发送机转子被主令轴驱动而偏转，破坏了上述90°关系时，系统进入失调状态。发送机转子与自整角变压器转子空间位置角之差，即为失调角（通常用δ表示）。 输出电压的产生：一旦出现失调角δ，自整角变压器定子合成磁场的轴线方向随之改变，不再与转子输出绕组轴线垂直。于是，输出绕组中便感应出交变电动势，其有效值U与失调角δ的正弦成正比，即 U ≈ K sinδ。K为比例常数。该电压即为系统的误差信号。 图5 控制式自整角机在自动跟踪系统中的应用 二、闭环自动跟踪过程： 信号放大与执行：自整角变压器输出的微小电压信号U，送入交流放大器进行电压和功率放大。 驱动伺服电动机：放大后的信号驱动伺服电动机（通常为两相交流伺服电机）转动。伺服电动机的旋转方向取决于输出电压的相位，即取决于失调角δ的正负（发送机转子是超前还是滞后）。 机械反馈与消除失调：伺服电动机通过减速器带动负载（调节对象）转动，同时，也带动自整角变压器的转子向减小失调角δ的方向转动。 恢复协调：当自整角变压器转子被带动到新的位置，使得失调角δ重新为零（即两机转子恢复90°关系）时，输出电压U再次为零。放大器无输入，伺服电动机停转。此时，负载的位置已精确跟踪了发送机转子的转角。 三、工作过程的核心特点： 闭环负反馈系统：系统通过伺服电动机机械地反馈，自动调整自整角变压器转子的位置，以消除输出电压（误差信号）。这是一个典型的闭环负反馈控制过程。 高精度跟踪：只要存在失调角，就有电压输出，系统就会动作，直至误差消除。因此，理论上可以实现无静差的高精度角度跟踪。 功率放大：自整角机本身只提供微弱的电压信号，驱动大负载的能力来自后级的放大器与伺服电动机。 控制式自整角机系统处于“协调位置”时，其标志是（ ） A. 发送机转子不转 B. 伺服电动机高速旋转 C. 自整角变压器输出电压为零 D. 放大器输出最大电流 【答案】C 【解析】协调位置是系统平衡的状态。此时发送机与自整角变压器转子处于特定的90°空间关系，输出绕组无磁通交链，感应电动势为零，因此输出电压为零。 1. 当失调角不为零时，自整角变压器输出电压的大小与什么成正比（ ） A. 失调角的余弦 B. 失调角的正弦 C. 失调角本身（δ） D. 电源电压 【答案】B 【解析】在小失调角范围内，可以认为输出电压U与sinδ成正比。当δ很小时，sinδ≈δ，也可近似认为与δ成正比。这是控制式自整角机作为角度-电压转换器的基本特性。 2. 在闭环跟踪过程中，最终驱动自整角变压器转子转动以消除失调角的是（ ） A. 发送机转子的磁拉力 B. 它自己产生的整步转矩 C. 伺服电动机通过机械传动 D. 放大器的输出电流直接驱动 【答案】C 【解析】控制式自整角变压器本身不产生驱动自身转动的转矩。它的转子是由伺服电动机通过减速器等机械装置带动的。伺服电动机的转动受输出电压控制，从而构成闭环。 3. 伺服电动机的旋转方向是由什么决定的（ ） A. 失调角的大小 B. 输出电压的相位（或失调角的正负） C. 电源的频率 D. 发送机的转速 【答案】B 【解析】失调角δ有正负之分（例如，发送机顺时针转δ为正，逆时针转δ为负），这会导致自整角变压器输出电压的相位反相180°。放大器驱动伺服电动机时，相位决定了电动机的旋转方向，从而确保电动机总是向减小失调角的方向转动。 1. 系统达到新的平衡后，伺服电动机会处于什么状态（ ） A. 以恒定速度继续旋转 B. 立即反转 C. 停转 D. 轻微抖动 【答案】C 【解析】当系统通过反馈使失调角减小到零时，自整角变压器输出电压为零，放大器无输入信号，伺服电动机的控制绕组电压为零，因此电动机会停止转动。 2. 与控制式系统相比，力矩式系统实现同步的过程是（ ） A. 开环的，依靠接收机自身转矩直接跟随 B. 闭环的，需要伺服电机反馈 C. 半闭环的，需要电流反馈 D. 完全被动的，无法自动跟随 【答案】A 【解析】力矩式系统是开环的，发送机转角变化导致接收机产生整步转矩，接收机在此转矩作用下直接转动跟随，没有外部的电信号反馈和功率放大环节。 3. 在控制式系统中，放大器的主要作用是 （ ） A. 产生励磁电流 B. 将微弱的电压信号进行功率放大 C. 改变电源频率 D. 提供机械阻尼 【答案】B 【解析】自整角变压器输出的电压信号很微弱，不足以驱动伺服电动机。放大器的作用就是将这个微弱的误差电压信号进行电压放大和功率放大，使其有足够的能量去控制伺服电动机转动。 · 系统通过检测失调角产生误差电压，经放大后驱动伺服电动机。 · 伺服电动机带动负载及自整角变压器转子转动，形成闭环负反馈，直至误差电压为零，实现高精度跟踪。 · 这是一个“检测偏差、放大驱动、反馈消除”的自动调节过程。 知识点三 系统应用与特点 一、典型应用系统实例： 自动跟踪系统：这是最典型的应用。如火炮自动瞄准系统、雷达天线自动跟踪系统、卫星接收天线伺服系统。操作手在控制室转动发送机手轮（输入目标方位角），系统便能自动驱动炮塔或天线转动，精确对准目标。 遥测遥控系统：用于远距离监视和控制。如核反应堆控制棒位置指示与操纵、水电站远距离阀门开度控制、输油管道泵站设备监控。将现场设备的位移（阀门开度、棒位）通过发送机变为信号，传至控制中心显示并可控。 机床与工业机器人：用于数控机床工作台的位置反馈、机器人关节角度的闭环控制。作为角度检测元件，构成位置闭环，提高加工和定位精度。 同步联动系统：要求多个执行机构严格按比例或同步运动的场合。如多卷筒造纸机的张力协调、大型龙门吊多个起升电机的同步。 二、控制式自整角机系统的核心优点： 高精度：采用闭环控制，理论上可以消除静态误差（无静差系统），实际精度远高于力矩式。 大负载驱动能力：自整角机只提供信号，驱动负载的功率来自独立的伺服电动机。伺服电动机的容量可以根据负载需要选择，从几十瓦到几千瓦，因而能驱动阻力矩很大的负载。 灵活性好：输出电压信号易于与各种电子放大器、控制器、计算机接口连接，便于实现复杂的控制规律（如PID调节、数字化控制）。 三、系统的主要缺点与局限性： 系统复杂，成本高：需要配套放大器、伺服电动机、减速器、电源等，环节多，结构比力矩式复杂得多，制造成本和维护成本也高。 存在稳定性问题：由于是闭环系统，如果放大器增益等参数设计不当，系统可能会产生振荡（不稳定），需要精心设计和调试。 需要维护的部件多：电子放大器、伺服电动机等都属于需要定期检查和维护的部件。 四、与力矩式系统的比较与选择： 选择力矩式当：只需要远距离指示、负载极轻（如指针）、精度要求不高（误差1°~2°可接受）、且希望系统最简单、最经济时。 选择控制式当：需要精确控制位置、负载较重、需要驱动执行机构、或需要将角度信号接入自动控制系统进行进一步处理时。 下列哪个应用场景最能体现控制式自整角机系统的优势（ ） A. 教室里的挂钟指针驱动 B. 水库水位在值班室的简单指示 C. 高射炮对飞行目标的自动跟踪 D. 家用风扇的摇头机构 【答案】C 【答案】高射炮自动跟踪需要高精度、快速响应、并能驱动沉重的炮塔负载，这正是控制式系统（高精度、闭环、大驱动能力）的典型用武之地。 1. 在雷达天线自动跟踪系统中，若目标移动导致失调角产生，系统的最终动作结果是（ ） A. 发送机转子反转 B. 天线（负载）停止不动 C. 天线转动并对准新的目标方向 D. 仅仪表盘上的指针转动 【答案】C 【解析】这是一个完整的跟踪过程。目标移动相当于发送机转角变化（可能由操作员或雷达测角器控制），产生失调角，系统输出信号驱动伺服电动机，最终带动雷达天线（负载）转动，直到天线轴线对准新目标，失调角消失。 2. 控制式系统能驱动大负载的根本原因是（ ） A. 自整角变压器能输出大电流 B. 系统使用了功率伺服电动机 C. 发送机可以提供很大转矩 D. 连接导线很粗 【答案】B 【解析】控制式自整角机本身功率很小，它只负责提供控制信号。驱动负载的机械功率来自于系统中专门配置的伺服电动机。伺服电动机的功率可以根据负载大小独立选择，因此能驱动大负载。 3. 与控制式系统相比，力矩式自整角机系统在成本上的特点是（ ） A. 需要昂贵的电子放大器，成本更高 B. 结构简单，成本低廉 C. 因使用伺服电机，成本相当 D. 维护费用极高 【答案】B 【解析】力矩式系统由两台自整角机直接连接即可工作，没有放大器、伺服电机等额外部件，因此结构最简单，制造成本和维护成本都最低廉。 1. 控制式自整角机系统的“闭环”特征体现在哪里（ ） A. 发送机和接收机的电路是闭合的 B. 输出信号通过机械传动反馈到自整角变压器转子 C. 电源是直流闭环 D. 放大器内部有反馈电阻 【答案】B 【解析】这里的“闭环”指控制闭环。系统的输出量（负载的实际位置）通过机械传动机构（伺服电机-减速器）又反馈回来，影响着检测元件（自整角变压器）的输入（其转子位置），从而构成一个闭合的自动控制回路。 2. 在工业机器人关节控制中采用控制式自整角机，主要是利用它的哪项特性 ( ) A. 提供照明指示 B. 作为高精度角度检测和反馈元件 C. 直接驱动机器人手臂运动 D. 降低系统成本 【答案】B 【解析】在现代伺服系统中，控制式自整角机或其数字化版本（旋转变压器）常被用作关节角度的精密测量和反馈元件，将机械转角转换为电信号送给控制器，构成位置闭环，以实现精确运动控制。它不直接驱动，驱动由伺服电机完成。 3. 系统可能发生振荡不稳定，这是控制式系统哪方面特点带来的潜在问题 ( ) A. 系统结构简单 B. 采用了闭环控制 C. 使用单相电源 D. 负载太轻 【答案】B 【解析】闭环反馈系统在带来高精度优点的同时，也引入了稳定性问题。如果系统各环节（特别是放大器）的参数（如增益）设计不合理，反馈信号可能会引起系统过调、来回摆动甚至持续振荡，无法稳定。这是设计和使用闭环系统时必须考虑和避免的问题。 · 控制式自整角机系统广泛应用于高精度自动跟踪、遥控遥测等场合。 · 其最大优点是精度高、带载能力强，因采用闭环控制。 · 缺点是系统复杂、成本高，且存在稳定性设计问题。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！2 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $