《变压器与电动机》直流弧焊发电机的结构与原理 (举一反三考点练）-讲义

举一反三考点练 《变压器与电动机》直流弧焊发电机的结构与原理-讲义 1. 能够识别差复励式、裂极式、换向极式、加复励式四种类型，理解其励磁方式和外特性区别。 2. 能够说明通过“串联去磁绕组”与“电枢反应去磁”实现外特性陡降的原理，理解其在焊接稳定中的作用。 3.能够描述改变串联绕组匝数、电刷位置、励磁电阻等调节电流的方法，了解动特性对焊接质量的影响。 知识点一 直流弧焊发电机的基本类型及其核心区别 一、类型划分依据： 直流弧焊发电机主要根据其内部励磁方式和获得所需焊接特性（主要是陡降的外特性）的方法来进行分类。这决定了它的工作原理和适用场景。 图1 直流弧焊发电机电路原理图 二、四种主要类型： 差复励式：采用他励或并励绕组产生主磁通，同时专门设置一个与焊接回路串联的“去磁绕组”。这个去磁绕组产生的磁场与主磁场方向相反，会抵消一部分主磁场。焊接电流越大，去磁作用越强，发电机输出电压就降得越快，从而得到陡降的外特性。 图2 串联去磁绕组原理图 裂极式：采用并励绕组励磁，其磁极被特意做成中间有缺口的分裂形状。它主要依靠强大的“电枢反应”来削弱主磁场。焊接电流流过电枢时本身会产生一个磁场，这个磁场会削弱主磁场，电流越大削弱越厉害，从而实现陡降特性。它没有专门的串联去磁绕组。 图3 将主磁极增设缺口去磁 换向极式：采用他励绕组励磁，它利用电机中为了改善换向而设置的“换向极”来实现去磁。通过特殊设计，使换向极磁场不仅帮助换向，还起到削弱主磁场的作用，从而获得陡降外特性。 加（积）复励式：采用并励绕组励磁，但其串联绕组的作用是“加磁”，即增强主磁场。因此，随着焊接电流增加，其输出电压变化平缓，得到的是“平特性”，适用于多站式焊接等需要恒定电压的场合。 三、核心辨识点： 断一台直流弧焊发电机属于哪种类型，关键在于看它是如何实现“去磁”以获得陡降特性的（是靠专用绕组、电枢反应还是换向极），或者它的串联绕组是“去磁”还是“加磁”。 下列哪种直流弧焊发电机类型，其串联绕组产生的磁场与主磁场方向相反，专门用于削弱主磁场（ ） A. 加复励式 B. 裂极式 C. 换向极式 D. 差复励式 【答案】D 【解析】差复励式弧焊发电机的核心特征就是设有“串联去磁绕组”，其磁通方向与主磁通相反，起去磁作用。加复励式是加磁，裂极式靠电枢反应去磁，换向极式靠换向极去磁。 1. AX-320型弧焊发电机没有串联去磁绕组，它主要依靠什么作用来获得陡降的外特性（ ） A. 励磁绕组加磁 B. 电枢反应去磁 C. 换向极加磁 D. 镇定电阻降压 【答案】B 【解析】AX-320属于裂极式弧焊发电机，它采用并励绕组励磁，没有串联去磁绕组，依靠电极（电枢）反应去磁作用获得陡降外特性。 2. 某直流弧焊发电机型号为AP1-350，它具有平的外特性。它最可能属于哪一类型（ ） A. 差复励式 B. 裂极式 C. 换向极式 D. 加复励式 【答案】C 【解析】加复励式又称积复励式，其串联绕组起加磁作用，外特性为平特性。AP-1000和AP1-350是该类型的典型产品。 3. 下列哪一项是裂极式弧焊发电机与差复励式弧焊发电机在结构上的一个主要区别（ ） A. 裂极式有他励绕组，差复励式没有。 B. 裂极式有串联去磁绕组，差复励式没有。 C. 差复励式有串联去磁绕组，裂极式没有。 D. 差复励式的磁极是分裂的，裂极式的磁极是整体的。 【答案】C 【解析】差复励式依靠“串联去磁绕组”去磁，这是它的标志性结构。裂极式则没有这个绕组，它是通过裂极结构增强电枢反应来实现去磁的。 1. 在直流弧焊发电机中，“换向极”原本的作用是改善电机的换向性能。但在哪种类型的弧焊发电机中，它被特意设计为还能起到去磁作用（ ） A. 加复励式 B. 裂极式 C. 换向极式 D. 差复励式 【答案】C 【解析】换向极式弧焊发电机的名称就来源于它依靠“换向极去磁作用”获得陡降外特性，这是其工作原理的核心特点。 2. 如果需要一台在野外由柴油机驱动，且焊接电弧非常稳定的单人操作焊机，从原理可靠性角度看，优先选择下列哪种类型的直流弧焊发电机（ ） A. 加复励式（平特性） B. 裂极式 C. 换向式 D. 差复励式 【答案】D 【解析】野外单人手工焊需要陡降外特性，差复励式(D)通过独立绕组去磁，特性调节明确，两者都是常见选择，且讲义中AX-165、AX320（裂极式）和AX9-500等（差复励式）均为常用型号。 3. 观察一台直流弧焊发电机的内部，发现其主磁极上除了励磁绕组外，还绕有一个与电枢回路串联的粗导线绕组。这个绕组最有可能的功能是（ ） A. 增强主磁场，提高效率 B. 改善电机换向 C. 削弱主磁场，获得陡降特性 D. 为控制电路提供信号 【答案】C 【解析】与电枢（焊接回路）串联的粗导线绕组，通常是“串联去磁绕组”。其通过的电流就是焊接电流，电流大则产生的去磁磁场强，从而有效削弱主磁场，使发电机输出电压随电流增大而快速下降，获得焊接所需的陡降外特性。 · 直流弧焊发电机主要分为差复励、裂极、换向极和加复励四种基本类型。 · 区分它们的关键在于实现“去磁”以获得陡降特性的方式不同，或是串联绕组起到“加磁”作用而得到平特性。 · 了解类型有助于理解其结构、原理和适用场合。 知识点二 直流弧焊发电机获得陡降外特性的原理与方法 一、外特性的含义与要求： “外特性”是指电源输出电压与输出电流之间的关系曲线。对于弧焊发电机，要求具有“陡降”的外特性，即随着焊接电流增大，输出电压急剧下降。这能保证电弧稳定燃烧、限制短路电流，并使人可以调节电流。 二、获得陡降外特性的根本原理： 根据公式U_h = E - I_h R_a，要使U_h随I_h增大而快速下降，有两种根本思路：一是增大内阻R_a（串联电阻法），二是使感应电动势E随I_h增大而快速减小（去磁法）。 三、两种主要方法： 串联电阻法：在焊接回路中串联一个大的“镇定电阻”。电流越大，在电阻上的压降越大，输出电压就越低。 缺点是电能大量消耗在电阻上，发热严重，效率很低，经济性差，只在老式多站焊机中有所使用。 去磁法（主流方法）：通过技术手段使发电机内部的“工作磁通”随着焊接电流的增加而自动、迅速地减少。因为电动势E正比于磁通Φ，磁通小了，E就小了，输出电压U_h自然下降。这是绝大多数直流弧焊发电机采用的高效方法。 图4 利用换向磁极去磁原理图 四、去磁法的具体实现手段： 增设串联去磁绕组：在磁极上专门绕制一个与焊接回路串联的绕组，其产生的磁场（磁通Φ_s）方向与主磁场（Φ_0）相反。工作磁通Φ = Φ_0 - Φ_s。焊接电流I_h越大，Φ_s越强，Φ就越小，从而实现陡降特性。 图5 三绕组弧焊发电机原理图 利用电枢反应去磁：电枢（转子）中有电流流过时，本身就会产生一个磁场，这个磁场对主磁场有削弱作用，这就是“电枢反应”。通过特殊设计（如裂极式中的裂口磁极），可以增强这种去磁效果，使工作磁通Φ = Φ_0 - Φ_d（Φ_d为电枢反应去磁磁通）随电流增大而显著减小。 直流弧焊发电机为什么必须具有陡降的外特性（ ） A. 为了提高发电机的发电效率 B. 为了降低发电机的制造成本 C. 为了保证电弧稳定燃烧和限制短路电流 D. 为了增加发电机的输出电压范围 【答案】C 【解析】 陡降外特性是弧焊电源的核心要求。它能使电弧长度变化时电流变化不大，保持电弧稳定；同时当焊条与工件短路时，电流不会无限增大，保护电源和设备安全。 1. “去磁法”获得陡降外特性的本质是什么（ ） A. 增加发电机内部电阻，消耗电压 B. 让发电机的感应电动势随焊接电流增大而自动减小 C. 提高空载电压，使引弧更容易 D. 减少励磁电流，降低磁通 【答案】B 【解析】 去磁法的核心思路是让产生电压的“源”——感应电动势E（E正比于磁通）——随着负载电流（焊接电流）的增大而减小。电动势这个“源头”降低了，输出电压自然就跟着快速降低，形成陡降曲线。 2. 下列哪种方法虽然可以获得陡降外特性，但因为效率太低、不经济，在现代直流弧焊发电机中已很少采用（ ） A. 采用他励绕组励磁 B. 串联镇定电阻法 C. 电枢反应去磁法 D. 串联去磁绕组法 【答案】B 【解析】串联镇定电阻法是通过增大回路电阻来获得压降，电能会以热的形式白白消耗在电阻上，效率低下，不符合经济性原则，因此不是主流方法。 3. 在差复励式弧焊发电机中，实现去磁作用的关键部件是（ ） A. 并励绕组 B. 换向极绕组 C. 电枢绕组 D. 串联去磁绕组 【答案】D 【解析】差复励式的名称中的“差”就来源于主磁通与串联去磁磁通相减。其获得陡降特性的关键就是依靠“串联去磁绕组”产生的反向磁场去削弱主磁场。 1. 裂极式弧焊发电机通过将主磁极中间开一个缺口，主要目的是什么（ ） A. 减轻电机重量 B. 增强电枢反应的去磁效果 C. 方便安装励磁绕组 D. 改善电机的散热条件 【答案】B 【解析】裂极结构是为了防止磁极局部饱和，让电枢反应产生的磁场能更有效地穿过前极尖区域，从而更显著地削弱主磁通，强化去磁作用，获得更陡降的外特性。 2. 关于“电枢反应去磁”，以下描述正确的是（ ） A. 它是一个需要额外增加绕组的主动去磁方法 B. 它只在发电机空载时才存在 C. 它是电枢中有电流流过时，自身磁场对主磁场产生的削弱作用 D. 它会使发电机的外特性变平 【答案】C 【解析】电枢反应是电机运行时的一种固有现象，只要电枢中有负载电流，就会产生电枢磁场，并可能对主磁场产生影响。在弧焊发电机中，我们通过设计（如裂极）来利用其去磁作用，它不需要额外绕组。 3. 比较“串联去磁绕组法”和“电枢反应去磁法”，以下说法错误的是（ ） A. 两者都是通过削弱工作磁通来使电动势下降。 B. 串联去磁绕组法需要专门绕制一个串联绕组。 C. 电枢反应去磁法在任何直流发电机中都起到增强磁通的作用。 D. 裂极式发电机主要利用电枢反应去磁 【答案】C 【解析】电枢反应的效果取决于电刷位置等因素，在发电机中通常表现为去磁作用（使主磁通减弱），而不是增强。 · 获得陡降外特性是弧焊发电机的核心目标，主要有串联电阻法和去磁法两种途径。 · 去磁法是高效的主流方法，通过串联去磁绕组或增强电枢反应，使发电机的感应电动势随焊接电流增大而自动减小，从而实现输出电压的陡降。 知识点三 直流弧焊发电机的电流调节方法与动特性概念 一、电流调节的必要性： 不同的焊接材料、焊条直径、工件厚度和焊接位置，需要不同的焊接电流。因此，弧焊发电机必须提供方便、可靠的电流调节功能。 二、主要的电流调节方法（基于差复励式原理分析）： 改变串联去磁绕组匝数：通过抽头改变实际参与去磁的串联绕组的匝数。增加N_s，则相同的焊接电流产生的去磁磁通更强，去磁作用增强，导致短路电流减小，整个外特性曲线向左下方移动，变得更陡，焊接工作电流也随之减小。反之亦然。 改变电刷位置：移动电刷位置可以改变电枢反应磁场的强弱和方向，从而影响其去磁作用的强度。其效果与改变串联去磁绕组匝数类似，也能使外特性曲线移动，实现电流调节。 调节励磁电流：调节侧励电流（I_1）：在独立的他励回路（侧路）中串入可调电阻。增大电阻，I_1减小，主磁通减弱，空载电压U_0降低，短路电流I_d也减小，整个外特性曲线向左下方平移。 调节并励电流（I_3）：在并励绕组回路中串入可调电阻。增大电阻，I_3减小，主磁通减弱，空载电压U_0降低，但短路电流I_d基本不变（因为短路时U_h=0，并励电流也为0）。此方法主要用于调节空载电压。 三、动特性的概念与要求： 什么是动特性：指电源在负载发生剧烈、快速变化（如引弧、熔滴短路、熄弧）时，其输出电压和电流随时间变化的响应特性。它反映了电源对电弧动态变化的适应能力。 两项关键指标（对于手工电弧焊）：瞬间短路电流峰值（I_sd）与稳态短路电流（I_d）之比**：要求 \(I_{sd}/I_d \leq 2.5\)。这是为了限制引弧或熔滴短路时的电流冲击，防止飞溅过大。 短路后空载电压恢复速度：要求从短路状态突然断开时，电压恢复到30V以上的时间足够快，以保证电弧能重新引燃或稳定燃烧。 在直流弧焊发电机中，通过增加串联去磁绕组的有效匝数，会对焊接电流产生什么影响（ ） A. 焊接电流增大 B. 焊接电流减小 C. 焊接电流不变，但空载电压升高 D. 焊接电流不变，但电弧变不稳定 【答案】B 【答案】增加串联去磁绕组的匝数N_s，会增强去磁作用。在相同的负载下，工作磁通更弱，输出电压更低，外特性曲线整体变得更陡且向左下移动，因此对应的焊接工作电流会减小。 1. 如果希望降低直流弧焊发电机的空载电压，但又不希望显著影响其短路电流的大小，应调节哪个参数（ ） A. 增加串联去磁绕组匝数 B. 减小侧励电流（I1） C. 增大并励电流（I3） D. 减小并励电流（I3） 【答案】D 【解析】调节并励回路电阻改变并励电流I3，主要影响空载电压U0。I3减小，U0降低。而在短路时，输出电压为0，并励绕组两端电压也为0，I3也为0，因此调节I3对短路电流I_d影响很小。 2. 直流弧焊发电机的“动特性”主要描述的是电源在哪方面的性能（ ） A. 在不同静负载下的输出电压稳定性 B. 在负载突然变化时，电压和电流的跟随变化能力 C. 长时间连续工作的发热情况 D. 调节电流范围的大小 【答案】B 【解析】动特性关注的是“动态”过程，即引弧、熔滴过渡、熄弧等瞬间发生的负载突变过程中，电源输出电压和电流的瞬态响应是否良好，这对电弧稳定性和焊接质量至关重要。 3. 对手工电弧焊用直流弧焊发电机的动特性要求中，规定瞬间短路电流峰值与稳态短路电流之比不应大于2.5，主要是为了什么（ ） A. 提高焊接效率 B. 减小焊接飞溅 C. 节约电能 D. 延长焊机寿命 【答案】B 【解析】限制瞬间短路电流的冲击，可以防止在引弧或熔滴短路时产生过大的电磁力，从而减少金属熔滴的飞溅，改善焊缝成形和焊接环境。 1. 下列电流调节方法中，哪种方法会同时使空载电压和短路电流都减小（ ） A. 增加并励回路电阻 B. 减少串联去磁绕组匝数 C. 增加侧励回路电阻 D. 将电刷顺转向移动 【答案】C 【解析】增加侧励回路电阻，会减小他励电流I1，使主磁通Φ0减弱。这会导致空载电压U0（正比于Φ0）降低，同时短路电流Id（公式中包含I1）也会减小，外特性曲线向左下方平移。 2. “短路至空载恢复电压最低值U_min≥30V”这项动特性指标，主要是为了保证什么 ( ) A. 保证焊机绝缘良好 B. 保证电弧在偶然中断后能容易地重新引燃 C. 保证有足够的电流调节范围 D. 保证焊机不过载 【答案】B 【解析】在焊接过程中，电弧可能因某种原因瞬间中断。如果电源电压恢复太慢或恢复值太低，电弧就无法重新建立。要求最低恢复电压大于30V（高于电弧引燃所需电压），能确保电弧可靠地再引燃，维持焊接过程连续。 3. 通过改变电刷位置来调节焊接电流，其原理是改变了什么 ( ) A. 励磁绕组的电阻 B. 电枢反应的去磁效果 C. 镇定电阻的大小 D. 换向极的强度 【答案】B 【解析】电刷位置决定了电枢反应磁场的方向和与主磁场的相对关系。移动电刷可以增强或减弱电枢反应对主磁场的去磁作用，从而影响外特性的陡峭程度和位置，达到调节焊接电流的目的。 · 直流弧焊发电机的电流可通过改变串联去磁绕组匝数、电刷位置或调节励磁电流等多种方法进行调节，每种方法对空载电压和短路电流的影响各不相同。 · 动特性则衡量了焊机应对电弧快速变化的能力，对减少飞溅和保证电弧连续至关重要。 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 $