《变压器与电动机》力矩式自整角机 (举一反三考点练）-讲义

举一反三考点练 《变压器与电动机》力矩式自整角机-讲义 1. 理解力矩式自整角机的基本结构与工作原理。 2. 掌握力矩式自整角机的分类与典型应用场景。 3.具备分析简单自整角机系统工作过程的能力。 知识点一 基本结构与分类 一、核心组成部分： 力矩式自整角机主要由定子和转子两部分构成。 定子上通常放置三相整步绕组，采用分布绕组形式，接成星形（Y形）连接，嵌放在铁心槽内。 转子上通常放置单相励磁绕组，采用集中绕组形式，套在凸极铁心上，通过两组滑环和电刷引出电流。 二、主要结构形式： 转子凸极式：三相绕组在定子上，单相励磁绕组在转子凸极上。优点是转子轻、惯量小、滑环少、精度高；缺点是电刷和滑环长期通电易发热。适用于小容量指示系统。 定子凸极式：单相励磁绕组在定子凸极上，三相整步绕组在转子隐极上，通过三组滑环引出。优点是滑环工作条件好（仅失调时有电流），转子平衡性好；缺点是转子重、滑环多、摩擦力矩大。适用于容量较大的机型。 隐极式结构：三相整步绕组在定子上，励磁绕组在转子隐极铁心上，由两组滑环引出。 三、分类与代号： 根据在系统中的作用，主要分为四类： 力矩式发送机：代号 ZLF。将机械转角转换为电信号输出。 力矩式接收机：代号 ZLJ。接收电信号，带动指针或刻度盘转动。 力矩式差动发送机：代号 ZCF。串接在发送机与接收机之间，实现转角的叠加或相减。 力矩式差动接收机：代号 ZCJ。串接在两台发送机之间，接收两路信号并输出合成转角。 表1 自整角机的种类及其代号 力矩式自整角机中，通常放置在定子铁心槽内，并接成星形连接的是（ ） A. 单相励磁绕组 B. 阻尼绕组 C. 三相整步绕组 D. 输出绕组 【答案】C 【解析】根据结构描述，三相整步绕组通常做成分布绕组形式，放置在定子铁心槽内，并接成星形联结。励磁绕组一般为单相，多放在转子上。 1. 我国生产的ZLF、ZLJ系列力矩式自整角机，最常采用哪种结构（ ） A. 定子凸极式 B. 全隐极式 C. 转子凸极式 D. 无接触式 【答案】C 【解析】我国现在生产的ZLF、ZLI系列力矩式发送机、接收机大都采用这种结构（转子凸极式）。 2. 下列哪种结构的自整角机，其滑环和电刷仅在系统存在失调角、转子转动时才有电流通过，因而工作条件较好（ ） A. 转子凸极式 B. 定子凸极式 C. 全隐极式 D. 控制式 【答案】B 【解析】定子凸极式结构中，励磁绕组在定子上固定不动，转子上是三相整步绕组。只有当存在失调角，接收机转子需要转动以跟随发送机时，整步绕组中才有电流流过滑环，因此滑环不是长期通电，工作条件较好。 3. 在力矩式自整角机中，用来消除转子振荡、减少阻尼时间的部件是（ ） A. 励磁绕组 B. 整步绕组 C. 交轴阻尼绕组 D. 滑环 【答案】C 【解析】为了提高整步性能和稳定性，力矩式自整角机（特别是接收机）的转子上通常装有交轴阻尼绕组，其作用就是消除转子振荡、减少阻尼时间。 1. 一台自整角机，其作用是将发送机的转子转角及其自身转子转角之和（或差）变换成电信号传输给接收机，这台自整角机是（ ） A. 力矩式发送机 (ZLF) B. 力矩式接收机 (ZLJ) C. 力矩式差动发送机 (ZCF) D. 力矩式差动接收机 (ZCJ) 【答案】C 【解析】力矩式差动发送机（ZCF）正是串接在发送机与接收机之间，实现转角相加或相减运算的元件。 2. 对于转子凸极式力矩自整角机，下列哪项描述是其缺点（ ） A. 转子转动惯量大 B. 滑环数目多（三组） C. 电刷和滑环固定接触处长期通电易发热损坏 D. 转子平衡性差 【答案】C 【解析】转子凸极式的励磁绕组在转子上，需要始终接通单相电源励磁，导致电刷和滑环固定接触处长期有电流，易发热损坏。滑环数少（两组）是它的优点。 3. 力矩式自整角机主要适用于下列哪种场合（ ） A. 需要驱动大功率负载的随动系统 B. 接收机轴上负载很轻的指示系统 C. 高精度、闭环的自动控制系统 D. 需要输出电压信号的变压器工况 【答案】B 【解析】力矩式自整角机的特点是本身不能放大力矩，要带动负载需由发送机侧供给转矩，因此只适用于接收机轴上负载很轻（如指针、刻度盘）的指示系统。 · 力矩式自整角机结构上主要由定子三相整步绕组和转子单相励磁绕组构成，常见有转子凸极式、定子凸极式等形式。 · 按其功能可分为发送机、接收机、差动发送机和差动接收机四类，代号分别为ZLF、ZLJ、ZCF、ZCJ。 · 它主要用于负载轻、精度要求不高的远距离角度指示系统。 知识点二 工作原理与同步过程 一、系统基本连接： 一个最简单的力矩式自整角机系统由两台完全相同的机构成：一台作为发送机，一台作为接收机。 两台电机的单相励磁绕组并联接至同一个单相交流电源。 两台电机的三相整步绕组的三个出线端（U、V、W）按相序依次对应连接。 图1 自整角机的“一刀通”结构 图2 自整角机的装配体 二、同步（自整步）过程： 初始协调状态：当发送机和接收机转子位置角相同时，定义失调角θ=0。此时，两台电机整步绕组中的感应电动势大小相等、方向相反，回路中合成电动势为零，没有电流，不产生转矩，系统静止平衡。 失调状态：当主令轴驱动发送机转子逆时针转过一个角度θ，而接收机转子尚未转动时，失调角θ产生。此时，发送机三相整步绕组中的感应电动势大小和相位发生变化，与接收机对应绕组中的电动势不再相等。 产生整步转矩：电动势差在三相回路中产生环流（整步电流）。该电流流经接收机三相绕组，在接收机气隙中产生一个合成旋转磁场。这个磁场与接收机转子自身的励磁磁场相互作用，产生电磁转矩，称为整步转矩或同步转矩。 趋向协调：该转矩驱动接收机转子沿着消除失调角的方向转动。发送机转子受主令轴限制不能随意转动，因此是接收机转子转动去跟随发送机。当接收机转子也转过θ角，使得两转子位置再次一致时，失调角恢复为零，电动势差和环流消失，整步转矩为零，系统达到新的平衡，实现了角度传输。 三、物理本质： 从能量转换角度看，发送机相当于一台以单相电源励磁的同步发电机，它将机械转角变换为三相电信号。 接收机相当于一台以单相电源励磁、以发送机三相电能为电源的同步电动机。 图3 单相电源励磁 两者通过电路连接，构成一个“电轴”系统，实现了没有机械连接的两轴间的同步旋转。 在力矩式自整角机系统中，发送机和接收机的励磁绕组应该如何连接（ ） A. 串联到两个不同的电源上 B. 并联到同一个单相交流电源上 C. 一个接电源，一个悬空 D. 交叉连接到对方定子绕组上 【答案】B 【解析】这是系统正常工作的基础。两台电机的励磁绕组必须并联接至同一单相交流电源，以保证它们产生同频率、同相位的脉振磁场。 1. 当力矩式自整角机系统处于协调位置（平衡状态）时，下列描述正确的是（ ） A. 发送机转子转动，接收机静止 B. 整步绕组回路中有很大的环流 C. 发送机和接收机转子位置角相同，失调角为零 D. 接收机转子受到持续的整步转矩驱动 【答案】C 【解析】协调位置的定义就是发送机与接收机转子位置角相同，此时失调角θ=0，整步绕组中感应电动势平衡，无环流，无整步转矩。 2. “失调角”在力矩式自整角机系统中是指（ ） A. 电源电压与电流的相位差 B. 发送机与接收机励磁磁场轴线间的夹角 C. 发送机转子位置角与接收机转子位置角之差 D. 整步绕组相电压之间的角度 【答案】C 【解析】失调角θ是描述系统偏离协调状态程度的物理量，其定义为发送机转子位置角θ₁与接收机转子位置角θ₂之差，即 θ = θ₁ - θ₂。 3. 在失调状态下，驱动接收机转子转动的转矩是什么（ ） A. 励磁转矩 B. 负载转矩 C. 整步转矩（同步转矩） D. 阻尼转矩 【答案】C 【解析】当出现失调角时，整步绕组回路中因电动势不平衡而产生环流，此电流与接收机转子磁场相互作用产生的电磁转矩，就是驱动接收机转子跟随发送机转动的整步转矩（或称同步转矩）。 1. 从工作原理的本质看，力矩式自整角机系统中的接收机相当于什么（ ） A. 一台单相变压器 B. 一台以发送机电能为电源的同步电动机 C. 一台直流电动机 D. 一台步进电机 【答案】B 【解析】接收机本身由单相电源励磁建立磁场，其定子三相绕组接收来自发送机的三相交流电，从而产生旋转磁场并驱动转子，这正是一台同步电动机的工作模式。 2. 在自整步过程中，发送机转子因受主令轴限制不能动，最终是如何实现两轴角度一致的（ ） A. 发送机克服阻力转动 B. 主令轴改变方向 C. 接收机转子转动去跟随发送机 D. 系统报错停机 【答案】C 【解析】这是力矩式自整角机跟随过程的核心。发送机主动改变角度，接收机被动跟随。整步转矩作用于接收机转子，使其转动，直到其转角与发送机一致，失调角消失。 3. 系统达到新的平衡后，整步绕组回路中的电流状态是（ ） A. 存在持续的直流电流 B. 存在很大的交流环流 C. 电流为零 D. 电流方向周期性反转 【答案】C 【解析】当接收机转子跟随到位，失调角为零时，发送机和接收机对应整步绕组中的感应电动势大小相等、方向相反，回路总电动势为零，因此环流消失，电流为零。 · 力矩式自整角机通过将两台电机的励磁绕组并接于同一电源，整步绕组对应相连来工作。 · 当发送机转子转动产生失调角时，会在接收机中产生整步转矩，驱动其转子跟随转动直至失调角归零，实现自动同步。 · 其实质是构成了一个“发电机-电动机”电轴系统。 知识点三 典型应用与系统特点 一、典型应用系统实例： 液面位置指示器：浮子随液面升降，通过滑轮和绳索带动自整角发送机转子转动。发送机将液面高度（直线位移）转换为转角信号。接收机安装在远处的仪表盘上，其转子带动指针偏转，从而远距离、实时地指示液位。 图4 液面位置指示器 阀门开度指示系统：阀门转动轴与自整角发送机转子相连。阀门开度的变化转化为发送机转子的转角。远处的接收机带动指针或数字显示装置，指示阀门的当前开度。 图5 阀门开度标示方法 电梯与矿井提升机位置指示：将发送机安装在井道顶部或卷扬机上，其转角与轿厢或罐笼的位置成比例。在值班室或操作台的仪表盘上安装接收机，可以清晰地指示提升容器在井道中的实时位置。 其他：还常用于变压器分接开关位置指示、船舶舵角指示、雷达天线俯仰角指示等需要将机械位置远传并可视化的场合。 二、系统组成与连接方式： 在简单的指示系统中，通常由一台发送机 + 一台接收机直接连接构成。 当需要指示两个角度之和或差时，会在发送机和接收机之间串入一台差动发送机。 当需要比较或综合两个不同地点的角度信号时，会在两台发送机之间接入一台差动接收机。 发送机可安装在远距离的操纵盘或检测点，接收机安装在集中的控制室或指示面板，两者仅通过几根导线连接，实现远距离传输。 三、力矩式自整角机系统的特点： 优点： 1. 结构简单，成本较低：系统主要由两台自整角机及连接线组成，无需复杂的电子放大装置。 2. 实现直观指示：接收机能直接驱动指针、刻度盘等，提供直观的视觉读数。 3. 自动整步，维护方便：一旦接通，能自动跟随，无需人工干预，且机械和电气结构相对简单，维护容易。 缺点与局限性： 1. 带负载能力弱：接收机产生的整步转矩有限，只能带动指针、刻度盘等很轻的负载（摩擦力矩很小的轴）。 2. 传输精度有限：由于存在摩擦转矩、制造误差等因素，其角度传输误差比控制式大，通常在0.5°~2°。 3. 不能放大信号：系统本身没有信号放大作用，发送机需要提供驱动接收机负载的“能量”，对发送机侧的驱动装置有一定要求。 总结适用场合：适用于负载很轻、精度要求不高、但需要实现远距离角度同步传输和直观指示的场合。 在液面位置指示系统中，浮子的上下运动最终是如何转化为指针转动的（ ） A. 浮子直接推动指针 B. 浮子带动发送机转子转动，接收机转子跟随并带动指针 C. 浮子改变电阻，从而改变电流大小 D. 浮子触发电子开关 【答案】B 【答案】这是该类系统的标准工作流程。浮子通过机械传动（如滑轮、绳索）将直线位移变为发送机转子的旋转角度，发送机通过电信号控制远处的接收机同步转动，接收机转子再直接带动指针。 1. 下列哪种设备的位置指示，最适合使用力矩式自整角机系统（ ） A. 重型机床的刀架进给位置 B. 水塔的液面高度 C. 机器人的高精度关节角度 D. 卫星天线的实时跟踪角度 【答案】B 【解析】水塔液面高度指示属于负载轻（仅带动指针）、精度要求一般、需要远距离显示的典型场合，符合力矩式自整角机的应用特征。 2. 若需要指示两台不同地点阀门开度之和，应在系统中加入哪种自整角机（ ） A. 力矩式发送机 (ZLF) B. 力矩式接收机 (ZLJ) C. 力矩式差动发送机 (ZCF) D. 控制式自整角变压器 (ZKB) 【答案】C 【解析】力矩式差动发送机（ZCF）的功能就是串接在发送机和接收机之间，将其自身转角和发送机转角进行加或减运算，并将结果信号传给接收机，从而实现和差指示。 3. 力矩式自整角机系统与伺服电动机驱动的控制系统相比，主要优点在于（ ） A. 控制精度更高 B. 带负载能力更强 C. 系统结构简单，成本低 D. 响应速度更快 【答案】C 【解析】力矩式系统是开环的直接驱动指示系统，无需放大器、伺服电机、减速器等复杂环节，因此结构简单，成本低廉，这是它最突出的优点。 1. 力矩式自整角机不适用于下列哪种情况（ ） A. 远距离指示变压器分接开关位置 B. 驱动一台需要较大扭矩的闸门 C. 在控制室显示电梯轿厢所在楼层大致位置 D. 指示船舶舵叶的偏转角度 【答案】B 【解析】力矩式自整角机接收机输出转矩很小，无法驱动需要较大扭矩的负载（如重型闸门）。驱动此类负载需要采用控制式自整角机加伺服电动机的系统。 2. 关于力矩式自整角机系统的传输误差，以下说法正确的是 ( ) A. 理论上可以做到完全无误差 B. 误差主要来源于电源电压波动 C. 由于摩擦、制造等原因，存在一定误差（如0.5°~2°） D. 其误差比控制式自整角机系统更小 【答案】C 【解析】力矩式系统是开环的，其精度受接收机轴上的摩擦转矩、发送机与接收机的制造差异、电刷接触压降等多种因素影响，存在不可忽视的静态误差，通常为0.5°到2度。控制式系统是闭环的，精度更高。 3. 在力矩式自整角机系统中，驱动接收机轴上指针转动的能量最终来源于哪里 ( ) A. 接收机本地的电源 B. 发送机侧的驱动装置 C. 差动发送机 D. 指示仪表内部的电池 【答案】B 【解析】这是理解力矩式工作原理的一个关键。接收机转动指针所需的机械能，是通过整步绕组中的电流传递过来的电磁能转换而来。而这个电磁能的源头，是发送机转子转动时从发送机侧的驱动装置（如手轮、电机）获得的机械能转换而来的。所以说，发送机侧的驱动装置“供给”了系统的转矩。 · 力矩式自整角机系统常用于液位、阀门开度、提升机位置等远距离指示，通过发送机、接收机及可能的差动机构组合实现。 · 其最大优点是结构简单、成本低、能直观指示，但带载能力弱、精度有限，仅适用于轻负载指示场合。 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 $