第1章直流测速发电机.ppt

中国矿大信电学院中国矿大信电学院第第 1 1 章章 直流测速发电机直流测速发电机第第1 1章章 直流测速发电机直流测速发电机1.1 直流测速发电机的工作原理和结构直流测速发电机的工作原理和结构1.2 直流测速发电机的输出特性直流测速发电机的输出特性1.3 直流测速发电机的误差和减小方法直流测速发电机的误差和减小方法1.4 直流测速发电机的性能指标及应用直流测速发电机的性能指标及应用1.5 直流测速发电机的应用举例直流测速发电机的应用举例1.6 直流测速发电机的发展动向直流测速发电机的发展动向本本 章章 要要 求：求：熟练掌握直流测速发电机的工作原理熟练掌握直流测速发电机的工作原理了解直流测速发电机的结构和型式了解直流测速发电机的结构和型式熟练掌握直流测速发电机的输出特性熟练掌握直流测速发电机的输出特性熟练掌握直流测速发电机的应用熟练掌握直流测速发电机的应用搞清直流测速发电机的误差及其减小方法搞清直流测速发电机的误差及其减小方法搞清直流测速发电机的性能指标搞清直流测速发电机的性能指标第第1 1章章 直流测速发电机直流测速发电机1.1 1.1 直流测速发电机的原理和直流测速发电机的原理和结构结构一、一、直流测速发电机的结构直流测速发电机的结构NS+-n直流电机直流电机定子定子转子转子空空气气隙隙定定子子铁铁心心励励磁磁绕绕组组机机壳壳端端盖盖电电刷刷电电枢枢绕绕组组电电枢枢铁铁心心换换向向器器转转轴轴控制电机控制电机控制电机控制电机控制电机控制电机励磁方式：电磁式和永磁式励磁方式：电磁式和永磁式直流永磁电机直流永磁电机直流永磁电机直流永磁电机控制电机控制电机永磁直流测速发电机永磁直流测速发电机控制电机控制电机永永磁磁直直流流测测速速发发电电机机控制电机控制电机2577稀土直流伺服测速机组稀土直流伺服测速机组 用途：在随动系统中提供驱动力矩和用途：在随动系统中提供驱动力矩和速度反馈信号，本产品已用于某机光学瞄速度反馈信号，本产品已用于某机光学瞄准具随动系统中准具随动系统中 。

控制电机控制电机二、二、直流测速发电机的工作原理直流测速发电机的工作原理导体ab,cd切割磁力线产生感应电势，N极下电势方向由b指向a，s极下导体cd中电势由d指向c,因此电刷A为正，B为负NS+-nabcdAB控制电机控制电机NS+-nabcdAB 当线圈转动当线圈转动180180o o , ,导体导体cdcd处于处于N N极下，电极下，电势由势由c c到到d d，，S S极下极下导体导体电势电势由由a a到到b b，，仍然仍然A A刷刷为正，为正，B B刷为负 电枢连续旋转，导体电枢连续旋转，导体ab.cd轮流交替地切割轮流交替地切割N极和极和S极下的磁力线极下的磁力线,ab.cd中产生中产生交变电势，但是换向器的作交变电势，但是换向器的作用，使电刷通过换向片只与用，使电刷通过换向片只与处于一定极性下的导体相连处于一定极性下的导体相连接，从而使电刷两端得到的接，从而使电刷两端得到的电势极性不变，这就是直流电势极性不变，这就是直流发电机的最基本工作原理发电机的最基本工作原理1.2 1.2 直流测速发电机的输出直流测速发电机的输出特性特性 根据已学过的直流发电机的工作原理根据已学过的直流发电机的工作原理知，电刷两端的感应电势知，电刷两端的感应电势 ：： 由上可知：由上可知：1.1.电刷两端的感应电势与电刷两端的感应电势与电机的转速成正比。

电机的转速成正比2.2.直流发电机能够把直流发电机能够把转速信号换成电势信号，从而用来测速转速信号换成电势信号，从而用来测速一、基本概念一、基本概念Ea = Ceфn=Ke n控制电机控制电机二、自动控制系统对测速发电机的要求：二、自动控制系统对测速发电机的要求： 1.1.输出电压与转速的关系曲线（即输输出电压与转速的关系曲线（即输出特性）应为线形出特性）应为线形2.2.输出特性的斜率要到大输出特性的斜率要到大3.3.温度变化对输出特性的影响要小温度变化对输出特性的影响要小 4.4.输出电压的纹波要小，即要求在一输出电压的纹波要小，即要求在一定的转速下输出电压要稳定，波动要小定的转速下输出电压要稳定，波动要小 5.5.正，反转两个方向的输出特性要一正，反转两个方向的输出特性要一致控制电机控制电机三、三、输出特性输出特性UaEaIaRLUjUa=Ea-IaRaIa=Ua/RL负载时测速发电机的输出电压为：负载时测速发电机的输出电压为：Ea=Ceфn=Ke n由由直流电机电势公式得：直流电机电势公式得：在在图示正方向下得：图示正方向下得：控制电机控制电机nUaRL =无穷大无穷大RL1RL2RL1 >RL2输出特性曲线：输出特性曲线： 由上式知：若由上式知：若Φ、、 RL 、、 Ra 都能保持常数，则都能保持常数，则 但但随随RL减小，减小，特性斜率变小，实特性斜率变小，实际特性与理论特性际特性与理论特性间存在误差。

间存在误差Ua  n控制电机控制电机nUaRL =无穷大无穷大RL1RL2RL1 >RL2 图图中中实线为实线为直流测速发电机直流测速发电机理想输出特性，理想输出特性，虚线为实际输出虚线为实际输出特性，实际特性特性，实际特性与要求的线性特与要求的线性特性间存在误差，性间存在误差，且该误差与负载且该误差与负载电阻有关电阻有关1.3 1.3 直流测速发电机的误差和减小直流测速发电机的误差和减小方法方法一一 温度的影响温度的影响 由于电机周围环由于电机周围环境温度的变化以及电境温度的变化以及电机本身发热，使电机机本身发热，使电机绕组的电阻发生变化绕组的电阻发生变化温度温度t t 升高，励磁绕升高，励磁绕组电阻组电阻R R 增大，磁通增大，磁通фф减小输出电压减小输出电压U U 降降低反之，低反之，U U 升高UaEaIaRLUj控制电机控制电机 为了减小温度变化对输出特性的为了减小温度变化对输出特性的影响，测速发电机的磁路应较为饱和影响，测速发电机的磁路应较为饱和当磁路饱和时，励磁电流变化引起的当磁路饱和时，励磁电流变化引起的磁通变化较小。

但是，由于绕组电阻磁通变化较小但是，由于绕组电阻随温度变化的变化太大，要使输出稳随温度变化的变化太大，要使输出稳定，还必须采取措施以减小温度对输定，还必须采取措施以减小温度对输出特性的影响出特性的影响减小误差的考虑：减小误差的考虑：控制电机控制电机（（2 2）附加电阻用温度系数较低的合金材）附加电阻用温度系数较低的合金材料制成，如锰镍铜合金这样虽然温度升料制成，如锰镍铜合金这样虽然温度升高引起励磁电阻增大，但整个励磁回路的高引起励磁电阻增大，但整个励磁回路的总电阻增加不多如果对于温度变化引起总电阻增加不多如果对于温度变化引起的误差要求比较严格时，可在励磁回路串的误差要求比较严格时，可在励磁回路串联负温度系数的热敏电阻并联网络联负温度系数的热敏电阻并联网络1 1）在励磁回路中串联一个阻值比励磁）在励磁回路中串联一个阻值比励磁绕组电阻大几倍的附加电阻来稳流绕组电阻大几倍的附加电阻来稳流具体方法：具体方法：控制电机控制电机热敏网络参数选择方法：热敏网络参数选择方法： 1 1）作出励磁绕组电阻随温度变化的曲线；）作出励磁绕组电阻随温度变化的曲线； 2 2）作并联网络电阻随温度变化的曲线。

作并联网络电阻随温度变化的曲线1 1）温度系数为正）温度系数为正; ;1））2））tR02 2）温度系数为负；）温度系数为负； 当两条曲线的斜当两条曲线的斜率相等，励磁回路的率相等，励磁回路的总电阻就不随温度而总电阻就不随温度而变化控制电机控制电机NS电枢磁场电枢磁场NS主磁场主磁场 不论转子不论转子转到哪个位置，转到哪个位置，电枢导体电流电枢导体电流在空间分布情在空间分布情况始终不变，况始终不变，因此电枢磁场因此电枢磁场在空间是固定在空间是固定不动的恒定磁不动的恒定磁场二二 电枢磁场的影响电枢磁场的影响控制电机控制电机 电枢磁场产生附加去磁作用，负载时电枢磁场产生附加去磁作用，负载时的磁通较空载时小，从而产生误差的磁通较空载时小，从而产生误差减小误差的考虑：减小误差的考虑： 当负载电阻越小或转速越高，负载电当负载电阻越小或转速越高，负载电流就越大，电枢磁场产生的附加去磁作用流就越大，电枢磁场产生的附加去磁作用就越强，磁通被削弱的就越多，输出特性就越强，磁通被削弱的就越多，输出特性偏离直线越远，非线性误差越大偏离直线越远，非线性误差越大。

控制电机控制电机 除了以上两种原因引起输出特性的误差除了以上两种原因引起输出特性的误差外，还有外，还有延迟换向去磁、电势的纹波以及电延迟换向去磁、电势的纹波以及电刷接触压降等都会刷接触压降等都会引起输出特性的误差，对引起输出特性的误差，对此在电机中都采用了相应减小误差的措施此在电机中都采用了相应减小误差的措施三、其它影响三、其它影响 为了减小电枢反应对输出特性的影响，测为了减小电枢反应对输出特性的影响，测速发电机在使用时，转速不得超过技术条件中速发电机在使用时，转速不得超过技术条件中规定的最大转速；负载电阻不得小于技术条件规定的最大转速；负载电阻不得小于技术条件给定的电阻值，以保证非线性误差较小给定的电阻值，以保证非线性误差较小1.4 1.4 直流测速发电机的性能指标及直流测速发电机的性能指标及使用使用一、主要性能指标一、主要性能指标1、线性误差、线性误差 在工作转速范围内，在工作转速范围内，输出电压与理想输出电压输出电压与理想输出电压之差对最大理想输出电压之差对最大理想输出电压之比之比 理论值理论值实测值实测值UmnmaxnbU(V)on控制电机控制电机2 、输出斜率、输出斜率 在额定的激磁条件下，单位转速在额定的激磁条件下，单位转速（（1000r/min））时产生的输出电压。

时产生的输出电压3 、最大线性工作转速、最大线性工作转速nmax 在允许的线性误差范围内的电枢最高转速在允许的线性误差范围内的电枢最高转速额定转速就是最大线性工作转速额定转速就是最大线性工作转速4 、负载电阻、负载电阻Rl 保证输出特性在误差范围内的最小负载电阻值保证输出特性在误差范围内的最小负载电阻值 此外，还包括不灵敏区、输出电压的不对称此外，还包括不灵敏区、输出电压的不对称度、纹波系数、变温输出误差和输出电压温度系度、纹波系数、变温输出误差和输出电压温度系数等性能指标数等性能指标控制电机控制电机二、直流测速发电机的使用二、直流测速发电机的使用1、直流测速发电机的选用、直流测速发电机的选用 选用直流测速发电机时，应根据其在选用直流测速发电机时，应根据其在系统中的功用而提出不同的技术要求当系统中的功用而提出不同的技术要求当作为解算元件或用于恒速控制时，应着重作为解算元件或用于恒速控制时，应着重考虑其线性度和纹波电压，而对输出斜率考虑其线性度和纹波电压，而对输出斜率的要求则是第二位的；当作为校正元件时，的要求则是第二位的；当作为校正元件时，应着重考虑其输出斜率，而对其其线性度应着重考虑其输出斜率，而对其其线性度和纹波电压的要求并不是很严格的。

和纹波电压的要求并不是很严格的控制电机控制电机2、直流测速发电机的接线、直流测速发电机的接线 电磁式直流测速发电机在使用前必须区别清电磁式直流测速发电机在使用前必须区别清楚电枢绕组端头和激磁绕组端头，切勿搞错楚电枢绕组端头和激磁绕组端头，切勿搞错S2S1F2F1 一般标有一般标有F1和和F2的为的为激磁绕组，标有激磁绕组，标有S1和和S2的的为电枢绕组为电枢绕组 如果标记看不清或已如果标记看不清或已脱落，可以用欧姆表或通脱落，可以用欧姆表或通低电压的方式加以判断低电压的方式加以判断3、技术数据、技术数据测速发电机的技术数据可查有关手册或产品说明书测速发电机的技术数据可查有关手册或产品说明书1.5 1.5 直流测速发电机的应用直流测速发电机的应用举例举例 直流测速发电机在自动控制系统和计直流测速发电机在自动控制系统和计算装置中可以作为测速元件、校正元件、算装置中可以作为测速元件、校正元件、解算元件和角加速度信号元件它可以测解算元件和角加速度信号元件它可以测量各种机械在有限范围内的摆动或非常缓量各种机械在有限范围内的摆动或非常缓慢的转速，并可代替测速计直接测量转速。

慢的转速，并可代替测速计直接测量转速 作为系统的阻尼元件作为系统的阻尼元件 对旋转机械作恒速控制对旋转机械作恒速控制控制电机控制电机21变速器变速器前前置置放放大大器器解解调调器器直直流流放放大大器器可控可控硅控硅控制线制线路路梯形波电源梯形波电源雷达雷达雷达接收器雷达接收器测速发电机测速发电机直流伺服直流伺服电动机电动机自整自整角机角机发发送送手轮手轮控制电机控制电机对旋转机械作恒速控制对旋转机械作恒速控制控制电机控制电机 电磁离合器调速：电磁离合器调速是由电磁离合器调速：电磁离合器调速是由笼型感应电动机和电磁离合器一体化的调速笼型感应电动机和电磁离合器一体化的调速电动机来完成的，把这种调速电动机称为电电动机来完成的，把这种调速电动机称为电磁离合器电动机，又称滑差电机，属于低效磁离合器电动机，又称滑差电机，属于低效调速方式电磁调速电动机的调速系统，主调速方式电磁调速电动机的调速系统，主要由笼型感应电动机、涡流式电磁转差离合要由笼型感应电动机、涡流式电磁转差离合器和直流励磁电源等三个部分组成（见图器和直流励磁电源等三个部分组成（见图3-15），直流励磁电源功率较小，通过改变晶），直流励磁电源功率较小，通过改变晶闸管的控制角改变直流励磁电压的大小来控闸管的控制角改变直流励磁电压的大小来控制励磁电流。

制励磁电流 控制电机控制电机它以笼型电动机作为原动机，带动与其同轴接连的它以笼型电动机作为原动机，带动与其同轴接连的电磁离合器的主动部分，离合器的从动部分与负载电磁离合器的主动部分，离合器的从动部分与负载同轴连接，主动部分与从动部分没有机械联系，只同轴连接，主动部分与从动部分没有机械联系，只有磁路相通离合器的主动部分为电枢，从动部分有磁路相通离合器的主动部分为电枢，从动部分分为磁极，电枢是一杯状铸铜体，磁极则由铁芯和分为磁极，电枢是一杯状铸铜体，磁极则由铁芯和励磁绕组构成，绕组与部分铁芯固定在机壳上不随励磁绕组构成，绕组与部分铁芯固定在机壳上不随磁极旋转，直流励磁不必经过滑环而直接由直流电磁极旋转，直流励磁不必经过滑环而直接由直流电源供电当电动机带动电枢在磁极磁场中旋转时，源供电当电动机带动电枢在磁极磁场中旋转时，就会感生涡流，涡流与磁极磁场作用产生的转矩将就会感生涡流，涡流与磁极磁场作用产生的转矩将使电枢牵动磁极拖动负载同向旋转，通过控制励磁使电枢牵动磁极拖动负载同向旋转，通过控制励磁电流改变磁场强度，使离合器产生大小不同的转矩，电流改变磁场强度，使离合器产生大小不同的转矩，从而达到调速的目的。

从而达到调速的目的 控制电机控制电机控制电机控制电机给给定定电电压压触触发发电电路路放放大大器器可可控控硅硅整整流流滑滑差差离离合合器器 转速转速负反馈负反馈负负载载UfUcURIfnΔUU-控制电机控制电机控制电机控制电机控制电机控制电机控制电机控制电机1.6 1.6 直流测速发电机的发展直流测速发电机的发展动向动向一、发展高灵敏度直流测速发电机一、发展高灵敏度直流测速发电机二、改进电刷与换向器的接触装置，发二、改进电刷与换向器的接触装置，发 展无刷直流测速发电机展无刷直流测速发电机三、发展永磁式无槽电枢、环形电枢、印三、发展永磁式无槽电枢、环形电枢、印 刷绕组电枢直流测速发电机刷绕组电枢直流测速发电机控制电机控制电机￿￿给定电压环节给定电压环节￿￿￿￿￿￿给定电压环节起始于变压器给定电压环节起始于变压器TC副边副边5端、端、6端间的绕组端间的绕组24V的交流电压经的交流电压经VD2、、整流并经整流并经C2、、R2、、C3滤波和滤波和VZ稳压，得到稳压，得到16V的直流电的直流电压最后由压最后由R5和和RP4“定速定速”档的转速。

档的转速运转运转”、、“定速定速”由中间继电器由中间继电器KA3控制控制电机控制电机转速反馈环节转速反馈环节￿￿￿￿￿￿ZLK－－10自自动动调调速速系系统统是是采采用用三三相相交交流流测测速速发发电电机机BR对对转转速速进进行行采采样样所所得得交交流流经经VD8－－VD13整整流流和和C8、、R13、、RP2、、RP3滤滤液液后后，，得得到到反反馈馈电电压压，，经经过过R8传传至至放放大大器器的的输输入入端端由由于于不不同同测测速速发发电电机机灵灵敏敏度度之之间间存存在在差差异异，，所所以以采采用用RP2对对反反馈馈电电压压进进行行调调节节转转速速表表PV的的刻刻度度值值依依靠靠RP3调调节节电电容容器器C7用用于于减减轻轻反反馈馈电电压压的的脉脉动动，，有有利利于于调调速速系统动态稳定性的提高系统动态稳定性的提高控制电机控制电机放大器放大器￿￿￿￿￿￿￿￿放放大大器器是是以以晶晶体体管管V2为为核核心心组组成成二二极极管管VD4、、VD5、、VD6用用作作双双向向限限幅幅保保护护，，以以避避免免V2的的发发射射结结承承受受过过高高的的电电压压给给定定电电压压与与转转速速反反馈馈电电压压通通过过电电阻阻R6、、R7和和R8进进行行组组合合，，形形成成输输入入信信号号，，其其值值正正比比于于上上述述两两个个电电压压之之差差。

这这个个差差值值经经V2放放大大后后可可影影响响V2的的集集电电极极电电位位，，对对单单结结晶晶体体管管触触发发脉冲形成电路进行控制脉冲形成电路进行控制控制电机控制电机触发电路触发电路单结晶体管触发电路的电源是由单结晶体管触发电路的电源是由V1、、VD3、、R4与变压器与变压器TC的的6、、7绕组组成绕组组成TC的的6、、7端输出端输出3V交流电压，当为负半周期时，交流电压，当为负半周期时，V1截止，截止，V1集射极间电压为集射极间电压为16V，，如图如图a所示；当所示；当7．．6端输出为正半周期时，经端输出为正半周期时，经VD3整流后加到整流后加到V1的集射极上使的集射极上使V饱饱1和导和导通，通，Vcel=0，，放大器与触发电路不能工作，放大器与触发电路不能工作，如图如图b所示控制电机控制电机￿￿￿￿￿￿￿￿由由V3和和R11组成的恒流源，再加上电组成的恒流源，再加上电容器容器C6，，能产生锯齿波用作移相，如图能产生锯齿波用作移相，如图c所所示其原理是这样的：设示其原理是这样的：设V3和和R11恒流源恒流源的恒定电源是的恒定电源是I0，，恒定电流向恒定电流向C6充电，充电，Uc6=1/C6∫t0I0dt，使，使C6上的电压上升，上的电压上升，当上升到单结管当上升到单结管VU的峰值时单结管导通的峰值时单结管导通C6放电。

放电到放电放电到VU的谷值时又重新充电而的谷值时又重新充电而恒定电流恒定电流I0的大小又受放大器的大小又受放大器V2输出电压输出电压的控制控制电机控制电机￿￿￿￿￿如当如当V2的输入电压增大，的输入电压增大，V3的基极电压就的基极电压就降低，降低，V3更加导通，更加导通，V3集电极电流集电极电流I0增大，这增大，这样充放电速度加快，可控硅触发提前，如图样充放电速度加快，可控硅触发提前，如图d所示，导通角增大，导致励磁电压增大，如图所示，导通角增大，导致励磁电压增大，如图e所示；同理所示；同理V2的输入电压减小时，的输入电压减小时，I0减小，减小，导致导通角减小，励磁电压减小可见输入电导致导通角减小，励磁电压减小可见输入电压的大小可以控制可控硅的触发时刻压的大小可以控制可控硅的触发时刻￿￿￿￿￿触发器最终在触发器最终在VU的第一基极通过脉冲变的第一基极通过脉冲变压器压器TV输给晶闸管的控制极二极管输给晶闸管的控制极二极管VD7用用以短路负脉冲，防止可控硅因控制极出现负以短路负脉冲，防止可控硅因控制极出现负脉冲而击穿脉冲而击穿控制电机控制电机可控硅整流电路可控硅整流电路￿￿￿￿￿￿￿￿该系统采用可控硅单相半波整流电路，该系统采用可控硅单相半波整流电路，波形如图波形如图4e所示。

整流电路的输出控制转差所示整流电路的输出控制转差离合器的励磁线圈来产生励磁电流并最终影离合器的励磁线圈来产生励磁电流并最终影响电机的转速图中响电机的转速图中R1、、C1和热敏电阻和热敏电阻RV均对可控硅有过压保护作用均对可控硅有过压保护作用VD1为续流二为续流二极管，其作用是，正半周时由于可控硅导通极管，其作用是，正半周时由于可控硅导通而使离合器工作；负半周时可控硅不导通，而使离合器工作；负半周时可控硅不导通，励磁线圈产生的反向电动势可经过励磁线圈产生的反向电动势可经过VD1形成形成放电回路，使线圈中的电流连续，从而使离放电回路，使线圈中的电流连续，从而使离合器工作稳定合器工作稳定控制电机控制电机综合上述，当综合上述，当ZLK－－10自动调速系统处于自动调速系统处于“运转运转”状态，也就是调速状态时，通过调节状态，也就是调速状态时，通过调节电位器电位器RP4改变电压给定环节的电压，来改改变电压给定环节的电压，来改变电动机的转速例如调节变电动机的转速例如调节RP4使给定电压使给定电压Uf增大，这时转速负反馈系统给出的电压增大，这时转速负反馈系统给出的电压U－－保持不变，输入到保持不变，输入到V2的电压的电压△U增加，由增加，由V3和和11出增大，滑差离合器的励磁电流增大，出增大，滑差离合器的励磁电流增大，最终电动机转速变快。

调速过程如下最终电动机转速变快调速过程如下Uf↑→△U↑→Uc充电加快充电加快→Ug触发提前触发提前→If↑→n↑控制电机控制电机当当ZLK－－10调速系统置于调速系统置于“定速定速”状态，也状态，也就是稳速状态时，通过调速系统可以稳定由就是稳速状态时，通过调速系统可以稳定由于负载于负载TL变化而引的转速变化例如当负载变化而引的转速变化例如当负载变小时，电机转速将变快，转速负反馈电路变小时，电机转速将变快，转速负反馈电路给出的电压给出的电压U－－将增大，经过将增大，经过R6、、R7、、R8给给出的比较电压出的比较电压△U将减小，这样将减小，这样C6充电速度充电速度变慢，单机转速变慢经过这样的反馈过程变慢，单机转速变慢经过这样的反馈过程将使电机的转速基本不变稳速过程如下：将使电机的转速基本不变稳速过程如下：TL↓→n↑→U－－△△U↓→Uc充电变慢充电变慢→Ug触发触发滞后滞后→If↓→n↓ 。