第二章－测速发电机.ppt

第三章 测速发电机控制电机 第一节第一节 直流测速发电机直流测速发电机第二节第二节 交流测速发电机交流测速发电机第三节第三节 特种测速发电机特种测速发电机* *第四节第四节 测速发电机的选用测速发电机的选用1测速发电机是一种把输入的转速信号转换成输出的电压信号的机电式信号元件，它可以作为测速、校正和解算元件，广泛应用于各种自动控制系统之中自动控制系统对测速发电机的性能要求，主要是精度高、灵敏度高、可靠性好，包括以下五个方面：（1）输出电压与转速之间有严格的正比关系2）输出电压的脉动要尽可能小3）温度变化对输出电压的影响要小4）在一定转速时所产生的电动势及电压应尽可能大5）正反转时输出电压应对称第三章 测速发电机2测速发电机主要可分为直流测速发电机和交流测速发电机直流测速发电机具有输出电压斜率大，没有剩余电压及相位误差，温度补偿容易实现等优点；而交流测速发电机的主要优点是不需要电刷和换向器，不产生无线电干扰火花，结构简单，运行可靠，转动惯量小，摩擦阻力小，正、反转电压对称等 第三章 测速发电机3第一节 直流测速发电机一、基本结构 第三章 测速发电机4永磁式直流测速发电机的优点是省略了励磁电源，结构简单，体积小，效率高；缺点是永磁体的磁性能会受到温度变化和电机振动的影响，长期使用电机性能会逐渐衰减。

另外，高性能的永磁材料是这种测速发电机造价较高的主要因素这两种直流测速发电机的转子结构及电枢绕组与小功率直流发电机是完全一样的第三章 测速发电机5二、工作原理直流测速发电机的工作原理与小功率直流发电机完全相同当主磁通Φ一定时，直流发电机电枢绕组的感应电动势为第三章 测速发电机电压平衡方程 电动势系数 6设负载电阻为RL，则 ，所以 第三章 测速发电机输出特性斜率7在理想情况下，主磁通Φ、电动势系数Ce、 电枢电阻Ra和负载电阻RL都是常数， 即输出特性的斜率β保持 不变， 因此， 直流测速发电机的输出电压与转速成正 比，如图3-2所示 第三章 测速发电机8三、误差分析(1) 电枢反应的影响根据直流电机的电枢反应理论，电枢电流所产生的电枢磁场对主磁场有削弱作用，使合成磁场的波形发生 畸变，并且负载电阻越小或者转速越高时，电枢电流就 越大， 磁场的削弱作用就越强， 造成输出特性的非线性因此，为了减小电枢电流及电枢反应的去磁作用， 应尽可能采用比较大的负载电阻，并保证转速不得超过 规定的最高转速对于电磁式直流测速发电机，可以安 装补偿绕组来抑制电枢电流对主磁场的影响，减小电枢 反应造成的误差。

第三章 测速发电机9(2) 换向延迟的影响在直流电机中，电枢绕组电流的方向以电刷为分界线，被电刷短路的元件是正在进行电流换向的元件，称 为换向元件在换向元件中会产生两个感应电动势，一 个 是 由于换向元件电流正负变化而产生的自感电动势 eL， 一个是由于换向元件切割电枢磁场而产生的运动电动势ea 分析表明，这两个感应电动势方向一致，并力 图阻止换向元件中电流方向的改变， 即起换向延迟的作 用eL和ea大小都与转速的平方成正比，其对应的附加电 流所产生的磁场对主磁场起去磁作用， 使输出特性呈现 图3-3中实线所示的形状第三章 测速发电机10因此，为改善输出特性的线性度，一般采取限制转速的措施来削弱换向延迟所产生的去磁作用这一点与 上述限制电枢反应去磁作用所采取的措施是一致的 第三章 测速发电机11(3) 电刷接触电阻的影响要保持输出特性的线性关系，Ra为恒值是不可或缺 的基本条件 Ra包含着电刷和换向器之间的接触电阻Rb，这个接触电阻的大小与诸多因素有关当转速较低时 ，接触电阻较大，电刷接触压降在电枢电压中所占的比 重大，实际输出电压小；当转速较高时，接触电阻较小，电刷接触压降在电枢电压中所占的比重小，实际输出 电压大。

这样，在转速较低时，输出特性有一段斜率显 著下降的区域，在此区域内虽然有转速输入信号，但输 出电压却很小，对转速的测量很不灵敏，这个区域称为 不灵敏区，如图3-4所示第三章 测速发电机12不灵敏区是由于电刷接触电阻的非线性而产生的，为了减小它的影响，常常采用接触电压较小的银-石墨 电刷或者铜电刷，并在电刷和换向器的表面镀银，使电 刷和换向器不易磨损另外，还可以对低电压的输出进 行非线性补偿第三章 测速发电机13(4) 纹波的影响直流电机的感应电动势是每一支路中若干元件感应电动势的叠加 由于励磁磁场沿气隙圆周并非完全恒 定，元件中的感应电动势是脉动的，而元件及换向片的 数目都是有限的，因此合成的感应电动势以及输出的电 压都是脉动，如图3-5所示，这就是纹波电压 虽然输出电压中交流分量所占的比重不算大，但对于测速发电 机用于速度反馈或加速度反馈系统都是很不利的，特别 是在高精度的解算装置中更是不允许的第三章 测速发电机14实际上纹波电压的产生有多方面的原因，测速发电机转 速的变化、电刷与换向器之间的接触不良、齿槽效应、气隙 不均匀等，这些都会引起输出电压的脉动为了削弱纹波的 影响，除尽量增加换向片数外，还可以采用无槽电枢结构， 或在输出电压电路中加滤波电路。

第三章 测速发电机15(5) 温度的影响在电磁式直流测速发电机中，励磁绕组因长时间通 电会发热，它的电阻值随之增大，致使励磁电流减小， 主磁通下降，导致电枢绕组的感应电动势和输出电压减 小计算表明，铜绕组温度每升高25ºC，其电阻值相应 增大10% 所以，温度的变化对电磁式直流测速发电机 的输出特性影响较大为了减小这种影响，实际使用时 可以在励磁绕组回路中串联一个较大电阻值且温度系数 较低的附加电阻，这样当温度升高时，励磁回路总电阻 的变化就会很小；或者在设计时使电机磁路处于较饱和 的状态，这样即使励磁电流有较大的变化，主磁通的变 化也会很小第三章 测速发电机16第二节 交流测速发电机一、基本结构交流测速发电机分为同步测速发电机和异步测速发电机同步测速发电机输出电压的幅值和频率均随转速的变化而变化，因此一般只用作指示式转速计，很少用于自动控制系统的转速测量异步测速发电机输出电压的频率和励磁电压的频率相同，而与转速无关，其输出电压与转速成正比，因而是交流测速发电机的首选第三章 测速发电机17根据转子的结构型式，异步测速发电机又可分为笼型转子异步测速发电机和杯型转子异步测速发电机，前者结构简单，输出特性斜率大，但特性差，误差大，转子惯量大，一般仅用于精度要求不高的系统中；后者转子采用非磁性空心杯，转子惯量小，精度高，是目前应用最广泛的一种交流测速发电机。

所以，这里主要介绍杯型转子异步测速发电机，其基本结构如图3-6所示第三章 异步测速发电机18第三章 异步测速发电机19二、工作原理第三章 异步测速发电机20异步测速发电机的励磁绕组接恒压恒频的单相交流电源 第三章 异步测速发电机若忽略励磁绕组的漏阻抗，则有 励磁绕组串联匝数 励磁绕组基波系数 21第三章 异步测速发电机励磁磁通是沿励磁绕组轴线方向（直轴方向）的，即与输出绕组轴线方向垂直因而当发电机的转子不动时，是不会在输出绕组中产生感应电动势的，所以此时输出绕组的电压为零，即n=0时，U2=0（励磁磁通在转子绕组中会产生变压器电动势和电流，并产生相应的转子磁通，该磁通位于直轴方向，与输出绕组轴线方向垂直，所以也不会在输出绕组中产生感应电动势）22第三章 异步测速发电机空心杯型转子可以看作由无数条并联的导体组成，所以当转子以转速n 旋转时，转子导体在励磁磁场 中就要产生运动电动势 电动势系数 23第三章 异步测速发电机与笼型转子一样，电动势 将在转子绕组中产生同样频率的转子电流 由于杯型转子导条的电阻比漏抗大很多，可忽略转子漏抗的影响，即认为 与 同相位，所以 24第三章 异步测速发电机转子电流 又将产生交轴方向的脉振磁动势和交轴磁通 ，并且其交变频率仍为f1 ，而大小正比于 Ir 。

显然，交轴磁通 是沿输出绕组轴线方向的，它将匝链输出绕组，并产生感应电动势 和输出电压 当输出绕组开路时，即有 输出绕组串联匝数 输出绕组基波系数 25从上述分析可以看出: 第三章 异步测速发电机当交流异步测速发电机励磁绕组施加恒定的励磁电 压，电机以转速n 旋转时， 输出绕组的输出电压U2 与转 速n 成正比 当电机反转时，由于相应的感应电动势、电流及磁通的相位都与原来相反，因此输出电压的相位 也与原来相反这样，异步测速发电机就能将转速信号 转换成电压信号，实现测速的目的 26第三章 异步测速发电机根据前面所述，要使输出电压和转速成正比关系，必须保持直轴磁通 恒定 实际上，由于转子导体在直轴磁场中旋转，将产生运动电动势和电流，并在交轴方向产生交轴磁动势和交轴磁通 而转子在交轴磁场中旋转，也将产生直轴方向的磁动势，该直轴磁动势的大小应与转子转速的平方成正比，并与转子电阻值有关 三、误差分析(1) 直轴磁通变化的影响27第三章 异步测速发电机根据磁动势平衡原理，转子直轴磁动势将使励磁绕组的电流 发生变化，从而引起励磁绕组漏阻抗压降的改变，导致直轴磁通 也随之改变，这就破坏了输出电压与转子转速应保持的正比关系，使输出特性在转速较大时向下弯曲。

所以，励磁绕组漏阻抗的大小直接影响到直轴磁通的恒定 28第三章 异步测速发电机另外，转子漏抗的大小也会影响到运动电动势 与转子电流 的相位关系，使转子电流所产生的磁动势不完全位于交轴方向，其直轴磁动势分量也会影响到直轴磁通的恒定 29第三章 异步测速发电机此外，减小电机的相对转速 （ ， 为同步转速），也有利于减小直轴磁通的变化，因为转子 直轴磁动势的大小与电机的相对转速有关所以，对于 一定的转速，通常是提高励磁电源的频率，以增大同步 转速，减小相对转速，从而达到减小输出电压误差的目 的所以，异步测速发电机较大采用400Hz的中频励磁 电源 因此，减小励磁绕组的漏阻抗或增大转子电阻，都有利于直轴磁通 的恒定但减小励磁绕组的漏阻抗，意味着电机体积的增大，为此一般是采用增大转子电阻的办法来减小直轴磁通变化对输出特性的影响30第三章 异步测速发电机一般情况下，异步测速发电机输出绕组所接负载是比较大的，所以可以近似地依据输出绕组开路的情况进行分析当负载阻抗不是很大时，发电机的输出特性将有较大的变化为分析方便起见，假设励磁电压不变，直轴磁通 也近似不变，这样输出绕组的感应电动势就近似地与转速n 成正比，即在一定转速下 保持一定值。

(2) 负载阻抗的影响31输出绕组的电压平衡方程 第三章 异步测速发电机输出绕组的电阻和漏抗 负载阻抗 32第三章 测速发电机根据前式，可以分析电阻性、电感性和电容性负载时的输出特性当测速发电机接以纯电阻负载（ ）时，负载电流为 负载电压（输出电压）为 33第三章 异步测速发电机当负载电阻RL减小时，输出电压值U2也随之减小，而 输出电压的相位移 将增大 34对于电感性和电容性负载，也可以进行类似的分析第三章 异步测速发电机当异步测速发电机的转速一定，且负载阻抗足够大时，无论什么性质的负载，负载阻抗的变化都不会引起输出电压的明显改变当输出绕组接有电阻-电感负载时，有可能使输出电压相位移不受负载阻抗的影响，但却扩大了对输出电压值的影响实际应用中一般希望输出电压值不受负载变化的影响，所以常常采用电阻-电容负载35当异步测速发电机的励磁绕组已经供电，转子处于静止 状态时，输出绕组所产生的电压称为剩余电压，用Us表 示第三章 异步测速发电机剩余电压又称为零速电压，它由两部分组成， 一部分是固定分量Usz， 其值与转子位置无关；另 一部分是交变分量Usj， 其值与转子位置有关。

3) 剩余电压的影响36。