第二章_測速發(fā)電機

第二章,測速發(fā)電機,基本內容與重難點,直流測速發(fā)電機的結構和分類；輸出特性；產生誤差的原因和改進的方法。重點掌握直流測速發(fā)電機的輸出特性、產生的誤差的原因和改進的方法。 交流測速發(fā)電機的結構和分類；空心杯轉子異步測速發(fā)電機的運行原理；輸出特性；產生誤差的原因及改進方法。重點掌握空心懷轉子異步測速發(fā)電機的運行原理和輸出特性以及熟悉剩余電壓產生的原因和減小剩余電壓的方法。,第一節(jié),概 述,測速發(fā)電機的概念,含義：測速發(fā)電機是一種測量轉速的信號元件、它將輸入的機械轉速變換為電壓信號輸出。通常要求電機的輸出電壓與轉速成正比關系，如右圖所示。其輸出電壓關系公式：,測速發(fā)電機的用途,從測速發(fā)電機的輸出公式可以看出，其輸出電壓與轉子的電壓成正比，即正比于轉子的轉角對時間的微分，因此，在解算裝置中通常作為微分元件或積分元件使用。 測速發(fā)電機在自動控制系統(tǒng)和計算裝置中通常作為測速元件、校正元件和角加速度信號元件。,測速發(fā)電機的分類,直流測速發(fā)電機 永磁式直流測速發(fā)電機，如CY系列 電磁式直流測速發(fā)電機，如ZCF系列 交流測速發(fā)電機 同步測速發(fā)電機 異步測速發(fā)電機 新型發(fā)電機，如霍爾效應測速發(fā)電機,自控系統(tǒng)的要求,輸出特性呈正比關系并保持穩(wěn)定。即指測速發(fā)電機的輸出電壓與轉速保持嚴格的正比關系，且不隨外界條件（如溫度等)的變化而發(fā)生改變。 電機的轉動慣星要小，以保證反應迅速。 電機的靈敏度要高。即指測速發(fā)電機的輸出電壓對轉速的變化反應靈敏，測速發(fā)電機的輸出特性斜率要大。 其他要求。如對無線電通信的干擾要小、噪聲小、結構簡單、工作可靠、體積小和重量輕等。,第二節(jié),直流測速發(fā)電機,直流測速發(fā)電機概述,直流測速發(fā)電機是一種微型直流發(fā)電機。它的定、轉子結構均和直流伺服電動機基本相同。 按定子磁極的勵磁方式來分，可分為： 電磁式 永磁式 按電樞的結構形式分，可分為： 無槽電樞 有槽電樞 空心杯電樞 圓盤印制繞組等 近年來因自動控制系統(tǒng)的需要，又出現了水磁式直線測速發(fā)電機。,工作原理,直流測速發(fā)電機的工作原理與一般直流發(fā)電機相同，如右所示。在恒定磁場中，電樞繞組旋轉切割磁通并產生感應電勢。,電刷兩端引出的電樞感應電勢為：,輸出特性,空載時，電樞電流為零，直流測速發(fā)電機的輸出電壓和電樞感應電勢相等，為： 負載時，電樞電流不為零，輸出電壓為：,直流測速發(fā)電機的輸出特性如下圖： 由圖可見： 直流測速發(fā)電機負載時的輸出特性是一組直線 對于不同的負載電阻Rl，測速發(fā)電機輸出特性有不同的斜率，并且它隨負載電阻的減小而變小。,誤差產生的原因,實際上，直流測速發(fā)電機的輸出電壓與轉速之間并不是嚴格保持正比關系。其輸出特性曲線圖中的虛線。產生這種非線性誤差的原因主要有： 電樞反應 電刷接觸壓降 溫度的影響 紋波影響,電樞反應產生誤差的原因,產生的原因：因為直流測速發(fā)電機負載時存在電樞反應去磁作用，電機的氣隙磁通就不再是常數，它將隨負載的大小(即電樞電流的大小)而改變，可以近似認為： 負載時電樞繞組的感應電勢為：,假設負載時電樞的去磁磁通與電樞電流成正比，即： 則對上述公式推導可得：,電樞反應產生誤差的大小,若以 表示理想情況下的輸出電壓，考慮了電樞反應的去磁作用，輸出電壓所引起的相對誤差為： 可見，當 和 越大，輸出電壓的相對誤差就越小,電樞反應誤差的改進,為改善輸出特性，必須削弱電樞反應的去磁影響，盡量使電機的氣隙磁通保持不變，常用的措施有： 對電磁式直流測速發(fā)電機，可以在定子磁極上安裝補償繞組 在設計時，應選取較小的線負荷，并適當加大電機的氣隙 在使用時，負載電阻不應小于規(guī)定值,電刷接觸壓降產生誤差的原因,設電刷的接觸壓降為 ，則輸出電壓為： 由于電刷接觸電阻的非線性，當電機轉速較低，相應電樞電流較小，電刷接觸電阻較大，這時測速發(fā)電機的輸出電壓變得很小。 只有當轉速較高、電樞電流較大時，電刷壓降才可以認為是常數。 在考慮了電刷接觸壓降的影響后，直流測速發(fā)電機的輸出特性如下圖所示。,由圖可見，在轉速較低時，電機的輸出特性上出現一個不靈敏區(qū)，即在這一轉速范圍內，測速發(fā)電機雖有輸入信號（轉速），但輸出電壓很低。 圖中虛線為考慮了電樞反應和電刷接觸壓降的影響后，直流測速發(fā)電機的輸出特性?？梢姡诘退贂r存在著不靈敏區(qū)；轉速較高時又向下彎曲。,電刷接觸壓降誤差的改進,為減小電刷接觸壓降的影響，即縮小不靈敏區(qū)，在直流測速發(fā)電機中常采用接觸壓降較小的銅-石墨電刷。 在高精度的直流測速發(fā)電機中，也有采用銅電刷的，并在它與換向器相接觸的表面上鍍有銀層。,溫度產生誤差的原因,在電磁式直流測速發(fā)電機中,因勵磁繞組中長期通過電流而發(fā)熱,它的電阻值隨之增大致使勵磁電流減小,從而使電機氣隙磁通下降,并導致電樞繞組的感應電勢和輸出電壓減小.計算表明,銅繞組溫度每升高25C,其電阻值相應增大10%,所以溫度的變化對電磁式直流測速發(fā)電機輸出特性會有較大的影響.,溫度產生誤差的改進,為了減小溫度對勵磁電流的影響,實際使用時可在直流測速發(fā)電機的勵磁繞組回路中串聯一個較大電阻值的附加電阻.附加電阻可用溫度系數較低的康銅或錳銅材料繞制而成.這樣當勵磁繞組溫度升高時,它的電阻值雖有增加,但勵磁回路的總電阻卻變化甚微,勵磁電流幾乎不變.采用附加電阻后,相應勵磁電源的電壓也需增高,勵磁功率就隨之增大,這是它的一個缺點. 此外,設計時也可使電機磁路處于較飽和狀態(tài).這樣,即使勵磁電流有較大的變動,電機的氣隙磁通卻變化較小.,紋波的概念,直流測速發(fā)電機因換向片數是有限的,電樞繞組電勢應是每一支路中有限個元件感應電勢的疊加,因此輸出電壓是脈動的.,直流測速發(fā)電機輸出電壓值脈動的大小由紋波系數來衡量 紋波系數指電機在一定的轉速下,輸出電壓交變分量的有效值與輸出電壓的直流電壓之比. 輸出電壓中的交變分量對于測速發(fā)電機用于速度反饋或加速度反饋系統(tǒng)都是不利的,特別是在高精度解算裝置中更是不允許.,紋波產生誤差的原因,引起電壓脈動的因素很多，大致可分為: 直流測速發(fā)電機速度的變化。因輸出電壓中交變分量的幅值和頻率均與電機的轉速有關，轉速越高，它就隨之增大。對于電磁式直流測速發(fā)電機來說，還有勵磁電源電壓變化的影響 由于直流測速發(fā)電機表面粗糙，與電刷接觸不良引起電刷跳動 換向的影響 設計、工藝和材料方面的原因，如每支路對的元件數，齒槽效應，氣隙不均勻，鐵心材料的導磁性能各向相異等 其中后兩項是主要因素,紋波產生誤差的改進,通常采取以下措施： 使每支路對的元件數盡可能多，并為奇數元件 使磁極的極弧寬度盡可能為整數倍電樞齒距；此外還可采用磁極橋和電樞斜槽結構 電機加工時應保證定、轉子的同心度，盡量減小橢圓度。鐵疊片可采用旋轉疊裝法。 嚴格保證電刷位于中性線位置，并減小電刷的寬度，以減小氣隙磁通的變化 采用銀-石墨電刷，以改善電刷和換向器的滑動接觸,第三節(jié),交流測速發(fā)電機,結構與分類,交流測速發(fā)電機分為同步測速發(fā)電機和異步測速發(fā)電機 同步測速發(fā)電機可分為永磁式、感應子式和脈沖式 異步測速發(fā)電機的結構和兩相伺服電動機相似。目前在自動控制系統(tǒng)中廣泛應用的是空心杯轉子異步測速發(fā)電機。,永磁式同步測速發(fā)電機,實質：一臺單相永磁轉子同步發(fā)電機，定子繞組感應的交變電勢大小和頻率都隨著輸出信號（轉速）而變化，即： 永磁式同步測速發(fā)電機因感應電勢的頻率隨轉速而改變，致使電機本身的阻抗及負載阻抗均隨轉速而變化。因此，這種測速發(fā)電機的輸出電壓不再與轉速成正比關系。盡管永磁式交流測速發(fā)電機結構簡單，又沒有滑動接觸，仍不適用于自動控制系統(tǒng)，通常只是作為指示式轉速計。,感應子式同步測速發(fā)電機結構,感應子式測速發(fā)電機和脈沖式測速發(fā)電機的工作原理基本相同。都是利用定、轉子齒槽位置相對變化而使輸出繞組中的磁通發(fā)生脈動，從而感應出電勢。右為感應子式測速發(fā)電機的原理性結構圖。定、轉子鐵心均由高硅薄鋼片沖制疊成。定于內圓周上有大槽和小槽。大槽與大槽之間放置勵磁繞組。在12個定子齒上分別放置輸出繞組，并將輸出繞組連結為三相對稱繞組。轉子外圓周上為24個均布齒槽。,感應子式測速發(fā)電機原理（1）,當勵磁繞組中通入直流勵磁。使定子鐵心磁化為N、S相間的四極磁場。轉子不動時，定子齒中的磁通也不隨時間變化，故定子輸出繞組中沒有感應電勢。轉子轉動后，因定、轉子齒的相對位置發(fā)生周期性變化，則使定子齒中的磁通發(fā)生脈動，輸出繞組中便產生交變電勢。當轉子一個齒的軸線與定子某齒的軸線位置一致時，如圖中定子齒2所示，該定子齒對應有最大的氣隙磁導值。而當轉子轉過半個齒距后，使轉子槽的軸線與上述定子齒的軸線位置一致，該定子齒就對應有最小的氣隙磁導值。以后便以此重復進行。這樣定子輸出繞組所匝鏈的磁通大小也相應發(fā)生周期性的變化，在其中便感應出交流電勢。由以上分析可知，每當轉子轉過個齒距、輸出繞組的感應電勢就變化一個周期故輸出電勢的頻率應為,感應子式測速發(fā)電機原理（2）,在上圖所示的感應子式測速發(fā)電機中，定、轉子采用相同的齒形。轉子為24齒均布，當轉子每轉道一個齒距，即轉過15，定子輸出繞組感應電勢便交變一個周期。而定子齒的配置為齒1和齒3分別和齒2相距20，其電角度相應差120。因此，輸出繞組2和輸出繞組1、3的感應電勢相位角便互差120，它們就組成了一組對稱三相繞組。 因感應電勢的頻率和轉子的轉速之間有著嚴格的關系，所以它也屬于同步電機。其感應電勢的大小和轉速成正比，故可作為測速發(fā)電機使用。 從感應子式測速發(fā)電機的原理來看，它和永磁式同步測速發(fā)電機一樣，出電勢的頻率隨轉速而改變，致使負載阻抗和電機本身的阻抗均隨轉速而變化，所以也不宜在自動控制系統(tǒng)中用作交流測速發(fā)電機。但是，通常采用二極管對這種測速發(fā)電機的三相輸出電壓進行橋式整流后，取其直流輸出電壓作為速度信號而用于自動控制系統(tǒng)。這種電機因轉于槽數較多，因而輸出電壓的頻率甚高，再經過三相橋式整流，使直流輸出電壓中的紋波頻率很高，配以適當的濾波措施后其直流輸出電壓相當平穩(wěn)。這樣，將感應子式測速發(fā)電機和整流、濾波電路結合后，可作為一臺性能良好的直流測速發(fā)電機使用。 這種直流測速發(fā)電機的直流輸出電壓其極性是由整流電路所決定，它與電機轉子的轉向無關，這是實際使用中存在的一個缺點。,脈沖式同步測速發(fā)電機,脈沖式測速發(fā)電機是以脈沖頻率作為輸出信號。因輸出電壓的脈沖頻率與轉子轉速保持嚴格的正比關系，所以也是屬于同步電機類型。 其特點是輸出信號的頻率相當高，即使在較低的轉速下(如每分鐘幾轉或幾十轉）也能輸出較多的脈沖數。 因此，以脈沖個數表示的速度分辨率就比較高，使它適用子速度較低的調節(jié)系統(tǒng)，特別適用于如下圖的鑒頻鎖相速度控制系統(tǒng)。,空心杯轉子異步測速發(fā)電機,目前在自動控制系統(tǒng)中廣泛應用的是空心杯轉子異步測速發(fā)電機。 這種結構型式可使測速發(fā)電機輸出特性有較高的精度，又因其轉子的轉動慣量較小，能夠滿足系統(tǒng)快速性的要求。 同時，為了獲得較好的線性輸出特性并使其性能穩(wěn)定，轉子電阻要比空心杯轉子兩相伺服電動機更大。因此，空心杯轉子通常采用電阻率較大和溫度系數較低的材料制成，如磷青銅、錫鋅青銅、硅錳青銅等。 目前，我國生產的這種測速發(fā)電機，其型號為CK,空心杯轉子異步測速發(fā)電機的工作原理（1）,空心杯轉子異步測速發(fā)電機的工作原理如右圖所示。 定子兩相繞組應在空間位置上嚴格保持90電角度。其中一相作為勵磁繞組，外施恒頻恒壓的交流電源勵磁；另一相作為輸出繞組，其兩端的電壓則為測速發(fā)電機的輸出電壓 。,空心杯轉子異步測速發(fā)電機的工作原理（2）,當電機的勵磁繞組外施恒頻恒壓的交流電源 時便有電流 通過繞組，產生以電源頻率 脈振的磁勢 和相應的脈振磁通 。磁通 在空間按勵磁繞組軸線方向（稱為直軸 ）脈振。 轉子不動（ ）時，直軸脈振磁通 只能在空心杯轉子中感應出變壓器電勢 ，因輸出繞組的軸線和勵磁繞組軸線空間位置相差90電角度，它與直軸磁通并無匝鏈，故不產生感應電勢，輸出電壓為零。 轉子轉動后，即 ，轉子切割直軸磁通，并在轉子杯中產生切割電勢 ，在上圖所示瞬間，轉子杯上電勢的方向如圖中外圈的符號所示。由于直軸磁通 為脈振磁通，電勢 亦為交變電勢，其交變頻率即為磁通 的脈振頻率 。它的大小應為 若磁通 恒定時，電勢 就與轉子的轉速 成正比關系,空心杯轉子異步測速發(fā)電機的工作原理（3）,因轉子杯為短路線組，電勢 就在轉子杯中產生短路電流 ，電流 為頻率 的交變電流，其大小正比于電勢 。若考慮到轉子杯中漏抗的影響，電流將在時間相位上滯后電勢一個電角度。在同一瞬時，轉子杯中電流的方向如上圖內圈符號所示。 轉子杯中的電流 產生脈振磁勢 ，其脈振頻率也為 。而它的大小則正比于電勢 。磁勢 在此瞬間的空間方向如上圖所示。磁勢 可分解為兩個空間分量，即直軸磁勢 和交軸磁勢 。其中直軸磁勢 將影響勵磁磁勢 ，使勵磁電流 發(fā)生變化。而交軸磁勢 就產生頻率 為的脈振磁通 ，又 因交軸脈振磁通 的空間位置和輸出繞組的軸線方向一致，它將在輸出繞組中感應出頻率為 的變壓器電勢 ，即為測速發(fā)電機的輸出電勢。則 所以，異步測速發(fā)電機輸出電勢的頻率即為勵磁電源的頻率，而與轉子轉速的大小無關；它的大小則正比于轉子轉速 。克服了同步測速發(fā)電機存在的缺點，使負載阻抗不會因轉子轉速的變化而改變。因此空心杯轉子異步測速發(fā)電機在自動控制系統(tǒng)中使得到了廣泛的應用。,空心杯轉子異步測速發(fā)電機原理設計時應注意的問題,由以上分析可以看出，為了保證測速發(fā)電機的輸出電勢和轉子轉速成正比關系，必須使直軸磁通保持常數。 實際上，一方面由于轉子杯漏抗的影響，將產生直袖磁勢，并使直軸磁通發(fā)生變化；另一方面當電機中存在交軸磁場，轉子杯旋轉時又同時切割交軸磁通，同理，它又會產生直軸磁勢并使直軸磁通變化。由于直軸磁通的變化將影響到測速發(fā)電機輸出特性的線性度，所以，在測速發(fā)電機的結構選型和參數選擇時，對上述因素都需要認真加以考慮。 為了解決轉子漏抗對輸出特性的影響，異步測速發(fā)電機無疑都采用非磁性空心杯轉子，并使空心杯的電阻值取得相當大。這樣在實際上就完全可以略去轉子漏抗。同時因轉于電阻增大后可使轉子切割交軸磁通所產生的直軸磁勢大大削弱。當然，轉子的電阻值若選得過大，又會使測速發(fā)電機輸出電壓的斜率降低，電機的靈敏度即隨之減小。 此外，為了保持直軸磁通盡可能不變，還必須設法減小勵磁繞組的漏阻抗。因為在外施勵磁電源電壓不變時，即使因轉子直軸磁勢而引起勵磁電流的變化，但由于漏阻抗壓降甚小，直軸磁通也就基本上保持不變。,空心杯轉子異步測速發(fā)電機的輸出特性（1）,前面講述過，異步測速發(fā)電機的結構與兩相伺服電動機相似，因此可以根據電機的可逆原理利用第一章中分析兩相伺服電動機所得出的結果來確定異步測速發(fā)電機的輸出特性。,比較右圖所示的兩相伺服電動機和異步測速發(fā)電機的電氣接線圖便可以看出，用作測速發(fā)電機時，相當于兩相伺服電動機勵磁回路中的 ；而輸出回路則相當于串入負載阻抗后短接，即 。,空心杯轉子異步測速發(fā)電機的輸出特性（2）,通過類比計算可以得到異步測速發(fā)電機的輸出特性方程式：,右圖是異步測速發(fā)電機的輸出特性曲線，由圖可見，輸出電壓與轉速非線性，即使在空載時亦是如此。,異步測速發(fā)電機輸出特性非線性誤差產生的原因,主要原因有： 直軸磁通的變化 剩余電壓 勵磁電源 溫度變化,直軸磁通的變化對異步測速發(fā)電機輸出特性非線性誤差產生的影響,從輸出特性方程式中可以看出，影響輸出特性非線性輸出的原因是由于存在下