哈尔滨工程大学自动控制元件XXXX02

自动控制元件第二章直流测速发电机自动化学院巩冰直流测速发电机可以把机械转速变换成电压信号。除了作为测速元件，还可以作为阻尼元件，以及解算装置中的微分元件和积分元件。电磁转矩与转速方向相反，是制动转矩。afafafaUEIR10emTTTafeeECnKnemmaftafTCIKI直流测速发电机空载空载时，Iaf=0，则各关系式变为：0afafUE10,0emTTTafeeECnKn显然0afafeUEKn或0afeedUKKdt9.55eeKK直流测速发电机除用作测速元件外，还可当作阻尼元件以及解算装置中的微分元件和积分元件。直流测速发电机控制系统对直流测速发电机的主要技术性能要求：（1）输出电压要与转速成线性关系，并具有对称性，而且能保持稳定；（2）输出特性的灵敏度高，即曲线斜率大。（3）输出电压纹波小，即要求在一定的转速下输出电压稳定，波动小；（4）转动惯量小，以保证响应速度快；（5）高频干扰小，噪音小，工作可靠，结构简单，体积小，重量轻等。直流测速发电机的类型按照励磁方式分，直流测速发电机有两种型式：（1）永磁式其定子磁极由永久磁铁做成，没有励磁绕组.图1-9永磁直流测速机图1-10他激直流测速机（2）电磁式其定子励磁绕组由外部电源供电，通电时产生磁场。直流测速发电机的静态特性直流测速发电机的静态特性就是它的输出特性，即其输出电压与稳态转速的关系。afafLafeafaUIRUKnIRafafeaLUUKnRR整理得：1eafefaLKUnknRR这就是负载时测速发电机的输出特性。其中1eefaLKkRR为输出特性的斜率，又称为灵敏度。RL直流测速发电机的静态特性1eafefaLKUnknRR图直流测速机接上负载RL图2-3不同负载电阻时的理想输出特性RLRL1RL2RL1RL2Uafn空载（RL）时，输出特性将有最大斜率.直流测速发电机的动态特性直流测速发电机的动态特性是指输入一个阶跃转速时，输出信号电压随时间的变化规律。()()()()()afafaafafafditetRitLLutdt10()emafdTTTtJdt()()()afeeetCntKnt()()()emmaftafTtCitKit当测速发电机空载，即()0afit，则有60()()()()2=()afafeeeutetCntCtKt可见空载时直流测速发电机是一个理想的比例元件。RLLfuaf（t）直流测速发电机的动态特性当测速发电机在有感性负载的情况下工作时，由公式()()()()()afafaafafafditetRitLLUtdt()()()afeeetCntKnt得：()()()afbafefdututKtdt式中afbaLLLRR，afNefNUKUafN——额定输出电压；N——额定工况时的稳态角速度。()(1)btafafNutUe当测速发电机在有感性负载的情况下工作时是惯性元件。电枢反应气隙磁场是磁极磁场和电枢磁场的合成磁场。由于电枢磁场的存在，使气隙中的合成磁场与磁极磁场的大小、方向不同，这一现象叫电枢反应。电动机的电枢反应电枢反应对输出特性的影响电枢反应对气隙合成磁场有两个影响：①电枢反应使气隙合成磁场的物理中性面顺着直流发电机的旋转方向转过一个角度；而在直流电动机中是逆着旋转方向偏移一个角度。②由于在电机设计时使电机磁路接近于饱和，因此电枢磁场将使合成磁通减小，即电枢反应对磁极磁场有去磁效应，这和直流电动机中发生的情况完全相同。而且电枢电流越大电枢反应的影响越大，气隙合成磁通被削弱得越多。气隙合成磁通的减小将使输出电压Ua下降，并破坏了输出电压和转速间的线性关系。电枢反应对输出特性的影响考虑电枢反应时的气隙合成磁通可表示为：0s0——空载时的磁通，即磁极产生的每极磁通；s——电枢反应的去磁磁通。假设/siafiafLkIkUR，ki为比例系数。则0/iafLkUR。代入01eafefaLCnUknRR得：1efafsLknUnkR其中01eefaLCkRR，0iefskkk电枢反应对输出特性的影响不考虑电枢反应时：01eafefaLCnUknRR考虑电枢反应时：1efafsLknUnkR则由于电枢反应的去磁作用而引起的相对误差为：111efefsafafLafLafefsknknnkUURURUknkn电枢反应对输出特性的影响电枢反应的去磁作用引起的相对误差11afLsURkn显然，转速升高，负载电阻变小，都将使输出电压的线性误差增大，使输出电压减小，并使斜率变小(求/afdUdn后可看出)，致使输出特性曲线高速段出现向下弯曲的现象，而且负载电阻越小，转速越高，这种弯曲越严重。电枢反应对输出特性的影响在直流测速发电机的技术条件中都注明最高转速和最小负载电阻值。使用时转速不得超过最高转速，负载电阻不得小于规定的电阻值，以保证非线性误差不超过允许数值。在设计测速机时选取较小的线负荷，并适当增大电机的气隙，可以减小电枢反应对输出特性的不利影响。图直流测速发电机输出特性温度对输出特性的影响温度变化包括电机周围环境温度的变化以及本身的发热。温度变化会引起电枢绕组电阻变化，并引起绕组电流的变化。01eafefaLCnUknRRRa增加，Uaf下降。永磁式直流测速发电机选用磁稳定性好的永磁材料，则不必考虑温度对输出特性的影响。温度对输出特性的影响电磁式直流测速发电机的磁路设计得比较饱和，因而励磁电流变化时所引起的磁通变化量较小。电刷与换向器的接触电阻与接触电压电刷与换向器的接触电阻与接触电压是非线性的。当电机转速较低，电流较小时，接触电阻较大，接触电压使得输出特性斜率急剧下降；当电机转速较高，电流较大时，接触电压可被当作常数。考虑电刷与换向器的接触电压降Ub后的输出电压afU为：/afafafabeafaLbUEIRUKnURRU11efebafefbaaeLLkKUUnknURRKRR绝对误差11/efafafafbbeaLkUUUUUKRR电刷与换向器的接触电阻与接触电压考虑电刷接触压降后，在转速较低时，直流测速发电机输出特性上有段斜率显著下降的区域。此区域内，电机虽有输入信号（转速）但输出电压很小，对转速的反应很不灵敏，所以此区域叫不灵敏区（nbl）。RL,，不灵敏区nbl.与为减小电枢反应而限制最小电阻的措施矛盾。11/afbaLUURRafU电刷与换向器的接触电阻与接触电压为了减小电刷接触压降的影响，缩小不灵敏区，在直流测速发电机中，常常采用接触压降较小的铜-石墨电刷。在高精度的直流测速发电机中还采用铜电刷，并在它和换向器接触的表面上镀上银层，使换向器不易磨损，也能有效地减小接触压降。图同时考虑电枢反应和电刷与换向器接触压降后的输出特性延迟换向的去磁作用延迟换向的存在，使换向元件中的产生一个附加电流，在被电刷短路的换向元件中流动，从而产生磁通，并对主磁通起去磁作用，使主磁通减小。图1-17换向电流的去磁作用es延迟换向的去磁作用图1-18延迟换向对输出特性的影响为了改善线性度，对小容量测速机一般采取限制转速的措施来限制延迟换向的去磁作用，这一点与限制电枢反应去磁作用的措施是一致的，所以直流测速发电机规定了最高转速，使用时不得超过。纹波纹波主要是由于电机本身的固有结构及加工误差所引起的，例如电枢元件数有限，电枢铁心有齿有槽，以及电枢铁心的椭圆度、偏心等。纹波电压的存在对于测速机用于阻尼或转速控制时都不利，特别是用在积分装置中更是不允许，因此在结构上和设计上都要采用一定的措施来减小（但不能消除）它的幅值。实用纹波系数maxminmaxmin100%uUUKUU纹波多个绕组的合成电势只能使纹波减小但决不能消除。绕组元件数越多(或换向片数越多)，则电势脉动的频率越高，幅值越小。火花和电磁干扰由于高速旋转时电刷跳动以及被电刷短路的换向线圈中短路附加电流的存在．换向器和电刷间经常发生电火花，使输出电压上有高频尖脉冲，并带来无线电频率的噪音和干扰。为了减轻和消除输出电压上的高频毛刺，一般都要在直流测速发电机的输出端接上低通滤波电路，如图2-10所示。直流测速发电机的技术性能指标灵敏度即输出特性斜率，它是在额定的励磁条件下，单位转速（kr/min）所产生的输出电压。线性误差（x）在工作速度范围内，实测输出电压与线性输出电压的最大差值对最大线性转速时的输出电压之比。最大线性工作转速（nmax）在允许线性误差范围内的转子最高转速，即直流测速发电机的额定转速。%100maxafNafxUU直流测速发电机的技术性能指标负载电阻RL保证输出电压在线性误差范围内的最小负载电阻。不灵敏区nbl由于Ub而导致测速发电机输出特性斜率显著下降（几乎为零）的转速范围。输出电压的不对称度kab在相同转速下，测速发电机正反两方向旋转时，输出电压绝对值之差U2与两者平均值Uafv之比。纹波系数ku在一定转速下，输出电压中交变分量的有效值与输出电压直流分量之比。2100%abafvUkU直流测速发电机的选择应根据直测速发电机在系统中的功用而提出不同的技术要求。当作为高精度速度伺服系统中的测量元件时，既要注意考虑线性度和纹波电压，又要注意考虑灵敏度；而作为解算元件时，则重点考虑纹波电压和线性度，灵敏度是第二位的；当作为阻尼元件时，应着重考虑灵敏度，而对其线性度和纹波电压的要求并不是很严格的。灵敏度的选择eminK误差信号的最小值系统要求的控制精度maxeK测速发电机的额定输出电压负载轴的最大转速minmaxeefeKkK直流测速发电机用作反馈元件直流测速发电机的应用直流测速发电机实现输入量对时间的积分图2-15实现输入量对时间积分的原理图u1(t)um10muu或1()mdutuKdt11()utdtK直流测速发电机的发展趋势直流测速发电机的发展趋势是提高灵敏度和线性度，减小纹波电压和变温所引起的误差，减轻重量，缩小体积，增加可靠性，发展新品种。目前国内外较重视发展永磁高灵敏度直流测速发电机，其输出电压斜率大，低速精度高。改进电刷和换向器的接触装置，发展无刷直测速发电机，以增加可靠性及减小对其它线路的影响，永磁式无槽电枢、杯形电刷、印制绕组电枢测速发电机因其转动惯量小，线性度好，纹波电压小，也是测速发电机发展方向之一。在理想条件下，输出特性为一直线，而实际的特性与直线有偏差，此偏差称非线性误差。造成非线性误差的原因有好几种，电枢反应和延迟换向的去磁效应使非线性误差随着转速的增大或负载电阻的减小而增大。因此，在使用时必须注意电机转速得不超过规定的最高转速，负载电阻不可小于给定值。纹波电压、电刷和换向器接触压降的变化造成了输出特性的不稳定。因而降低了测速发电机的精度。测速发电机的输出特性对于温度的变化是比较敏感的，凡是温度变化较大，或对变温输出误差要求严格的场合，应对测速机进行温度补偿。学习重点是掌握直测速发电机的输出特性及其误差分析。小结