第二章 测速发电机

第2章测速发电机2.1概述2.2直流测速发电机2.3交流测速发电机2.4测速发电机的选择及应用举例测速发电机的输出电压能表征转速，因而可用来测量转速；测速发电机的输出电压正比于转子转角对时间的微分，在解算装置中可以把它作为微分或积分元件。按结构和工作原理的不同，测速发电机分为直流测速发电机、交流测速发电机，近年来还有采用新原理、新结构研制的霍尔效应测速发电机等。测速发电机是一种把转子转速转换为电压信号的信号元件。它的输出电压与转速成正比关系，即2.1概述CnUa或dtdCCUa2.1概述自动控制系统对测速发电机的基本要求是：⑴输出电压应与转速保持严格的正比关系；⑵转动惯量小；（3）灵敏度高另外，还要求它对无线电通讯干扰小、噪声低、工作可靠等。2.2直流测速发电机按励磁方式不同，直流测速发电机可分为电磁式和永磁式两大类。其结构和工作原理与普通直流发电机基本相同。图2-1直流测速发电机原理电路一、输出特性当直流测速发电机的输入转速为n，且励磁磁通恒定不变时，电枢电动势为输出特性是指输出电压Ua与输入转速n之间的函数关系。nKnCEeea当接负载时，电压平衡方程式为aaaaRIEU2.2直流测速发电机)/1/()/1/(LaeLaaaRRnCRREU可以看出，只要保持不变，Ua与n之间就成正比关系。当负载RL变化时，将使输出特性斜率发生变化。LaRR、、Laa/RUI由于负载电流，可得图2-2不同负载时的理想输出特性改变转子转向，Ua的极性随之改变。二、直流测速发电机的误差及其减小方法在实际运行中，Ua~n之间并不能严格地保持正比关系，即存在误差。现在分析产生误差的主要原因和解决方法。1.电枢反应的影响当发电机带上负载后，电枢中有电流Ia通过，故产生电枢磁场。电枢磁场的大小与电枢电流Ia有关。由于电枢磁场的存在，使气隙中的合成磁场产生畸变及饱和去磁，这种作用称为电枢反应。为了减小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标有最高转速和最小负载电阻。磁路饱和时，电枢反应有去磁效应。负载电阻越小或转速越高，去磁效应越强。图2-3电枢反应对输出特性的影响二、直流测速发电机的误差及其减小方法为改善输出特性，必须削弱电枢反应的去磁影响，尽量使电机的气隙磁通保持不变。常采用下列措施：（1）对电磁式直流测速发电机，可以在定子磁极上安放补偿绕组；（2）设计时应选取较小的线负荷，并适当加大电机的气隙；（3）使用时，负荷电阻不应小于规定值。2.电刷接触压降对输出特性的影响考虑到电刷接触电压的影响，输出特性的方程式可改写为bWaaaaaaΔURIERIEU)/1/()Δ(LWbeaRRUnCU即图2-4电刷接触电压)(ΔabifU图2-5考虑电刷接触压降后的输出特性接触电压的影响导致输出特性存在不灵敏区。减小影响措施采用接触压降小的电刷。二、直流测速发电机的误差及其减小方法3.温度的影响在应用中，发电机本身会发热，而且环境温度也是变化的。导致励磁绕组电阻变化，将引起励磁电流和磁通的变化，使输出电压与转速之间不再是严格的线性关系。解决方法：⑴励磁回路串联阻值较大、温度系数很小的附加电阻R。⑵将磁路设计得比较饱和。（3）励磁回路并联一个热敏电阻。图2-6励磁绕组补偿电路二、直流测速发电机的误差及其减小方法4.纹波的影响根据，当为定值时，电刷两端输出不随时间变化的直流电动势。实际的电机输出电动势总是带有微弱的脉动，通常把这种脉动称为纹波。纹波系数是指在一定转速下，输出电压中交变分量的有效值与直流分量之比。引起脉动的原因很多：（1）转速的不稳定；（2）换向器表面粗糙，接触不良；（3）元件数不够足够多；（4）设计、工艺、材料等。nCEean、二、直流测速发电机的误差及其减小方法二、直流测速发电机的误差及其减小方法纹波电压的存在对于测速发电机是不利的，当用于转速控制或阻尼元件时，对纹波电压的要求较高，而在高精度的解算装置中则要求更高。减小纹波的措施：（1）元件数尽可能多，并为奇数；（2）使磁极的极弧宽度尽可能为整数倍电枢齿距。（3）保证定、转子的同心度。铁心采用旋转叠装法；（4）严格保证电刷位于中性线位置，减少电刷宽度；（5）采用银-石墨。目前国产测速发电机已做到纹波系数小于1%，国外高水平测速发电机纹波系数已降到0.1%以下。在图2-7中，B点为时实际输出特性的对应点。一般为1%~2%，对于较精密系统要求为0.1%~0.25%。三、直流测速发电机的主要性能指标1.线性误差它是在工作转速范围内，实际输出特性曲线与过OB的线性输出特性之间的最大差值与最高线性转速在线性特性曲线上对应的电压之比。mΔUmaxnmU%100ΔmmlUUmax65nnlll图2-7线性误差2.灵敏度灵敏度也称输出斜率，是指在额定励磁电压下，转速为1000r／min时所产生的输出电压。一般直流测速发电机空载时可达。测速发电机作为阻尼元件使用时，灵敏度是其重要的性能指标。3.最高线性工作转速和最小负载电阻是保证测速发电机工作在允许的线性误差范围内的两个使用条件。4.不灵敏区由电刷接触压降而导致输出特性斜率显著下降(几乎为零)的转速范围。该性能指标在超低速控制系统中是重要的。V)20~10(maxnLminRdznbΔU三、直流测速发电机的主要性能指标5.输出电压的不对称度指在相同转速下，测速发电机正、反转时，输出电压绝对值之差与两者平均值之比，即输出电压不对称是电刷不在几何中性线上或剩余磁通存在造成的。一般在0.35%~2%范围内，对要求正、反转的控制系统需考虑该指标。6.纹波系数测速发电机在一定转速下，输出电压中交流分量的有效值与直流分量之比。目前可做到＜1%，高精度速度伺服系统对该指标的要求较高。主要性能指标是选择直流测速发电机的依据。2ΔUavU%100Δav2asUUKasKαKαK三、直流测速发电机的主要性能指标2.3交流测速发电机交流测速发电机分为同步测速发电机和异步测速发电机两大类。同步测速发电机定子输出绕组感应电动势的大小和频率都随转速n的变化而变化，不宜用于自动控制系统中。目前在自控系统中广泛应用的是空心杯转子异步测速发电机。同步测速发电机：永磁式、感应子式和脉冲式三种。一、测速发电机的分类二、异步测速发电机结构特点异步测速发电机的定子上有两相正交绕组，其中一相接电源励磁，另一相则用作输出电压信号。2.3交流测速发电机鼠笼转子异步测速发电机，结构简单，但性能较差；空心杯形转子异步测速发电机性能好，是目前应用最广泛的一种交流测速发电机。图2-8杯形转子感应测速发电机结构转子有鼠笼式和非磁性空心杯式两种。三、交流测速发电机工作原理定子为励磁绕组，为正交的输出绕组。转子为非磁空心杯，杯壁可看成是无数条鼠笼导条紧密靠在一起排列而成。fN2N三、交流测速发电机工作原理n=0时，输出电压U2=0图2-9感应测速发电机工作原理时，→→→，其大小为0nfUfIf0frf0EE、f0fwf1f044.4NkfEf0rwr1fr44.4NkfE当忽略励磁绕组的电阻和漏电抗时，，即一定时，也保持不变。由于脉振轴线与输出绕组正交，不在中产生电动势。也就是当时，输出电压。f0f0fEUfUf0f02N2N0n02U转子转速为n时，U2∝n当转子以转速n旋转时，转子导体切割励磁磁场产生旋转电动势，其大小为三、交流测速发电机工作原理nknpNkNkfEf01f0rwrf0rwrvrv6044.444.422rvrvEIE6044.4rwr1pNkknEf0rv为电动势常数。，旋转电动势频率为f。rvIrXrvIrvE因导条的电阻较大，其漏电抗可以忽略，因而转子电流与电动势相位相同。输出电压的频率为励磁电源频率，有效值正比与转速。图2-10感应测速发电机工作原理2NnEU0f22knU2忽略中的漏阻抗压降时，或四、测速发电机的输出特性感应测速发电机的输出特性是指当转轴上有转速信号n输入时，定子输出电压的大小和相位随转速的变化关系，分别称为电压幅值特性和电压相位特性。1.电压幅值特性理想状态下测速发电机的输出特性为过原点的一条直线，实际特性由于各绕组漏阻抗和磁通等都有些变化，使输出电压的大小与转速不是严格的直线关系。图2-11电压幅值特性)(2nfU电压幅值特性是指当励磁电压和频率f为常数时，感应测速发电机输出电压与转速n间的函数关系，即fU2U2.电压相位特性电压相位特性是指当励磁电压和频率f为常数时，感应测速发电机输出电压与励磁电压之间的相位差与输入转速n间的函数关系，即。在自动控制系统中，希望测速发电机的输出电压和励磁电压相位相同。实际上，测速发电机的输出电压和励磁电压之间总是存在着相位移，并且相位移的大小随着转速的改变而变化。图2-12电压相位特性fU2UfU)(nf四、测速发电机的输出特性五、产生误差的原因及改进方法一、线性误差的定义图5-15线性误差感应测速发电机用作阻尼元件时，对线性误差的要求约为千分之几到百分之几；作为解算元件时，约为万分之几到千分之几。目前高精度感应测速发电机线性误差为0.05%左右。%1002mmaxlUU)2/3(bmaxUn，b点直轴磁通的变化（a）励磁绕组的漏阻抗的影响。考虑之后励磁绕组的电压平衡方程式为转速n变化→转子导条电流变化→励磁电流变化→变化→磁通变化。fZfZffffZIEUrIfIffZIf（b）转子绕组漏抗引起的直轴去磁效应。忽略漏电抗时，磁通与在空间上正交。当考虑时，电流将在时间相位上落后一个角度。电流所产生的磁通在空间与不正交，可将其分解成交轴分量和直轴分量。与是反方向的，起去磁作用。图2-13转子漏电抗对的影响rxfrxrxrx2frIrvErI3f222f五、产生误差的原因及改进方法（c）交轴磁通在直轴上的去磁效应。当转子旋转时，转子导体切割交轴磁通，产生切割电动势和电流，产生的磁通在直轴上，方向与相反，其作用是去磁的。为了减小误差，应尽可能地减小励磁绕组的漏阻抗，并采用高电阻率材料制成非磁性杯形转子，最大限度地减小转子漏电抗，增大转子电阻。图2-14交轴磁通对的影响2f22rvErvIrvI2ffZrx五、产生误差的原因及改进方法二.剩余电压剩余电压是指感应测速发电机在励磁绕组接额定励磁电压，转子静止时输出绕组中所产生的电压。⑴剩余电压产生的原因主要由两部分组成，一部分是固定分量，其大小与转子位置无关；另一部分是交变分量，其值与转子位置有关，当转子位置变化时，其值作周期性变化。图2-15剩余电压的固定分量和交变分量五、产生误差的原因及改进方法(a)固定分量固定分量产生的原因主要是两相绕组不正交、磁路不对称、绕组匝间短路、铁心片间短路以及绕组端部电磁耦合等。图2-16两绕组不正交图2-17气隙不均匀五、产生误差的原因及改进方法(b)交变分量产生交变分量的原因主要是由于转子电的不对称性所引起的。如转子杯材料不均匀，杯壁厚度不一致等。实际上非对称转子作用相当于一个对称转子加上一个短路环的作用。对称转子不产生剩余电压，而短路环会引起剩余电压。当电机是四极时，由于转子和磁路的非对称性所引起的剩余电压可减到最小。图2-18剩余电压的交变分量图2-19四极电机的剩余电压五、产生误差的原因及改进方法(2)剩余电压对系统的影响剩余电压的相位与励磁电压的相位也是不同的，可将分解为两个分量：一个相位与相同的称为同相分量；另一个相位与成90°的称为正交分量。剩余电压的同相分量将使系统产生误动作而引起系统的误差，正交分量会使放大器饱和及伺服电动机温升增高。由于导磁材料的磁导率不均匀、电机磁路饱和等原因，在剩余电压中还会出现高于电源频率的高次谐波分量，它也会使放大器饱和及伺服电动机温升增高。图2-20剩余电压的同相和正交分量rUfUrUfUrsUfUrqU五、产生误差的