第2章_直流测速发电机(1)概要

第一章直流测速发电机第2章直流测速发电机从物理本质来说，是一种测量转速的微型直流发电机；从能量转换的角度看，把机械能转换成电能，输出直流电；从信号转换的角度看，把转速信号转换成与转速成正比的直流电压信号输出，因而可以用来测速，故称为测速发电机。第一章直流测速发电机2.2直流电势的关系式定义：从一对正负电刷间引出的直流电动势。就是一条支路内所有串联导体的电动势之和，等于一根导体在一个极距内切割磁力线产生的平均电动势eɑv乘上一条支路的总导体数N/2ɑ,所以：公式：nCnpllaNvlBaNeaNEeavava602222其中apNCe60称电动势常数，Φ为每极磁通。第一章直流测速发电机2.3直流测速发电机及其输出特性2.3.1直流测速发电机的型式按照励磁方式划分，直流测速发电机有两种型式。1.永磁式永磁式直流测速发电机的定子磁极由永久磁钢做成，没有励磁绕组，以图2-15所示的符号表示。第一章直流测速发电机电磁式直流测速发电机的定子励磁绕组由外部电源供电，通电时产生磁场，以图2-16所示的符号表示。图2-15永磁式直流测速发电机2.电磁式第一章直流测速发电机图2-16电磁式直流测速发电机第一章直流测速发电机2.3.2自控系统对直流测速发电机的要求自动控制系统对其元件的要求，主要是精确度高(2)、灵敏度高(1,3,4,5)、可靠性好等。据此，直流测速发电机在电气性能方面应满足以下几项要求：(1)输出电压与转速的关系曲线(称为输出特性)应为线性，如图2-17所示；(2)输出特性的斜率要大；(3)温度变化对输出特性的影响要小；第一章直流测速发电机(4)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；(5)正、反转两个方向的输出特性要一致。图2-17测速发电机的理想输出特性第一章直流测速发电机在2.2节中已经推导了直流电势公式:Ea=CeΦn当每极总磁通Φ为常数时，则Ea∝n2.3.3输出特性即输出电势与转速成正比。测速发电机电刷两端接上负载电阻RL后，RL两端的电压才是输出电压。第一章直流测速发电机由下图可知，负载时测速发电机的输出电压等于感应电势减去它的内阻压降，即Ua=Ea-IaRa(2-12)此式称为直流发电机电压平衡方程式。式中，Ra为电枢回路的总电阻，它包括电枢绕组的电阻、电刷和换向器之间的接触电阻；Ia为电枢总电流，且有LaaRUI(2-13)转接负载第一章直流测速发电机将式(2-13)代入式(2-12)得aLaaaRRUEU经化简后为nRRCRREULaeLaa11(2-14)返回重点第一章直流测速发电机式(2-14)是负载时输出电压与转速的关系。如果式中Φ、Ra和RL都能保持为常数，则Ua与n之间仍呈线性关系，只不过是随着负载电阻的减小，输出特性的斜率变小而已，如图2-19所示。但该图是理想情况下，即Φ、Ra不变，RL为一定时的输出特性。实际上，测速发电机的输出特性Ua=f(n)不是严格地呈线性特性，实际特性与要求的线性特性间存在误差。下一节将分析引起误差的原因和减小误差的方法。转图2-19第一章直流测速发电机图2-18直流测速发电机接上负载返回第一章直流测速发电机图2-19不同负载电阻时的理想输出特性LaeLaaRRnCRREU11返回第一章直流测速发电机2.4直流测速发电机的误差及其减小的方法2.4.1温度影响得出Ua=f(n)为线性关系的条件之一是励磁磁通Φ为常数。实际上，电机周围环境温度的变化以及电机本身发热(由电机各种损耗引起)都会引起电机绕组电阻的变化。当温度升高时，励磁绕组电阻增大，励磁电流减小，磁通也随之减小，输出电压就降低。反之，当温度下降时，输出电压便升高。第一章直流测速发电机减少温度影响的措施：①测速发电机磁路通常被设计的比较饱和，磁路饱和后励磁电流变化引起的磁通变化较小；②励磁回路串一个阻值比励磁绕组电阻大几倍的附加电阻来稳流；③对温度变化引起误差要求比较严格的场合，可在励磁回路中串联负温度系数的热敏电阻并联网络。第一章直流测速发电机2.4.2电枢反应影响电机空载时，只有励磁绕组产生的主磁场。电机负载时，电枢绕组中流过电流也要产生磁场，称为电枢磁场。所以，负载运行时，电机中的磁场是主磁场和电枢磁场的合成。直流电机磁场减少电枢反应影响的措施：在直流测速发电机的技术条件中给出最大线性工作转速和最小负载电阻值。maxn第一章直流测速发电机直流电机磁场返回第一章直流测速发电机2.4.3延迟换向去磁换向元件所处几何中性线处主磁场为零，但电枢磁场a正好穿过换向元件，换向元件切割产生的电动势a旋转电动势ae换向过程：被电刷短路的换向元件，从短路开始到短路结束，从一条支路转换到另一条支路，其电流从ii的变化过程。第一章直流测速发电机电抗电动势re自感电动势Le互感电动势MenIer阻碍换向延迟换向：在合成rakeee作用下，在换向元件经电刷短路kiLi而成的闭合回路中产生的环流附加到换向电流使换向元件电流改变方向时间比直线换向延迟。第一章直流测速发电机延迟换向去磁：附加电流与总电势方向一致，产生的磁通与主磁通方向相反，对主磁通有去磁作用，这样的去磁作用叫延迟换向去磁。kikekikΦ减少延迟换向去磁影响的措施：为改善线性度，对小容量测速机一般采取限制转速的措施来削弱延迟换向去磁作用，这一点与限制电枢反应去磁作用的措施是一致的，即规定了最高工作转速。第一章直流测速发电机根据Ea=CeΦn,当Φ、n为定值时，电刷两端应输出不随时间变化的稳定的直流电势。然而，实际的电机并非如此，其输出电势总是带有微弱的脉动，通常把这种脉动称为纹波。2.4.4纹波第一章直流测速发电机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。由于电枢槽数及电枢元件数有限，在输出电势中将引起脉动。当然，增加每条支路中的串联元件数可以减小纹波。但是由于工艺所限，电机槽数、元件数及换向片数不可能无限增加，因此产生纹波是不可避免的。同时，由于电枢铁心有齿有槽，以及电枢铁心的椭圆度、偏心等等，也会使输出电势中纹波幅值上升。第一章直流测速发电机纹波电压的存在对于测速机用于阻尼或速度控制都很不利，实用的测速机在结构和设计上都采取了一定的措施来减小纹波幅值。例如，无槽电枢直流电机可以大大减小因齿槽效应而引起的输出电压纹波幅值，与有槽电枢相比，输出电压纹波幅值可以减小五倍以上。减少纹波影响的措施：第一章直流测速发电机Ua=f(n)为线性关系的另一个条件是电枢回路总电阻Ra为恒值。实际上，Ra中包含的电刷与换向器的接触电阻不是一个常数。为了考虑此种情况对输出特性的影响，我们把电压方程式Ua=Ea-IaRa改写为Ua=Ea-IaRw-ΔUb。其中Rw为电枢绕组电阻；ΔUb为电刷接触压降。这样，式(2-14)也可改写为LWbeaRRUnCU1转2-142.4.5电刷接触压降第一章直流测速发电机电刷接触压降ΔUb与下述因素有密切关系:①电刷和换向器的材料；②电刷的电流密度；③电流的方向；④电刷单位面积上的压力；⑤接触表面的温度；⑥换向器圆周线速度；⑦换向器表面的化学状态和机械方面的因素，等等。第一章直流测速发电机换向器圆周线速度对ΔUb影响较小，在小于允许的最大转速范围内，可认为速度不会引起ΔUb的变化。但是随着转速的升高，电枢电流Ia增大，电刷电流密度增加。当电刷电流密度较小时，随着电流密度的增加，ΔUb也相应地增大。当电流密度达到一定数值后，ΔUb几乎等于常数。一般情况下，电流自换向器流向电刷时电刷压降较大，因此，通常直流机的接触压降ΔUb是指正负电刷下的总压降。第一章直流测速发电机图2-27考虑电刷接触压降后的输出特性第一章直流测速发电机根据式(2-15)以及上述ΔUb和电流密度的关系，就可以得出考虑电刷接触压降后直流测速发电机的输出特性，如图2-27所示。由图2-27可见，在转速较低时，输出特性上有一段斜率显著下降的区域。此区域内，测速机虽有输入信号(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。第一章直流测速发电机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银—石墨电刷。在高精度的直流测速发电机中还采用铜电刷，并在它与换向器接触的表面上镀上银层，使换向器不易磨损。电刷和换向器的接触情况还与化学、机械等因素有关，它们引起电刷与换向器滑动接触的不稳定性，以致使电枢电流含有高频尖脉冲。为了减少这种无线电频率的噪声对邻近设备和通讯电缆的干扰，常常在测速机的输出端连接滤波电路。减少电刷接触压降影响的措施：第一章直流测速发电机直流测速发电机的应用测速发电机在自动控制系统中作为测量或自动调节电动机转速之用；在随动系统中用来产生电压信号以提高系统的稳定性和精度；在计算解答装置中作为微分和积分元件。它还可以测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。第一章直流测速发电机测速发电机有交、直流两大类。由于直流测速机有电刷、换向器接触装置，使它的可靠性变差，精度也受到影响，因此在系统中使用交流异步测速机较为广泛(将在后续章节详述)。但是，与交流异步测速机相比，直流测速机具有输出电压斜率大，没有剩余电压(即转速为零时没有输出电压)，没有相位误差(励磁和输出电压之间没有相位移)，温度补偿容易实现等优点，所以在自动控制系统中的应用还是很广泛的。下面举例说明它在的用途。第一章直流测速发电机图2-28为恒速控制系统的原理图。负载是一个旋转机械。当直流伺服电动机的负载阻力矩变化时，电动机的转速也随之改变。为了使旋转机械在给定电压不变时保持恒速，在电动机的输出轴上耦合一测速发电机，并将其输出电压与给定电压相减后加入放大器，经放大后供给直流伺服电动机。图2-28对旋转机械作恒速控制电路结构第一章直流测速发电机②若负载阻力矩偶然变大，则电动机转速下降，测速机输出电压减小，给定电压和输出电压的差值变大，经放大后加给电动机的电压变大，电动机加速。这样，尽管负载阻力矩发生扰动，但由于该系统的调节作用，使旋转机械的转速变化很小，近似于恒速。给定电压取自恒压电源，改变给定电压便能达到所希望的转速。①当负载阻力矩由于某种偶然的因素减小，电动机的转速便上升，此时测速发电机的输出电压增大，给定电压与输出电压的差值变小，经放大后加到直流电动机的电压减小，电动机减速；电路分析第一章直流测速发电机图2-28恒速控制系统原理图返回第一章直流测速发电机直流测速发电机的性能指标直流测速发电机的主要性能指标列在下表中。第一章直流测速发电机表直流测速发电机主要性能指标第一章直流测速发电机第一章直流测速发电机第一章直流测速发电机直流测速发电机的发展趋势发展高灵敏度测速发电机近年来国外较重视发展永磁式高灵敏度直流测速发电机。这种电机直径大，轴向尺寸小，电枢元件数多，刷间的串联导体数多，因而输出电压斜率大，其灵敏度比普通测速机高1000倍。这种电机的换向器是用塑料或绝缘材料制成薄板基体，并在板面上印制换向片而构成的，因此换向片数很多；第一章直流测速发电机并且换向器固定在转轴的端面上，故称为印制电路端面换向器。由于这种电机的电枢元件数及换向片数比普通直流机多得多，因而纹波电压可以大大降低。例如美国Inland公司直径为250mm的产品，其速比范围为1∶3000,最低转速可低于1转每天，纹波系数小于0.1%，线性误差低于0.1%，灵敏度(即电压斜率)为10V/(r/min)，每天1转时的输出信号电压约7mV。国内已有高灵敏度测速发电机系列产品，其技术数据见下表。第一章直流测速发电机CYD系列直流高灵敏度测速发电机第一章直流测速发电机改进电刷与换向器的接触装置，发展无刷直流测速发电机直流测速发电机由于存在电刷和换向器，因而带来一系列缺点：(1)电刷和换向器的存在使电机结构比较复杂，维护比较困难，可靠性较差，并使应用环境受到限制。例如在高空、高真空中换向困难，在高温环境中容易起火等。第一章直流测速发电机(2)电刷与换向器的摩擦所引