第2章-測速發(fā)電機

控制電機課程介紹專業(yè)必修課

學

分：1.5學

時：24（課堂講授）知識體系講課測速發(fā)電機4

伺服電動機4

步進電動機6

無刷直流電動機6

自整角機4

合計24

第一章緒論1、什么是控制電機2、控制電機的種類和特點3、控制電機的應用及發(fā)展什么是控制電機

在各類自動控制系統(tǒng)、遙控和解算裝置中，復雜控制系統(tǒng)中有各種各樣的元件，控制電機就是其中的一個重要元件，它具有執(zhí)行、檢測和解算功能控制電機的種類和特點普通電機

直流電動機

異步電機

同步電機控制電機

（執(zhí)行元件）

直流伺服交流伺服步進無刷直流

（測量元件）

自整角機測速發(fā)電機旋轉變壓器第2章測速發(fā)電機2.1概述2.2直流測速發(fā)電機2.3交流測速發(fā)電機2.4測速發(fā)電機的選擇及應用舉例2.1概述測速發(fā)電機是一種把輸入的轉速信號轉換成輸出電壓信號的機電式信號元件。它的輸出電壓與轉速成正比關系，即Ua=Kn。要求：A輸入輸出嚴格的正比線性關系；

B輸出電壓的脈動性要??；

C溫度系數(shù)??；

D一定轉速下，輸出電壓盡可能大；

E正反轉時輸出電壓對稱一致

F靈敏度高、安全可靠

測速發(fā)電機的輸出電壓能表征轉速，因而可用來測量轉速；測速發(fā)電機的輸出電壓正比于轉子轉角對時間的微分，在解算裝置中可以把它作為微分或積分元件。變換/處理(控制器)執(zhí)行機構被控對象檢測裝置(傳感器)-＋輸出輸入裝置比較2.1概述自動控制系統(tǒng)對測速發(fā)電機的基本要求是：⑴輸出電壓應與轉速成正比且比例系數(shù)要大；⑵轉動慣量小。此外，還要求它對無線電通訊干擾小、噪聲低、工作可靠等。

測速發(fā)電機分類2.2直流測速發(fā)電機二、輸出特性三、誤差及其減小方法四、主要性能指標一、結構及其工作原理直流測速發(fā)電機基本結構

定子鐵心和勵磁繞組

電樞鐵心和電樞繞組

換向器換向片和電刷結構簡單、體積小，溫度系數(shù)差結構復雜、體積略大磁路電路改變電樞電壓方向，電壓引出直流測速發(fā)電機基本結構

永磁式：定子磁極由永久磁鋼做成，沒有勵磁繞組。

電磁式：定子勵磁繞組由外電源供電，通電時產(chǎn)生磁場。

永磁式優(yōu)點：結構簡單，不需勵磁電源，溫度變化對勵磁磁通的影響小。永磁式缺點：材料價格較貴。電磁式優(yōu)缺點：結構復雜、體積略大

電樞繞組在磁場中轉動產(chǎn)生感應電勢，經(jīng)換向器變換后，輸出與轉速成正比的直流電壓。直流測速發(fā)電機工作原理

換向器的作用是保證轉動方向不變時，電刷輸出的直流電壓極型不變。直流測速發(fā)電機工作原理按勵磁方式不同，直流測速發(fā)電機可分為電磁式和永磁式兩大類。其結構和工作原理與普通直流發(fā)電機基本相同。二、輸出特性輸出特性是指輸出電壓Ua與輸入轉速n

之間的函數(shù)關系。

直流測速發(fā)電機原理電路當直流測速發(fā)電機的輸入轉速為n，且勵磁磁通恒定不變時，電樞電動勢為當接負載時，電壓平衡方程式為

可見，只要保持Φ、Ra、RL不變，Ua與n之間就成正比關系。當負載RL變化時，將使輸出特性斜率發(fā)生變化。改變轉子轉向，Ua的極性隨之改變。由于負載電流Ia=Ua/RL

，可得

不同負載時的理想輸出特性三、直流測速發(fā)電機的誤差及其減小方法1.電樞反應的影響2.延遲換向的影響3.溫度的影響4.紋波的影響5.電刷接觸壓降對輸出特性的影響在實際運行中，Ua~n之間并不能嚴格地保持正比關系，即存在誤差。產(chǎn)生誤差的主要原因：1.電樞反應的影響當發(fā)電機帶上負載后，電樞中有電流Ia通過，故產(chǎn)生電樞磁場。電樞磁場的大小與電樞電流Ia有關，方向與勵磁磁場正交。由于電樞磁場的存在，使氣隙中的合成磁場產(chǎn)生畸變，這種作用稱為電樞反應。電樞反應影響分析：

直流測速發(fā)電機磁場電樞磁場勵磁磁場氣隙合成磁場如果電機的磁路不飽和(即磁路為線性)，磁場的合成就可以應用疊加原理。例如，N極右半個極下的合成磁通等于1/2主磁通與1/2電樞磁通之和，左半個極下的合成磁通等于1/2主磁通與1/2電樞磁通之差。因此，N極左半個極的削弱和右半個極的加強相互抵消，整個極的磁通保持不變，僅僅磁場的分布發(fā)生了變化。磁路飽和時，電樞反應有去磁效應。負載電阻越小或轉速越高，去磁效應越強。為了減小電樞反應對輸出特性的影響，在直流測速發(fā)電機的技術條件中標有最高轉速和最小負載電阻。

電樞反應對輸出特性的影響2.延遲換向的影響換向元件中總電動勢為eK=eL+ea。eK阻礙電流變化，使換向延遲，稱延遲換向。由于換向元件被電刷短路，eK在換向元件中產(chǎn)生與其方向一致的附加電流ik，ik產(chǎn)生磁通ΦK，ΦK對主磁通起去磁作用。

換向元件中的電動勢方向eL自感電動勢ea運動電動勢

換向元件中的電動勢方向分析表明eL∝n2，ea∝n2，因此ΦK∝n2。通常用限制最高轉速的措施來減小延遲換向去磁效應的影響。延遲換向對輸出特性的影響3.溫度的影響在應用中，發(fā)電機本身會發(fā)熱，而且環(huán)境溫度也是變化的。導致勵磁繞組電阻變化，將引起勵磁電流和磁通的變化，使輸出電壓與轉速之間不再是嚴格的線性關系。解決方法：⑴勵磁回路串聯(lián)熱敏電阻并聯(lián)網(wǎng)絡。⑵勵磁回路串聯(lián)阻值較大、溫度系數(shù)很小的附加電阻R。溫度變化時，回路總電阻變化小。⑶將磁路設計得比較飽和。電流變化時，磁通變化小。

勵磁繞組補償電路4.紋波的影響根據(jù)Ea=CaФn，當Ф、n為定值時，電刷兩端輸出不隨時間變化的直流電動勢。實際的電機輸出電動勢總是帶有微弱的脈動，通常把這種脈動稱為紋波。紋波的大小和頻率與電樞繞組的元件數(shù)有關，元件數(shù)越多，其脈動的頻率越高，幅值越小。紋波電壓的存在對于測速發(fā)電機是不利的，當用于轉速控制或阻尼元件時，對紋波電壓的要求較高，而在高精度的解算裝置中則要求更高。紋波系數(shù)是指在一定轉速下，輸出電壓中交變分量的有效值與直流分量之比。目前國產(chǎn)測速發(fā)電機已做到紋波系數(shù)小于1%，國外高水平測速發(fā)電機紋波系數(shù)已降到0.1%以下?！鱑b的變化規(guī)律

電刷接觸電壓5.電刷接觸壓降△Ub對輸出特性的影響考慮到電刷接觸電壓的影響，輸出特性的方程式可改寫為Rw除電刷接觸外的總電阻

考慮電刷接觸壓降后的輸出特性接觸電壓的影響

導致輸出特性存在不靈敏區(qū)。減小影響措施采用接觸壓降小的電刷。四、直流測速發(fā)電機的主要性能指標線性誤差2.靈敏度3.最高線性工作轉速和最小負載電阻4.不靈敏區(qū)5.輸出電壓的不對稱度6.紋波系數(shù)線性誤差δ它是在工作轉速范圍內(nèi)，實際輸出特性曲線與理想輸出之間的最大差值△Um與最高線性轉速nmax在線性特性曲線上對應的電壓Um之比。在圖中，B點為時實際輸出特性的對應點。一般δ1為1%~2%，對于較精密系統(tǒng)要求δ1為0.1%~0.25%。

線性誤差2.靈敏度靈敏度也稱輸出斜率，是指在額定勵磁電壓下，轉速為1000r／min時所產(chǎn)生的輸出電壓。一般直流測速發(fā)電機空載時可達(10~20)V。測速發(fā)電機作為阻尼元件使用時，靈敏度是其重要的性能指標。3.最高線性工作轉速nmax和最小負載電阻RLmin是保證測速發(fā)電機工作在允許的線性誤差范圍內(nèi)的兩個使用條件。4.不靈敏區(qū)ndZ由電刷接觸壓降ΔUb而導致輸出特性斜率顯著下降(幾乎為零)的轉速范圍。該性能指標在超低速控制系統(tǒng)中是重要的。5.輸出電壓的不對稱度Kub指在相同轉速下，測速發(fā)電機正、反轉時，輸出電壓絕對值之差ΔU2與兩者平均值Uav之比，即輸出電壓不對稱是電刷不在幾何中性線上或剩余磁通存在造成的。一般在0.35%~2%范圍內(nèi)，對要求正、反轉的控制系統(tǒng)需考慮該指標。6.紋波系數(shù)Ku測速發(fā)電機在一定轉速下，輸出電壓中交流分量的有效值與直流分量之比。目前可做到Ku＜1%，高精度速度伺服系統(tǒng)對該指標的要求較高。主要性能指標是選擇直流測速發(fā)電機的依據(jù)。本節(jié)重點直流測速發(fā)電機的結構和工作原理直流測速發(fā)電機的輸出特性、特性曲線、電壓平衡方程式。輸出誤差產(chǎn)生的原因、減小方法、性能指標2.3交流測速發(fā)電機一、結構特點二、工作原理三、輸出特性四、主要技術指標及誤差分析分類同步測速發(fā)電機—永磁式、感應式、脈沖式異步測速發(fā)電機—籠型轉子、杯型轉子一、結構特點感應測速發(fā)電機的定子上有兩相正交繞組，其中一相接電源勵磁，另一相用作輸出電壓信號。

杯形轉子異步測速發(fā)電機結構空心杯形轉子異步測速發(fā)電機性能好，是目前應用最廣泛的一種交流測速發(fā)電機。

二、工作原理定子Nf為勵磁繞組，N2為正交的輸出繞組。轉子為非磁空心杯，杯壁可看成是無數(shù)條鼠籠導條緊靠在一起排列而成。

空心杯形轉子感應測速發(fā)電機工作原理當轉子不動n=0時，輸出電壓U2=0n=0時，在勵磁繞組加頻率為f1的勵磁電壓，勵磁繞組中就有電流通過，并在內(nèi)外定子間的氣隙中產(chǎn)生頻率為f1的脈振磁場。脈振磁場軸線與勵磁繞組軸線一致，它所產(chǎn)生的脈振磁通與勵磁繞組和轉子導體相匝鏈并交變。這時勵磁繞組與轉子間如同變壓器原、副邊間的情況一樣。假如忽略勵磁繞組的電阻及漏抗，由變壓器的電壓平衡方程式，電源電壓Uf與勵磁繞組中的感應電勢Ef0相平衡，電源電壓的值近似地等于感應電勢的值，即

Uf≈Ef0

由于感應電勢Ef0∝Φf0，故

Φf0∝Uf

所以當電源電壓一定時，磁通Φf0也保持不變。下圖是某一瞬間磁通Φf0的極性。由于勵磁繞組與輸出繞組相互垂直，因此磁通Φf0與輸出繞組N2的軸線也互相垂直。這樣，磁通Φf0就不會在輸出繞組N2中感應出電勢，所以n=0時，輸出繞組N2沒有電壓輸出。當轉子以轉速n轉動時，若仍忽略R1及X1，則沿勵磁繞組軸線脈振的磁通不變。由于轉子的轉動，轉子杯導體就要切割磁通產(chǎn)生切割電勢ERV，同時產(chǎn)生電流IRV。假設勵磁繞組中通入的是直流電，那末這時它所產(chǎn)生的磁場是恒定不變的，這相當于直流電機，直流電機每個極下轉子導條切割電勢的平均值為

E

RV=Bplv

式中，Bp為磁通密度的平均值。

轉子轉速為n時，U2∝n由于每極磁通Φf0=Bplτ及v=πDn/60(τ為極距，D為定子內(nèi)徑；l為定、轉子鐵心長度)，因此導條電勢

ERV∝Φf0n

由于杯形轉子導條電阻RR比漏抗大得多，當忽略導條漏抗的影響時，導條中電流與此同時，流過轉子導體中的電流IRV又要產(chǎn)生磁通Φ2，Φ2的值與電流IRV成正比，即

Φ2∝IRV

考慮式ERV∝Φf0n及IRV=ERV/RR得

Φ2∝Φf0n

因此Φ2與n成正比，且交變的，交變頻率f1一樣。不管轉速如何，轉子杯上半圓導體與下半圓導體電流方向總相反，因此，轉子切割電流IRV

產(chǎn)生的磁通Φ2總是與磁通Φf0垂直，與輸出繞組N2的軸線方向一致。當磁通Φ2交變時，就要在輸出繞組N2中感應出電勢，產(chǎn)生測速發(fā)電機輸出電壓U2，它的值正比于Φ2，即

U2

∝Φ2

再將Φ2∝Φf0n代入，得

U2∝Φf0n

再將Φf0∝U1代入，就得

U2∝U1n這就是說，當勵磁繞組加上電源電壓U1，電機以轉速n旋轉時，測速發(fā)電機的輸出繞組將產(chǎn)生輸出電壓U2，其值與轉速n成正比。當轉向相反時，由于轉子中的切割電勢、電流及其產(chǎn)生的磁通的相位都與原來相反，因而輸出電壓U2的相位也與原來相反。這樣，異步測速發(fā)電機就可以很好地將轉速信號變成為電壓信號，實現(xiàn)測速的目的。由于磁通Φ2是以頻率f1在交變的，因此輸出電壓U2也是交變的，其頻率等于電源頻率f1，與轉速無關。以上是一臺理想測速發(fā)電機的情況。實際異步測速發(fā)電機的性能并沒有這么理想，由于許多因素的存在，會使測速發(fā)電機產(chǎn)生各種誤差。三、異步測速發(fā)電機的輸出特性1.電壓幅值特性2.電壓相位特性

輸出特性是指當轉軸上有轉速信號n輸入時，定子輸出電壓的大小和相位隨轉速的變化關系，分別稱為電壓幅值特性和電壓相位特性。1.電壓幅值特性電壓幅值特性是指當勵磁電壓和頻率f1為常數(shù)時，感應測速發(fā)電機輸出電壓U2與轉速n間的函數(shù)關系，即U2=f(n)。

電壓幅值特性理想狀態(tài)下測速發(fā)電機的輸出特性為過原點的一條直線，實際特性由于各繞組漏阻抗和磁通等都有變化，使輸出電壓的大小與轉速不是嚴格的直線關系。電壓幅值特性2.電壓相位特性電壓相位特性是指當勵磁電壓Uf和頻率f1為常數(shù)時，感應測速發(fā)電機輸出電壓U2與勵磁電壓Uf間的相位差?與輸入轉速n間的函數(shù)關系，即?=f(n)。

電壓相位特性在自動控制系統(tǒng)中，希望測速發(fā)電機的輸出電壓和勵磁電壓相位相同。實際上，它們間總存在著相位移，并且相位移的大小隨著轉速的改變而變化。

電壓相位特性四、感應測速發(fā)電機的主要技術指標及誤差分析1.線性誤差及分析2.相位誤差及分析3.剩余電壓4.輸出斜率1.線性誤差及分析⑴線性誤差的定義

線性誤差b點ΔUmax

為實際輸出電壓與線性輸出電壓的最大差值；U2m為對應于最大轉速nmax

(技術條件上有規(guī)定)的線性輸出電壓。感應測速發(fā)電機用作阻尼元件時，對線性誤差的要求約為千分之幾到百分之幾；作為解算元件時，約為萬分之幾到千分之幾。目前高精度感應測速發(fā)電機線性誤差為0.05%左右。⑵線性誤差產(chǎn)生的原因（a）勵磁繞組的漏阻抗Zf的影響。開始時，假設忽略勵磁繞組電阻Rf及漏抗Zf，認為Uf≈Ef，并由此得出電機轉動時與不動時沿著勵磁繞組軸線方向脈振的磁通保持不變，都為Φf0。但實際上Rf和Zf都是存在的，這時在電機中，除了通過氣隙同時匝鏈勵磁繞組與轉子導體的主磁通外，還存在著只匝鏈勵磁繞組本身，而不與轉子導體相匝鏈的漏磁通Φσ1.

主磁通和漏磁通與漏磁通Φσ1相對應的就是勵磁繞組漏抗Zf，同時勵磁繞組還有電阻Rf，因此，這時電源電壓Uf與電勢Ef及漏阻抗壓降相平衡，電壓平衡方程式為：由于感應電勢Ef的值正比于磁通Φf的值，而相位落后90°，因此可寫成將式上式代入式得因而式中，K1為比例常數(shù)。若采用比例復常數(shù)K，使K=

jK1，則轉子漏電抗對Φf的影響n變化→導條電流變化→勵磁電流變化→Φf磁通變化。（b）轉子繞組漏抗Xr引起直軸去磁效應。忽略Xr時，磁通Ф2與Фf正交。當考慮Xr時，電流īr3

落后èrv角度θ。Ir3的磁通Ф3與Фf不正交，可分解成Ф2和Ф2’。Ф2’與Фf反向，起去磁作用。圖5-16轉子漏電抗Xr對?f的影響（c）交軸磁通Ф2在直軸上的去磁效應。當轉子旋轉時，導體切割Ф2

，產(chǎn)生切割電動勢Erv’和電流Irv’，Irv’產(chǎn)生的磁通Ф2’’在直軸上，方向與Фf相反，作用去磁。為減小線性誤差，應盡可能減小勵磁繞組的漏阻抗Zf，并采用高電阻率材料制成非磁性杯形轉子，最大限度地減小轉子漏電抗。Ф2對Фf的影響2.相位誤差及分析⑴輸出相位移和相位誤差輸出相位移：感應測速發(fā)電機輸出電壓與勵磁電壓間的相位差，稱感應測速發(fā)電機的輸出相位移。輸出相位移隨轉速的改變而變化，國標規(guī)定，在額定勵磁電壓下，電機以補償點b的轉速旋轉時，輸出電壓的基波分量與勵磁電壓的基波分量之相位差作為輸出相位移。一般5°~30°。

電壓相位特性相位誤差：在額定勵磁電壓條件下，電機在最大線性工作轉速范圍內(nèi)，輸出電壓基波分量相位隨轉速的變化值Δ?稱相位誤差。一般為0.5°~1°。電壓相位特性3.剩余電壓剩余電壓是指感應測速發(fā)電機在勵磁繞組接額定勵磁電壓，轉子靜止時輸出繞組中所產(chǎn)生的電壓。⑴剩余電壓產(chǎn)生原因主要由兩部分組成，一是固定分量，其大小與轉子位置無關；另一是交變分量，其值與轉子位置有關，當轉子位置變化時，其值作周期性變化。剩余電壓固定和交變分量(a)固定分量固定分量產(chǎn)生的原因主要是兩相繞組不正交、磁路不對稱、繞組匝間短路、鐵心片間短路以及繞組端部電磁耦合等。

兩繞組不正交氣隙不均勻(b)交變分量產(chǎn)生交變分量原因：轉子結構的不對稱性所引起的。如轉子杯材料不均勻，杯壁厚度不一致等。實際上非對稱轉子作用相當于一個對稱轉子加上一個短路環(huán)的作用。

剩余電壓的交變分量4.輸出斜率輸出斜率是在額定勵磁電壓下，轉速為1000r／min時測速發(fā)電機的輸出電壓。輸出斜率越大，測速發(fā)電機的靈敏度就越高。與直流測速發(fā)電機相比，交流測速發(fā)電機的輸出斜率比較小，一般為（0.5~5）V。輸出斜率2.4測速發(fā)電機的選擇及應用舉例2.4.1選用的基本原則2.4.2應用舉例2.4測速發(fā)電機的選擇及應用舉例2.4.1選用的基本原則選用測速發(fā)電機時，應根據(jù)系統(tǒng)的頻率、電壓、工作速度范圍和在系統(tǒng)中所起的作用來選。例如：作解算元件時考慮線性誤差要小、輸出電壓的穩(wěn)定性要好；作一般