第二章_測速發(fā)電機

第二章,測速發(fā)電機,基本內(nèi)容與重難點,直流測速發(fā)電機的結(jié)構(gòu)和分類；輸出特性；產(chǎn)生誤差的原因和改進(jìn)的方法。重點掌握直流測速發(fā)電機的輸出特性、產(chǎn)生的誤差的原因和改進(jìn)的方法。 交流測速發(fā)電機的結(jié)構(gòu)和分類；空心杯轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機的運行原理；輸出特性；產(chǎn)生誤差的原因及改進(jìn)方法。重點掌握空心懷轉(zhuǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)速的信號元件、它將輸入的機械轉(zhuǎn)速變換為電壓信號輸出。通常要求電機的輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系，如右圖所示。其輸出電壓關(guān)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(zhuǎn)子的電壓成正比，即正比于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)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(yīng)測速發(fā)電機,自控系統(tǒng)的要求,輸出特性呈正比關(guān)系并保持穩(wěn)定。即指測速發(fā)電機的輸出電壓與轉(zhuǎn)速保持嚴(yán)格的正比關(guān)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(zhuǎn)動慣星要小，以保證反應(yīng)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(zhuǎn)速的變化反應(yīng)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(xiàn)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(zhuǎn)切割磁通并產(chǎn)生感應(yīng)電勢。,電刷兩端引出的電樞感應(yīng)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(yīng)電勢相等，為： 負(fù)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(fù)載時的輸出特性是一組直線 對于不同的負(fù)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(fù)載電阻的減小而變小。,誤差產(chǎn)生的原因,實際上，直流測速發(fā)電機的輸出電壓與轉(zhuǎn)速之間并不是嚴(yán)格保持正比關(guān)系。其輸出特性曲線圖中的虛線。產(chǎn)生這種非線性誤差的原因主要有： 電樞反應(yīng) 電刷接觸壓降 溫度的影響 紋波影響,電樞反應(yīng)產(chǎn)生誤差的原因,產(chǎn)生的原因：因為直流測速發(fā)電機負(fù)載時存在電樞反應(yīng)去磁作用，電機的氣隙磁通就不再是常數(shù)，它將隨負(fù)載的大小(即電樞電流的大小)而改變，可以近似認(rèn)為： 負(fù)載時電樞繞組的感應(yīng)電勢為：,假設(shè)負(fù)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(dǎo)可得：,電樞反應(yīng)產(chǎn)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(yīng)的去磁作用，輸出電壓所引起的相對誤差為： 可見，當(dāng) 和 越大，輸出電壓的相對誤差就越小,電樞反應(yīng)誤差的改進(jìn),為改善輸出特性，必須削弱電樞反應(yīng)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(shè)計時，應(yīng)選取較小的線負(fù)荷，并適當(dāng)加大電機的氣隙 在使用時，負(fù)載電阻不應(yīng)小于規(guī)定值,電刷接觸壓降產(chǎn)生誤差的原因,設(shè)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(dāng)電機轉(zhuǎn)速較低，相應(yīng)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(dāng)轉(zhuǎn)速較高、電樞電流較大時，電刷壓降才可以認(rèn)為是常數(shù)。 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(zhuǎn)速較低時，電機的輸出特性上出現(xiàn)一個不靈敏區(qū)，即在這一轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，測速發(fā)電機雖有輸入信號（轉(zhuǎn)速），但輸出電壓很低。 圖中虛線為考慮了電樞反應(yīng)和電刷接觸壓降的影響后，直流測速發(fā)電機的輸出特性。可見，在低速時存在著不靈敏區(qū)；轉(zhuǎn)速較高時又向下彎曲。,電刷接觸壓降誤差的改進(jìn),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(chǎn)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(dǎo)致電樞繞組的感應(yīng)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(yīng)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(chǎn)生誤差的改進(jìn),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(lián)一個較大電阻值的附加電阻.附加電阻可用溫度系數(shù)較低的康銅或錳銅材料繞制而成.這樣當(dāng)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(yīng)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(shè)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(shù)是有限的,電樞繞組電勢應(yīng)是每一支路中有限個元件感應(yīng)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(shù)來衡量 紋波系數(shù)指電機在一定的轉(zhuǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)速有關(guān)，轉(zhuǎn)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(shè)計、工藝和材料方面的原因，如每支路對的元件數(shù)，齒槽效應(yīng)，氣隙不均勻，鐵心材料的導(dǎo)磁性能各向相異等 其中后兩項是主要因素,紋波產(chǎn)生誤差的改進(jìn),通常采取以下措施： 使每支路對的元件數(shù)盡可能多，并為奇數(shù)元件 使磁極的極弧寬度盡可能為整數(shù)倍電樞齒距；此外還可采用磁極橋和電樞斜槽結(jié)構(gòu) 電機加工時應(yīng)保證定、轉(zhuǎn)子的同心度，盡量減小橢圓度。鐵疊片可采用旋轉(zhuǎn)疊裝法。 嚴(yán)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(jié)構(gòu)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(yīng)子式和脈沖式 異步測速發(fā)電機的結(jié)構(gòu)和兩相伺服電動機相似。目前在自動控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的是空心杯轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機。,永磁式同步測速發(fā)電機,實質(zhì)：一臺單相永磁轉(zhuǎn)子同步發(fā)電機，定子繞組感應(yīng)的交變電勢大小和頻率都隨著輸出信號（轉(zhuǎn)速）而變化，即： 永磁式同步測速發(fā)電機因感應(yīng)電勢的頻率隨轉(zhuǎn)速而改變，致使電機本身的阻抗及負(fù)載阻抗均隨轉(zhuǎn)速而變化。因此，這種測速發(fā)電機的輸出電壓不再與轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系。盡管永磁式交流測速發(fā)電機結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)速計。,感應(yīng)子式同步測速發(fā)電機結(jié)構(gòu),感應(yīng)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(zhuǎn)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(yīng)出電勢。右為感應(yīng)子式測速發(fā)電機的原理性結(jié)構(gòu)圖。定、轉(zhuǎn)子鐵心均由高硅薄鋼片沖制疊成。定于內(nèi)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(jié)為三相對稱繞組。轉(zhuǎn)子外圓周上為24個均布齒槽。,感應(yīng)子式測速發(fā)電機原理（1）,當(dāng)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(zhuǎn)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(yīng)電勢。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動后，因定、轉(zhuǎn)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(chǎn)生交變電勢。當(dāng)轉(zhuǎn)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(yīng)有最大的氣隙磁導(dǎo)值。而當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過半個齒距后，使轉(zhuǎn)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(yīng)有最小的氣隙磁導(dǎo)值。以后便以此重復(fù)進(jìn)行。這樣定子輸出繞組所匝鏈的磁通大小也相應(yīng)發(fā)生周期性的變化，在其中便感應(yīng)出交流電勢。由以上分析可知，每當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過個齒距、輸出繞組的感應(yīng)電勢就變化一個周期故輸出電勢的頻率應(yīng)為,感應(yīng)子式測速發(fā)電機原理（2）,在上圖所示的感應(yīng)子式測速發(fā)電機中，定、轉(zhuǎn)子采用相同的齒形。轉(zhuǎn)子為24齒均布，當(dāng)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)道一個齒距，即轉(zhuǎn)過15，定子輸出繞組感應(yīng)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(yīng)差120。因此，輸出繞組2和輸出繞組1、3的感應(yīng)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(yīng)電勢的頻率和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速之間有著嚴(yán)格的關(guān)系，所以它也屬于同步電機。其感應(yīng)電勢的大小和轉(zhuǎn)速成正比，故可作為測速發(fā)電機使用。 從感應(yīng)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(zhuǎn)速而改變，致使負(fù)載阻抗和電機本身的阻抗均隨轉(zhuǎn)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(jìn)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(zhuǎn)于槽數(shù)較多，因而輸出電壓的頻率甚高，再經(jīng)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(dāng)?shù)臑V波措施后其直流輸出電壓相當(dāng)平穩(wěn)。這樣，將感應(yīng)子式測速發(fā)電機和整流、濾波電路結(jié)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(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向無關(guān)，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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速保持嚴(yán)格的正比關(guān)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(dāng)高，即使在較低的轉(zhuǎn)速下(如每分鐘幾轉(zhuǎn)或幾十轉(zhuǎn)）也能輸出較多的脈沖數(shù)。 因此，以脈沖個數(shù)表示的速度分辨率就比較高，使它適用子速度較低的調(diào)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(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機,目前在自動控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的是空心杯轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機。 這種結(jié)構(gòu)型式可使測速發(fā)電機輸出特性有較高的精度，又因其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子電阻要比空心杯轉(zhuǎn)子兩相伺服電動機更大。因此，空心杯轉(zhuǎn)子通常采用電阻率較大和溫度系數(shù)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(chǎn)的這種測速發(fā)電機，其型號為CK,空心杯轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機的工作原理（1）,空心杯轉(zhuǎn)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(yīng)在空間位置上嚴(yán)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(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機的工作原理（2）,當(dāng)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(chǎn)生以電源頻率 脈振的磁勢 和相應(yīng)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(zhuǎn)子不動（ ）時，直軸脈振磁通 只能在空心杯轉(zhuǎn)子中感應(yīng)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(chǎn)生感應(yīng)電勢，輸出電壓為零。 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動后，即 ，轉(zhuǎn)子切割直軸磁通，并在轉(zhuǎn)子杯中產(chǎn)生切割電勢 ，在上圖所示瞬間，轉(zhuǎn)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(yīng)為 若磁通 恒定時，電勢 就與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速 成正比關(guān)系,空心杯轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機的工作原理（3）,因轉(zhuǎn)子杯為短路線組，電勢 就在轉(zhuǎn)子杯中產(chǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子杯中電流的方向如上圖內(nèi)圈符號所示。 轉(zhuǎn)子杯中的電流 產(chǎn)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(chǎn)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(yīng)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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的大小無關(guān)；它的大小則正比于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 。克服了同步測速發(fā)電機存在的缺點，使負(fù)載阻抗不會因轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化而改變。因此空心杯轉(zhuǎn)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(yīng)用。,空心杯轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機原理設(shè)計時應(yīng)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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系，必須使直軸磁通保持常數(shù)。 實際上，一方面由于轉(zhuǎn)子杯漏抗的影響，將產(chǎn)生直袖磁勢，并使直軸磁通發(fā)生變化；另一方面當(dāng)電機中存在交軸磁場，轉(zhuǎn)子杯旋轉(zhuǎn)時又同時切割交軸磁通，同理，它又會產(chǎn)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(jié)構(gòu)選型和參數(shù)選擇時，對上述因素都需要認(rèn)真加以考慮。 為了解決轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子，并使空心杯的電阻值取得相當(dāng)大。這樣在實際上就完全可以略去轉(zhuǎn)子漏抗。同時因轉(zhuǎn)于電阻增大后可使轉(zhuǎn)子切割交軸磁通所產(chǎn)生的直軸磁勢大大削弱。當(dāng)然，轉(zhuǎn)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(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)與兩相伺服電動機相似，因此可以根據(jù)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(jié)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(dāng)于兩相伺服電動機勵磁回路中的 ；而輸出回路則相當(dāng)于串入負(fù)載阻抗后短接，即 。,空心杯轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)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(chǎn)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