《特种电机及其控制》-孙建忠第2章电子课件

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1、第二章第二章 测速发电机测速发电机本章教学目标与要求u了解直流测速发电机电枢绕组的电动势及电压平衡方程式；u掌握直流测速发电机的输出特性；u掌握产生误差的原因及减小的方法u了解交流异步测速发电机的结构、原理；u掌握交流异步测速发电机的特性及主要技术指标。引言引言 测速发电机测速发电机(Tachogenerator) 是自控系统的常用元件,它可以把转速信号转转速信号转换成电压信号输出，输出电压与输入的转速成正换成电压信号输出，输出电压与输入的转速成正比关系比关系，用于测量旋转体的转速，亦可作为速度讯号的传送器。在自动控制系统和计算装置中一般作为测速元件、校正元件、解算元件和角加速测速元件、校正元

2、件、解算元件和角加速度信号元件度信号元件等。 测速发电机按输出信号的形式，可分为交流测速发电机和直流测速发电机两大类。 1、直流测速发电机、直流测速发电机 按励磁方式可分为 ： （1）电磁式直流测速发电机 （2）永磁式直流测速发电机（1）电磁式直流测速发电机 定子常为二极，励磁绕组由外部直流电源供电（他励），通电时产生磁场。表示符号如图所示。（2）永磁式直流测速发电机 定子磁极是由永久磁钢做成。由于没有励磁绕组，所以可省去励磁电源。具有结构简单，使用方便等特点，近年来发展较快。表示符号如图所示。 其缺点是永磁材料的价格较贵，受机械振动易发生程度不同的退磁。为防止永磁式直流测速发电机的特性变坏，

3、必须选用矫顽力较高的永磁材料。 2、交流测速发电机、交流测速发电机 交流测速发电机与直流测速发电机一样，是一种测量转速或传递转速信号的元件。 交流测速发电机包括同步和异步两种。（1）电机根据转子类型，异步测速发电机可分为： 空心杯转子异步测速发电机 笼式转子异步测速发电机 （2）同步测速发电机：以永久磁铁作为转子的交流发电机。输出电压和频率随转速同时变化，而且不能判别旋转方向,使用不便，在自动控制系统中用得很少,主要供转速的直接测量用。根据转子结构不同，异步测速发电机的两种类型 空心杯转子异步测速发电机：由内定子、外定子及在它们之间的气隙中转动的杯形转子所组成。励磁绕组、输出绕组嵌在定子上,彼

4、此在空间相差90电角度。杯形转子是由非磁性材料制成。其输出绕组中感应电动势大小正比输出绕组中感应电动势大小正比于杯形转子的转速于杯形转子的转速，输出频率和励磁电压频率相同，与转输出频率和励磁电压频率相同，与转速无关速无关。反转时输出电压相位也相反反转时输出电压相位也相反。杯形转子是传递信号的关键，其质量好坏对性能起很大作用。由于它的技术性能比其他类型交流测速发电机优越，结构不很复杂，同时噪声低，无干扰且体积小，是目前应用最为广泛的一种交流测速发电机。 笼式转子异步测速发电机：与交流伺服电动机相似，因输出的线性度较差，仅用于要求不高的场合。 对测速发电机工作性能的要求对测速发电机工作性能的要求

5、测速发电机多应用于自控系统中，一般要求测速发电机要有精确度高、灵敏度高、可靠性好等特点。具体为： .输出电压与转速的线性关系； .温度变化对输出特性的影响要小； .输出电压的斜率特性要好，即转速变化所引起的输出电压的变化要灵敏； .剩余电压（转速为零时的输出电压）要小； .输出电压的极性和相位能够反映被测对象的转向； .摩擦转矩和惯性要小。 在实际应用中，对测速发电机的要求因自控系统特点的不同有各有侧重。例如作为解算元件时，对线性误差、温度误差和剩余电压等都要求较高，一般允许在千分之几到万分之几的范围内，但对输出电压的斜率要求却不高；作较正元件时，对线性误差等精度指标的要求不高，而要求输出电压

6、的斜率要大 。2.1直流测速发电机直流测速发电机2.1.1 直流测速发电机的输出特性直流测速发电机的输出特性(output characteristic)测速发电机输出电压和转速的关系，即U = f (n)称为输出特性。根据直流电机理论，在磁极磁通量 为常数时，电枢感应电动势 j j2.1.1 直流测速发电机的输出特性直流测速发电机的输出特性(output characteristic)测速发电机输出电压和转速的关系，即U = f (n)称为输出特性。根据直流电机理论，在磁极磁通量 为常数时，电枢感应电动势 j j2.1.1 直流测速发电机的输出特性直流测速发电机的输出特性(output ch

7、aracteristic)测速发电机输出电压和转速的关系，即U = f (n)称为输出特性。根据直流电机直流电机理论，在磁极磁通量 为常数时，电枢感应电动势： （2-1） 空载时，由于电枢电流I a = 0 ，对应的直流测速发电机的输出电压U a和电枢感应电动势E a相等，因而输出电压与转速成正比。 KnnCEeajKnnCEUeaaj负载时，如图2.5 所示。因为电枢电流I a 0，对应直流测速发电机的输出电压 U a = E a I a R a U b （2-2）式中： U b为电刷接触压降； R a为电枢回路电阻。在理想情况下，不考虑其电刷和换向器之间的接触电阻，即U b = 0，则直流

8、测速发电机在负载时的输出电压为 U a = E a I a R a （2-3）此式称为直流发电机电压平衡方程式电压平衡方程式 。其中R a为电枢回路的总电阻，它表示电枢绕组的电阻，不包括电刷和换向器之间的接触电阻；I a为电枢总电流。在带有负载后，由于电阻R a上有电压降，测速发电机的输出电压比空载时要小小。 负载时电枢电流为 R L 为测速发电机的负载电阻。 代入式（23）得到化简为 用 LaaR U I aLaaaRRUEULaaaRREU1KnnCEeaj负载时电枢电流为 R L 为测速发电机的负载电阻。 代入式（23）得到化简为 用 代入得 C为测速发电机输出特性的斜率。KnnCEea

9、jCnnRRnRRULaLaa1K1e Cj可以看出，当不考虑电枢反应，且认为 、R a和R L都能保持为常数，斜率C 也是常数，输出特性便有线性关系。对于不同的负载电阻 R L,对应的测速发电机输出特性的斜率也不同，并且它随负载电阻的增大而增大，如图2.6 中实线所示。实际当中的直流测速发电机的输出特性U a =f (n) 并不是严格的线性特性，而与线性特性之间存在有误差，如图2-6中的虚线所示。下面我们分析下直流测速发电机误差的产生原因及减小误差的方法。j图2.5 直流测速发电机带负载输出特性原理图图2.6 直流测速发电机的输出特性图2.6 直流测速发电机的输出特性2.1直流测速发电机直流

10、测速发电机2.1.2直流测速发电机的误差及其减小的方法直流测速发电机的误差及其减小的方法造成直流测速发电机产生非线性误差的原因较多且比较复杂,根据产生误差原因的不同从以下几个方面介绍:1. 温度对误差的影响;2. 电枢反应的影响;3. 延迟换向去磁作用的误差影响;4. 纹波影响;5. 电刷接触压降影响;1. 温度影响温度影响保证输出特性U nf (n)为线性关系的条件之一是励磁磁通 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都会引起电机绕组电阻以及励磁磁通 的变化。随着温度，励磁绕组电阻，励磁电流，磁通也随之，输出电压就会被降低。反之，当温度时，输出电压便会升高。减小温度变化对输出

11、特性的影响，通常可采取下列措施：（1）设计电机时，让磁路比较饱和，使励磁电流的变化所引起磁通的变化较小（参考磁性材料的磁化曲线参考磁性材料的磁化曲线）。（2）在励磁回路中串联一个阻值比励磁绕组电阻大几倍的附附加电阻加电阻来稳流。 jj附加电阻附加电阻可以用温度系数较低的合金材料来制作，如锰镍铜合金或者镍铜合金。尽管温度的升高将引起励磁绕组电阻增大，但整个励磁回路的总电阻增加不多,起到稳定励磁电流的作用。如果对于温度变化所引起的误差要求比较严格，可在励磁回路中串联负温度系数的热敏电阻串联负温度系数的热敏电阻并联网络，如下图(a)所示。（a)励磁回路中的热敏电阻并联网络 (b)电阻随温度变化的曲线