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1、0第二节 测速发电机【任务目标】1 了解测速发电机的功能和应用；2 熟悉直流测速发电机的基本结构和工作原理；3 熟悉交流测速发电机的基本结构和性能特点；4 了解测速发电机的性能参数。【任务分析】测速发电机是一种反映转速信号的电器元件，它的作用是将输入的机械转速变换成电压信号输出。测速发电机的外形结构如图 416 所示。在自动控制系统中测速发电机主要用作测速元件、阻尼元件( 或校正元件) 、解算元件和角加速度信号元件。自动控制系统对测速发电机的要求是：（1) 输出电压要与转速成线性关系；（2) 正、反转的特性一致；（3) 输出特性的灵敏度高；（4) 电机的转动惯量小。测速发电机可分为直流测速发电
2、机和交流测速发电机两类。近年来还出现了采用新原理、新结构研制成的霍尔效应测速发电机等。了解测速发电机的工作原理、性能特点、主要参数对我们正确使用自动控制系统具有十分重要的意义。本节就常用的直流测速发电机和交流异步测速发电机作简要介绍。【相关知识】 一、 直流测速发电机1 直流测速发电机的基本结构直流测速发电机的结构与普通小型直流发电机相同，按励磁方式可分为他励式和永磁式两种。永磁式测速发电机结构简单，不需励磁电源。因此应用较为广泛。2直流测速发电机的工作原理直流测速发电机的工作原理与一般直流发电机没有区别，其原理如图 417 所示，在恒定磁场中，主磁极产生的磁通 基本不变，电枢以转速 n 旋转
3、时，电枢上的导体切割磁通 ，于是就在电刷间产生感应电动势 E，其大小与转速成正比。图 416 测速发电机1nCEe1当测速发电机接上负载 RL 时输出电压为aLaRUIU（44）nCERLaLa 21由上式可知：直流测速发电机的输出电压与转速成正比，转向改变将引起输出电压极性的改变。空载时，R L，U= E，输出特性 U=f（n）的关系为一条直线。带上负载后，R L 越小，输出特性的斜率越小。在 RL 较小或转速过高时，I a 较大，电枢电流的去磁作用，使输出电压下降，从而破坏了输出特性 U=f（n）的线性关系，如图 418 所示。在测速发电机的技术数据中，提供了最小负载电阻和最高转速的限制，
4、使用时必须加以注意。实际的直流测速发电机一定存在某种程度的非线性误差，CYD 系列永磁式低速直流测速发电机的线性误差为 0.51。精密的测速发电机，要求线性误差达到0.10.25。测速发电机产生误差的原因很多，主要有：电枢反应、延迟换向、电刷与换向器的接触电阻和接触电压、换向纹波、火花和电磁干扰等。直流测速发电机由于存在电刷和换向器，难免会出现火花，所以有电磁干扰现象。电刷容易磨损，需定期更换，维护工作量大，工作可靠性差。这些缺点使得直流测速发电机的应用和发展受到限制。近年来无刷直流测速发电机的发展，改善了它的性能，提高了可靠性，使直流测速发电机又获得了广泛的应用。二、 交流测速发电机交流测速
5、发电机有异步式和同步式两类，应用较为广泛的是交流异步测速发电机。图 417 直流测速发电机工作原理 图 418 直流测速发电机的输出特性21 交流异步测速发电机的基本结构在自动控制系统中，目前应用的异步测速发电机主要是空心杯形转子异步测速发电机。其结构与杯形转子交流伺服电动机相似，转子是一个薄壁非磁性杯(杯厚为 0203rmm)。通常用高电阻率的硅锰青铜或铝锌青铜制成。如图 419 所示。定子的两相绕组在空间位置上互差 90电角度，其中一相作为励磁绕组，外加稳频稳压的交流电源 U1；另一相作为输出绕组，其两端的电压即为测速发电机的输出电压 U2，如图 420 所示。2 交流异步测速发电机工作原
6、理如图 420 所示，当测速发电机的励磁绕组 N1 外加电压 U1 时，便有电流 I1 流过，在电机气隙中沿励磁绕组轴线产生交变频率为 f1 的脉动磁通 1，将 1 所在的直线称为直轴，与 1 成 90电角度的直线称为交轴。转子不动时，脉动磁通 1 只能在空心杯转子中感应出变压器电动势。由于转子是闭合的，这一变压器电动势将产生转子电流。此电流所产生的磁通与励磁绕组产生的磁通在同一轴线上，阻碍 1 的变化，所以合成磁通仍为沿直轴的磁通 1。而输出绕组的轴线与励磁绕组轴线空间位置相差 90电角度，它与直轴方向的磁通没有耦合关系，所以不产生感应电动势，输出电压 U2 为零。转子转动后，转子绕组中除了
7、感应出变压器电动势外，由于转子导体切割磁通 1，因此转子绕组中还感应出旋转电动势 Er，其有效值与 1 的大小及转速 n 成正比nEr1由于 1 按频率 f1 交变，所以 Er 也按频率 f1 交变。在 Er 的作用下，转子中将有电流 Ir流过。按给定的转子转动方向，用右手定则可判定杯形转子中电流 Ir 的方向(见图 420)。由 Ir 所产生的磁通 2也是交变的， 2的大小与 Ir、也就是与 Er 的大小成正比。而 2的轴图 419 杯形转子异步测速发电机结构 420 异步测速发电机工作原理3线与输出绕组轴线(交轴)重合，由于 2作用在交轴，因而在定子的输出绕组中感应出变压器电动势 E2，其
8、频率仍为 f1，而有效值与 2成正比。由上述电磁关系可得：U2 E 2 2 IrE r 1 n f2= f1 综合上述分析可知：交流测速发电机的输出电压 U2 与转速 n 成正比；输出频率 f2 等于励磁电源频率 f1；转向改变时，输出电压的相位变化 180电角度。交流异步测速发电机的输出特性如图421 所示，它与转速大小、负载阻抗的大小及负载的性质有关。当负载阻抗值足够大时，实际输出特性接近于理想空载输出，输出电压及其相位角受负载变化影响很小，如曲线 1 所示。一般工作状态下，负载性质的差异影响到输出电压的大小和相位角，如曲线 2 所示。阻容负载有利于减少输出电压值的偏差，但相位角偏差会增大
9、；感性负载下可使输出电压相位角偏差得到补偿，但电压值偏差增大。三、 测速发电机的参数与产品1. 直流测速发电机主要性能参数直流测速发电机具有灵敏度高、可适用的负载阻抗小、温度补偿简便等优点，但结构与维护复杂，正向与反向输出特性对称性和一致性稍差，摩擦转矩较大，换向过程会产生一定的电磁干扰。直流测速发电机主要性能参数如下：(1) 最大线性转速范围(n max) 保证特性的线性误差小于规定数值时的最高工作转速。(2) 比电动势(Un) 也称为灵敏度，是指直流测速发电机在额定励磁条件下单位转速对应的输出电压值。(3) 线性误差( x) 规定工作转速范围内的实际输出电压与理想输出的最大差值占最大理想输
10、出电压的百分数。(4) 最小负载电阻(R min) 保证输出特性在允许误差范围内的最小负载电阻值。(5) 特性的不对称度(k) 直流测速发电机的正反向特性在相同转速下输出电压的差值占两输出电压平均值的百分数。(6) 纹波系数 输出电压交流分量的最大值与直流分量的百分比。图 421 异步测速发电机输出特性42. 交流异步测速发电机的主要参数交流测速发电机具有结构简单、运行可靠、特性稳定且对称性好，摩擦转矩小等优点，但与直流测速发电机相比其缺点也比较突出，主要表现在：特性受负载大小及其性质影响较大，存在相位误差和剩余电压，灵敏度较低等。交流异步测速发电机的主要参数如下：(1) 最大线性转速范围(n
11、 max)。(2) 输出电压斜率(即灵敏度)。(3) 线性误差( x)。(4) 相位误差 在规定的工作转速范围内，输出电压与励磁电压最大的超前或滞后相位差的绝对值之和。(5) 剩余电压 异步测速发电机在额定励磁条件下，转子静止时输出的电压值。(6) 励磁电压、电流、频率和功率 交流异步测速发电机为了减小误差，通常采用中频电源供电，增大同步转速，减小相对误差。3测速发电机的产品常用的国产测速发电机有：CYD、CYN 系列永磁式直流测速发电机；ZCF 系列电磁式直流测速发电机；CK 系列交流异步测速发电机。CYD 系列电机除了具有一般永磁直流测速发电机的优点外，还具有结构简单、耦合度好、输出比电势
12、高、反应快、线性误差小、可靠性好的优点，可广泛用于惯性导航的稳定平台、雷达天线驱动系统、跟踪系统等。CYN 系列电机采用钕铁硼永磁材料作磁极，电机性能稳定，体积小，对称性、线性度、灵敏度优良，纹波系数小，是电梯控制、自动控制系统和计算解答装置中的理想元件。ZCF系列为封闭式他励直流测速发电机，线性误差小，运行较可靠，广泛用作测速反馈元件。CK 系列交流测速发电机采用 400Hz 交流励磁，励磁功率小，特性对称性强，线性度好，剩余电压小。四、 测速发电机的应用测速发电机主要应用于速度伺服、位置伺服和计算解答等三类控制系统。1速度伺服控制系统 测速元件是速度闭环控制系统中的关键元件。为了扩大调速范
13、围，改善低速平稳性，要求测速元件低速输出稳定，纹波小，线性度好。对于模拟量测速元件，通常采用直流测速发电机，它已被广泛应用于速度伺服系统中。尽管它存在由于气隙和温度变化以及电刷的磨损而引起的输出斜率改变等问题，但还是具有在宽广的范围内提供速度信号的能力等优点。因此，直流测速发电机仍是速度伺服控制系统中的主要反馈元件。5速度闭环控制系统中的测速发电机要求输出斜率大，线性误差小，剩余电压低。2位置伺服控制系统位置伺服控制系统又称随动控制系统。模拟式随动系统中测速发电机也是转速反馈元件，但其作用不同于上述速度控制系统，转速反馈是用于位置的微分反馈的校正，相当于起到速度阻尼的作用。作校正元件用时，应着
14、重考虑其比电动势要大，对线性误差不宜提出过分的要求，一般可允许 x 0.5。位置伺服系统用测速发电机要求输出斜率小，线性误差小，剩余电压可稍大。3控制系统的积分运算 测速发电机作计算元件用时，应着重考虑其线性误差要小，电压稳定性要好，线性误差一般要求 x0.050.1；对积分用测速发电机要求误差低、温度影响小。计算解答控制系统是采用高精度测速发电机的模拟系统。在计算解答系统中，要求测速发电机误差小、剩余电压低，永磁式直流测速发电机是无法满足要求的，而交流异步测速发电机的线性误差、剩余电压等方面能达到较高的要求。为了满足上述的精度要求，交流异步测速发电机往往带有温度补偿及剩余电压补偿电路。【技能
15、训练 4-2】训练项目 测试永磁式直流测速发电机的输出特性一、 任务目标1 了解直流测速发电机的性能参数。2 测试直流测速发电机的输出特性二、 工具、仪器和设备1 直流励磁电源和电枢电源各一套。2 校正直流电机一台。3 永磁式直流测速发电机一台。4 直流电压表、转速表各一块。5 可调电阻器 3 只。三、 实训过程1 绘制测试直流测速发电机输出特性的实训电路。参考电路如图 422 所示，电路的接线如图 423 所示。校正直流电机 MG 按照他励直流电动机方式工作，R pf 选用 18006阻值，R pa 选用 180 阻值，R L 选用 5400 阻值，按图接线。并把 Rpf 调至最小，R pa 和 RL调至最大，直流电压表选用 100V 档，电枢电源输出电压调至最小，开关 S3 断开。2 先接通励磁电源开关 S1，再接通电枢电源开关 S2，直流电动机 M 启动后，将Rpa 调至最小，升高电枢电源输出电压并适当减小励磁电阻 Rpf 使转速达到 2000r/min。然后减小电枢电源输出电压并调节 Rpa，使电动机逐渐减速。记录对应的转速和输出电压，测取 78 组数据，记录于表 42 中。3 闭合开关 S3，重复上面步骤，记录 78 组数据于表 43 中。4 测试结果经指导教师确认后，依次断开开关 S3、S2 和 S1。表 42 直流测速发电机空载输出特性n(r/min)U(V)表 4
