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1、控制电机,中国矿大信电学院,第 1 章 直流测速发电机,第1章 直流测速发电机,1.1 直流测速发电机的工作原理和结构,1.2 直流测速发电机的输出特性,1.3 直流测速发电机的误差和减小方法,1.4 直流测速发电机的性能指标及应用,1.5 直流测速发电机的应用举例,1.6 直流测速发电机的发展动向,本 章 要 求：,熟练掌握直流测速发电机的工作原理。,了解直流测速发电机的结构和型式。,熟练掌握直流测速发电机的输出特性。,熟练掌握直流测速发电机的应用。,搞清直流测速发电机的误差及其减小方法。,搞清直流测速发电机的性能指标。,第1章 直流测速发电机,1.1 直流测速发电机的原理和结构,一、直流测
2、速发电机的结构,励磁方式：电磁式和永磁式,直流永磁电机,直流永磁电机,永磁直流测速发电机,永磁直流测速发电机,2577稀土直流伺服测速机组,用途：在随动系统中提供驱动力矩和速度反馈信号，本产品已用于某机光学瞄准具随动系统中 。,二、直流测速发电机的工作原理,导体ab,cd切割磁力线产生感应电势，N极下电势方向由b指向a，s极下导体cd中电势由d指向c,因此电刷A为正，B为负,当线圈转动180o ,导体cd处于N极下，电势由c到d，S极下导体电势由a到b，仍然A刷为正，B刷为负。,电枢连续旋转，导体ab.cd轮流交替地切割N极和S极下的磁力线,ab.cd中产生交变电势，但是换向器的作用，使电刷通
3、过换向片只与处于一定极性下的导体相连接，从而使电刷两端得到的电势极性不变，这就是直流发电机的最基本工作原理。,1.2 直流测速发电机的输出特性,根据已学过的直流发电机的工作原理知，电刷两端的感应电势 ：,由上可知：1.电刷两端的感应电势与电机的转速成正比。2.直流发电机能够把转速信号换成电势信号，从而用来测速。,一、基本概念,Ea = Cen=Ke n,二、自动控制系统对测速发电机的要求：,1.输出电压与转速的关系曲线（即输出特性）应为线形。,2.输出特性的斜率要到大。,3.温度变化对输出特性的影响要小。,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
4、方向的输出特性要一致。,三、输出特性,Ua=Ea-IaRa,Ia=Ua/RL,负载时测速发电机的输出电压为：,Ea=Cen=Ke n,由直流电机电势公式得：,在图示正方向下得：,输出特性曲线：,由上式知：若、 RL 、 Ra 都能保持常数，则,但随RL减小，特性斜率变小，实际特性与理论特性间存在误差。,Ua n,图中实线为直流测速发电机理想输出特性，虚线为实际输出特性，实际特性与要求的线性特性间存在误差，且该误差与负载电阻有关。,1.3 直流测速发电机的误差和减小方法,一 温度的影响,由于电机周围环 境温度的变化以及电 机本身发热，使电机 绕组的电阻发生变化。 温度t 升高，励磁绕 组电阻R
5、增大，磁通 减小输出电压U 降 低。反之，U 升高。,为了减小温度变化对输出特性的 影响，测速发电机的磁路应较为饱和。 当磁路饱和时，励磁电流变化引起的 磁通变化较小。但是，由于绕组电阻 随温度变化的变化太大，要使输出稳 定，还必须采取措施以减小温度对输 出特性的影响。,减小误差的考虑：,（2）附加电阻用温度系数较低的合金材料制成，如锰镍铜合金。这样虽然温度升高引起励磁电阻增大，但整个励磁回路的总电阻增加不多。如果对于温度变化引起的误差要求比较严格时，可在励磁回路串联负温度系数的热敏电阻并联网络。,（1）在励磁回路中串联一个阻值比励磁 绕组电阻大几倍的附加电阻来稳流。,具体方法：,热敏网络参数
6、选择方法： 1）作出励磁绕组电阻随温度变化的曲线； 2）作并联网络电阻随温度变化的曲线。,1）温度系数为正;,2）温度系数为负；,当两条曲线的斜率相等，励磁回路的总电阻就不随温度而变化。,不论转子转到哪个位置，电枢导体电流 在空间分布情 况始终不变， 因此电枢磁场 在空间是固定 不动的恒定磁 场。,二 电枢磁场的影响,电枢磁场产生附加去磁作用，负载时的磁通较空载时小，从而产生误差。,减小误差的考虑：,当负载电阻越小或转速越高，负载电流就越大，电枢磁场产生的附加去磁作用就越强，磁通被削弱的就越多，输出特性偏离直线越远，非线性误差越大。,除了以上两种原因引起输出特性的误差外，还有延迟换向去磁、电势
7、的纹波以及电刷接触压降等都会引起输出特性的误差，对此在电机中都采用了相应减小误差的措施。,三、其它影响,为了减小电枢反应对输出特性的影响，测速发电机在使用时，转速不得超过技术条件中规定的最大转速；负载电阻不得小于技术条件给定的电阻值，以保证非线性误差较小。,1.4 直流测速发电机的性能指标及使用,一、主要性能指标,1、线性误差,在工作转速范围内，输出电压与理想输出电压之差对最大理想输出电压之比,2 、输出斜率,在额定的激磁条件下，单位转速（1000r/min）时产生的输出电压。,3 、最大线性工作转速nmax,在允许的线性误差范围内的电枢最高转速。,额定转速就是最大线性工作转速。,4 、负载电
8、阻Rl,保证输出特性在误差范围内的最小负载电阻值。,此外，还包括不灵敏区、输出电压的不对称度、纹波系数、变温输出误差和输出电压温度系数等性能指标。,二、直流测速发电机的使用,1、直流测速发电机的选用,选用直流测速发电机时，应根据其在系统中的功用而提出不同的技术要求。当作为解算元件或用于恒速控制时，应着重考虑其线性度和纹波电压，而对输出斜率的要求则是第二位的；当作为校正元件时，应着重考虑其输出斜率，而对其其线性度和纹波电压的要求并不是很严格的。,2、直流测速发电机的接线,电磁式直流测速发电机在使用前必须区别清楚电枢绕组端头和激磁绕组端头，切勿搞错。,一般标有F1和F2的为激磁绕组，标有S1和S2
9、的为电枢绕组。,如果标记看不清或已脱落，可以用欧姆表或通低电压的方式加以判断。,3、技术数据,测速发电机的技术数据可查有关手册或产品说明书。,1.5 直流测速发电机的应用举例,直流测速发电机在自动控制系统和计算装置中可以作为测速元件、校正元件、解算元件和角加速度信号元件。它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。,作为系统的阻尼元件 对旋转机械作恒速控制,对旋转机械作恒速控制,电磁离合器调速：电磁离合器调速是由笼型感应电动机和电磁离合器一体化的调速电动机来完成的，把这种调速电动机称为电磁离合器电动机，又称滑差电机，属于低效调速方式。电磁调速电动机的调速系
10、统，主要由笼型感应电动机、涡流式电磁转差离合器和直流励磁电源等三个部分组成（见图3-15），直流励磁电源功率较小，通过改变晶闸管的控制角改变直流励磁电压的大小来控制励磁电流。,它以笼型电动机作为原动机，带动与其同轴接连的电磁离合器的主动部分，离合器的从动部分与负载同轴连接，主动部分与从动部分没有机械联系，只有磁路相通。离合器的主动部分为电枢，从动部分分为磁极，电枢是一杯状铸铜体，磁极则由铁芯和励磁绕组构成，绕组与部分铁芯固定在机壳上不随磁极旋转，直流励磁不必经过滑环而直接由直流电源供电。当电动机带动电枢在磁极磁场中旋转时，就会感生涡流，涡流与磁极磁场作用产生的转矩将使电枢牵动磁极拖动负载同向旋
11、转，通过控制励磁电流改变磁场强度，使离合器产生大小不同的转矩，从而达到调速的目的。,1.6 直流测速发电机的发展动向,一、发展高灵敏度直流测速发电机,二、改进电刷与换向器的接触装置，发 展无刷直流测速发电机,三、发展永磁式无槽电枢、环形电枢、印 刷绕组电枢直流测速发电机,给定电压环节 给定电压环节起始于变压器TC副边5端、6端间的绕组。24V的交流电压经VD2、整流并经C2、R2、C3滤波和VZ稳压，得到16V的直流电压。最后由R5和RP4“定速”档的转速。“运转”、“定速”由中间继电器KA3控制。,转速反馈环节 ZLK10自动调速系统是采用三相交流测速发电机BR对转速进行采样。所得交流经VD
12、8VD13整流和C8、R13、RP2、RP3滤液后，得到反馈电压，经过R8传至放大器的输入端。由于不同测速发电机灵敏度之间存在差异，所以采用RP2对反馈电压进行调节。转速表PV的刻度值依靠RP3调节。电容器C7用于减轻反馈电压的脉动，有利于调速系统动态稳定性的提高。,放大器 放大器是以晶体管V2为核心组成。二极管VD4、VD5、VD6用作双向限幅保护，以避免V2的发射结承受过高的电压。给定电压与转速反馈电压通过电阻R6、R7和R8进行组合，形成输入信号，其值正比于上述两个电压之差。这个差值经V2放大后可影响V2的集电极电位，对单结晶体管触发脉冲形成电路进行控制。,触发电路 单结晶体管触发电路的
13、电源是由V1、VD3、R4与变压器TC的6、7绕组组成。TC的6、7端输出3V交流电压，当为负半周期时，V1截止，V1集射极间电压为16V，如图a所示；当76端输出为正半周期时，经VD3整流后加到V1的集射极上使V饱1和导通，Vcel=0，放大器与触发电路不能工作，如图b所示。,由V3和R11组成的恒流源，再加上电容器C6，能产生锯齿波用作移相，如图c所示。其原理是这样的：设V3和R11恒流源的恒定电源是I0，恒定电流向C6充电，Uc6=1/C6t0I0dt，使C6上的电压上升，当上升到单结管VU的峰值时单结管导通C6放电。放电到VU的谷值时又重新充电。而恒定电流I0的大小又受放大器V2输出电
14、压的控制。,如当V2的输入电压增大，V3的基极电压就降低，V3更加导通，V3集电极电流I0增大，这样充放电速度加快，可控硅触发提前，如图d所示，导通角增大，导致励磁电压增大，如图e所示；同理V2的输入电压减小时，I0减小，导致导通角减小，励磁电压减小。可见输入电压的大小可以控制可控硅的触发时刻。,触发器最终在VU的第一基极通过脉冲变压器TV输给晶闸管的控制极。二极管VD7用以短路负脉冲，防止可控硅因控制极出现负脉冲而击穿。,可控硅整流电路 该系统采用可控硅单相半波整流电路，波形如图4e所示。整流电路的输出控制转差离合器的励磁线圈来产生励磁电流并最终影响电机的转速。图中R1、C1和热敏电阻RV均
15、对可控硅有过压保护作用。VD1为续流二极管，其作用是，正半周时由于可控硅导通而使离合器工作；负半周时可控硅不导通，励磁线圈产生的反向电动势可经过VD1形成放电回路，使线圈中的电流连续，从而使离合器工作稳定。,综合上述，当ZLK10自动调速系统处于“运转”状态，也就是调速状态时，通过调节电位器RP4改变电压给定环节的电压，来改变电动机的转速。例如调节RP4使给定电压Uf增大，这时转速负反馈系统给出的电压U保持不变，输入到V2的电压U增加，由V3和11出增大，滑差离合器的励磁电流增大，最终电动机转速变快。调速过程如下 UfUUc充电加快Ug触发提前Ifn,当ZLK10调速系统置于“定速”状态，也就是稳速状态时，通过调速系统可以稳定由于负载TL变化而引的转速变化。例如当负载变小时，电机转速将变快，转速负反馈电路给出的电压U将增大，经过R6、R7、R8给出的比较电压U将减小，这样C6充电速度变慢，单机转速变慢。经过这样的反馈过程将使电机的转速基本不变。稳速过程如下： TLnUUUc充电变慢Ug触发滞后Ifn,
