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1、王铁成 主编,特种电机知识,TEZHONG DIANJI ZHISHI,第三章 测速发电机,本章应知,1.了解自动控制系统中对测速发电机性能特性和参数的要求。 2.了解直流测速发电机的工作原、结构和分类。 3.了解交流同步测速发电机的结构、分类和工作原理。 4.了解霍尔元件的性质。 5.测量异步测速发电机线性误差和相位误差。 6.了解霍尔效应测速发电机的工作原理。 7.了解测速发电机作为测速元件的作用，；了解测速发电机作为解算元件时的应用。,本章应会,第三章 测速发电机,1.掌握测速发电机性能方面的测试。 2.掌握直流测速发电机产生误差的原因和改进方法。 3.掌握异步测速发电机产生误差的原因和
2、改进方法，了解剩余电压的产生、危害及消除方法。 4.掌握负载阻抗对输出特性的影响。 5.掌握霍尔效应无刷直流测速发电机的工作原理。 6.掌握实际的机床调试、检测。,第一节 测速发电机的作用和要求,1)输出电压应能在较大的范围内与转速之间保持线性关系。 2)输出电压对转速变化具有一定的敏感性。 3)电压转速特性对称性强，正反向输出特性的一致性高。 4)输出电压误差小，受温度变化影响小，脉动成分小。 5)转动惯量小，动作迅速，运行平稳。 测速发电机总体可分为直流测速发电机和交流测速发电机两大类。,第二节 直流测速发电机,图3-1 直流测速发电机工作原理,第二节 直流测速发电机,一、直流测速发电机的
3、工作原理 直流测速发电机的工作原理与一般直流发电机相同，如图3-1所示。 二、直流测速发电机产生误差的原因和改进方法,图3-2 直流测速发电机的输出特性,第二节 直流测速发电机,(1)电枢反应 =0-dem（3-8） 1)对电磁式直流测速发电机，可以在定子磁极上安装补偿绕组。 2)在设计时，应选取较小的线负荷，并适当加大发电机的气隙。 3)在使用时，负载电阻不应小于规定值。 (2)电刷接触压降 U2=Ea-IaRa-Ub=Ken-Ra-Ub,第二节 直流测速发电机,图3-3 考虑电刷接触电压降后 直流测速发电机的输出特性,第二节 直流测速发电机,(3)温度的影响 在电磁式直流测速发电机中，因励
4、磁绕组中长期通过电流而发热，它的电阻值随之增大致使励磁电流减小，由此引起发电机气隙磁通0下降，并导致电枢绕组的感应电动势和输出电压减小。 为了减小温度对励磁电流的影响，实际使用时可在直流测速发电机的励磁绕组回路中串联一个较大电阻值的附加电阻。 (4)纹波影响 直流测速发电机因换向片数是有限的，电枢绕组电动势是每一支回路中有限个元件感应电动势的叠加，因此输出电压是脉动的，如图3-4所示。,第二节 直流测速发电机,图3-4 直流测速发电机中电动势的脉动 1元件电动势波形 2合成电动势波形,第二节 直流测速发电机,1)直流测速发电机速度的变化。 2)由于发电机换向器表面粗糙，与电刷接触不良引起的电刷
5、跳动。 3)换向的影响。 4)设计、工艺和材料方面的原因，如每个支路内的元件数、齿槽效应、气隙不均匀、铁心材料的导磁性能各向相异等。 为了减小纹波系数，通常可采用以下一些措施： 1)使每个支路内的元件数尽可能多，并为奇数。 2)使磁极的极弧宽度尽可能为整数倍电枢齿距。,第二节 直流测速发电机,3)发电机加工时应保证定、转子的同轴度，尽量减小椭圆率。 4)严格保证电刷位于中性线位置，并减小电刷的宽度，以减小气隙磁通的变化。 5)采用银-石墨电刷，以改善电刷和换向器的滑动接触。,第三节 交流测速发电机,一、同步测速发电机 同步测速发电机又可分为永磁式、感应子式和脉冲式3种。,图3-5 空心杯型转子
6、异步测速发电机的工作原理,第三节 交流测速发电机,二、异步测速发电机 异步测速发电机的结构和两相伺服电动机相像，目前在自动控制系统中广泛应用的是空心杯型转子异步测速发电机。 三、产生误差的原因及改进方法 从异步测速发电机的输出特性（见图3-6）可以看出，输出电压和转速并不成正比关系，产生误差的主要原因有：,图3-6 异步测速发电机的输出特性,第三节 交流测速发电机,1.直轴磁通d的变化 由于转子旋转切割直轴磁通d后，将在发电机中产生交轴磁动势rq，并建立交轴磁场d；又转子旋转切割交轴磁场q产生直轴磁势，将使励磁绕组的电流f发生变化。 2.剩余电压 当测速发电机由恒频恒压的交流电源励磁，且发电机
7、的转速为零时，仍有一个很小的输出电压，称之为剩余电压。,图3-7 剩余电压对输出特性的影响,第三节 交流测速发电机,(1)选用较低的铁心磁通密度 选用较低的铁心磁通密度降低磁路的饱和度，从而使剩余电压的高频分量也相应减小。 (2)采用单层集中绕组和可调铁心结构 因单层集中绕组每极下只有一个线圈，容易保证磁路对称，且不会因匝间短路而引起椭圆形磁场，使剩余电压的旋转分量和变压器分量都可以减小。 此外，采用内定子铁心相对于外定子铁心位置可调的结构，利用人为的电磁不对称性来补偿原来发电机中的电磁不对称，使剩余电压明显减小。,第三节 交流测速发电机,(3)定子铁心采用旋转叠装法 即采用每张冲片错过一个齿
8、槽的旋转叠装法，以保证铁心的导磁性能各向同性。 (4)修补定子铁心和转子空心杯 在异步测速发电机中，还可在定子铁心上开沟槽和修正槽口等补偿措施来校正原有发电机中存在的磁路不对称性，以减小剩余电压的固定分量；若因转子空心杯不均匀而引起的剩余电压交变分量，也可通过对转子空心杯进行局部修刮或磨削来解决。 (5)采用补偿绕组 采用补偿绕组可以有效地降低剩余电压的固定分量。,第三节 交流测速发电机,图3-8 串联移相电压补偿,第三节 交流测速发电机,(6)外接补偿装置 在实际使用时，还可以采用外接补偿装置，它产生的附加电压大小接近于剩余电压的固定分量，而相位相反。,图3-10 阻容电桥补偿法工作原理,第
9、三节 交流测速发电机,3.励磁电源和温度变化的影响 异步测速发电机的输出特性还与励磁电源电压的大小以及频率和波形有关，为此在使用时应对励磁电源有严格的要求，即电压的波形应是正弦波，且必须恒压恒频。 四、负载阻抗对输出特性的影响 1)当异步测速发电机的转速一定，且负载阻抗足够大时，负载阻抗的变化对输出电压的影响较小。,第三节 交流测速发电机,2)当输出绕组接以电阻电容负载时，阻抗值的改变对输出电压值的影响可以互相补偿，即可以调整到输出电压值几乎不受负载变化的影响，但不能补偿输出电压相位移的偏差。 3)为了补偿输出电压相位移的改变，可以选用电阻电感负载。 是对输出电压的大小进行补偿还是对其相位移进
10、行补偿，应根据系统的需求确定，一般主要是补偿负载变动所引起的输出电压大小的变化。 五、异步测速发电机的线性误差和相位误差,第三节 交流测速发电机,异步测速发电机的输出特性，严格来说是非线性的，其非线性度在工程上用线性误差来表示。,图3-11 线性误差计算原理,第三节 交流测速发电机,图3-12 同相线性误差计算原理,第四节 霍尔效应与测速发电机,一、霍尔元件 将一块矩形的半导体薄片放置在磁场中（见图3-14），并在薄片的两侧通入电流（即控制电流），这时在薄片的另外两侧便有电动势输出，此电动势称为霍尔电动势，这一效应称为霍尔效应。,图3-14 霍尔效应工作原理,图3-15 磁场与元件平面法线之间
11、 夹角为时的霍尔电动势,第四节 霍尔效应与测速发电机,二、霍尔效应测速发电机,图3-17 霍尔效应测速发电机的结构 1外定子 2霍尔元件 3空心杯型转子 4永磁内定子,第四节 霍尔效应与测速发电机,三、霍尔效应无刷直流测速发电机 图3-18所示为另一种利用霍尔效应做成的无刷直流测速发电机的工作原理。,图3-18 霍尔效应无刷直流测速 发电机的工作原理,第四节 霍尔效应与测速发电机,第五节 测速发电机的应用举例,图3-19 速度控制和位置控制时的框图 a)速度控制方式 b)位置控制方式,图3-20 测速发电机积分电路,第五节 测速发电机的应用举例,图3-21 测速发电机进行微分运算的电路,第五节 测速发电机的应用举例,
