控制电机李光友第五章节测速发电机

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1、第5章 测速发电机,5.1 概述 5.2 直流测速发电机 5.3 感应测速发电机 5.4 测速发电机的选择及应用举例,测速发电机的输出电压能表征转速，因而可用来测量转速；测速发电机的输出电压正比于转子转角对时间的微分，在解算装置中可以把它作为微分或积分元件。 按结构和工作原理的不同，测速发电机分为直流测速发电机、感应测速发电机和同步测速发电机，近年来还有采用新原理、新结构研制的霍尔效应测速发电机等。 自动控制系统对测速发电机的基本要求是： 输出电压应与转速成正比且比例系数要大； 转动惯量小。此外，还要求它对无线电通讯干扰小、噪声低、工作可靠等。,测速发电机是一种把转子转速转换为电压信号的机电式

2、元件。它的输出电压与转速成正比关系，即,5.1概述,或,5.2 直流测速发电机,按励磁方式不同，直流测速发电机可分为电磁式和永磁式两大类。其结构和工作原理与普通直流发电机基本相同。,图5-1 直流测速发电机原理电路,5.2.1 输出特性,当直流测速发电机的输入转速为n，且励磁磁通恒定不变时，电枢电动势为,输出特性是指输出电压Ua与输入转速n 之间的函数关系。,当接负载时，电压平衡方程式为,可以看出，只要保持 不变，Ua与n之间就成正比关系。当负载RL变化时，将使输出特性斜率发生变化。,5.2.1 输出特性,由于负载电流 ，可得,图5-2 不同负载时的理想输出特性,改变转子转向，Ua的极性随之改

3、变。,5.2.2 直流测速发电机的误差及其减小方法,在实际运行中，Uan之间并不能严格地保持正比关系，即存在误差。现在分析产生误差的主要原因和解决方法。 1. 电枢反应的影响 当发电机带上负载后，电枢中有电流Ia通过，故产生电枢磁场。电枢磁场的大小与电枢电流Ia有关，方向与励磁磁场正交。由于电枢磁场的存在，使气隙中的合成磁场产生畸变，这种作用称为电枢反应。,为了减小电枢反应对输出特性的影响，在直流测速发电机的技术条件中标有最高转速和最小负载电阻。,磁路饱和时，电枢反应有去磁效应。负载电阻越小或转速越高，去磁效应越强。,图5-5 电枢反应对输出特性的影响,2. 延迟换向的影响 换向元件中总电动势

4、为 。eK阻碍电流变化，使换向延迟，称延迟换向。由于换向元件被电刷短路，eK在换向元件中产生与其方向一致的附加电流iK，iK产生磁通 , 对主磁通起去磁作用。,5.2.2 直流测速发电机的误差及其减小方法,图5-6 换向元件中的电动势方向,分析表明 ， ，因此 。,通常采用限制最高转速的措施来减小延迟换向去磁效应的影响。,3. 温度的影响 在应用中，发电机本身会发热，而且环境温度也是变化的。导致励磁绕组电阻变化，将引起励磁电流和磁通的变化，使输出电压与转速之间不再是严格的线性关系。,解决方法： 励磁回路串联热敏电阻并联网络。 励磁回路串联阻值较大、温度系数很小的附加电阻R。 将磁路设计得比较饱

5、和。,图5-7 励磁绕组补偿电路,5.2.2 直流测速发电机的误差及其减小方法,4. 纹波的影响 根据 ，当 为定值时，电刷两端输出不随时间变化的直流电动势。实际的电机输出电动势总是带有微弱的脉动，通常把这种脉动称为纹波。 纹波的大小和频率与电枢绕组的元件数有关，元件数越多，其脉动的频率越高，幅值越小。 纹波电压的存在对于测速发电机是不利的，当用于转速控制或阻尼元件时，对纹波电压的要求较高，而在高精度的解算装置中则要求更高。 纹波系数是指在一定转速下，输出电压中交变分量的有效值与直流分量之比。 目前国产测速发电机已做到纹波系数小于1%，国外高水平测速发电机纹波系数已降到0.1%以下。,5.2.

6、2 直流测速发电机的误差及其减小方法,5. 电刷接触压降对输出特性的影响 考虑到电刷接触电压的影响，输出特性的方程式可改写为,即,的变化规律,图5-8 电刷接触电压,图5-9 考虑电刷接触压降后 的输出特性,接触电压的影响 导致输出特性存在不灵敏区。,减小影响措施 采用接触压降小的电刷 。,5.2.2 直流测速发电机的误差及其减小方法,在图5-10中，B点为 时实际输出特性的对应点。 一般 为1%2%，对于较精密系统要求 为0.1%0.25%。,5.2.3 直流测速发电机的主要性能指标,线性误差 它是在工作转速范围内，实际输出特性曲线与过OB的线性输出特性之间的最大差值 与最高线性转速 在线性

7、特性曲线上对应的电压 之比。,图5-10 线性误差,2. 灵敏度 灵敏度也称输出斜率，是指在额定励磁电压下，转速为1000 rmin时所产生的输出电压。一般直流测速发电机空载时可达 。测速发电机作为阻尼元件使用时，灵敏度是其重要的性能指标。 3. 最高线性工作转速 和最小负载电阻 是保证测速发电机工作在允许的线性误差范围内的两个使用条件。 4. 不灵敏区 由电刷接触压 降而导致输出特性斜率显著下降(几乎为零)的转速范围。该性能指标在超低速控制系统中是重要的。,5.2.3 直流测速发电机的主要性能指标,5. 输出电压的不对称度 指在相同转速下，测速发电机正、反转时，输出电压绝对值之差 与两者平均

8、值 之比，即 输出电压不对称是电刷不在几何中性线上或剩余磁通存在造成的。一般在0.35%2%范围内，对要求正、反转的控制系统需考虑该指标。 6. 纹波系数 测速发电机在一定转速下，输出电压中交流分量的有效值与直流分量之比。目前可做到 1%，高精度速度伺服系统对该指标的要求较高。 主要性能指标是选择直流测速发电机的依据。,5.2.3 直流测速发电机的主要性能指标,5.3 感应测速发电机,交流测速发电机分为同步测速发电机和感应测速发电机两大类。同步测速发电机定子输出绕组感应电动势的大小和频率都随转速n的变化而变化，不宜用于自动控制系统中。 5.3.1 结构特点 感应测速发电机的定子上有两相正交绕组

9、，其中一相接电源励磁，另一相则用作输出电压信号。,图5-11 杯形转子感应测速发电机结构,转子有鼠笼式和非磁性空心杯式两种。,鼠笼转子感应测速发电机，结构简单，但性能较差；空心杯形转子感应测速发电机性能好，是目前应用最广泛的一种交流测速发电机。,5.3.2 工作原理,定子 为励磁绕组， 为正交的输出绕组。转子为非磁空心杯，杯壁可看成是无数条鼠笼导条紧密靠在一起排列而成。 n=0时，输出电压U2=0,图5-12 感应测速发电机工作原理,当忽略励磁绕组的电阻和漏电抗时， ，即 一定时， 也保持不变。 由于 脉振轴线与输出绕组 正交，不在 中产生电动势。也就是当 时，输出电压 。,时， ，其大小为,

10、忽略 中的漏阻抗压降时， 或,转子转速为n时，U2n 当转子以转速n旋转时，转子导体切割励磁磁场产生旋转电动势，其大小为,5.3.2 工作原理,为电动势常数。,，旋转电动势频率为f1。,因导条的电阻较大，其漏电抗 可以忽略，因而转子电流 与电动势 相位相同。,输出电压的频率为励磁电源频率，有效值正比与转速。,5.3.3 感应测速发电机的输出特性,感应测速发电机的输出特性是指当转轴上有转速信号n输入时，定子输出电压的大小和相位随转速的变化关系，分别称为电压幅值特性和电压相位特性。 1. 电压幅值特性,电压幅值特性是指当励磁电压 和频率 f1 为常数时，感应测速发电机输出电压 与转速 n 间的函数

11、关系，即 。,理想状态下测速发电机的输出特性为过原点的一条直线，实际特性由于各绕组漏阻抗和磁通等都有些变化，使输出电压的大小与转速不是严格的直线关系。,图5-13 电压幅值特性,2. 电压相位特性 电压相位特性是指当励磁电压 和频率f 1为常数时，感应测速发电机输出电压 与励磁电压 之间的相位差 与输入转速n间的函数关系，即 。,在自动控制系统中，希望测速发电机的输出电压和励磁电压相位相同。实际上，测速发电机的输出电压和励磁电压之间总是存在着相位移，并且相位移的大小随着转速的改变而变化。,图5-14 电压相位特性,5.3.3 感应测速发电机的输出特性,5.3.4 感应测速发电机的主要技术指标及

12、误差分析,1. 线性误差及分析 线性误差的定义,图 5-15 线性误差,感应测速发电机用作阻尼元件时，对线性误差的要求约为千分之几到百分之几；作为解算元件时，约为万分之几到千分之几。目前高精度感应测速发电机线性误差为0.05%左右。,b点, 线性误差产生的原因 （a）励磁绕组的漏阻抗 的影响。考虑 之后励磁绕组的电压平衡方程式为 转速n变化转子导条电流 变化励磁电流 变化 变化磁通 变化。,（b）转子绕组漏抗 引起的直轴去磁效应。忽略漏电抗 时，磁通 与 在空间上正交。 当考虑 时，电流 将在时间相位上落后 一个角度 。电流 所产生的磁通 在空间与 不正交，可将其分解成交轴分量 和直轴 分量。

13、 与 是反方向的，起去磁作用。,图5-16 转子漏电抗 对 的影响,5.3.4 感应测速发电机的主要技术指标及误差分析,（c）交轴磁通 在直轴上的去磁效应。 当转子旋转时，转子导体切割交轴磁通 ，产生切割电动势 和电流 ， 产生的磁通 在直轴上，方向与 相反，其作用是去磁的。,为了减小线性误差，应尽可能地减小励磁绕组的漏阻抗 ，并采用高电阻率材料制成非磁性杯形转子，最大限度地减小转子漏电抗 。,图5-17 交轴磁通 对 的影响,5.3.4 感应测速发电机的主要技术指标及误差分析,2. 相位误差及分析 输出相位移和相位误差,输出相位移 感应测速发电机输出电压 与励磁电压 之间的相位差，称为感应测

14、速发电机的输出相位移 。由于输出相位移 随转速的改变而变化，所以国标规定，在额定励磁电压条件下，电机以补偿点b的转速 旋转时，输出电压的基波分量与励磁电压的基波分量之相位差 作为感应测速发电机的输出相位移。一般相位移为530。,相位误差 在额定励磁电压条件下，电机在最大线性工作转速范围内，输出电压基波分量相位随转速的变化值 称作相位误差。一般相位误差为0.51。,图5-14 电压相位特性,5.3.4 感应测速发电机的主要技术指标及误差分析,相移角 , 不随转速而变称为固定相位移，是可以通过在励磁绕组中串入适当的电容来加以补偿的。 随转速而变，称为相位误差。相位误差难以补偿。, 输出相位移和相位

15、误差产生的原因 （a）转子漏电抗的影响 角，它的大小与转速无关。 （b）励磁绕组漏阻抗的影响 角，它的大小与转速有关。,图5-18 电压相量图,5.3.4 感应测速发电机的主要技术指标及误差分析, 固定相位移的补偿 在励磁绕组中串入适当的电容C，调节C的大小即可改变 的大小和相位，从而使 和 同相位。,图5-19励磁回路串接的电容补偿 图5-20 固定相位移补偿相量图,5.3.4 感应测速发电机的主要技术指标及误差分析,3. 剩余电压 剩余电压是指感应测速发电机在励磁绕组接额定励磁电压，转子静止时输出绕组中所产生的电压。, 剩余电压产生的原因 主要由两部分组成，一部分是固定分量，其大小与转子位置无关；另一部分是交变分量，其值与转子位置有关，当转子位置变化时，其值作周期性变化。,图5-21 剩余电压的固定分量和交变分量,5.3.4 感应测速发电机的主要技术指标及误差分析,(a) 固定分量 固定分量产生的原因主要是两相绕组不正交、磁路不对称、绕组匝间短路、