測速發(fā)電機課件

1、關(guān)于測速發(fā)電機第一張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月測速發(fā)電機是一種把轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電壓信號的機電式元件。它的輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系，即Ua=Kn。或：5.1概述第二張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月測速發(fā)電機的輸出電壓能表征轉(zhuǎn)速，因而可用來測量轉(zhuǎn)速；測速發(fā)電機的輸出電壓正比于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角對時間的微分，在解算裝置中可以把它作為微分或積分元件。按結(jié)構(gòu)和工作原理的不同，測速發(fā)電機分為直流測速發(fā)電機、感應(yīng)測速發(fā)電機和同步測速發(fā)電機，近年來還有采用新原理、新結(jié)構(gòu)研制的霍爾效應(yīng)測速發(fā)電機等。第三張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月自動控制系統(tǒng)對測速發(fā)電機的基本要求是： 輸出電壓應(yīng)與轉(zhuǎn)

2、速成正比且比例系數(shù)要大； 轉(zhuǎn)動慣量小。此外，還要求它對無線電通訊干擾小、噪聲低、工作可靠等。第四張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月5.2 直流測速發(fā)電機一、輸出特性二、直流測速發(fā)電機的誤差及其減小方法三、直流測速發(fā)電機的主要性能指標第五張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月按勵磁方式不同，直流測速發(fā)電機可分為電磁式和永磁式兩大類。其結(jié)構(gòu)和工作原理與普通直流發(fā)電機基本相同。一、輸出特性輸出特性是指輸出電壓Ua與輸入轉(zhuǎn)速n 之間的函數(shù)關(guān)系。第六張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月圖5-1 直流測速發(fā)電機原理電路當直流測速發(fā)電機的輸入轉(zhuǎn)速為n，且勵磁磁通恒定不變時，電樞電動勢為當接

3、負載時，電壓平衡方程式為 第七張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 可見，只要保持、Ra、RL不變，Ua與n之間就成正比關(guān)系。當負載RL變化時，將使輸出特性斜率發(fā)生變化。改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向，Ua的極性隨之改變。由于負載電流Ia=Ua/RL ，可得圖5-2 不同負載時的理想輸出特性第八張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月二、直流測速發(fā)電機的誤差及其減小方法1. 電樞反應(yīng)的影響2. 延遲換向的影響3. 溫度的影響4. 紋波的影響5. 電刷接觸壓降對輸出特性的影響第九張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月在實際運行中，Uan之間并不能嚴格地保持正比關(guān)系，即存在誤差。產(chǎn)生誤差的主要原因：1.

4、 電樞反應(yīng)的影響當發(fā)電機帶上負載后，電樞中有電流Ia通過，故產(chǎn)生電樞磁場。電樞磁場的大小與電樞電流Ia有關(guān)，方向與勵磁磁場正交。由于電樞磁場的存在，使氣隙中的合成磁場產(chǎn)生畸變，這種作用稱為電樞反應(yīng)。第十張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月電樞反應(yīng)影響分析：圖5-3 直流測速發(fā)電機磁場 電樞磁場主磁場氣隙合成磁場第十一張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 如果電機的磁路不飽和(即磁路為線性)，磁場的合成就可以應(yīng)用疊加原理。例如，N極右半個極下的合成磁通等于1/2主磁通與1/2電樞磁通之和，左半個極下的合成磁通等于1/2主磁通與 1/2電樞磁通之差。因此，N極左半個極的削弱和右半個極的

5、加強相互抵消，整個極的磁通保持不變，僅僅磁場的分布發(fā)生了變化。第十二張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月磁路飽和時，電樞反應(yīng)有去磁效應(yīng)。負載電阻越小或轉(zhuǎn)速越高，去磁效應(yīng)越強。為了減小電樞反應(yīng)對輸出特性的影響，在直流測速發(fā)電機的技術(shù)條件中標有最高轉(zhuǎn)速和最小負載電阻。圖5-5 電樞反應(yīng)對輸出特性的影響 第十三張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 延遲換向的影響換向元件中總電動勢為 eK=eL+ea。eK阻礙電流變化，使換向延遲，稱延遲換向。由于換向元件被電刷短路，eK在換向元件中產(chǎn)生與其方向一致的附加電流iK，iK產(chǎn)生磁通K，K 對主磁通起去磁作用。圖5-6 換向元件中的電動勢方向

6、eL電抗電動勢ea旋轉(zhuǎn)電動勢第十四張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月圖5-6 換向元件中的電動勢方向分析表明eLn2，ean2，因此Kn2。通常用限制最高轉(zhuǎn)速的措施來減小延遲換向去磁效應(yīng)的影響。延遲換向?qū)敵鎏匦缘挠绊懙谑鍙?，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月3. 溫度的影響在應(yīng)用中，發(fā)電機本身會發(fā)熱，而且環(huán)境溫度也是變化的。導致勵磁繞組電阻變化，將引起勵磁電流和磁通的變化，使輸出電壓與轉(zhuǎn)速之間不再是嚴格的線性關(guān)系。第十六張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月解決方法： 勵磁回路串聯(lián)熱敏電阻并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。 勵磁回路串聯(lián)阻值較大、溫度系數(shù)很小的附加電阻R。溫度變化時，回路總電阻變化

7、小。 將磁路設(shè)計得比較飽和。電流變化時，磁通變化小。圖5-7 勵磁繞組補償電路第十七張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 4. 紋波的影響根據(jù)Ea=Ca n，當、n為定值時，電刷兩端輸出不隨時間變化的直流電動勢。實際的電機輸出電動勢總是帶有微弱的脈動，通常把這種脈動稱為紋波。紋波的大小和頻率與電樞繞組的元件數(shù)有關(guān)，元件數(shù)越多，其脈動的頻率越高，幅值越小。第十八張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月紋波電壓的存在對于測速發(fā)電機是不利的，當用于轉(zhuǎn)速控制或阻尼元件時，對紋波電壓的要求較高，而在高精度的解算裝置中則要求更高。紋波系數(shù)是指在一定轉(zhuǎn)速下，輸出電壓中交變分量的有效值與直流分量之比。

8、目前國產(chǎn)測速發(fā)電機已做到紋波系數(shù)小于1%，國外高水平測速發(fā)電機紋波系數(shù)已降到0.1%以下。第十九張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月Ub的變化規(guī)律 圖5-8 電刷接觸電壓5. 電刷接觸壓降Ub對輸出特性的影響考慮到電刷接觸電壓的影響，輸出特性的方程式可改寫為Rw除電刷接觸外的總電阻第二十張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 圖5-9 考慮電刷接觸壓降后的輸出特性接觸電壓的影響 導致輸出特性存在不靈敏區(qū)。減小影響措施 采用接觸壓降小的電刷 。 第二十一張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月三、直流測速發(fā)電機的主要性能指標線性誤差2. 靈敏度3. 最高線性工作轉(zhuǎn)速和最小負載電阻4.

9、 不靈敏區(qū)5. 輸出電壓的不對稱度6. 紋波系數(shù)第二十二張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月線性誤差1它是在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，實際輸出特性曲線與過OB的線性輸出特性之間的最大差值Um與最高線性轉(zhuǎn)速nmax在線性特性曲線上對應(yīng)的電壓Um之比。第二十三張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月在圖5-10中，B點為 時實際輸出特性的對應(yīng)點。一般1為1%2%，對于較精密系統(tǒng)要求1為0.1%0.25%。圖5-10 線性誤差第二十四張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 靈敏度靈敏度也稱輸出斜率，是指在額定勵磁電壓下，轉(zhuǎn)速為1000 rmin時所產(chǎn)生的輸出電壓。一般直流測速發(fā)電機空載時可達(

10、1020)V。測速發(fā)電機作為阻尼元件使用時，靈敏度是其重要的性能指標。第二十五張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月3. 最高線性工作轉(zhuǎn)速nmax和最小負載電阻RLmin是保證測速發(fā)電機工作在允許的線性誤差范圍內(nèi)的兩個使用條件。4. 不靈敏區(qū)ndZ由電刷接觸壓降Ub而導致輸出特性斜率顯著下降(幾乎為零)的轉(zhuǎn)速范圍。該性能指標在超低速控制系統(tǒng)中是重要的。第二十六張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月5. 輸出電壓的不對稱度Kas指在相同轉(zhuǎn)速下，測速發(fā)電機正、反轉(zhuǎn)時，輸出電壓絕對值之差U2與兩者平均值Uav之比，即 輸出電壓不對稱是電刷不在幾何中性線上或剩余磁通存在造成的。一般在0.35%

11、2%范圍內(nèi)，對要求正、反轉(zhuǎn)的控制系統(tǒng)需考慮該指標。第二十七張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月6. 紋波系數(shù)Ka測速發(fā)電機在一定轉(zhuǎn)速下，輸出電壓中交流分量的有效值與直流分量之比。目前可做到Ka1%，高精度速度伺服系統(tǒng)對該指標的要求較高。主要性能指標是選擇直流測速發(fā)電機的依據(jù)。第二十八張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月5.3 感應(yīng)測速發(fā)電機一、結(jié)構(gòu)特點二、工作原理三、感應(yīng)測速發(fā)電機的輸出特性四、感應(yīng)測速發(fā)電機的主要技術(shù)指標及誤差分析第二十九張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月交流測速發(fā)電機分為同步測速發(fā)電機和感應(yīng)測速發(fā)電機兩大類。同步測速發(fā)電機定子輸出繞組感應(yīng)電動勢的大小和頻

12、率都隨轉(zhuǎn)速n的變化而變化，不宜用于自動控制系統(tǒng)中。一、結(jié)構(gòu)特點感應(yīng)測速發(fā)電機的定子上有兩相正交繞組，其中一相接電源勵磁，另一相用作輸出電壓信號。第三十張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月圖5-11 杯形轉(zhuǎn)子感應(yīng)測速發(fā)電機結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子有鼠籠式和非磁性空心杯式兩種。鼠籠轉(zhuǎn)子感應(yīng)測速發(fā)電機，結(jié)構(gòu)簡單，但性能較差；空心杯形轉(zhuǎn)子感應(yīng)測速發(fā)電機性能好，是目前應(yīng)用最廣泛的一種交流測速發(fā)電機。 第三十一張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月二、工作原理定子Nf為勵磁繞組，N2為正交的輸出繞組。轉(zhuǎn)子為非磁空心杯，杯壁可看成是無數(shù)條鼠籠導條緊靠在一起排列而成。圖5-12 感應(yīng)測速發(fā)電機工作原理第三十二張，P

13、PT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月當轉(zhuǎn)子不動n=0時，輸出電壓U2=0n=0時，在勵磁繞組加頻率為f1的勵磁電壓，勵磁繞組中就有電流通過，并在內(nèi)外定子間的氣隙中產(chǎn)生頻率為f1的脈振磁場。脈振磁場軸線與勵磁繞組軸線一致，它所產(chǎn)生的脈振磁通與勵磁繞組和轉(zhuǎn)子導體相匝鏈并交變。這時勵磁繞組與轉(zhuǎn)子間如同變壓器原、副邊間的情況一樣。 第三十三張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 假如忽略勵磁繞組的電阻及漏抗，由變壓器的電壓平衡方程式，電源電壓Uf與勵磁繞組中的感應(yīng)電勢Ef0相平衡，電源電壓的值近似地等于感應(yīng)電勢的值，即 UfEf0 由于感應(yīng)電勢Ef0f0，故 f0Uf 所以當電源電壓一定時，磁通f

14、0也保持不變。第三十四張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 下圖是某一瞬間磁通f0的極性。由于勵磁繞組與輸出繞組相互垂直，因此磁通f0與輸出繞組N2的軸線也互相垂直。這樣，磁通f0就不會在輸出繞組N2中感應(yīng)出電勢，所以n=0時，輸出繞組N2沒有電壓輸出。第三十五張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 當轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n轉(zhuǎn)動時，若仍忽略R1及X1，則沿勵磁繞組軸線脈振的磁通不變。由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子杯導體就要切割磁通產(chǎn)生切割電勢ERV，同時產(chǎn)生電流IRV。假設(shè)勵磁繞組中通入的是直流電，那末這時它所產(chǎn)生的磁場是恒定不變的，這相當于直流電機，直流電機每個極下轉(zhuǎn)子導條切割電勢的平均值為 E RV

15、=Bplv 式中，Bp為磁通密度的平均值。 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為n時，U2n第三十六張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 由于每極磁通f0=Bpl及v=Dn/60(為極距，D為定子內(nèi)徑；l為定、轉(zhuǎn)子鐵心長度)，因此導條電勢 ERVf0n 由于杯形轉(zhuǎn)子導條電阻RR比漏抗大得多，當忽略導條漏抗的影響時，導條中電流第三十七張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 與此同時，流過轉(zhuǎn)子導體中的電流IRV又要產(chǎn)生磁通2，2的值與電流IRV成正比，即 2IRV 考慮式ERVf0n及IRV=ERV/RR得 2f0n 第三十八張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 因此2與n成正比，且交變的，交變頻率f1一樣

16、。不管轉(zhuǎn)速如何，轉(zhuǎn)子杯上半圓導體與下半圓導體電流方向總相反，因此，轉(zhuǎn)子切割電流IRV 產(chǎn)生的磁通2總是與磁通f0垂直，與輸出繞組N2的軸線方向一致。第三十九張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月當磁通2交變時，就要在輸出繞組N2中感應(yīng)出電勢，產(chǎn)生測速發(fā)電機輸出電壓U2，它的值正比于2，即 U 2 2 再將2f0n代入，得 U2f0n 再將f0U1代入，就得 U2U1n第四十張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 這就是說，當勵磁繞組加上電源電壓U1， 電機以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時，測速發(fā)電機的輸出繞組將產(chǎn)生輸出電壓U2，其值與轉(zhuǎn)速n成正比。當轉(zhuǎn)向相反時，由于轉(zhuǎn)子中的切割電勢、電流及其產(chǎn)生的磁通的

17、相位都與原來相反，因而輸出電壓U2的相位也與原來相反。這樣，異步測速發(fā)電機就可以很好地將轉(zhuǎn)速信號變成為電壓信號，實現(xiàn)測速的目的。第四十一張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 由于磁通2是以頻率f1在交變的，因此輸出電壓U2也是交變的，其頻率等于電源頻率f1，與轉(zhuǎn)速無關(guān)。 以上是一臺理想測速發(fā)電機的情況。實際異步測速發(fā)電機的性能并沒有這么理想，由于許多因素的存在，會使測速發(fā)電機產(chǎn)生各種誤差。第四十二張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月三、感應(yīng)測速發(fā)電機的輸出特性1. 電壓幅值特性2. 電壓相位特性第四十三張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月感應(yīng)測速發(fā)電機的輸出特性是指當轉(zhuǎn)軸上有

18、轉(zhuǎn)速信號n輸入時，定子輸出電壓的大小和相位隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系，分別稱為電壓幅值特性和電壓相位特性。1. 電壓幅值特性電壓幅值特性是指當勵磁電壓和頻率 f1 為常數(shù)時，感應(yīng)測速發(fā)電機輸出電壓U2與轉(zhuǎn)速 n 間的函數(shù)關(guān)系，即U2=f(n) 。圖5-13 電壓幅值特性第四十四張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月理想狀態(tài)下測速發(fā)電機的輸出特性為過原點的一條直線，實際特性由于各繞組漏阻抗和磁通等都有變化，使輸出電壓的大小與轉(zhuǎn)速不是嚴格的直線關(guān)系。圖5-13 電壓幅值特性第四十五張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 電壓相位特性電壓相位特性是指當勵磁電壓Uf和頻率f 1為常數(shù)時，感應(yīng)測速發(fā)電

19、機輸出電壓U2與勵磁電壓Uf間的相位差與輸入轉(zhuǎn)速n間的函數(shù)關(guān)系，即=f(n)。 圖5-14 電壓相位特性第四十六張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月在自動控制系統(tǒng)中，希望測速發(fā)電機的輸出電壓和勵磁電壓相位相同。實際上，它們間總存在著相位移，并且相位移的大小隨著轉(zhuǎn)速的改變而變化。 圖5-14 電壓相位特性第四十七張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月四、感應(yīng)測速發(fā)電機的主要技術(shù)指標及誤差分析1. 線性誤差及分析2. 相位誤差及分析3. 剩余電壓4. 輸出斜率第四十八張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月1. 線性誤差及分析 線性誤差的定義圖 5-15 線性誤差b點 U max 為實

20、際輸出電壓與線性輸出電壓的最大差值； U2m為對應(yīng)于最大轉(zhuǎn)速nmax (技術(shù)條件上有規(guī)定)的線性輸出電壓。第四十九張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 感應(yīng)測速發(fā)電機用作阻尼元件時，對線性誤差的要求約為千分之幾到百分之幾；作為解算元件時，約為萬分之幾到千分之幾。目前高精度感應(yīng)測速發(fā)電機線性誤差為0.05%左右。第五十張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 線性誤差產(chǎn)生的原因（a）勵磁繞組的漏阻抗Zf的影響。開始時，假設(shè)忽略勵磁繞組電阻Rf及漏抗Zf，認為UfEf，并由此得出電機轉(zhuǎn)動時與不動時沿著勵磁繞組軸線方向脈振的磁通保持不變，都為f0。但實際上Rf和Zf都是存在的， 這時在電機中

21、，除了通過氣隙同時匝鏈勵磁繞組與轉(zhuǎn)子導體的主磁通外，還存在著只匝鏈勵磁繞組本身，而不與轉(zhuǎn)子導體相匝鏈的漏磁通1.第五十一張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 主磁通和漏磁通第五十二張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 與漏磁通1相對應(yīng)的就是勵磁繞組漏抗Zf，同時勵磁繞組還有電阻Rf，因此，這時電源電壓 Uf與電勢Ef及漏阻抗壓降相平衡，電壓平衡方程式為：由于感應(yīng)電勢Ef 的值正比于磁通f的值，而相位落后90，因此可寫成第五十三張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月將式上式代入 式得因而 式中，K1為比例常數(shù)。若采用比例復(fù)常數(shù)K，使K= j K1，則第五十四張，PPT共六十三頁，

22、創(chuàng)作于2022年6月圖5-16 轉(zhuǎn)子漏電抗對f 的影響n變化導條電流變化勵磁電流變化 f磁通變化。第五十五張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（b）轉(zhuǎn)子繞組漏抗Xr引起直軸去磁效應(yīng)。忽略Xr時，磁通2與f正交。當考慮Xr時，電流r3 落后rv角度。Ir3的磁通3與f 不正交，可分解成2和2。2與f反向，起去磁作用。圖5-16 轉(zhuǎn)子漏電抗Xr對f 的影響第五十六張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（c）交軸磁通2在直軸上的去磁效應(yīng)。當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，導體切割2 ，產(chǎn)生切割電動勢Erv和電流Irv，Irv產(chǎn)生的磁通2在直軸上，方向與f相反，作用去磁。為減小線性誤差，應(yīng)盡可能減小勵磁繞組的漏阻抗Zf ，并采用高電阻率材料制成非磁性杯形轉(zhuǎn)子，最大限度地減小轉(zhuǎn)子漏電抗。圖5-17 2 對f的影響第五十七張，PPT共六十三頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 相位誤差及分析 輸出相位移和相位誤差輸出相位移：感應(yīng)測速發(fā)電機輸出電壓與勵磁電壓間的相位差，稱感應(yīng)測速發(fā)電機的輸出相位移