電機(jī)及電力拖動(dòng)（第五版） 課件 第12章－測(cè)速發(fā)電機(jī)

第十二章測(cè)速發(fā)電機(jī)

12.1直流測(cè)速發(fā)電機(jī)

12.2交流異步測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī)是一種反映轉(zhuǎn)速的信號(hào)元件，它將輸入的機(jī)械轉(zhuǎn)速變換成電壓信號(hào)輸出，這要求電機(jī)的輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系。12.1直流測(cè)速發(fā)電機(jī)12.1.1工作原理直流測(cè)速發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)與普通小型直流發(fā)電機(jī)相同，按勵(lì)磁方式可分為他勵(lì)式和永磁式兩種。其原理如圖。在恒定磁場(chǎng)中，電樞以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)，電樞上的導(dǎo)體切割磁通φ0，在電刷間產(chǎn)生空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E0。在空載時(shí)，即電樞電流Ia=0,其輸出電壓就是空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，即U0=E0，因而輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比。

以上三式整理得在理想情況下，Ra、Rz和φο均為常數(shù)，直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓U與轉(zhuǎn)速n仍成線(xiàn)性關(guān)系。對(duì)于不同的負(fù)載電阻，測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出特性的斜率也有所不同，它隨負(fù)載電阻的減小而降低，如圖。直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出特性12.1.2誤差原因直流測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出電壓U與轉(zhuǎn)速n成線(xiàn)性關(guān)系的條件是φο、Ra、Rz保持不變，實(shí)際上，在運(yùn)行時(shí)，有一些因素會(huì)引起這些量發(fā)生變化，這些因素是：①周?chē)h(huán)境溫度的變化，特別是勵(lì)磁繞組長(zhǎng)期通電熱而引起的勵(lì)磁繞組電阻的變化，將引起勵(lì)磁電流及磁通φ0的變化，從而造成線(xiàn)性誤差。②直流測(cè)速發(fā)電機(jī)有負(fù)載時(shí)電樞反應(yīng)的去磁作用，使測(cè)速發(fā)電機(jī)氣隙磁通減小，引起線(xiàn)性誤差。③因?yàn)殡姌须娐房傠娮柚邪娝⑴c換向器的接觸電阻，而這種接觸電阻是隨負(fù)載電流變化而變化的。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，相應(yīng)的電樞電流較小，而接觸電阻較大，這時(shí)測(cè)速發(fā)電機(jī)雖然有輸入信號(hào)（轉(zhuǎn)速），但輸出電壓卻很小，因而在輸出特性上引起線(xiàn)性誤差。為了減小由溫度變化而引起的磁通變化一方面可在實(shí)際使用時(shí)在勵(lì)磁回路中串聯(lián)一個(gè)電阻值較大的附加電阻。另一方面設(shè)計(jì)時(shí)可使發(fā)電機(jī)磁路處于較飽和狀態(tài)為了減小電樞反應(yīng)的去磁作用在設(shè)計(jì)時(shí)可在定子磁極上安裝補(bǔ)償繞組，并選取較小的線(xiàn)負(fù)荷和適當(dāng)加大發(fā)電機(jī)氣隙，在使用時(shí)盡可能采用大的負(fù)載電阻，并選用適當(dāng)?shù)碾娝?，以減小電刷接觸壓降。12.2交流異步測(cè)速發(fā)電機(jī)12.2.1工作原理空心杯形轉(zhuǎn)子異步測(cè)速發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)和杯形轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī)相似，轉(zhuǎn)子是一個(gè)薄壁非磁性杯，通常用高電阻率的硅錳青銅或鋁鋅青銅制成。定子的兩相繞組在空間位置上嚴(yán)格保持90°電角度，其中一相作為勵(lì)磁繞組，外施穩(wěn)頻穩(wěn)壓的交流電源勵(lì)磁；另一相作為輸出繞組，其兩端的電壓即為測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓，如圖。交流異步測(cè)速發(fā)電機(jī)的工作原理轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí)d軸的脈振磁通只能在空心杯轉(zhuǎn)子中感應(yīng)出變壓器電動(dòng)勢(shì)，這一變壓器電動(dòng)勢(shì)將產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流，此電流所產(chǎn)生的磁通與勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的磁通在同一軸線(xiàn)上，阻礙φ1的變化，所以合成磁通仍為沿d軸的磁通φd。而輸出繞組的軸線(xiàn)和勵(lì)磁繞組軸線(xiàn)空間位置相差90°電角度，它與d軸磁通沒(méi)有耦合關(guān)系，不產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，輸出電壓為零。交流異步測(cè)速發(fā)電機(jī)的工作原理當(dāng)勵(lì)磁繞組外施電壓U1，便有電流I1流過(guò)繞組，在氣隙中沿勵(lì)磁繞組軸線(xiàn)（d軸）產(chǎn)生一頻率為f的脈動(dòng)磁通φ1。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)后繞組中除了感應(yīng)有變壓器電動(dòng)勢(shì)外，同時(shí)因轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割磁通φd，而在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)Erq，其有效值為Cq——比例常數(shù)。而φq的軸線(xiàn)則與輸出繞組軸線(xiàn)（q軸）重合，由于φq作用在q軸，因而在定子輸出繞組中感應(yīng)出變壓器電動(dòng)勢(shì)，其頻率仍為f，而有效值為式中N2Kw2——輸出繞組的有效匝數(shù)，對(duì)一定的電機(jī)，其值為常數(shù)。考慮到φq∝Erq而Erq∝n，故輸出電動(dòng)勢(shì)E2可寫(xiě)成E2=C1nC1——比例常數(shù)。即輸出繞組中所感應(yīng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)E2與轉(zhuǎn)速n成正比，由這個(gè)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生輸出電壓U2。若轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，則轉(zhuǎn)子中的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)Erq，電流Irq及其所產(chǎn)生的磁通φq的相位均隨之相反，因而輸出電壓的相位也相反。這樣，異步測(cè)速發(fā)電機(jī)就能將轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)測(cè)速的目的。12.2.2主要誤差自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)異步測(cè)速發(fā)電機(jī)的要求：

①輸出電壓與轉(zhuǎn)速成嚴(yán)格的線(xiàn)性關(guān)系。②輸出電壓與勵(lì)磁電壓（壓）相同。③轉(zhuǎn)速為零時(shí)，沒(méi)有輸出電壓，即所謂剩余電壓為零。一、線(xiàn)性誤差輸出電壓U2與轉(zhuǎn)速n成嚴(yán)格的線(xiàn)性關(guān)系的前提是勵(lì)磁繞組軸線(xiàn)（d軸）上產(chǎn)生變壓器電動(dòng)勢(shì)的脈振磁通φd的振幅應(yīng)保持恒定。但是實(shí)際上勵(lì)磁繞組有電阻和漏抗φd的振幅是變化的，這就破壞了輸出電壓與轉(zhuǎn)速應(yīng)保持的線(xiàn)性關(guān)系。減少誤差方法:①設(shè)法減小定子阻抗和增大轉(zhuǎn)子電阻。②可提高電源頻率以增加同步轉(zhuǎn)速，減小相對(duì)轉(zhuǎn)速，降低測(cè)速發(fā)電機(jī)的最大誤差。二、相位誤差輸出電壓與勵(lì)磁電壓之間的相位誤差是由勵(lì)磁繞組的漏阻抗壓降所引起的。測(cè)速發(fā)電機(jī)已勵(lì)磁而轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)（即零信號(hào)狀態(tài)下）時(shí)，輸出繞組所出現(xiàn)的電壓，稱(chēng)為剩余電壓，亦稱(chēng)零信號(hào)電壓。產(chǎn)生剩余電壓的原因主要有兩個(gè)方面:①制造工藝不良，如內(nèi)定子橢圓，造成磁路不對(duì)稱(chēng)，繞組匝間短路以及兩相繞組在空間下完全成90°電角度等原因，使勵(lì)磁繞組與輸出繞組之間存在著耦合作用。②導(dǎo)磁材料不均勻以及非線(xiàn)性，產(chǎn)生高次諧波磁場(chǎng)，就會(huì)在輸出繞組中感應(yīng)出諧波電動(dòng)勢(shì)。為此，應(yīng)合理地選擇磁性材料和提高加工質(zhì)量，采用補(bǔ)償繞組和磁路補(bǔ)償?shù)却胧?，晝減少剩余電壓。12.2.3剩余電壓12.3選擇時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題在選用時(shí)，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的頻率電壓、工作轉(zhuǎn)速和具體用途夾選擇交流測(cè)速發(fā)電機(jī)的規(guī)格，用作解元件的應(yīng)著重考慮精度要高，輸出電壓穩(wěn)定性好；用于一般轉(zhuǎn)速檢測(cè)或作阻尼元件時(shí)，應(yīng)著重考慮輸出斜率要大。與直流測(cè)速發(fā)電機(jī)比較，交流異步測(cè)速發(fā)電機(jī)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)容易，運(yùn)行可靠；沒(méi)有電刷和換向器