《特种电机及其控制》-孙建忠第2章电子课件

场也是一个两极磁场， 主磁极轴线的左侧相当于该磁场的N极，右侧相当于S极。 另外，在每个主磁极下面，电枢磁场的磁通在半个极下 由电枢指向磁极，在另外半个极下则由磁极指向电枢， 即半个极下电枢磁通和主磁通同向，另外半个极下电枢 磁通和主磁通反向，因此合成磁通的磁通密度在半个极 下是加强了，在另外半个极下是削弱了，如图2.9（c） 所示。 由于有电枢磁场的存在，当它与主磁场发生交链，使气 隙中的磁场发生畸变，这种现象称为电枢反应。
图2.5 直流测速发电机带负载输出特性原理图
图2.6 直流测速发电机的输出特性
图2.6 直流测速发电机的输出特性
2.1直流测速发电机
2.1.2直流测速发电机的误差及其减小的方法
造成直流测速发电机产生非线性误差的原因较多且比较 复杂,根据产生误差原因的不同从以下几个方面介绍: 1. 温度对误差的影响; 2. 电枢反应的影响; 3. 延迟换向去磁作用的误差影响; 4. 纹波影响; 5. 电刷接触压降影响;
可以看出，当不考虑电枢反应，且认为j 、R a和R L都能 保持为常数，斜率C 也是常数，输出特性便有线性关系。 对于不同的负载电阻 R L,对应的测速发电机输出特性的斜 率也不同，并且它随负载电阻的增大而增大，如图2.6 中 实线所示。 实际当中的直流测速发电机的输出特性U a =f (n) 并不是 严格的线性特性，而与线性特性之间存在有误差，如图26中的虚线所示。 下面我们分析下直流测速发电机误差的产生原因及减小 误差的方法。
图2.11 元件的换向过程
图2.12 换向元件的电势
同时，换向元件在经过几何中性线位置时，由于切割电 枢磁场又会产生切割电势ea，用右手定则可以确定所ea产 生的电流的方向与换向前的电流方向相同，是阻碍换向 的。换向元件中有总电势eK = eL + ea ，由于总电势eK的 阻碍作用而使换向过程延迟。 并且，总电势eK在换向元件中产生附加电流iK ，由iK产生 磁通jK,其方向与主磁通方向相反，对主磁通有去磁作用。 这样的去磁叫做延迟换向去磁。磁通方向如图2.12所示。 如果不考虑磁通变化，则直流测速发电机感应电势与转 速成正比，负载电阻一定时，电枢电流及绕组元件电流 也与转速成正比；换向周期与转速成反比，电机转速越 高，元件的换向周期越短；由 eL L di ， eL正比于单位 dt 时间内换向元件电流的变化量。
U a Ea Cejn Kn
负载时，如图2.5 所示。因为电枢电流I a ≠ 0，对应直流 测速发电机的输出电压 U a = E a − I a R a − ΔU b （2-2） 式中： ΔU b为电刷接触压降； R a为电枢回路电阻。 在理想情况下，不考虑其电刷和换向器之间的接触电阻， 即ΔU b = 0，则直流测速发电机在负载时的输出电压为 Ua= E a − I a R a （2-3） 此式称为直流发电机电压平衡方程式 。 其中R a为电枢回路的总电阻，它表示电枢绕组的电阻， 不包括电刷和换向器之间的接触电阻；I a为电枢总电流。 在带有负载后，由于电阻R a上有电压降，测速发电机的 输出电压比空载时要小。
因此，即使电机励磁电流不变，其空载时的磁通 j 0 和有载 时的合成磁通j 是不相等的，且有j 0> j。对应的，在同 一转速下，空载时的感应电势E a 0和有载时的感应电势 Ea 也不相等,且有 E a 0 > Ea 。 负载电阻减小或转速越高，电枢电流就越大，电枢反应 去磁作用越强，磁通被削弱得越多，输出特性偏离直线 越远，线性误差越大（见图2.6中虚线部分）。
根据转子结构不同，异步测速发电机的两种类型 ①空心杯转子异步测速发电机：由内定子、外定子及在 它们之间的气隙中转动的杯形转子所组成。励磁绕组、输 出绕组嵌在定子上,彼此在空间相差90°电角度。杯形转子 是由非磁性材料制成。其输出绕组中感应电动势大小正比 于杯形转子的转速，输出频率和励磁电压频率相同，与转 速无关。反转时输出电压相位也相反。杯形转子是传递信 号的关键，其质量好坏对性能起很大作用。由于它的技术 性能比其他类型交流测速发电机优越，结构不很复杂，同 时噪声低，无干扰且体积小，是目前应用最为广泛的一种 交流测速发电机。 ②笼式转子异步测速发电机：与交流伺服电动机相似， 因输出的线性度较差，仅用于要求不高的场合。
1. 温度影响 保证输出特性U n＝f (n)为线性关系的条件之一是励磁磁通 j 为常数。实际上，电机周围环境温度的变化以及电机本身发热 都会引起电机绕组电阻以及励磁磁通j 的变化。 随着温度↑，励磁绕组电阻↑，励磁电流↓，磁通也随之↓，输出 电压就会被降低。反之，当温度↓时，输出电压便会升高。 减小温度变化对输出特性的影响，通常可采取下列措施： （1）设计电机时，让磁路比较饱和，使励磁电流的变化所引 起磁通的变化较小（参考磁性材料的磁化曲线）。 （2）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。
对测速发电机工作性能的要求
测速发电机多应用于自控系统中，一般要求测速发电机 要有精确度高、灵敏度高、可靠性好等特点。具体为： Ⅰ.输出电压与转速的线性关系； Ⅱ.温度变化对输出特性的影响要小； Ⅲ.输出电压的斜率特性要好，即转速变化所引起的输出 电压的变化要灵敏； Ⅳ.剩余电压（转速为零时的输出电压）要小； Ⅴ.输出电压的极性和相位能够反映被测对象的转向； Ⅵ.摩擦转矩和惯性要小。 在实际应用中，对测速发电机的要求因自控系统特点的 不同有各有侧重。例如作为解算元件时，对线性误差、温度 误差和剩余电压等都要求较高，一般允许在千分之几到万分 之几的范围内，但对输出电压的斜率要求却不高；作较正元 件时，对线性误差等精度指标的要求不高，而要求输出电压 的斜率要大 。
2.1直流测速发电机
2.1.1 直流测速发电机的输出特性
(output characteristic) 测速发电机输出电压和转速的关系，即U = f (n)称为输出 特性。 根据直流电机理论，在磁极磁通量j为常数时，电枢感应 电动势 电动势： Ea Cejn Kn （2-1） 空载时，由于电枢电流I a = 0 ，对应的直流测速发电 机的输出电压U a和电枢感应电动势E a相等，因而输出电 压与转速成正比。
(b)电阻随温度变化的曲线
励磁回路中的热敏电阻并联网络校正温度误差的方法: 作出励磁绕组电阻随温度变化的曲线（图b中曲线1）。 再作并联网络电阻随温度变化的曲线（图b中曲线2）； 前者温度系数为正，后者温度系数为负。只要使得这两 条曲线的斜率相等，励磁回路的总电阻就不会随温度而 变化（图b中曲线3），因而励磁电流及励磁磁通也就不 会随温度而变化。
第二章 测速发电机
本章教学目标与要求
了解直流测速发电机电枢绕组的电动势及电压平 衡方程式； 掌握直流测速发电机的输出特性； 掌握产生误差的原因及减小的方法 了解交流异步测速发电机的结构、原理； 掌握交流异步测速发电机的特性及主要技术指标。
引言
测速发电机(Tachogenerator) 是自控系统的常用元件,它可以把转速信号转 换成电压信号输出，输出电压与输入的转速成正 比关系，用于测量旋转体的转速，亦可作为速度 讯号的传送器。在自动控制系统和计算装置中一 般作为测速元件、校正元件、解算元件和角加速 度信号元件等。 测速发电机按输出信号的形式，可分为交流 测速发电机和直流测速发电机两大类。
2. 电枢反应的影响 (1)直流电机的电枢反应 电机空载时，只有励磁绕组产生的主磁场。当电机带负 载，电枢绕组中流过的电流也要产生磁场，称为电枢磁 场。所以，负载运行时，电机中的磁场是主磁场和电枢 磁场的合成。 电机磁场及空间分布如图2.9所示： 由于电枢导体的电流方向总是以电刷为其分界线，且电 刷两侧导体中的电流大小相等，方向相反，所以电枢电 流所产生的磁场在空间的分布情况不变，即电枢磁场在 空间是固定不动的恒定磁场。其磁力线的分布可以根据 右手螺旋定则作出，如图2.9（b）。由于电刷位于几何 中性线上，所以电枢磁场在电刷轴线两侧是对称的，电 刷轴线就是电枢磁场的轴线。
（a）定子励磁绕组产生主磁场 （b）电枢绕组产生电枢磁场
（c）合成磁场
图2.9 直流电机磁场
（2）电枢反应的去磁效应对误差的影响 如果电机的磁路不饱和（即磁路为线性），磁场的合成 就可以应用叠加原理，合成磁通在左半极减小，在右半 极增大，且削弱和加强互相抵消，整个极的磁通保持不 变，仅仅磁场的分布发生了变化。 但在实际电机中，因为电机的极靴端部和电枢齿部空载 时就比较饱和，叠加原理并不完全适用。 N极右半极由于磁通变大，磁路将更加饱和，磁阻变大， 磁场增加的少； N极左半极由于磁通变小，磁路饱和程度降低 ，磁阻变 小，磁场减少的多； 造成了N极左半极磁通的减小值大于右半极磁通的增加值， 因此N极总的磁通有所减小。同理，S极的情况也是如此。 这样，电枢对主磁场有去磁作用。
负载时电枢电流为
I a
Ua RL
R L 为测速发电机的负载电阻。 代入式（2—3）得到 U U a E a a Ra RL 化简为
Ea Ua Ra 1 RL
用 Ea Cejn Kn 代入得
Ua
C ej K n n Cn R R 1 a 1 a RL RL
C为测速发电机输出特性的斜率。
（3）减小电枢反应对输出特性影响的措施 为了减小电枢反应对输出特性的影响，应尽量使电机的 气隙磁通保持不变。通常采取以下一些措施： （1）对电磁式直流测速发电机，在定子磁极上安装补偿 绕组。有时为了调节补偿的程度，还接有分流电阻，如 图所示。
Wc：补偿绕组 R： 分流电阻
有补偿绕组的接线图
（2）在设计电机时，选择较小的线负荷（A C C ）和较 Da 大的空气隙。 （3）在使用时，转速不应超过最大线性工作转速，所接 负载电阻不应小于最小负载电阻，以保证线性误差在限 定范围内。
2、交流测速发电机
交流测速发电机与直流测速发电机一样，是一种测量 转速或传递转速信号的元件。 交流测速发电机包括同步和异步两种。 （1）电机根据转子类型，异步测速发电机可分为： ①空心杯转子异步测速发电机 ②笼式转子异步测速发电机 （2）同步测速发电机：以永久磁铁作为转子的交流发电机。 输出电压和频率随转速同时变化，而且不能判别旋转方向, 使用不便，在自动控制系统中用得很少,主要供转速的直接 测量用。