第03章-测速发电机

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第三章 测速发电机 因此,为改善输出特性的线性度,一般采取限制转 速的措施来削弱换向延迟所产生的去磁作用。这一点与
上述限制电枢反应去磁作用所采取的措施是一致的。
U2
理想输出
实际输出
O
n
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图3-3 换向延迟对输出特性的影响
第三章 测速发电机 (3) 电刷接触电阻的影响 要保持输出特性的线性关系,Ra为恒值是不可或缺
永磁式直流测速发电机的优点是省略了励磁电源,
结构简单,体积小,效率高;缺点是永磁体的磁性能会
受到温度变化和电机振动的影响,长期使用电机性能会
逐渐衰减。另外,高性能的永磁材料是这种测速发电机
造价较高的主要因素。
这两种直流测速发电机的转子结构及电枢绕组与小
功率直流发电机是完全一样的。
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第三章 测速发电机 二、工作原理 直流测速发电机的工作原理与小功率直流发电机完 全相同。当主磁通Φ一定时,直流发电机电枢绕组的感 应电动势为
第三章 测速发电机
转子电流 I r又将产生交轴方向的脉振磁动势和交轴
磁通 r ,并且其交变频率仍为f1 ,而大小正比于 Ir 。


显然,交轴磁通 r 是沿输出绕组轴线方向的,它将匝链
输出绕组,并产生感应电动势 E 2 和输出电压 U 2 。当输


出绕组开路时,即有
U 2 E2 4.44 f1 N 2 kw2 q

Er C r d n
(3-5)
电动势系数
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第三章 测速发电机
与笼型转子一样,电动势 E r 将在转子绕组中产生同
样频率的转子电流 I r 。由于杯型转子导条的电阻比漏抗


大很多,可忽略转子漏抗的影响,即认为 I r 与 E r 同相
位,所以


Er Ir Rr
(3-6)
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(3-7)
输出绕组串联匝数
输出绕组基波系数
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第三章 测速发电机 从上述分析可以看出,
U 2 q I r E r C r d n U f n
U2 n
(3-8)
当交流异步测速发电机励磁绕组施加恒定的励磁电 压,电机以转速n 旋转时, 输出绕组的输出电压U2 与转 速n 成正比。 当电机反转时,由于相应的感应电动势、
控制电机
第三章 测速发电机
第一节 直流测速发电机 第二节 交流测速发电机 第三节 特种测速发电机* 第四节 测速发电机的选用
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第三章 测速发电机 测速发电机是一种把输入的转速信号转换成输出的
电压信号的机电式信号元件,它可以作为测速、校正和
解算元件,广泛应用于各种自动控制系统之中。 自动控制系统对测速发电机的性能要求,主要是精 度高、灵敏度高、可靠性好,包括以下五个方面: (1)输出电压与转速之间有严格的正比关系。
e
2
1
O
t
图3-5 感应电动势的脉动
1-元件感应电动势 2-合成感应电动势
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源自文库
第三章 测速发电机 (5) 温度的影响 在电磁式直流测速发电机中,励磁绕组因长时间通 电会发热,它的电阻值随之增大,致使励磁电流减小, 主磁通下降,导致电枢绕组的感应电动势和输出电压减 小。计算表明,铜绕组温度每升高25º C,其电阻值相应 增大10%。 所以,温度的变化对电磁式直流测速发电机 的输出特性影响较大。为了减小这种影响,实际使用时 可以在励磁绕组回路中串联一个较大电阻值且温度系数 较低的附加电阻,这样当温度升高时,励磁回路总电阻 的变化就会很小;或者在设计时使电机磁路处于较饱和 的状态,这样即使励磁电流有较大的变化,主磁通的变 化也会很小。 -16-
有利于直轴磁通 d的恒定。但减小励磁绕组的漏阻抗, 意味着电机体积的增大,为此一般是采用增大转子电阻
的办法来减小直轴磁通变化对输出特性的影响。 此外,减小电机的相对转速 n * ( n * n / n1 , 1 为 n 同步转速),也有利于减小直轴磁通的变化,因为转子

直轴磁动势的大小与电机的相对转速有关。所以,对于
电流及磁通的相位都与原来相反,因此输出电压的相位
也与原来相反。这样,异步测速发电机就能将转速信号 转换成电压信号,实现测速的目的。
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第三章 测速发电机 三、误差分析 (1) 直轴磁通变化的影响 根据前面所述,要使输出电压和转速成正比关系, 必须保持直轴磁通 d 恒定。 实际上,由于转子导体在 直轴磁场中旋转,将产生运动电动势和电流,并在交轴 方向产生交轴磁动势和交轴磁通 q 。 而转子在交轴磁
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第三章 测速发电机 不灵敏区是由于电刷接触电阻的非线性而产生的, 为了减小它的影响,常常采用接触电压较小的银-石墨
电刷或者铜电刷,并在电刷和换向器的表面镀银,使电
刷和换向器不易磨损。另外,还可以对低电压的输出进 行非线性补偿。
U2
ΔU b
O
不灵敏区
n
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图3-4 电枢接触电阻对输出特性的影响
的基本条件。 Ra包含着电刷和换向器之间的接触电阻
Rb,这个接触电阻的大小与诸多因素有关。当转速较低
时,接触电阻较大,电刷接触压降在电枢电压中所占的 比重大,实际输出电压小;当转速较高时,接触电阻较 小,电刷接触压降在电枢电压中所占的比重小,实际输
出电压大。这样,在转速较低时,输出特性有一段斜率
显著下降的区域,在此区域内虽然有转速输入信号,但 输出电压却很小,对转速的测量很不灵敏,这个区域称 为不灵敏区,如图3-4所示。
机用于速度反馈或加速度反馈系统都是很不利的,特别
是在高精度的解算装置中更是不允许的。
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第三章 测速发电机
实际上纹波电压的产生有多方面的原因,测速发电机转 速的变化、电刷与换向器之间的接触不良、齿槽效应、气 隙不均匀等,这些都会引起输出电压的脉动。为了削弱纹 波的影响,除尽量增加换向片数外,还可以采用无槽电枢 结构,或在输出电压电路中加滤波电路。
测速发电机的主要优点是不需要电刷和换向器,不产生
无线电干扰火花,结构简单,运行可靠,转动惯量小,
摩擦阻力小,正、反转电压对称等。
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第三章 测速发电机
第一节 直流测速发电机
一、基本结构
U2
U2
Uf
(a) (b)
图3-1 直流测速发电机的基本结构
(a) 电磁式 (b) 永磁式
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第三章 测速发电机
为换向元件。在换向元件中会产生两个感应电动势,一 个 是 由于换向元件电流正负变化而产生的自感电动势
eL, 一个是由于换向元件切割电枢磁场而产生的运动电 动势ea。 分析表明,这两个感应电动势方向一致,并力
图阻止换向元件中电流方向的改变, 即起换向延迟的作
用。eL和ea大小都与转速的平方成正比,其对应的附加 电流所产生的磁场对主磁场起去磁作用, 使输出特性呈 现图3-3中实线所示的形状。


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第三章 测速发电机 另外,转子漏抗的大小也会影响到运动电动势 E r 与 转子电流 I r 的相位关系,使转子电流所产生的磁动势不 完全位于交轴方向,其直轴磁动势分量也会影响到直轴


磁通的恒定。
U2
理想输出
实际输出
O
n
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图3-8 异步测速发电机的输出特性
第三章 测速发电机 因此,减小励磁绕组的漏阻抗或增大转子电阻,都
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第三章 测速发电机 在理想情况下,主磁通Φ、电动势系数Ce、 电枢电 阻Ra和负载电阻RL都是常数, 即输出特性的斜率β保持
不变,
因此, 直流测速发电机的输出电压与转速成正
U2
比,如图3-2所示。
RL
R L1 R L2
R L1 R L2
O
n
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图3-2 直流测速发电机的输出特性
(3-4)
励磁绕组串联匝数
励磁绕组基波系数
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第三章 测速发电机
显然,励磁磁通是沿励磁绕组轴线方向(直轴方向)
的,即与输出绕组轴线方向垂直,因而当发电机的转子
不动时,是不会在输出绕组中产生感应电动势的,所以
此时输出绕组的电压为零,即n=0时,U2=0,如图3-7(a)
所示(励磁磁通在转子绕组中会产生变压器电动势和电


场中旋转,也将产生直轴方向的磁动势,该直轴磁动势
的大小应与转子转速的平方成正比,并与转子电阻值有
关。
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第三章 测速发电机 根据磁动势平衡原理,转子直轴磁动势将使励磁绕 组的电流 I f 发生变化,从而引起励磁绕组漏阻抗压降 的改变,导致直轴磁通 d 也随之改变,这就破坏了输 出电压与转子转速应保持的正比关系,使输出特性在转 速较大时向下弯曲,如图3-8所示。所以,励磁绕组漏 阻抗的大小直接影响到直轴磁通的恒定。
Ea Ce n
电动势系数 电压平衡方程
(3-1)
U 2 Ea I a Ra
(3-2)
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第三章 测速发电机
U2 设负载电阻为RL,则 I a ,所以 RL
Ea Ce U2 n n Ra Ra 1 1 RL RL
(3-3)
Ce 输出特性斜率 1 Ra / RL
第三章 测速发电机 三、误差分析 (1) 电枢反应的影响
根据直流电机的电枢反应理论,电枢电流所产生的
电枢磁场对主磁场有削弱作用,使合成磁场的波形发生 畸变,并且负载电阻越小或者转速越高时,电枢电流就 越大, 磁场的削弱作用就越强, 造成输出特性的非线 性。因此,为了减小电枢电流及电枢反应的去磁作用,
应尽可能采用比较大的负载电阻,并保证转速不得超过
规定的最高转速。对于电磁式直流测速发电机,可以安 装补偿绕组来抑制电枢电流对主磁场的影响,减小电枢 反应造成的误差。
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第三章 测速发电机 (2) 换向延迟的影响 在直流电机中,电枢绕组电流的方向以电刷为分界
线,被电刷短路的元件是正在进行电流换向的元件,称
流,并产生相应的转子磁通,该磁通位于直轴方向,与
输出绕组轴线方向垂直,所以也不会在输出绕组中产生
感应电动势)。
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第三章 测速发电机
空心杯型转子可以看作由无数条并联的导体组成,
所以当转子以转速n 旋转时,转子导体在励磁磁场 d 中

就要产生运动电动势 E r ,其方向如图3-7(b)所示,
一定的转速,通常是提高励磁电源的频率,以增大同步 转速,减小相对转速,从而达到减小输出电压误差的目 的。所以,异步测速发电机较大采用400Hz的中频励磁 电源。
第三章 测速发电机
第二节 交流测速发电机
一、基本结构 交流测速发电机分为同步测速发电机和异步测速发 电机。同步测速发电机输出电压的幅值和频率均随转速 的变化而变化,因此一般只用作指示式转速计,很少用 于自动控制系统的转速测量。异步测速发电机输出电压 的频率和励磁电压的频率相同,而与转速无关,其输出 电压与转速成正比,因而是交流测速发电机的首选。
第三章 测速发电机 (4) 纹波的影响 直流电机的感应电动势是每一支路中若干元件感应
电动势的叠加。
由于励磁磁场沿气隙圆周并非完全恒
定,元件中的感应电动势是脉动的,而元件及换向片的 数目都是有限的,因此合成的感应电动势以及输出的电 压都是脉动,如图3-5所示,这就是纹波电压。 虽然输 出电压中交流分量所占的比重不算大,但对于测速发电
变压器电动势

Ir
N2
N2
Er
d
杯型转子 (a)

q
n

d


U2
(b)
图3-7 杯型转子异步测速发电机的工作原理
(a) 转子静止时 (b) 转子旋转时
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第三章 测速发电机
异步测速发电机的励磁绕组接恒压恒频的单相交流电源


Uf
If
d


Ef
若忽略励磁绕组的漏阻抗,则有
U f Ef 4.44 f1 Nf kwf d
杯型转子异步测速发电机,其基本结构如图3-6所示。
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第三章 测速发电机
1 2 3 4 5

Nf
Uf
3
N2
n
1 (a) (b)

U2
图3-6 杯型转子异步测速发电机的基本结构
1-杯型转子 2-外定子 3-内定子 4-机壳 5-端盖
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第三章 测速发电机 二、工作原理


Nf
Uf

Nf
Uf
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第三章 测速发电机 根据转子的结构型式,异步测速发电机又可分为笼 型转子异步测速发电机和杯型转子异步测速发电机,前 者结构简单,输出特性斜率大,但特性差,误差大,转 子惯量大,一般仅用于精度要求不高的系统中;后者转 子采用非磁性空心杯,转子惯量小,精度高,是目前应 用最广泛的一种交流测速发电机。所以,这里主要介绍
(2)输出电压的脉动要尽可能小。
(3)温度变化对输出电压的影响要小。 (4)在一定转速时所产生的电动势及电压应尽可能 大。 (5)正反转时输出电压应对称。
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第三章 测速发电机 测速发电机主要可分为直流测速发电机和交流测速 发电机。直流测速发电机具有输出电压斜率大,没有剩 余电压及相位误差,温度补偿容易实现等优点;而交流
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