第03章-测速发电机资料

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

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。（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。

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。

第一节直流测速发电机

一、基本结构

图3-1 直流测速发电机的基本结构

(a)(b)

f

U 2

U 2

U

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。

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

n

C E Φe a =（3-1）a a a 2R I E U -=（3-2）电压平衡方程电动势系数

设负载电阻为R L ，则，所以

L

2

a R U I =a e 2a a

L L

11E C U n n

R R R R Φ

β

===++

（

3-3）输出特性斜率e a L 1/C R R Φ

β=+

在理想情况下，主磁通Φ、电动势系数C e 、电枢电阻R a 和负载电阻R L 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比，如图3-2所示。2U n O ∞

=L R L1

R L2

R L2

L1R R >

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。

(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e L，一个是由于换向元件切割电枢磁场而产生的运动电动势e a。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。e L和e a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。

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。

2

U n

O 实际输出

理想输出

(3) 电刷接触电阻的影响

要保持输出特性的线性关系，R a为恒值是不可或缺的基本条件。R a包含着电刷和换向器之间的接触电阻R b，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。

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。2

U n

O b

ΔU 不灵敏区

(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。

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。

图3-5 感应电动势的脉动

e t

O 2

1

(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25ºC，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