《项目四测速发电机》PPT课件.ppt

1.1 交流测速发电机 1.1.1 交流测速发电机的结构和工作原理 1.1.2 交流测速发电机的主要性能指标 1.1.3 交流测速发电机的应用 1.2 直流测速发电机 1.2.1 直流测速发电机的工作原理和结构 1.2.2 直流测速发电机的特性 1.2.3 直流测速发电机误差分析 1.2.4 直流测速发电机的性能指标,1.1.1 交流测速发电机的结构和工作原理,1、结构,交流测速发电机主要由固定不动的定子和中间的转子两部分组成。,定子和转子都固定在软铁材料（硅钢）制成的铁心上，以便在发电机内部形成工作磁路。,两相定子绕组空间互差 90 电角度，其中一个绕组为励磁绕组，另一个绕组为输出绕组。,1、结构,交流测速发电机有两种转子：鼠笼转子和非磁性杯形转子。,鼠笼转子的导流条嵌装在铁心的槽中，两端的两个短路环把所有导流条连接在一起，构成转子绕组。,1、结构,非磁性杯形转子交流测速发电机，测量精度高，转子的转动惯量小，应用广泛。,杯形转子可以看成有无数紧密排列的导流条的鼠笼，杯的两端就是短路环。,1、结构,2、工作原理,转子不动时,励磁绕组和转子绕组就相当于空载变压器的原边绕组和副边绕组，其交变磁场的轴线方向都与输出绕组垂直，输出绕组没有感应电势产生。,2、工作原理,转子转动时,转子绕组切割励磁绕组产生的交变磁场的磁力线，其感应电流产生的交变磁场沿输出绕组的轴线方向，输出绕组产生交变感应电势输出。,2、工作原理,定子输出绕组感应电势的频率等于转子磁场频率，也就等于励磁电源频率。转子磁场和输出绕组感应电势的幅值（有效值）正比于转子的转速。,1.1.2 交流测速发电机的主要性能指标,1、输出斜率和最大线性误差工作转速,输出斜率：转速为1000rpm时的输出电压的有效值。一般为1.5V 5V/krpm.,输出斜率也可以用一定转速变化量对应的输出电压变化量来表示。,最大线性工作转速：是指满足后述线性误差要求的最大转速。,2、线性误差,线性误差：最大输出误差相对最大输出的百分比。,x一般为百分之几到千分之几，最高小于0.05%.,线性误差产生原因： 励磁绕组和转子都存在电阻及漏抗，使得励磁绕组中的电流随转子杯导体电流的变化而变化，转速越高，工作磁场的变化越大，线性误差也越大。,解决方案 规定最大线性工作转速nm； 尽可能减小励磁绕组的漏阻抗； 采用由高电阻率材料制成的非磁杯形转子。,2、线性误差,相位移产生原因： 励磁绕组和转子都存在阻抗，使输出电压的相位与励磁绕组的相位不等。,减小相位移的解决方案 与减小线性误差相同； 补偿固定相位移在励磁绕组回路中串联移相电容。,3、相位误差,相位误差： 采用串联移相方法进行补偿后，还存的与转速有关的剩余相位移。,一般不超过1.,3、相位误差,剩余电压Us（零速电压） 在励磁绕组通电，而转子处于不动情况下（即零速时），输出绕组所产生的电压。,主要原因是两相绕组不正交、磁路不对称、绕组匝间短路、绕组端部电磁耦合、铁心片间短路等。,4、剩余电压,外部网络补偿 对励磁电压进行分压和移相后，得到与剩余电压幅值相等、相位相反的电压，与输出绕组串联。,4、剩余电压,1、作为控制系统的阻尼元件,1.1.2 交流测速发电机的应用,转角指令,放大电路,执行机构,被控对象,角度 传感器,测速 发电机,转速,转角,速度反馈,位置反馈,2、对转动机构进行恒速控制,转速指令,放大电路,执行机构,被控对象,测速 发电机,转速,速度反馈,3、交流伺服测速机组,交流伺服测速机组把伺服电动机与测速发电机做成一体，使用公共的转轴和机壳。,3、交流伺服测速机组,具有运转稳定、噪声小、结构紧凑等优点，并能使整个系统的体积缩小。,与直流测速发电机的比较,优点,不需要电刷和换向器，简单、可靠、易维护 无滑动接触，输出特性稳定，精度高 摩擦力矩小，惯量小 不产生干扰无线电的火花 正、反转输出电压对称,4、交流测速发电机的优缺点,与直流测速发电机的比较,4、交流测速发电机的优缺点,缺点,存在相位误差和剩余电压； 输出斜率小； 输出特性随负载性质（电阻、电感、电容）而有所不同。,负载影响：当输出绕组接上负载构成回路时，对测速发电机的输出斜率、相位移、线性误差和相位误差都有一定的影响。,5、使用注意事项,温度影响：环境温度变化和电机长时间工作的发热，会使定子绕组和杯形转子的电阻以及磁性材料的性能发生变化，使输出特性不稳定。,温度升高时，电阻压降增大，磁通减小；使得输出斜率下降、相位移向超前方向推移。,补偿方法：在回路中串联负温度系数电阻。,两个回路，三种方式,5、使用注意事项,励磁电源影响：电源电压幅值不稳定，会引起输出特性的线性误差；频率的变化会影响感抗和容抗的值，引起输出线性误差和相位误差。,例如：400Hz交流测速发电机，频率每变化1Hz，输出电压约变化0.03%.,在精密系统中，励磁绕组一般采用单独电源供电，以保持电源电压和频率的稳定。,5、使用注意事项,型号说明,1.2 直流测速发电机,直流测速发电机：把机械转速变换成直流电压信号。,1.2.1 直流测速发电机的工作原理和结构,电枢绕组在磁场中转动产生感应电势，经换向器变换后，输出与转速成正比的直流电压。,1、工作原理,1.2.1 直流测速发电机的工作原理和结构,换向器的作用是保证转动方向不变时，电刷输出的直流电压极型不变。,1、工作原理,1.2.1 直流测速发电机的工作原理和结构,定子铁心和励磁绕组,电枢铁心和电枢绕组,换向器 换向片和电刷,2、结构,1.2.1 直流测速发电机的工作原理和结构,定子铁心和励磁绕组,厚为0.35 0.5mm的硅钢片叠压而成,2、结构,1.2.1 直流测速发电机的工作原理和结构,电枢铁心和电枢绕组,2、结构,1.2.1 直流测速发电机的工作原理和结构,电枢铁心和电枢绕组,2、结构,1.2.1 直流测速发电机的工作原理和结构,换向器： 换向片和电刷,2、结构,1.2.1 直流测速发电机的工作原理和结构,电枢铁心、电枢绕组与换向器的关系,2、结构,1.2.1 直流测速发电机的工作原理和结构,1.2.1 直流测速发电机的工作原理和结构,电枢绕组展开,2、结构,1.2.1 直流测速发电机的工作原理和结构,电枢绕组等效电路,2、结构,永磁式：定子磁极由永久磁钢做成，没有励磁绕组。,电磁式：定子励磁绕组由外电源供电，通电时产生磁场。,1.2.1 直流测速发电机的工作原理和结构,3、直流测速发电机的型式,永磁式：定子磁极由永久磁钢做成，没有励磁绕组。,电磁式：定子励磁绕组由外电源供电，通电时产生磁场。,1.2.1 直流测速发电机的工作原理和结构,3、直流测速发电机的型式,永磁式优点：结构简单，不需励磁电源，温度 变化对励磁磁通的影响小。 永磁式缺点：材料价格较贵。,（1）感应电势计算公式,1.2.2 直流测速发电机的特性,1、稳态特性,极距,极对数,（1）感应电势计算公式,1.2.2 直流测速发电机的特性,1、稳态特性,支路对数,总导体数,（1）感应电势计算公式,1.2.2 直流测速发电机的特性,1、稳态特性,电势常数,电势系数,（2）电压平衡方程式,1.2.2 直流测速发电机的特性,1、稳态特性,当直流测速发电机的输出端与测量电路构成回路后，直流测速发电机就相当于一个电源，感应电势为电源电势，电枢绕组的电阻值Ra相当于电源的内阻，电刷之间的输出电压Ua的计算公式为：,电枢绕组接上负载构成回路后，单根导体受到的电磁力：,电枢绕组总电磁力矩：,（3）电磁力矩计算公式,1.2.2 直流测速发电机的特性,1、稳态特性,电枢绕组总电磁力矩：,（3）电磁力矩计算公式,1.2.2 直流测速发电机的特性,1、稳态特性,转矩常数,转矩系数,电枢绕组总电磁力矩：,（3）电磁力矩计算公式,1.2.2 直流测速发电机的特性,1、稳态特性,（4）力矩平衡方程式,1.2.2 直流测速发电机的特性,1、稳态特性,直流测速发电机匀速转动（稳态）时，作用在转轴上的力矩有三个：输入的机械力矩、转轴上的阻力矩和电枢绕组电流产生的电磁力矩，三者之间满足：,输出端不接负载时，电磁力矩为零，称为空载状态。,（5）稳态四大关系式,1.2.2 直流测速发电机的特性,1、稳态特性,稳态四大关系式，是原理、特性分析和参数计算的基础。,空载时，Ia=0,（5）稳态输出特性,1.2.2 直流测速发电机的特性,1、稳态特性,（5）稳态输出特性,1.2.2 直流测速发电机的特性,1、稳态特性,如果、Ra和RL都为常数，则Ua 与n之间保持线性关系；,负载电阻减小，输出特性的斜率变小。,（1）机械惯性影响,1.2.2 直流测速发电机的特性,2、动态特性,在输入机械力矩Tin变化时，由于机械惯性的存在，转子的转速要逐渐变化。转速的变化率（变化的速度），与转子轴上的剩余力矩成正比，而与转子轴上的总转动惯量成反比。动态力矩平衡方程式为：,（2）电磁惯性影响,1.2.2 直流测速发电机的特性,2、动态特性,在转子转速变化时，电枢绕组的感应电势同时变化。由于电枢绕组存在电感，具有电磁惯性，使得电枢回路中的电流也要逐渐变化。这样，动态电压平衡方程式就变为：,（3）动态四大关系式,1.2.2 直流测速发电机的特性,2、动态特性,去掉(t)和J、L项,（3）动态四大关系式,1.2.2 直流测速发电机的特性,2、动态特性,转速从一个稳态到另一个稳态，电枢电流和输出电压都会出现延迟误差，但不会影响稳态的测量结果。,大负载电阻、小电枢电感,线性误差：负载运行时，测速发电机的输出特性偏离理想情况下线性特性所引起的误差。,根本原因：负载运行时，测速发电机励磁磁通，电枢回路电阻Ra和负载电阻RL等不能保持恒定不变。,1.2.3 直流测速发电机误差分析,线性误差：负载运行时，测速发电机的输出特性偏离理想情况下线性特性所引起的误差。,根本原因：负载运行时，测速发电机励磁磁通，电枢回路电阻Ra和负载电阻RL等不能保持恒定不变。,具体原因：电枢反应去磁、温度的影响、电刷与换向片的接触电阻、延迟换向去磁和纹波影响。,1.2.3 直流测速发电机误差分析,1、电枢反应,主磁场,电枢磁场,合成磁场,1.2.3 直流测速发电机误差分析,合成磁场,1、电枢反应,1.2.3 直流测速发电机误差分析,合成磁场,1、电枢反应,1.2.3 直流测速发电机误差分析,合成磁场,电枢磁场的影响，使主磁场发生倾斜，因而使支路中有个别元件被电刷短路，造成电刷两端输出电势下降；,1、电枢反应,1.2.3 直流测速发电机误差分析,合成磁场,电枢磁场的影响，使主磁场发生倾斜，因而使支路中有个别元件被电刷短路，造成电刷两端输出电势下降；,磁路饱和时，由于电枢磁场的加入，使工作磁通比空载时的主磁通小，即使得励磁磁通略有减少。,1、电枢反应,1.2.3 直流测速发电机误差分析,合成磁场,1、电枢反应,1.2.3 直流测速发电机误差分析,合成磁场,转速升高或者负载电阻变小，都将使输出电压的线性误差增大，斜率变小，致使输出特性曲线高速段出现向下弯曲的现象。,1、电枢反应,1.2.3 直流测速发电机误差分析,1、电枢反应,1.2.3 直流测速发电机误差分析,转速升高或者负载电阻变小，都将使输出电压的线性误差增大，斜率变小，致使输出特性曲线高速段出现向下弯曲的现象。,解决方案,(1)限制最高转速,(2)限制最小负载电阻,1、电枢反应,1.2.3 直流测速发电机误差分析,2、温度的影响,对电磁式直流测速发电机而言，励磁回路电阻随温度升高，使励磁电流减小，从而使工作磁通减小。,绕组,网络,回路,1.2.3 直流测速发电机误差分析,3、电刷与换向片的接触电阻,1.2.3 直流测速发电机误差分析,转速低，电流较小，电刷接触电阻大； 转速高，电流大，电刷接触电阻压降可被认为是常数。,3、电刷与换向片的接触电阻,1.2.3 直流测速发电机误差分析,电刷与换向片滑动接触的不稳定性，使电枢电流含有高频尖脉冲。为减少其对邻近设备干扰，常在测速机的输出端连接滤波电路。,3、电刷与换向片的接触电阻,1.2.3 直流测速发电机误差分析,4、延迟换向,1.2.3 直流测速发电机误差分析,4、延迟换向,1.2.3 直流测速发电机误差分析,4、延迟换向,1.2.3 直流测速发电机误差分析,由于电枢绕组元件本身有电感，因此在换向过程中当电流变化时，换向元件中要产生自感电势。,换向元件的自感电势使换向过程延迟，在几何中性线位置仍有电流，所产生的磁场方向与主磁通相反。,4、延迟换向,1.2.3 直流测速发电机误差分析,绕组元件电流与转速成正比,换