第8章 交流异步测速发电机幻灯片.ppt

8.1概述8.2交流异步测速发电机结构和工作原理8.3异步测速发电机的特性和主要技术指标8.4异步测速发电机的使用8.5交流伺服测速机组思考题与习题,第8章交流异步测速发电机,8.1概述,交流异步测速发电机与直流测速发电机一样，是一种测量转速或传感转速信号的元件，它可以将转速信号变为电压信号。理想的测速发电机的输出电压U2与它的转速n成线性关系，如图8-1所示，其数学表达式为U2=kn(8-1)式中，k为比例系数。,图8-1输出电压与转速的关系,在自动控制系统中，交流测速发电机的主要用途也有两种：一种是在计算解答装置中作为解算元件；另一种是在伺服系统中作为阻尼元件。其典型用途及工作原理与直流测速发电机相同。当交流测速发电机作为解算元件时，为了精确地对输入函数进行某种运算，要求测速发电机应有很好的线性度(输出电压应与转速严格地成正比)，由于温度变化而引起的变温误差要小，转速为0时的剩余电压要低。但对单位转速的输出电压(输出斜率)则要求不高。,图8-2交流阻尼伺服系统,交、直流测速发电机虽然都可用来作为解算元件，但由于直流测速发电机结构上需要电刷和换向器，使输出特性不稳而影响电机精度，线性度也差，所以在计算解答装置中，交流测速发电机获得更多的应用。采用交流测速发电机的阻尼伺服系统如图8-2所示。这里，交流测速发电机被用作阻尼元件以提高系统的稳定度和精确度，其作用原理与直流测速发电机相同(参见2-6节)。用作阻尼元件的交流测速发电机，要求其输出斜率大，这样阻尼作用就大，而对线性度等精度指标的要求是次要的。,8.2交流异步测速发电机结构和工作原理,交流异步测速发电机的结构与交流伺服电动机的结构是完全一样的。它的转子可以做成非磁杯形的，也可以是鼠笼式的。鼠笼转子异步测速发电机输出斜率大，但特性差、误差大、转子惯量大，一般只用在精度要求不高的系统中。非磁杯形转子异步测速发电机的精度较高，转子的惯量也较小，是目前应用最广泛的一种交流测速发电机。所以，本章重点介绍这种结构的交流测速发电机。,杯形转子异步测速发电机的结构与杯形转子交流伺服电动机一样，它的转子也是一个薄壁非磁性杯，通常用高电阻率的硅锰青铜或锡锌青铜制成。定子上嵌有空间互差90电角度的两相绕组，其中一个绕组W1为励磁绕组，另一个绕组W2为输出绕组。在机座号较小的电机中，一般把两相绕组都放在内定子上；机座号较大的电机中，常把励磁绕组放在外定子上，把输出绕组放在内定子上。这样，如果在励磁绕组两端加上恒定的励磁电压U1，当电机转动时，就可以从输出绕组两端得到一个其值与转速n成正比的输出电压U2，如图8-3所示。,交流异步测速发电机的工作原理可由图8-4来说明，图中W1为励磁绕组，W2为输出绕组，它们在空间互差90电角度。转子是一个非磁空心杯。在上一章已经说明，这杯子可看成是一个鼠笼条数目非常之多的鼠笼转子。,图8-3交流异步测速发电机的示意图,图8-4交流异步测速发电机的工作原理,当转子不动，即n=0时，若在励磁绕组中加上频率为f1的励磁电压U1，则在励磁绕组中就会有电流通过，并在内外定子间的气隙中产生频率与电源频率f1相同的脉振磁场。脉振磁场的轴线与励磁绕组W1的轴线一致，它所产生的脉振磁通10与励磁绕组和转子杯导体相匝链并随时间进行交变。这时励磁绕组W1与转子杯之间的情况如同变压器原边与副边之间的情况完全一样。,假如忽略励磁绕组W1的电阻R1及漏抗X1，则可由变压器的电压平衡方程式看出，电源电压U1与励磁绕组中的感应电势E1相平衡，电源电压的值近似地等于感应电势的值，即U1E1(8-2)由于感应电势E110，故10U1(8-3)所以当电源电压一定时，磁通10也保持不变。,图8-4中画出了某一瞬间磁通10的极性。由于励磁绕组与输出绕组相互垂直，因此磁通10与输出绕组W2的轴线也互相垂直。这样，磁通10就不会在输出绕组W2中感应出电势，所以转速n=0时，输出绕组W2也就没有电压输出。,图8-5气隙磁通密度的分布,当转子以转速n转动时，若仍忽略R1及X1，则沿着励磁绕组轴线脉振的磁通不变，仍为10。由于转子的转动，转子杯导体就要切割磁通10而产生切割电势ER2(或称旋转电势)，同时也就产生电流IR2。假设励磁绕组中通入的是直流电，那末这时它所产生的磁场是恒定不变的，气隙磁通密度B近似地可看作为正弦分布，如图8-5所示。这相当于直流电机的情况，根据直流电机中所述，每个极下转子导条切割电势的平均值可表示为ER2=Bplv式中，Bp为磁通密度的平均值，如图8-5所示。,由于每极磁通10=Bpl及v=Dn/60(式中，为极距，D为定子内径;l为定、转子铁心长度)，因此导条电势ER210n(8-4)由于杯形转子导条电阻RR比漏抗XR大得多，当忽略导条漏抗的影响时，导条中电流,(8-5),与此同时，流过转子导体中的电流IR2又要产生磁通2，2的值与电流IR2成正比，即2IR2(8-6)考虑式(8-4)及(8-5)得210n(8-7),因此2的值是与转速n成正比的，且也是交变的，其交变频率与转子导体中的电流频率f1一样。不管转速如何，由于转子杯上半圆导体的电流方向与下半圆导体的电流方向总相反，而转子导体沿着圆周又是均匀分布的，因此，转子切割电流IR2产生的磁通2在空间的方向总是与磁通10垂直，而与输出绕组W2的轴线方向一致。它的瞬时极性可按右螺旋定则由转子电流的瞬时方向确定，如图8-4所示。这样当磁通2交变时，就要在输出绕组W2中感应出电势，这个电势就产生测速发电机的输出电压U2，它的值正比于2，即,U22(8-8)再将式(8-7)代入，得U210n(8-9)再将式(8-3)代入，就得U2U1n(8-10),这就是说，当励磁绕组加上电源电压U1，电机以转速n旋转时，测速发电机的输出绕组将产生输出电压U2，其值与转速n成正比(如图8-1中所示)。当转向相反时，由于转子中的切割电势、电流及其产生的磁通的相位都与原来相反，因而输出电压U2的相位也与原来相反。这样，异步测速发电机就可以很好地将转速信号变成为电压信号，实现测速的目的。,由于磁通2是以频率f1在交变的，因此输出电压U2也是交变的，其频率等于电源频率f1，与转速无关。上面所谈的是一台理想测速发电机的情况。实际的异步测速发电机的性能并没有这么理想，由于许多因素的存在，会使测速发电机产生各种误差。,8.3异步测速发电机的特性和主要技术指标,8.3.1输出特性和线性误差测速发电机输出电压与转速间的关系U2=f()称为输出特性(为相对转速，它是实际转速n与同步转速ns=60f/p之比值，即v=n/ns)。一台理想的测速发电机输出电压应正比于它的转速，或者说输出特性应是直线，即U2=K,式中，K为比例系数。但是，实际的异步测速发电机输出电压与转速间并不是严格的线性关系，而是非线性的，如图8-6中曲线2。为了方便衡量实际输出特性的线性度，一般把实际输出特性上对应于(max为最大相对转速)的一点与坐标原点的连线作为线性输出特性，如图8-6中直线1。直线与曲线之间差异就是误差，这种误差通常用线性误差(又称幅值相对误差)X来量度,(8-11),式中，Umax为实际输出电压与线性输出电压的最大差值；U2LTmax为对应于最大转速nmax(技术条件上有规定)的线性输出电压。异步测速发电机在控制系统中的用途不同，对线性误差的要求也就不同。一般作为阻尼元件时允许线性误差可大一些，约为百分之几到千分之几；而作为解算元件时，线性误差必须很小，约为千分之几到万分之几的范围。目前，高精度的异步测速发电机线性误差可小到0.05%左右。,图8-6输出特性及线性误差,图8-7主磁通和漏磁通,异步测速发电机的线性误差是怎样产生的呢?我们仔细地研究上一节所述的工作原理就可以发现，一开始就假设忽略励磁绕组W1的电阻R1及漏抗X1，认为U1E1，并由此得出电机转动时与不动时沿着励磁绕组轴线方向脉振的磁通保持不变，都为10，这样就得到式(8-9)和(8-10)。但是实际上R1和X1都是存在的，与变压器一样，这时在电机中，除了通过气隙同时匝链励磁绕组W1与转子导体的主磁通外，还存在着只匝链励磁绕组本身，而不与转子导体相匝链的漏磁通1，如图8-7所示。,与漏磁通1相对应的就是励磁绕组漏抗X1，同时励磁绕组还有电阻R1，因此，这时电源电压与电势及漏阻抗压降相平衡，仿照变压器中的电压平衡方程式，可写出,(8-12),由于感应电势的值正比于磁通的值，而相位落后90，因此可写成,式中，K1为比例常数。若采用比例复常数K，使K=jK1，则,(8-13),将式(8-13)代入式(8-12)，可得,(8-14),因而,(8-15),图8-8转子杯电流对定子的作用,由于转子磁通及是转子杯导体切割磁通所产生的，转子磁通是转子杯导体切割磁通所产生的，故有1n101n210这就表示线性误差将随着转速升高而增大。为了把线性误差限制在一定的范围内，在测速发电机的技术条件中规定了最大线性工作转速nmax，它表示当电机在转速nnmax情况下工作时，其线性误差不超过标准规定的范围。,为了减小线性误差，首先应尽可能减小励磁绕组的漏阻抗，并且采用由高电阻率材料制成的非磁杯形转子，这样就可略去转子漏抗的影响，并使引起励磁电流变化的转子磁通削弱。当然，转子电阻值选得过大，又会使测速发电机输出电压降低(即输出斜率指标降低)，电机灵敏度随之减小。,8.3.2输出相位移与相位误差在自动控制系统中，希望异步测速发电机的输出电压与励磁电压同相位，但在实际的异步测速发电机中，两者之间却存在相位移。这只要看一下图8-9的时间相量图就可大致明了。,图8-9相量图,图8-10相位特性,图8-11励磁绕组串入电容,图8-12固定相移的补偿,8.3.3剩余电压Us理论上测速发电机转速为0时输出电压应为0，但实际上异步测速发电机转速为0时输出电压并不为0，这就会使控制系统产生误差。所谓剩余电压，就是指测速发电机的励磁绕组已经供电，转子处于不动情况下(即零速时)输出绕组所产生的电压。剩余电压又称为零速电压。产生剩余电压的原因是多种多样的，经分析，它由两部分组成：一部分是固定分量Us0，其值与转子位置无关；另一部分是交变分量Usj(又称波动分量)，它的值与转子位置有关，当转子位置变化时(以转角表示)，其值作周期性的变化，如图8-13所示。,产生固定分量的原因主要是两相绕组不正交，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。图8-14表示由于外定子加工不理想，内孔形成椭圆形而产生剩余电压的情况。此时因为气隙不均(即磁路不对称)，而磁通又具有力图走磁阻最小路径的性质，因此当励磁绕组加上电压后，它所产生的交变磁通1的方向就不与励磁绕组轴线方向一致，而扭斜了一个角度。这样，磁通1就与输出绕组相耦合，因而即使转速为0，输出绕组也有感应电势出现，这就产生了剩余电压的固定分量。,图8-13剩余电压的恒定和交变分量,图8-14外定子内孔椭圆引起的剩余电压,产生交变分量的原因主要是由于转子电的不对称性所引起的，如转子杯材料不均匀，杯壁厚度不一致等。实际上非对称转子作用相当于一个对称转子加上一个短路环的作用，如图8-15所示。其中对称转子不产生剩余电压，而短路环会引起剩余电压。因为励磁绕组产生的脉振磁通1会在短路环中感应出电势和电流，因而在短路环轴线方向就会产生一个附加脉振磁通k。当短路环的轴线与输出绕组轴线不成90时，脉振磁通k就会在输出绕组中感应出电势，即产生了剩余电压。,显然，这种剩余电压的值是与转子位置有关的。若图8-15中短路环的轴线与输出绕组的轴线重合时，短路环中的Ek、Ik和k均最小，所以在输出绕组中所感应出的剩余电压也为最小；当短路环轴线与输出绕组轴线垂直时，输出绕组中感应出的剩余电压也为最小；而当短路环轴线与输出绕组轴线相夹45左右时，剩余电压为最大。这样，由于转子电的不对称性，就产生了如图8-13所示的与转子位置成周期性变化的剩余电压。,图8-15剩余电压交变分量,图8-16四极电机的剩余电压,可以看出，当电机是四极电机时，由于转子和磁路的非对称性所引起的剩余电压可减到最小。图8-16表示一台四极电机励磁绕组产生的脉振磁场，非对称性转子用一个对称转子和短路环代替。由图可见，当转子不动时，每一瞬间穿过短路环的两路脉振磁通其方向正好相反，因而在短路环中所感应的电势和电流以及短路环产生的附加脉振磁通k都很小。这样，磁通k在输出绕组中产生的剩余电压就很小。同理，由于磁路不对称所产生的剩余电压在四极电机中也有所减小。所以，为了减小由于磁路和转子电的不对称性对性能的影响，杯形转子异步测速发电机通常是四极电机。,图8-17剩余电压的同相和正交分量,图8-18剩余电压的同相分量,图819剩余电压正交分量的产生,在自动控制系统中，剩余电压的同相分量将使系统产生误动作而引起系统的误差，正交分量会使放大器饱和及伺服电动机温升增高。另外，由于导磁材料的导磁率不均匀，电机磁路饱和等原因，在剩余电压中还会出现高于电源频率的高次谐波分量，这个分量也会使放大器饱和及伺服电动机温升增高。,图8-20转动内定子消除剩余电压,图8-21采用补偿绕组消除剩余电压,图8-22消除剩余电压的简单网络,8.3.4输出斜率与直流测速发电机一样，异步测速发电机的输出斜率un通常也是规定为转速1000r/min时的输出电压。输出斜率越大，输出特性上比值U2/n(如图8-23上所示)越大，测速发电机对于转速变化的灵敏度就越高。但是与同样尺寸的直流测速发电机相比较，交流测速发电机的输出斜率比较小，一般为0.55V/(krmin-1)。,图8-23输出斜率,8.4异步测速发电机的使用,交流测速发电机主要用于交流伺服系统和解算装置中。在选用时，应根据系统的频率、电压、工作转速的范围和具体用途来选择交流测速发电机的规格。用作解算元件的应着重考虑精度要高，输出电压稳定性要好；用于一般转速检测或作阻尼元件时，应着重考虑输出斜率要大，而不宜既要精度高，又要输出斜率大。,当使用直流或交流测速发电机都能满足系统要求时，则需考虑到它们的优缺点，全面权衡，合理选用。与直流测速发电机比较，交流异步测速发电机的主要优点是：(1)不需要电刷和换向器，构造简单，维护容易，运行可靠；(2)无滑动接触，输出特性稳定，精度高；(3)摩擦力矩小，惯量小；(4)不产生干扰无线电的火花；(5)正、反转输出电压对称。,主要缺点是：(1)存在相位误差和剩余电压；(2)输出斜率小；(3)输出特性随负载性质(电阻、电感、电容)而有所不同。在应用交流测速发电机时，还应注意以下几个问题。,8.4.1负载影响异步测速发电机在控制系统中工作时，输出绕组所连接的负载，一般情况下其阻抗是很大的，所以近似地可以用输出绕组开路的情况(不带负载)进行分析。通常工厂给出的技术指标也多是指输出绕组开路时的指标，但倘若负载阻抗不是足够大，则输出绕组就不应认为是开路，负载对电机的性能就会有影响。下面对负载阻抗的影响作一些粗略的分析。,当输出绕组接入负载Zn后，在绕组中就有电流I2流过，输出绕组的阻抗Z2就要对输出电压产生影响。这时，输出电压U2不等于电势E2，而且电流I2也要产生沿着输出绕组轴线方向的脉振磁通，如图8-24所示，从而使原来转子在这个方向所产生的磁通发生改变，这必然也会引起励磁绕组轴线方向的磁通发生变化。负载阻抗的大小及性质不同，其影响是不同的，精确的分析也是相当复杂的。这里只以电阻性负载为例，作一些粗略的分析，观察负载对输出电压值和相位的影响。,图8-24负载的影响,首先不考虑脉振磁通的影响，近似地认为在一定的转速n时，合成磁通和不随负载阻抗而变，这样，相量的值和相位不变，它与电压之间有一固定相移角0，如图8-25(a)所示。如果输出绕组两端所接的负载为Rn，由图8-25(b)的电路图可得出电压平衡方程式为,(8-16),式中，R2、X2分别为输出绕组的电阻和漏抗。,图8-25输出电路的相量图和等效电路图(a)相量图；(b)等效电路图,这时，输出电压与电流反相，在相位上落后于相量一个相角，所以输出电压与励磁电压的夹角，即输出相位移为,(8-17),(滞后),输出电流的值为,(8-18),图8-26输出绕组的去磁作用,图8-27负载与输出电压和相位移的关系,表8-1各种性质的负载对性能指标的影响,图8-28负载与线性误差关系,图8-29负载与相位误差关系,8.4.2温度的影响环境温度的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，这样就会对电机的性能产生影响，使输出特性不稳定。例如当温度升高时，由于电阻压降I1R1和I2R2的增大及磁通1和2的减小，就会使输出斜率下降。又从图8-9和图8-25(a)中可以看出，这时相位移将向超前方向推移。,在实际使用中，往往要求当温度变化时电机的性能应保持一定的稳定性，所以规定了变温输出误差Ut和变温相位误差t的指标，其含义是由于温度变化引起的输出电压值和相位移的变化。对于某些作为解算元件用的、精度要求很高的异步测速发电机，为了使电机的特性不受温度变化的影响，应采用温度补偿措施。简单的方法是单独地在励磁回路(图8-30(a)、输出回路(图8-30(b)或同时在两回路中(图8-30(c)串联负温度系数的热敏电阻Rb来补偿温度变化的影响。,图8-30温度补偿,8.4.3励磁电源的影响异步测速发电机对励磁电源的稳定度、失真度要求是比较高的，特别是解算用的测速发电机，要求励磁电源的幅值、频率都很稳定，电源内阻及电源与测速发电机之间连线的阻抗也应尽量小。电源电压幅值不稳定，会直接引起输出特性的线性误差，而频率的变化会影响感抗和容抗的值，因而也会引起输出的线性误差和相位误差。如对于400Hz异步测速发电机来说，在任何转速下，频率每变化1Hz，输出电压约变化0.03%。另外，波形失真度较大的电源，会引起输出电压中高次谐波分量过大。所以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。,8.4.4移相问题在自动控制系统中，往往希望输出电压与励磁电压相位相同，因而要进行移相。移相可以在励磁回路中进行，也可以在输出回路中进行，或者在两回路中同时进行。最简单的方法是在励磁回路中串联移相电容C进行移相，如图8-11所示，电容值可用实验办法确定。但应注意的是在励磁回路中串上电容后，会对输出斜率、线性误差等特性产生影响，因此在补偿相移后，电机的技术指标应重新测定。,目前应用得较多的是在输出回路中进行