第5章 测速发电机.ppt

第5章测速发电机,5.1概述5.2直流测速发电机5.3感应测速发电机,测速发电机是一种把转子转速转换为电压信号的机电式元件。它的输出电压与转速成正比关系，即Ua=Kn。或：,5.1概述,测速发电机的输出电压能表征转速，因而可用来测量转速；测速发电机的输出电压正比于转子转角对时间的微分，在解算装置中可以把它作为微分或积分元件。按结构和工作原理的不同，测速发电机分为直流测速发电机、感应测速发电机和同步测速发电机，近年来还有采用新原理、新结构研制的霍尔效应测速发电机等。,自动控制系统对测速发电机的基本要求是：输出电压应与转速成正比且比例系数要大；转动惯量小。此外，还要求它对无线电通讯干扰小、噪声低、工作可靠等。,5.2直流测速发电机,一、输出特性,二、直流测速发电机的误差及其减小方法,三、直流测速发电机的主要性能指标,按励磁方式不同，直流测速发电机可分为电磁式和永磁式两大类。其结构和工作原理与普通直流发电机基本相同。,一、输出特性,输出特性是指输出电压Ua与输入转速n之间的函数关系。,图5-1直流测速发电机原理电路,当直流测速发电机的输入转速为n，且励磁磁通恒定不变时，电枢电动势为,当接负载时，电压平衡方程式为,可见，只要保持、Ra、RL不变，Ua与n之间就成正比关系。当负载RL变化时，将使输出特性斜率发生变化。改变转子转向，Ua的极性随之改变。,由于负载电流Ia=Ua/RL，可得,图5-2不同负载时的理想输出特性,二、直流测速发电机的误差及其减小方法,1.电枢反应的影响,2.延迟换向的影响,3.温度的影响,4.纹波的影响,5.电刷接触压降对输出特性的影响,在实际运行中，Uan之间并不能严格地保持正比关系，即存在误差。产生误差的主要原因：1.电枢反应的影响当发电机带上负载后，电枢中有电流Ia通过，故产生电枢磁场。电枢磁场的大小与电枢电流Ia有关，方向与励磁磁场正交。由于电枢磁场的存在，使气隙中的合成磁场产生畸变，这种作用称为电枢反应。,电枢反应影响分析：,图5-3直流测速发电机磁场,电枢磁场,主磁场,气隙合成磁场,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。例如，N极右半个极下的合成磁通等于1/2主磁通与1/2电枢磁通之和，左半个极下的合成磁通等于1/2主磁通与1/2电枢磁通之差。因此，N极左半个极的削弱和右半个极的加强相互抵消，整个极的磁通保持不变，仅仅磁场的分布发生了变化。,磁路饱和时，电枢反应有去磁效应。负载电阻越小或转速越高，去磁效应越强。为了减小电枢反应对输出特性的影响，在直流测速发电机的技术条件中标有最高转速和最小负载电阻。,图5-5电枢反应对输出特性的影响,2.延迟换向的影响换向元件中总电动势为eK=eL+ea。eK阻碍电流变化，使换向延迟，称延迟换向。由于换向元件被电刷短路，eK在换向元件中产生与其方向一致的附加电流iK，iK产生磁通K，K对主磁通起去磁作用。,图5-6换向元件中的电动势方向,eL电抗电动势ea旋转电动势,图5-6换向元件中的电动势方向,分析表明eLn2，ean2，因此Kn2。通常用限制最高转速的措施来减小延迟换向去磁效应的影响。,延迟换向对输出特性的影响,3.温度的影响在应用中，发电机本身会发热，而且环境温度也是变化的。导致励磁绕组电阻变化，将引起励磁电流和磁通的变化，使输出电压与转速之间不再是严格的线性关系。,解决方法：励磁回路串联热敏电阻并联网络。励磁回路串联阻值较大、温度系数很小的附加电阻R。温度变化时，回路总电阻变化小。将磁路设计得比较饱和。电流变化时，磁通变化小。,图5-7励磁绕组补偿电路,4.纹波的影响根据Ea=Can，当、n为定值时，电刷两端输出不随时间变化的直流电动势。实际的电机输出电动势总是带有微弱的脉动，通常把这种脉动称为纹波。纹波的大小和频率与电枢绕组的元件数有关，元件数越多，其脉动的频率越高，幅值越小。,纹波电压的存在对于测速发电机是不利的，当用于转速控制或阻尼元件时，对纹波电压的要求较高，而在高精度的解算装置中则要求更高。纹波系数是指在一定转速下，输出电压中交变分量的有效值与直流分量之比。目前国产测速发电机已做到纹波系数小于1%，国外高水平测速发电机纹波系数已降到0.1%以下。,Ub的变化规律,图5-8电刷接触电压,5.电刷接触压降Ub对输出特性的影响考虑到电刷接触电压的影响，输出特性的方程式可改写为,Rw除电刷接触外的总电阻,图5-9考虑电刷接触压降后的输出特性,接触电压的影响导致输出特性存在不灵敏区。减小影响措施采用接触压降小的电刷。,三、直流测速发电机的主要性能指标,线性误差,2.灵敏度,3.最高线性工作转速和最小负载电阻,4.不灵敏区,5.输出电压的不对称度,6.纹波系数,线性误差1它是在工作转速范围内，实际输出特性曲线与过OB的线性输出特性之间的最大差值Um与最高线性转速nmax在线性特性曲线上对应的电压Um之比。,在图5-10中，B点为时实际输出特性的对应点。一般1为1%2%，对于较精密系统要求1为0.1%0.25%。,图5-10线性误差,2.灵敏度灵敏度也称输出斜率，是指在额定励磁电压下，转速为1000rmin时所产生的输出电压。一般直流测速发电机空载时可达(1020)V。测速发电机作为阻尼元件使用时，灵敏度是其重要的性能指标。,3.最高线性工作转速nmax和最小负载电阻RLmin是保证测速发电机工作在允许的线性误差范围内的两个使用条件。4.不灵敏区ndZ由电刷接触压降Ub而导致输出特性斜率显著下降(几乎为零)的转速范围。该性能指标在超低速控制系统中是重要的。,5.输出电压的不对称度Kas指在相同转速下，测速发电机正、反转时，输出电压绝对值之差U2与两者平均值Uav之比，即输出电压不对称是电刷不在几何中性线上或剩余磁通存在造成的。一般在0.35%2%范围内，对要求正、反转的控制系统需考虑该指标。,6.纹波系数Ka测速发电机在一定转速下，输出电压中交流分量的有效值与直流分量之比。目前可做到Ka1%，高精度速度伺服系统对该指标的要求较高。主要性能指标是选择直流测速发电机的依据。,5.3感应测速发电机,一、结构特点,二、工作原理,三、感应测速发电机的输出特性,四、感应测速发电机的主要技术指标及误差分析,交流测速发电机分为同步测速发电机和感应测速发电机两大类。同步测速发电机定子输出绕组感应电动势的大小和频率都随转速n的变化而变化，不宜用于自动控制系统中。一、结构特点感应测速发电机的定子上有两相正交绕组，其中一相接电源励磁，另一相用作输出电压信号。,图5-11杯形转子感应测速发电机结构,转子有鼠笼式和非磁性空心杯式两种。鼠笼转子感应测速发电机，结构简单，但性能较差；空心杯形转子感应测速发电机性能好，是目前应用最广泛的一种交流测速发电机。,二、工作原理,定子Nf为励磁绕组，N2为正交的输出绕组。转子为非磁空心杯，杯壁可看成是无数条鼠笼导条紧靠在一起排列而成。,图5-12感应测速发电机工作原理,当转子不动n=0时，输出电压U2=0,n=0时，在励磁绕组加频率为f1的励磁电压，励磁绕组中就有电流通过，并在内外定子间的气隙中产生频率为f1的脉振磁场。脉振磁场轴线与励磁绕组轴线一致，它所产生的脉振磁通与励磁绕组和转子导体相匝链并交变。这时励磁绕组与转子间如同变压器原、副边间的情况一样。,假如忽略励磁绕组的电阻及漏抗，由变压器的电压平衡方程式，电源电压Uf与励磁绕组中的感应电势Ef0相平衡，电源电压的值近似地等于感应电势的值，即UfEf0由于感应电势Ef0f0，故f0Uf所以当电源电压一定时，磁通f0也保持不变。,下图是某一瞬间磁通f0的极性。由于励磁绕组与输出绕组相互垂直，因此磁通f0与输出绕组N2的轴线也互相垂直。这样，磁通f0就不会在输出绕组N2中感应出电势，所以n=0时，输出绕组N2没有电压输出。,当转子以转速n转动时，若仍忽略R1及X1，则沿励磁绕组轴线脉振的磁通不变。由于转子的转动，转子杯导体就要切割磁通产生切割电势ERV，同时产生电流IRV。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，这相当于直流电机，直流电机每个极下转子导条切割电势的平均值为ERV=Bplv式中，Bp为磁通密度的平均值。,转子转速为n时，U2n,由于每极磁通f0=Bpl及v=Dn/60(为极距，D为定子内径；l为定、转子铁心长度)，因此导条电势ERVf0n由于杯形转子导条电阻RR比漏抗大得多，当忽略导条漏抗的影响时，导条中电流,与此同时，流过转子导体中的电流IRV又要产生磁通2，2的值与电流IRV成正比，即2IRV考虑式ERVf0n及IRV=ERV/RR得2f0n,因此2与n成正比，且交变的，交变频率f1一样。不管转速如何，转子杯上半圆导体与下半圆导体电流方向总相反，因此，转子切割电流IRV产生的磁通2总是与磁通f0垂直，与输出绕组N2的轴线方向一致。,当磁通2交变时，就要在输出绕组N2中感应出电势，产生测速发电机输出电压U2，它的值正比于2，即U22再将2f0n代入，得U2f0n再将f0U1代入，就得U2U1n,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。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。以上是一台理想测速发电机的情况。实际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。,三、感应测速发电机的输出特性,1.电压幅值特性,2.电压相位特性,感应测速发电机的输出特性是指当转轴上有转速信号n输入时，定子输出电压的大小和相位随转速的变化关系，分别称为电压幅值特性和电压相位特性。1.电压幅值特性,电压幅值特性是指当励磁电压和频率f1为常数时，感应测速发电机输出电压U2与转速n间的函数关系，即U2=f(n)。,图5-13电压幅值特性,理想状态下测速发电机的输出特性为过原点的一条直线，实际特性由于各绕组漏阻抗和磁通等都有变化，使输出电压的大小与转速不是严格的直线关系。,图5-13电压幅值特性,2.电压相位特性电压相位特性是指当励磁电压Uf和频率f1为常数时，感应测速发电机输出电压U2与励磁电压Uf间的相位差与输入转速n间的函数关系，即=f(n)。,图5-14电压相位特性,在自动控制系统中，希望测速发电机的输出电压和励磁电压相位相同。实际上，它们间总存在着相位移，并且相位移的大小随着转速的改变而变化。,图5-14电压相位特性,四、感应测速发电机的主要技术指标及误差分析,1.线性误差及分析,2.相位误差及分析,3.剩余电压,4.输出斜率,1.线性误差及分析线性误差的定义,图5-15线性误差,b点,Umax为实际输出电压与线性输出电压的最大差值；U2m为对应于最大转速nmax(技术条件上有规定)的线性输出电压。,感应测速发电机用作阻尼元件时，对线性误差的要求约为千分之几到百分之几；作为解算元件时，约为万分之几到千分之几。目前高精度感应测速发电机线性误差为0.05%左右。,线性误差产生的原因（a）励磁绕组的漏阻抗Zf的影响。开始时，假设忽略励磁绕组电阻Rf及漏抗Zf，认为UfEf，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f0。但实际上Rf和Zf都是存在的，这时在电机中，除了通过气隙同时匝链励磁绕组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.,主磁通和漏磁通,与漏磁通1相对应的就是励磁绕组漏抗Zf，同时励磁绕组还有电阻Rf，因此，这时电源电压Uf与电势Ef及漏阻抗压降相平衡，电压平衡方程式为：,由于感应电势Ef的值正比于磁通f的值，而相位落后90，因此可写成,将式上式代入式得,因而,式中，K1为比例常数。若采用比例复常数K，使K=jK1，则,图5-16转子漏电抗对f的影响,n变化导条电流变化励磁电流变化f磁通变化。,（b）转子绕组漏抗Xr引起直轴去磁效应。忽略Xr时，磁通2与f正交。当考虑Xr时，电流r3落后rv角度。Ir3的磁通3与f不正交，可分解成2和2。2与f反向，起去磁作用。,图5-16转子漏电抗Xr对f的影响,（c）交轴磁通2在直轴上的去磁效应。当转子旋转时，导体切割2，产生切割电动势Erv和电流Irv，Irv产生的磁通2在直轴上，方向与f相反，作用去磁。,为减小线性误差，应尽可能减小励磁绕组的漏阻抗Zf，并采用高电阻率材料制成非磁性杯形转子，最大限度地减小转子漏电抗。,图5-172对f的影响,2.相位误差及分析输出相位移和相位误差,输出相位移：感应测速发电机输出电压与励磁电压间的相位差，称感应测速发电机的输出相位移。输出相位移随转速的改变而变化，国标规定，在额定励磁电压下，电机以补偿点b的转速旋转时，输出电压的基波分量与励磁电压的基波分量之相位差作为输出相位移。一般530。,图5-14电压相位特性,相位误差：在额定励磁电压条件下，电机在最大线性工作转速范围内，输出电压基波分量相位随转速的变化值称相位误差。一般为0.51。,图5-14电压相位特性,3.剩余电压剩余电压是指感应测速发电机在励磁绕组接额定励磁电压，转子静止时输出绕组中所产生的电压。,剩余电压产生原因主要由两部分组成，一是固定分量，其大小与转子位置无关；另一是交变分量，其值与转子位置有关，当转子位置变化时，其值作周期性变化。,图5-21剩余电