电机控制技术模板（交流感应测速发电机）

1、专业专注专心工作单位：邢台职业技术学院主讲：李光举1.结构特点12.工作原理25.调整和使用53.输出特性34.主要技术指标及误差分析4交流感应测速发电机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。1. 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，另一相则用作输出电压信号。 交流感应测速发电机图1 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

2、速发电机。2 工作原理定子 为励磁绕组， 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密靠在一起排列而成。 n=0时，输出电压U2=0fN2N n=0 时，Uf If ?f0 Ef0,Efr ，其大小为f0fwf1f044. 4NkfEf0rwr1fr44. 4NkfE2 工作原理图2 感应测速发电机工作原理当忽略励磁绕组的电阻和漏电抗时， ，即 一定时， 也保持不变。由于 脉振轴线与输出绕组 正交，不在 中产生电动势。也就是当 时，输出电压 。f0f0f EUfUf02N2N0n02Uf0 转子转速为n时，U2n当转子以转速n旋转时，转子导体切割励磁磁场产生旋转电动势，其

3、大小为 2 工作原理nknpNkNkfEf01f0rwrf0rwrvrv6044. 444. 46044. 4rwr1pNkk nEf0rv 为电动势常数。，旋转电动势频率为f1。忽略 中的漏阻抗压降时， 或2 工作原理2NnEU0f22knU 2 因导条的电阻较大，其漏电抗 Xr可以忽略，因而转子电流 Irv 与电动势 Erv 相位相同。输出电压的频率为励磁电源频率，有效值正比与转速。输出电压的频率为励磁电源频率，有效值正比与转速。ErvIrv?2E23 感应测速发电机的输出特性3.1. 电压幅值特性3.2. 电压相位特性3 感应测速发电机的输出特性感应测速发电机的输出特性是指当转轴上有转速

4、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。3.1. 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 与转速 n 间的函数关系，即 。图3 电压幅值特性fU)(2nfU2U3 感应测速发电机的输出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些变化，使输出电压的大小与转速不是严格的直线关系。3.2. 电压相位特性电压相位特性是指当励磁电压 和频率f 1为常数时，感应测速发电机输出电压U2 与励磁电压 Uf 之间的相位差 与输入转速n间的函数关系，即 。fU)(nf

5、3 感应测速发电机的输出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，测速发电机的输出电压和励磁电压之间总是存在着相位移，并且相位移的大小随着转速的改变而变化。 图4 电压相位特性3 感应测速发电机的输出特性4 感应测速发电机的主要技术指标及误差分析4.1 线性误差及分析4.2 相位误差及分析4.3 剩余电压4.4 输出斜率4 感应测速发电机的主要技术指标及误差分析4.1. 线性误差及分析 线性误差的定义图 5 线性误差 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

6、.05%左右。%1002mmaxlUU)2/3(bmaxUn，b点 线性误差产生的原因（a）励磁绕组的漏阻抗 的影响。考虑 之后励磁绕组的电压平衡方程式为转速n变化转子导条电流 变化励磁电流 变化 变化磁通 变化。fZfZf4 感应测速发电机的主要技术指标及误差分析ffffZIEUrIfIffZIf（b）转子绕组漏抗 引起的直轴去磁效应。忽略漏电抗 时，磁通 与 在空间上正交。当考虑 时，电流 在时间相位上落后 一个角度 。电流 所产生的磁通 在空间与 不正交，可将其分解成交轴分量 和直轴 分量。 与 是反方向的，起去磁作用。图6 转子漏电抗 对 的影响rxfrxrxrxr3I3f222f4

7、感应测速发电机的主要技术指标及误差分析2f3Ir3rE（c）交轴磁通 在直轴上的去磁效应。当转子旋转时，转子导体切割交轴磁通 ，产生切割电动势 和电流 ， 产生的磁通 在直轴上，方向与 相反，其作用是去磁的。 图7 交轴磁通 对 的影响2f22rvErvIrvI2 f4 感应测速发电机的主要技术指标及误差分析为了减小线性误差，应尽可能地减小励磁绕组的漏阻抗 ，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7 交轴磁通 对 的影响2ffZrx4 感应测速发电机的主要技术指标及误差分析4.2. 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 U2 与

8、励磁电压 Uf 之间的相位差，称为感应测速发电机的输出相位移 。由于输出相位移 随转速的改变而变化，所以国标规定，在额定励磁电压条件下，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 作为感应测速发电机的输出相位移。一般相位移为530。图4 电压相位特性bnb4 感应测速发电机的主要技术指标及误差分析相位误差 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 称作相位误差。一般相位误差为0.51。图4 电压相位特性4 感应测速发电机的主要技术指标及误差分析 输出相位移和相位误差产生的原因（a）转子漏电抗影响 角，它的大小与转速

9、无关。（b）励磁绕组漏阻抗影响 角，它的大小与转速有关。图8 电压相量图4 感应测速发电机的主要技术指标及误差分析 相移角 , 不随转速而变称为固定相位移，是可以通过在励磁绕组中串入适当的电容来加以补偿的。 随转速而变，称为相位误差。相位误差难以补偿。图8 电压相量图)90()90(4 感应测速发电机的主要技术指标及误差分析 固定相位移的补偿在励磁绕组中串入适当的电容C，调节C的大小即可改变Uf 的大小和相位，从而使U1 和U2同相位。图9励磁回路串接的电容补偿 图10 固定相位移补偿相量图4 感应测速发电机的主要技术指标及误差分析4.3. 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

10、磁电压，转子静止时输出绕组中所产生的电压。图11 剩余电压的固定分量和交变分量 4 感应测速发电机的主要技术指标及误差分析 剩余电压产生的原因主要由两部分组成，一部分是固定分量，其大小与转子位置无关；另一部分是交变分量，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11 剩余电压的固定分量和交变分量 4 感应测速发电机的主要技术指标及误差分析(a) 固定分量固定分量产生的原因主要是两相绕组不正交、磁路不对称、绕组匝间短路、铁心片间短路以及绕组端部电磁耦合等。 图12 两绕组不正交 图13 气隙不均匀4 感应测速发电机的主要技术指标及误差分析(b) 交变分量产生交变分量的原因主要是由

11、于转子电路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。图14 剩余电压的交变分量 图15 四极电机的剩余电压4 感应测速发电机的主要技术指标及误差分析对称转子不产生剩余电压，而短路环会引起剩余电压。当电机是四极时，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14 剩余电压的交变分量 图15 四极电机的剩余电压4 感应测速发电机的主要技术指标及误差分析(2) 剩余电压对系统的影响剩余电压 的相位与励磁电压 的相位也是不同的，可将 分解为两个分量：一个相位与 相同的称为同相分量 ；另一个相位与 成90的称为正交分

12、量 。图16 剩余电压的同相和正交分量 4 感应测速发电机的主要技术指标及误差分析rUfUrUfUfUrsUrqU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。由于导磁材料的磁导率不均匀、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，它也会使放大器饱和及伺服电动机温升增高。图16 剩余电压的同相和正交分量 4 感应测速发电机的主要技术指标及误差分析 降低剩余电压的措施（a）将输出绕组与励磁绕组分开，分别嵌在内、外定子的铁心上，此时内定子应做成相对于外定子能够转动的。图19 转动内定子消除剩余电压4 感应测速发电机的主要技

13、术指标及误差分析（b）用补偿绕组来消除剩余电压采用补偿绕组消除剩余电压（a） 结构原理图 （b） 线路图 图20 采用补偿绕组消除剩余电压4 感应测速发电机的主要技术指标及误差分析串联移相电压补偿和磁通补偿图21 串联移相电压补偿 图22 磁通补偿4 感应测速发电机的主要技术指标及误差分析（c）外接补偿装置产生的附加电压，大小接近于剩余电压的固定分量，而相位相反。阻容电桥补偿时，调节图中 的大小可以改变附加电压的大小；调节电阻 的大小可以改变附加电压的相位，以达到完全补偿剩余电压的目的。图23 阻容电桥补偿 R1R4 感应测速发电机的主要技术指标及误差分析图23 阻容电桥补偿 应该注意的是剩余

14、电压中的交变分量是难以用补偿法把它除去的，只得依靠改善转子材料性能和提高转子杯加工精度来减小它，对于已制成的电机可以将转子杯进行修刮，使剩余电压波动分量减小到容许的范围。目前感应测速发电机剩余电压可以做到小于10mV，一般的约为十几毫伏到几十毫伏。4 感应测速发电机的主要技术指标及误差分析4.4. 输出斜率输出斜率是在额定励磁电压下，转速为1000 rmin时测速发电机的输出电压。输出斜率越大，测速发电机的灵敏度就越高。与直流测速发电机相比，交流测速发电机的输出斜率比较小，一般为（0.55）V。 图24 输出斜率4 感应测速发电机的主要技术指标及误差分析5 调整和使用5.1. 负载的影响及补救

15、措施5.2. 励磁电源的影响5.3. 移相问题5.4. 最大线性工作转速5.5. 温度对性能的影响5 调整和使用5.1. 负载的影响及补救措施我们希望测速发电机在正常工作时，输出电压仅为转速n的函数，不受负载的影响。但实际上，输出电压的大小和相位不仅与负载的大小有关，而且还与负载的性质有关。5 调整和使用图25 输出回路等效电路假定输出绕组的感应电动势 不变，根据等效电路可得：输出电压与负载阻抗的大小和性质有关。LZjxrEU222212E将 代入式 并整理得，为 滞后于 的角度。 纯电阻负载 LLRZL221arctanRrxL22010arctan)(RrxR0为 落后于 的相位角。相位移

16、为5 调整和使用LZjxrEU222212U2E2EfU12222221EUjLLeRxRr负载电阻变化时，输出电压和相位移的变化规律如图26、27所示。 图26 输出电压与负载的关系 图27 输出相位移与负载的关系 纯电感负载将 代入式 并整理得5 调整和使用LLjXZL221arctanXxrL22010arctan)(XxrL相位移为 当负载电感变化时，输出电压和相位移的变化规律如图26、27所示。当负载感抗很小时，输出电压和相位移都很小，而相位移还可能为负值，使输出电压的相位超前于励磁电压。LZjxrEU222211222222X1UjLLeXrxE把 代入 并整理CLjXZ2C21a

17、rctanxXr2C2010arctan)(xXrC 纯电容负载得相位移为5 调整和使用LZjxrEU222211222C222X-1UjCeXrxE接纯电容负载时输出电压和相位移将按如下的规律变化： 负载容抗 很大时， 趋向 ， 趋向 。随着负载容抗 的减小，输出电压 和输出相位移 都将随着增大。 可得， 输出电压 达到最大值。CX2E0CX2U0C2dXdU令222221rxEU22C2rEXU 2U5 调整和使用 负载容抗 时，电路发生串联谐振，输出电压 ，在此点 不连续。 负载容抗 时，输出回路呈感性。随着负载容抗的减小，输出电压 也减小，而输出相位移 却随着增大。2CxX122C2r

18、EXU 2CxX2U负载电容变化时，输出电压和相位移的变化规律如图26、27所示。5 调整和使用综上所述，可得如下结论： 当感应测速发电机的转速一定，且负载阻抗足够大时，即使负载阻抗在较大范围内变化，输出电压和输出相位移也都几乎不变。 对于纯电阻负载和纯电容负载，当负载阻抗改变时引起输出电压大小变化的趋势是相反的。因此，输出绕组接电阻-电容负载时，阻抗值改变对输出电压的影响是互相补偿的，有可能在调整阻抗时，输出电压的大小几乎不受负载变化的影响。但它不能补偿输出电压相位移的偏差，因为纯电阻负载和纯电容负载对输出电压相位移的影响是一致的。5 调整和使用 为了补偿输出电压相位移的改变，可选用电阻-电感负载。此时二者对输出电压相位移的影响正好互相补偿，但对输出电压大小的变动却不能进行补偿。 5.2. 励磁电源的影响感应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联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和相位误差，而频率的变化会影响感抗和容抗的值，因而也会引起输出特性的线性和相位误差。5 调整