第2章直流测速发电机new

第2章直流测速发电机2.3直流测速发电机及其输出特性2.4直流测速发电机误差及其减小的方法2.5直流测速发电机的应用2.6直流测速发电机的性能指标2.7直流测速发电机的发展趋势

2.3直流测速发电机及其输出特性在自动控制系统中作为敏感元件和校正元件，将输入的转速信号转变为电压信号输出，电压U与转速n成正比。实物图2-1测速发电机2.3.1直流测速发电机的类型

实际就是微型直流发电机按照励磁方式划分为两种类型:

1.永磁式(常用)永磁式直流测速发电机的定子磁极由永久磁钢做成，没有励磁绕组，图2-15所示。

优点：结构简单、便于使用、温度变化对励磁磁通影响小。

缺点：永磁材料价格较贵。按应用场合分：普通速度(>几千r/min)和低速发电机（<几百r/min）

低速测速发电机机的优点：可以和低速力矩电动机直接耦合，省去了齿轮传动机构，消除了齿轮间隙带来的误差，提高系统的精度和刚度。广泛应用在国防工业和科研的精密自动控制技术中。

图2-15永磁式直流测速发电机

图2-16电磁式直流测速发电机

2.电磁式电磁式直流测速发电机的定子励磁绕组由外部电源供电，通电时产生磁场，图2-16所示。

2.3.2自动控制系统对直流测速发电机的要求

精确度高、灵敏度高、可靠性好等。

直流测速发电机在电气性能方面应满足以下要求：(1)输出电压与转速的关系曲线(称为输出特性)应为线性———精确度高，如图2-17所示；

图2-17测速发电机的理想输出特性

(2)输出特性的斜率要大——灵敏度高；(3)温度变化对输出特性的影响要小——可靠性好；(4)输出电压的纹波要小，即要求在一定的转速下输出电压要稳定，波动要小；(5)正、反转两个方向的输出特性要一致。2.3.3输出特性直流感应电动势公式:Ea=CeΦn=ken当每极总磁通Φ为常数时，则Ea∝n即输出电势与转速成正比。图2-18直流测速发电机接上负载

测速发电机电刷两端接上负载电阻RL后，RL两端的电压才是输出电压。由图2-18可知，负载时输出电压为

Ua=Ea-IaRa

(2-12)称为直流发电机电压平衡方程式。式中Ra为电枢回路的总电阻，包括电枢绕组的电阻、电刷和换向器之间的接触电阻；

Ia为电枢总电流，且有(2-13)

将式(2-13)代入式(2-12)得经化简后为(2-14)上式是负载时输出电压与转速的关系，C为测速发电机的输出特性斜率。理想情况下，若式中Φ、Ra和RL都能保持为常数，则Ua与n之间呈线性关系，随着负载电阻的减小，输出特性的斜率变小，如图2-19所示。实际上，测速发电机的输出特性Ua=f(n)不是严格地呈线性特性，实际特性与要求的线性特性间存在误差。图2-19不同负载电阻时的理想输出特性

2.4直流测速发电机的误差及其减小的方法

2.4.1温度影响线性关系的条件之一：励磁磁通Φ为常数。实际上，电机周围环境温度的变化以及电机本身发热(由电机各种损耗引起)都会引起电机绕组电阻的变化。当温度升高时，励磁绕组电阻增大，励磁电流减小，磁通也随之减小，输出电压就降低。反之，当温度下降时，输出电压升高。

减少温度对输出特性影响的方法：

1、直流测速发电机的磁路设计得比较饱和；2、励磁回路中串联一个附加电阻（比RL大几倍）来稳流。附加电阻的材料可用温度系数低的合金材料：锰镍铜合金、镍铜合金；3、对于温度变化所引起的误差要求比较严格的场合，可在励磁回路中串联负温度系数的热敏电阻并联网络，如图2-20所示。

选择并联网络参数的方法是：作出励磁绕组电阻随温度变化的曲线(图2-21中曲线1)，再作并联网络电阻随温度变化的曲线(图2-21中曲线2)；前者温度系数为正，后者温度系数为负。只要使得这两条曲线的斜率相等，励磁回路的总电阻就不会随温度而变化(图2-21中曲线3)，因而励磁电流及励磁磁通也就不会随温度而变化。图2-20励磁回路中的热敏电阻并联网络

图2-21电阻随温度变化的曲线图2–23直流测速发电机输出特性(图中R

L1>R

L2)

2.4.2电枢反应的影响

电枢反应：由于电枢磁场的存在，气隙磁场发生畸变的现象，起去磁作用。

负载电阻越小、转速越高，电枢电流就越大，电枢反应去磁作用越强，磁通Φ越小，线性误差越大。

减少电枢反应对输出特性影响的方法：

1、使用过程中，转速不得超过最大线性工作速度nmax；2、所接负载电阻不得小于最小负载电阻。图2–26延迟换向对输出特性的影响

2.4.3延迟换向的影响

对于小容量的直流测速发电机减少延迟换向影响的方法：1、采取限制转速来削弱延迟换向的去磁效应。2、规定了最高工作速度。2.4.4纹波电压的影响纹波：实际直流电机的其输出电势总是带有微弱的脉动。纹波主要是由电机本身的固有结构及加工误差所引起的。

方法：采用无槽电枢直流电机可以大大减小因齿槽效应而引起的输出电压纹波幅值。与有槽电枢相比，输出电压纹波幅值可以减小五倍以上。2.4.5电刷接触压降的影响电压方程式:Ua=Ea-IaRa-ΔUb电刷接触压降ΔUb与下述因素有关:①电刷和换向器的材料；②电刷的电流密度；③电流的方向；④电刷单位面积上的压力；⑤接触表面的温度；⑥换向器圆周线速度；⑦换向器表面的化学状态和机械方面的因素等。

由图2-27可见，在转速较低时，输出特性上有一段斜率显著下降的区域(不灵敏区)。测速机虽有输入信号(转速)，但输出电压很小，对转速的反应很不灵敏。

减小电刷接触压降的影响(缩小不灵敏区)的方法:1、常常采用接触压降较小的银—石墨电刷。2、在高精度的直流测速发电机中还采用铜电刷，并在与换向器接触的表面上镀上银层，使换向器不易磨损。

图2-27考虑电刷接触压降后的输出特性

2.5直流测速发电机的应用

1、在自动控制系统中作为测量或自动调节电动机转速；2、在随动系统中用来产生电压信号以提高系统的稳定性和精度；3、在计算解答装置中作为微分和积分元件。4、它还可以测量各种机械在有限范围内的摆动或非常缓慢的转速，并可代替测速计直接测量转速。

测速发电机有交流和直流两大类。

缺点：由于直流测速机有电刷、换向器接触装置，可靠性差，精度较低，因此在系统中较为广泛使用交流异步测速机。

优点：1、输出电压斜率大（灵敏度高），2、没有剩余电压(即转速为零时没有输出电压)，3、没有相位误差(励磁和输出电压之间没有相位移)，4、温度补偿容易实现等，所以在自动控制系统中的应用还是很广泛的。下面举例说明它在两个方面的用途。

2.5.1作为系统的阻尼元件在图1-1所示的雷达天线自动控制系统中，直流伺服电动机的输出轴上耦合一台直流测速发电机。它输出一个与转速成正比的直流电压

，并负反馈到放大器的输入端，所以放大器的输入电压为

测速发电机在该系统中所起的阻尼作用可以简要地解释如下：假定暂不接测速发电机，并且当α>β时，直流伺服电动机在正比于k1(α-β)的信号电压作用下转动，使β角增加，-β值减小。当α=β时，虽然误差信号电压k1(α-β)=0，但是由于电动机及负载具有转动惯量，电动机在α-β=0的位置时其转速并不为零，而继续向β角增加的方向转动，使β>α。此时，由于β>α，误差信号电压极性变反。在此电压的作用下，电动机由正转变为反转。

同样，由于电动机及其负载的惯性，反转又冲过了头，这样系统就会产生振荡。如果接上测速发电机，当α=β时，由于，故信号电压为

，此电压与原来的(指α>β时)误差信号电压极性相反，因此伺服电动机在α=β时就得到与dβ/dt成正比、极性与原来的信号电压相反的电压，此电压使电动机制动，使电动机快速地停留在β=α的位置。可见，系统中加入了测速发电机，就使得由电动机及其负载惯量所造成的振荡得到了阻尼，从而改善了系统的动态性能。

2.5.2对旋转机械作恒速控制

图2-28为恒速控制系统的原理图。负载是一个旋转机械。当直流伺服电动机的负载阻力矩变化时，电动机的转速也随之改变。为了使旋转机械在给定电压不变时保持恒速，在电动机的输出轴上耦合一测速发电机，并将其输出电压与给定电压相减后加入放大器，经放大后供给直流伺服电动机。

当负载阻力矩由于某种偶然的因素减小，电动机的转速上升，此时测速发电机的输出电压增大，给定电压与输出电压的差值变小，经放大后加到直流电动机的电压减小，使电动机减速；

反之，若负载阻力矩偶然变大，则电动机转速下降，测速机输出电压减小，使电动机加速。尽管负载阻力矩发生扰动，但由于该系统的调节作用，使旋转机械的转速变化很小，近似于恒速。给定电压取自恒压电源，改变给定电压便能达到所希望的转速。图2-28恒速控制系统原理图

2.6直流测速发电机的性能指标直流测速发电机的主要性能指标列在表2-1中。

表2-1直流测速发电机主要性能指标

2.7直流测速发电机的发展趋势

2.7.1发展高灵敏度测速发电机

永磁式高灵敏度直流测速发电机：直径大，轴向尺寸小，电枢元件数多，刷间的串联导体数多，因而输出电压斜率大，其灵敏度比普通测速机高1000倍。

换向器是用塑料或绝缘材料制成薄板基体，并在板面上印制换向片而构成的，因此换向片数很多；并且换向器固定在转轴的端面上，故称为印制电路端面换向器。

由于这种电机的电枢元件数及换向片数比普通直流机多得多，因而纹波电压可以大大降低。

低速时精度高，能直接与低速伺服电动机耦合，耦合刚度高。

2.7.2发展无刷直流测速发电机