第2章-测速发电机

控制电机课程介绍专业必修课

学

分：1.5学

时：24（课堂讲授）知识体系讲课测速发电机4

伺服电动机4

步进电动机6

无刷直流电动机6

自整角机4

合计24

第一章绪论1、什么是控制电机2、控制电机的种类和特点3、控制电机的应用及发展什么是控制电机

在各类自动控制系统、遥控和解算装置中，复杂控制系统中有各种各样的元件，控制电机就是其中的一个重要元件，它具有执行、检测和解算功能控制电机的种类和特点普通电机

直流电动机

异步电机

同步电机控制电机

（执行元件）

直流伺服交流伺服步进无刷直流

（测量元件）

自整角机测速发电机旋转变压器第2章测速发电机2.1概述2.2直流测速发电机2.3交流测速发电机2.4测速发电机的选择及应用举例2.1概述测速发电机是一种把输入的转速信号转换成输出电压信号的机电式信号元件。它的输出电压与转速成正比关系，即Ua=Kn。要求：A输入输出严格的正比线性关系；

B输出电压的脉动性要小；

C温度系数小；

D一定转速下，输出电压尽可能大；

E正反转时输出电压对称一致

F灵敏度高、安全可靠

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。变换/处理(控制器)执行机构被控对象检测装置(传感器)-＋输出输入装置比较2.1概述自动控制系统对测速发电机的基本要求是：⑴输出电压应与转速成正比且比例系数要大；⑵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。

测速发电机分类2.2直流测速发电机二、输出特性三、误差及其减小方法四、主要性能指标一、结构及其工作原理直流测速发电机基本结构

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结构简单、体积小，温度系数差结构复杂、体积略大磁路电路改变电枢电压方向，电压引出直流测速发电机基本结构

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。

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。电磁式优缺点：结构复杂、体积略大

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。直流测速发电机工作原理

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。直流测速发电机工作原理按励磁方式不同，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。二、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。

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Φ、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

不同负载时的理想输出特性三、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，Ua~n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：

直流测速发电机磁场电枢磁场励磁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。

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ΦK，ΦK对主磁通起去磁作用。

换向元件中的电动势方向eL自感电动势ea运动电动势

换向元件中的电动势方向分析表明eL∝n2，ea∝n2，因此ΦK∝n2。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：⑴励磁回路串联热敏电阻并联网络。⑵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。⑶将磁路设计得比较饱和。电流变化时，磁通变化小。

励磁绕组补偿电路4.纹波的影响根据Ea=CaФn，当Ф、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

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

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。四、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δ它是在工作转速范围内，实际输出特性曲线与理想输出之间的最大差值△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。在图中，B点为时实际输出特性的对应点。一般δ1为1%~2%，对于较精密系统要求δ1为0.1%~0.25%。

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1000r／min时所产生的输出电压。一般直流测速发电机空载时可达(10~20)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ΔUb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Kub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ΔU2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Ku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Ku＜1%，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。本节重点直流测速发电机的结构和工作原理直流测速发电机的输出特性、特性曲线、电压平衡方程式。输出误差产生的原因、减小方法、性能指标2.3交流测速发电机一、结构特点二、工作原理三、输出特性四、主要技术指标及误差分析分类同步测速发电机—永磁式、感应式、脉冲式异步测速发电机—笼型转子、杯型转子一、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。

杯形转子异步测速发电机结构空心杯形转子异步测速发电机性能好，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。

空心杯形转子感应测速发电机工作原理当转子不动n=0时，输出电压U2=0n=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

Uf≈Ef0

由于感应电势Ef0∝Φf0，故

Φf0∝Uf

所以当电源电压一定时，磁通Φf0也保持不变。下图是某一瞬间磁通Φf0的极性。由于励磁绕组与输出绕组相互垂直，因此磁通Φf0与输出绕组N2的轴线也互相垂直。这样，磁通Φf0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

E

RV=Bplv

式中，Bp为磁通密度的平均值。

转子转速为n时，U2∝n由于每极磁通Φf0=Bplτ及v=πDn/60(τ为极距，D为定子内径；l为定、转子铁心长度)，因此导条电势

ERV∝Φf0n

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Φ2，Φ2的值与电流IRV成正比，即

Φ2∝IRV

考虑式ERV∝Φf0n及IRV=ERV/RR得

Φ2∝Φf0n

因此Φ2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Φ2总是与磁通Φf0垂直，与输出绕组N2的轴线方向一致。当磁通Φ2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Φ2，即

U2

∝Φ2

再将Φ2∝Φf0n代入，得

U2∝Φf0n

再将Φf0∝U1代入，就得

U2∝U1n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Φ2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、异步测速发电机的输出特性1.电压幅值特性2.电压相位特性

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)。

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。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ϕ与输入转速n间的函数关系，即ϕ=f(n)。

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。

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⑴线性误差的定义

线性误差b点ΔUmax

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。⑵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Uf≈Ef，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Φf0。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Φσ1.

主磁通和漏磁通与漏磁通Φσ1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Φf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，则转子漏电抗对Φf的影响n变化→导条电流变化→励磁电流变化→Φf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Ф2与Фf正交。当考虑Xr时，电流īr3

落后Èrv角度θ。Ir3的磁通Ф3与Фf不正交，可分解成Ф2和Ф2’。Ф2’与Фf反向，起去磁作用。图5-16转子漏电抗Xr对ϕf的影响（c）交轴磁通Ф2在直轴上的去磁效应。当转子旋转时，导体切割Ф2

，产生切割电动势Erv’和电流Irv’，Irv’产生的磁通Ф2’’在直轴上，方向与Фf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。Ф2对Фf的影响2.相位误差及分析⑴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5°~30°。

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Δϕ称相位误差。一般为0.5°~1°。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。⑴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。剩余电压固定和交变分量(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。

两绕组不正交气隙不均匀(b)交变分量产生交变分量原因：转子结构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。

剩余电压的交变分量4.输出斜率输出斜率是在额定励磁电压下，转速为1000r／min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（0.5~5）V。输出斜率2.4测速发电机的选择及应用举例2.4.1选用的基本原则2.4.2应用举例2.4测速发电机的选择及应用举例2.4.1选用的基本原则选用测速发电机时，应根据系统的频率、电压、工作速度范围和在系统中所起的作用来选。例如：作解算元件时考虑线性误差要小、输出电压的稳定性要好；作一般