直流测速发电机

北京工业大学机电学院课程名称：机电伺服驱动技术主讲教师:王新华硕士研究生课程主要内容直流测速发电机、直流伺服电动机变压器、旋转变压器自整角机交流异步测速发电机、交流伺服电动机步进电机同步电动机、直线电机现代控制电机一、直流发电机工作原理和结构物理本质：测量转速的微型直流发电机能量转换：机械能转换成电能，输出直流电信号转换：转速信号转换成与转速成正比的直流电压信号输出第2章直流测速发电机1、工作原理基于电磁感应定律运动导体切割磁力线，在导体中产生切割电势匝链线圈的磁通发生变化，在线圈中产生感应电势一、直流发电机工作原理和结构第2章直流测速发电机1、工作原理两极电机模型整个线圈电势是两个有效边电势之和A电刷为正，B电刷为负电刷两端电势：电枢连续旋转，交替地切割磁力线导体中电势及线圈电势是交变的两极下，每转一圈，电势交变一次换向器使电刷电势的极性始终不变BAdadcbaEeeeBAadabcdEeee第2章直流测速发电机２、直流电势的形成法拉第电磁感应定律：气隙磁通密度沿电枢圆周分布不是均匀的导体在不同位置，产生的电势大小不同，变化规律与Bx相同电势不是直流电势，为脉动电势。磁场分布和电刷电势为ixeBixeBlv结论：为减小电势脉动，实际电机中不止一个线圈（元件），由很多元件组成电枢绕组，元件均布在电枢表面，按一定的规律连接第2章直流测速发电机２、直流电势的形成图为实际电机的模型电枢铁心表面有齿有槽，槽中安放元件，电枢元件如图第2章直流测速发电机２、直流电势的形成上层边端线用实线，下层用虚线上层边出线端称头，下层称尾头、尾与相邻两个换向片相连电枢绕组自成闭合回路电刷把上层边在N极下的所有元件串联成一支路，把上层边在S极下的所有元件串联成另一支路两条支路并联，两支路电势大小相等，且反向，相互抵消，闭合回路中电势为零，无环流。电刷间有电势输出，且与每条支路电势大小相等第2章直流测速发电机此外，为使电刷两端电势为最大，电刷必须与位于几何中性线处的导体相接触，亦即电刷通过换向片把电势为零的元件短路结论：如果电枢表面槽数增多，元件数增多，则电刷间串联的元件数增多，输出电势的平均值将更大，脉动更小，就得到大小和方向都不变的直流电势。第2章直流测速发电机３、直流电机基本结构定子：定子铁心、励磁绕组、机壳、端盖和电刷装置转子：电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴定子和转子之间为空气隙直流电机总体结构：静止部分（定子）、旋转部分（转子）第2章直流测速发电机３、直流电机基本结构（1）定子铁心和励磁绕组（2）电枢铁心和电枢绕组（3）换向器和电刷二、直流电势关系式第2章直流测速发电机一对磁极时励磁磁通的磁路磁极下电枢表面各点磁通密度分布电刷间电势等于正负电刷所连接的导体电势之和：1saiiEe二、直流电势关系式第2章直流测速发电机取一个磁极下气隙磁通密度的平均值为Bp，一个磁极下所有导体的平均电势为ep，电刷间的电势Ea为Bp为一个磁极的总磁通除以磁极的面积为/226060DpppDpenen电枢表面圆周速度pBl因此，有60DvnppeBlvapapEseEsBlv电刷间总电势260apEsn二、直流电势关系式第2章直流测速发电机由于一对电刷所串联的导体数s应等于电刷间每条并联支路中的导体数，因此，s值等于电枢绕组总导体数N/电刷间的并联支路数2a(a为支路对数):s=N/2a因此，有当每极磁通Φ一定时，/6060eCpNnaaepNEnECnaaeEKn结论：电刷两端的感应电势与电机的转速成正比，即电势值能表征转速的大小。因此直流发电机能够把转逆信号转换成电势信号，从而可以用来测速。永磁式三、直流测速发电机及其输出特性第2章直流测速发电机1、流测速发电机的型式永磁式电磁式按励磁方式划分：电磁式２、电气性能要求输出特性应为线性（精度）输出特性的斜率大（灵敏度）温度变化对输出特性影响要小（精度）输出电压的纹波小（精度）正、反转方向的输出特性一致（精度）理想输出特性第2章直流测速发电机３、输出特性已知直流电势：当每极磁通Φ一定时，aEnaeECn负载时测速发电机的输出电压为aaLUIRaaaaaaaaLUUEIRUERR因此，有11aeaaaLLECUnRRRR结论：若Φ、Ra、RL保持常数，Ua与n呈线性；随RL减小，输出特性的斜率变小。负载时四、直流测速发电机的误差及其减小的方法第2章直流测速发电机1、温度影响电机周围环境温度变化及电机本身发热引起绕组电阻的变化。温度↑，励磁绕组电阻↑，励磁电流↓，磁通↓，输出电压↓；温度↓，输出电压↑。解决措施：①磁路被设计得饱和，使励磁电流变化引起的磁通变化小。②励磁回路中串联比励磁绕组电阻大几倍的附加电阻来稳流，使温度升高对整个励磁回路的总电阻增加不多。③在励磁回路中串联负温度系数的热敏电阻并联网络第2章直流测速发电机2、电枢反应影响空载时，励磁绕组产生主磁场。负载时，电枢绕组产生电枢磁场。负载运行时，电机中的磁场是主磁场和电枢磁场的合成。电枢磁场的存在，气隙中的磁场发生畸变，称为电枢反应。定子励磁绕组产生的主磁场电枢绕组产生的电枢磁场主磁场和电枢磁场的合成磁场第2章直流测速发电机2、电枢反应影响若磁路不饱和，由叠加原理，N极左半极的削弱和右半极的加强相互抵消，整个极的磁通保持不变，仅仅磁场的分布发生了变化。实际电机中，由于磁路的饱和作用，使电枢对主磁场有去磁作用。即使电机励磁电流不变，空载时的磁通Φ0有载时的合成磁通Φ。结论1：在同一转速下，Ｅa0Ｅa，负载电阻越小或转速越高，电枢电流就越大，电枢反应去磁作用越强，输出特性偏离直线越远，线性误差越大。结论2：技术参数应给出最大线性工作转速nmax和最小负载电阻值,以保证线性误差在限定的范围内。第2章直流测速发电机3、延迟换向去磁电枢绕组元件的电流方向以电刷为其分界线电枢绕组元件从一支路经电刷进入另一支路时，+ia→-ia元件的换向过程：在元件被电刷短路过程中，处于由+ia变到-ia的过渡过程。从开始换向到换向终了所经历的时间为换向周期。第2章直流测速发电机3、延迟换向去磁理想换向时，当换向元件两有效边处于几何中性线时，电流为零。实际上，虽然元件切割主磁通产生的电势为零，但仍然有电势存在，使电流过零时刻延迟，出现延迟换向。在换向过程中因电流变化，换向元件产生自感电势：LdieLdt由楞次定律，eL方向阻止换向元件中电流改变方向，维持换向前的电流方向，与换向前电流方向相同，是阻碍换向的。元件经过几何中性线时，由于切割电枢磁场而产生切割电势ea，其电流的方向也与换向前的电流方向相同，也是阻碍换向的。因此，换向元件中的总电势为：kLaeee因ek阻碍作用，使换向过程延迟，即电流由+ia变-ia的时间延迟了。第2章直流测速发电机3、延迟换向去磁换向元件被电刷短路，总电势ek在换向元件中产生附加电流ik，方向与ek方向一致。由ik产生磁通Φk，方向与主磁通方向相反，对主磁通有去磁作用，称为延迟换向去磁。若忽略磁通变化，则电势与转速成正比，当负载电阻一定时，电枢电流及绕组元件电流也与转速成正比。换向周期与转速成反比，转速越高，换向周期越短。eL正比于单位时间电流的变化量。因此，有换向元件的附加电流及延迟换向去磁磁通与n2成正比，测速电机的转速上限受到限制。22Laenen延迟换向对输出特性的影响换向元件中的电势第2章直流测速发电机4、波纹根据Ea=CeΦn，当Φ、n一定时，电刷两端输出稳定直流电势。因电机固有的结构及加工误差引起的输出电势总是带有微弱的脉动，称为纹波。由于电枢槽数及电枢元件数有限，在输出电势中将引起脉动。增加每条支路中的串联元件数可减小纹波，但不可能无限增加。因电枢铁心有齿有槽，及其椭圆度、偏心等，使纹波幅值上升。纹波是不可避免的。纹波电压的存在对于测速机用于阻尼或速度控制都很不利。通过在结构和设计上都采取了一定的措施来减小纹波幅值。例如，无槽电枢直流电机第2章直流测速发电机5、电剧接触压降Ua=f(n)线性的另一条件：电枢回路总电阻Ra为恒值。因Ra中包含的电刷与换向器的接触电阻不是一个常数。因此，电压方程改写为aaaaUEIRaaawbUEIRU其中，Rw为电枢绕组电阻，△Ub为电刷接触压降。因此，可得1ebawLCnUURR影响电刷接触压降△Ub的因素：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；⑧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，等等。第2章直流测速发电机5、电刷接触压降在小于允许最大转速范围内，换向器圆周线速度对△Ub影响较小。但随着转速升高，电枢电流Ia增大，电刷电流密度增加。当电刷电流密度较小时，随着电流密度的增加，△Ub也相应地增大。当电流密度达到一定数值后,△Ub达到饱和，几乎等于常数。通常接触压降指正负电刷下的总压降。考虑电刷接触压降后的输出特性如图可见，在转速较低时，输出特性出现不灵敏区。常采用银—石墨电刷。当电刷与换向器出现接触不稳定性时，导致电枢电流含有高频尖脉冲。常在测速机的输出端连接滤波电路消除。五、直流测速发电机的应用第2章直流测速发电机在自动控制系统中作为测量或自动调节电动机转速之用。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。在计算解答装置中作为微分和积分元件。测量有限范围的摆动或非常缓慢的转速，取代测速计直接测量。应用举例：1、作为系统的阻尼元件在雷达天线自动控制系统中，直流伺服电动机的输出轴上藕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，并反馈到放大器输入端。放大器的输入电压为12()dkkdt第2章直流测速发电机1、作为系统的阻尼元件12()dkkdt若不接测速发电机，且当α＞β时，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，α-β值减小。当α=β时，虽然误差信号电压k1（α-β）=0，但因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，误差信号电压极性变反，在此电压下电动机由正转变为反转。同样，因电动机及负载具有转动惯量，反转冲过头，系统将产生振荡。第2章直流测速发电机1、作为系统的阻尼元件12()dkkdt若接测速发电机，则当α=β时，由于，故信号电压为，此电压与原来的α＞β的误差信号电压极性相反，电动机在α=β时得到与dβ/dt成正比、极性相反的电压，使电动机制动，电动机很快停留在β=α的位置上。可见，系统中加入了测速发电机，使得因电动机及负载惯量所造成的惯性得到了阻尼，从而改善系统的动态特性。第2章直流测速发电机2、对旋转机械进行恒速控制当直流伺服电机的负载阻力矩变化时，电动机的转速也发生变化。当负载阻力矩减小（增大）时，电动机转速上升（下降），测速电机输出电压增大（减小），给定电压与输出电压差值变小（大），经放大器后输入到电动机的电压减小（增大），电动机减速（加速）。从而使旋转机械的转速不受负载阻力扰动的影响，近似恒速。六、直流测速发电机的性能指标第2章直流测速发电机第2章直流测速发电机第2章直流测速发电机第2章直流测速发电机