项目四测速发电机1

§1.1交流测速发电机1.1.1交流测速发电机的结构和工作原理1.1.2交流测速发电机的主要性能指标1.1.3交流测速发电机的应用§1.2直流测速发电机1.2.1直流测速发电机的工作原理和结构1.2.2直流测速发电机的特性1.2.3直流测速发电机误差分析1.2.4直流测速发电机的性能指标1.1.1交流测速发电机的结构和工作原理1、结构•交流测速发电机主要由固定不动的定子和中间的转子两部分组成。•定子和转子都固定在软铁材料（硅钢）制成的铁心上，以便在发电机内部形成工作磁路。•两相定子绕组空间互差90电角度，其中一个绕组为励磁绕组，另一个绕组为输出绕组。1、结构•交流测速发电机有两种转子：鼠笼转子和非磁性杯形转子。•鼠笼转子的导流条嵌装在铁心的槽中，两端的两个短路环把所有导流条连接在一起，构成转子绕组。1、结构•非磁性杯形转子交流测速发电机，测量精度高，转子的转动惯量小，应用广泛。•杯形转子可以看成有无数紧密排列的导流条的鼠笼，杯的两端就是短路环。1、结构2、工作原理•转子不动时励磁绕组和转子绕组就相当于空载变压器的原边绕组和副边绕组，其交变磁场的轴线方向都与输出绕组垂直，输出绕组没有感应电势产生。2、工作原理•转子转动时转子绕组切割励磁绕组产生的交变磁场的磁力线，其感应电流产生的交变磁场沿输出绕组的轴线方向，输出绕组产生交变感应电势输出。2、工作原理定子输出绕组感应电势的频率等于转子磁场频率，也就等于励磁电源频率。转子磁场和输出绕组感应电势的幅值（有效值）正比于转子的转速。nUk21.1.2交流测速发电机的主要性能指标1、输出斜率和最大线性误差工作转速•输出斜率：转速为1000rpm时的输出电压的有效值。一般为1.5V~5V/krpm.•输出斜率也可以用一定转速变化量对应的输出电压变化量来表示。•最大线性工作转速：是指满足后述线性误差要求的最大转速。2、线性误差•线性误差：最大输出误差相对最大输出的百分比。2UnUmnm%100mmxUUmn23•δx一般为百分之几到千分之几，最高小于0.05%.mU•线性误差产生原因：励磁绕组和转子都存在电阻及漏抗，使得励磁绕组中的电流随转子杯导体电流的变化而变化，转速越高，工作磁场的变化越大，线性误差也越大。解决方案•规定最大线性工作转速nm；•尽可能减小励磁绕组的漏阻抗；•采用由高电阻率材料制成的非磁杯形转子。2、线性误差•相位移产生原因：励磁绕组和转子都存在阻抗，使输出电压的相位与励磁绕组的相位不等。减小相位移的解决方案•与减小线性误差相同；•补偿固定相位移——在励磁绕组回路中串联移相电容。3、相位误差φΔφn•相位误差：采用串联移相方法进行补偿后，还存的与转速有关的剩余相位移。一般△不超过1º.3、相位误差•剩余电压Us（零速电压）在励磁绕组通电，而转子处于不动情况下（即零速时），输出绕组所产生的电压。•主要原因是两相绕组不正交、磁路不对称、绕组匝间短路、绕组端部电磁耦合、铁心片间短路等。4、剩余电压•外部网络补偿对励磁电压进行分压和移相后，得到与剩余电压幅值相等、相位相反的电压，与输出绕组串联。4、剩余电压1、作为控制系统的阻尼元件1.1.2交流测速发电机的应用转角指令放大电路执行机构被控对象角度传感器测速发电机转速转角速度反馈位置反馈2、对转动机构进行恒速控制转速指令放大电路执行机构被控对象测速发电机转速速度反馈3、交流伺服测速机组•交流伺服测速机组——把伺服电动机与测速发电机做成一体，使用公共的转轴和机壳。3、交流伺服测速机组•具有运转稳定、噪声小、结构紧凑等优点，并能使整个系统的体积缩小。与直流测速发电机的比较优点•不需要电刷和换向器，简单、可靠、易维护•无滑动接触，输出特性稳定，精度高•摩擦力矩小，惯量小•不产生干扰无线电的火花•正、反转输出电压对称4、交流测速发电机的优缺点与直流测速发电机的比较4、交流测速发电机的优缺点缺点•存在相位误差和剩余电压；•输出斜率小；•输出特性随负载性质（电阻、电感、电容）而有所不同。负载影响：当输出绕组接上负载构成回路时，对测速发电机的输出斜率、相位移、线性误差和相位误差都有一定的影响。5、使用注意事项温度影响：环境温度变化和电机长时间工作的发热，会使定子绕组和杯形转子的电阻以及磁性材料的性能发生变化，使输出特性不稳定。•温度升高时，电阻压降增大，磁通减小；使得输出斜率下降、相位移向超前方向推移。•补偿方法：在回路中串联负温度系数电阻。两个回路，三种方式5、使用注意事项励磁电源影响：电源电压幅值不稳定，会引起输出特性的线性误差；频率的变化会影响感抗和容抗的值，引起输出线性误差和相位误差。•例如：400Hz交流测速发电机，频率每变化1Hz，输出电压约变化0.03%.•在精密系统中，励磁绕组一般采用单独电源供电，以保持电源电压和频率的稳定。5、使用注意事项型号说明产品代号：空心杯转子测速发电机机座号：机壳外径36mm性能参数序号：第5种频率代号：400Hz36CK051.2直流测速发电机变换/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•直流测速发电机：把机械转速变换成直流电压信号。1.2.1直流测速发电机的工作原理和结构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。1、工作原理1.2.1直流测速发电机的工作原理和结构BLve2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。1、工作原理1.2.1直流测速发电机的工作原理和结构•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2、结构1.2.1直流测速发电机的工作原理和结构•定子铁心和励磁绕组厚为0.35~0.5mm的硅钢片叠压而成2、结构1.2.1直流测速发电机的工作原理和结构•电枢铁心和电枢绕组2、结构1.2.1直流测速发电机的工作原理和结构•电枢铁心和电枢绕组2、结构1.2.1直流测速发电机的工作原理和结构•换向器：换向片和电刷2、结构1.2.1直流测速发电机的工作原理和结构•电枢铁心、电枢绕组与换向器的关系2、结构1.2.1直流测速发电机的工作原理和结构1.2.1直流测速发电机的工作原理和结构•电枢绕组展开2、结构1.2.1直流测速发电机的工作原理和结构•电枢绕组等效电路2、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。1.2.1直流测速发电机的工作原理和结构3、直流测速发电机的型式•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。1.2.1直流测速发电机的工作原理和结构3、直流测速发电机的型式永磁式优点：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。（1）感应电势计算公式lvMBEpanDnDv6060221.2.2直流测速发电机的特性1、稳态特性)2/(pD极距极对数DlplBp2（1）感应电势计算公式lvMBEpanDnDv6060221.2.2直流测速发电机的特性1、稳态特性支路对数aNM2总导体数DlplBp2（1）感应电势计算公式DlplBp2lvMBEpanDnDv6060221.2.2直流测速发电机的特性1、稳态特性aNM2napNnDlDlpaNEa606022nknCEeea电势常数电势系数（2）电压平衡方程式1.2.2直流测速发电机的特性1、稳态特性aaaaRIEU当直流测速发电机的输出端与测量电路构成回路后，直流测速发电机就相当于一个电源，感应电势为电源电势，电枢绕组的电阻值Ra相当于电源的内阻，电刷之间的输出电压Ua的计算公式为：•电枢绕组接上负载构成回路后，单根导体受到的电磁力：BliF•电枢绕组总电磁力矩：22DliNBDNFTapp（3）电磁力矩计算公式1.2.2直流测速发电机的特性1、稳态特性•电枢绕组总电磁力矩：22DliNBDNFTapp（3）电磁力矩计算公式1.2.2直流测速发电机的特性1、稳态特性DlplBp2aIiaa2aaIapNDaIlDlpNT2222aTICTaTIKT转矩常数转矩系数•电枢绕组总电磁力矩：22DliNBDNFTapp（3）电磁力矩计算公式1.2.2直流测速发电机的特性1、稳态特性aaIapNDaIlDlpNT2222aTICTaTCπC260nCEeaapNCe60（4）力矩平衡方程式1.2.2直流测速发电机的特性1、稳态特性0TTTin直流测速发电机匀速转动（稳态）时，作用在转轴上的力矩有三个：输入的机械力矩、转轴上的阻力矩和电枢绕组电流产生的电磁力矩，三者之间满足：输出端不接负载时，电磁力矩为零，称为空载状态。（5）稳态四大关系式1.2.2直流测速发电机的特性1、稳态特性稳态四大关系式，是原理、特性分析和参数计算的基础。0TTTICTRIEUnCEinaTaaaaea空载时，Ia=0（5）稳态输出特性1.2.2直流测速发电机的特性1、稳态特性LaaRUIaaaaRIEUaLaaaRRUEUnCEeanRRCRREULaeLaaa11（5）稳态输出特性1.2.2直流测速发电机的特性1、稳态特性•如果Φ、Ra和RL都为常数，则Ua与n之间保持线性关系；•负载电阻减小，输出特性的斜率变小。nRRCRREULaeLaaa11（1）机械惯性影响1.2.2直流测速发电机的特性2、动态特性•在输入机械力矩Tin变化时，由于机械惯性的存在，转子的转速要逐渐变化。转速的变化率（变化的速度），与转子轴上的剩余力矩成正比，而与转子轴上的总转动惯量成反比。动态力矩平衡方程式为：dt)t(dJT)t(T)t(Tin0n602（2）电磁惯性影响1.2.2直流测速发电机的特性2、动态特性•在转子转速变化时，电枢绕组的感应电势同时变化。由于电枢绕组存在电感，具有电磁惯性，使得电枢回路中的电流也要逐渐变化。这样，动态电压平衡方程式就变为：dt)t(dILR)t(I)t(E)t(Uaaaaa（3）动态四大关系式1.2.2直流测速发电机的特性2、动态特性dt)t(dJT)t(T)t(T)t(IC)t(Tdt)t(dILR)t(I)t(E)t(U)t(nC)t(EinaTaaaaaea00TTTICTRIEUnCEinaTaaaaea去掉(t)和J、L项（3）动态四大关系式1.2.2直流测速发电机的特性2、动态特性dt)t(dJT)t(T)t(T)t(IC)t(Tdt)t(dILR)t(I)t(E)t(U)t(nC)t(EinaTaaaaaea0转速从一个稳态到另一个稳态，电枢电流和输出电压都会出现延迟误差，但不会影响稳态的测量结果。大负载电阻、小电枢电感•线性误差：负载运行时，测速发电机的输出特性偏离理想情况下线性特性所引起的误差。•根本原因：负载运行时，测速发电机励磁磁通Φ，电枢回路电阻Ra和负载电阻RL等不能保持恒定不变。nRRCRREULaeLaaa111.2.3直流测速发电机误差分析•线性误差：负载运行时，测速发电机的输出特性偏离理想情况下线性特性所引起的误差。•根本原因：负载运行时，测速发电机励磁磁通Φ，电枢回路电阻Ra和负载电阻RL等不能保持恒定不变。•具体原因：电枢反应去磁、温度的影响、电刷与换向片的接触电阻、延迟换向去磁和纹波影响。1.2.3直流测速发电机误差分析1、电枢反应主磁场电枢磁场合成磁场1.2.3直流测速发电机误差分析合成磁场1、电枢反应1.2.3直流测速发电机误差分析合成磁场1、电枢反应1.2.3直流测速发电机误差分析合成磁场•电枢磁场的影响，使主磁场