控制电机测速发电机.ppt

控控 制制 电电 机机河北联合大学河北联合大学 电气工程学院电气工程学院 Electrical Engineering College,Hebei Electrical Engineering College,Hebei United UniversityUnited University主要内容 力矩电机 直流测速发电机 交流测速发电机 123 力力 矩矩 电电 机机力矩电动机在自动控制系统中作为执行元件。是一种低速、大力矩的电动机，直接拖动负载运行，其转速直接受控于电压信号。采用力矩电动机拖动负载与采用高速伺服电动机经过减速装置拖动负载相比有很多优点：响应快，精度高，转矩与转速波动小，能在低速场合下长期稳定运行，机械特性和调节特性的线性度好。突出表现在低速运行时，转速可低到0.000 17 r/min(4天才转一圈)，其调速范围可以高达几万乃至几十万（调速范围指最高转速与最低转速之比），特别适用于高精度的伺服系统。1力矩电动机可分为直流力矩电动机和交流力矩电动机两大类，其工作原理与相应的伺服电动机基本相同，只不过在结构和外形尺寸上有所差异。力矩电动机为了能在相同体积和电枢电压下获得较大的转矩和较低的转速，通常做成扁平式结构。其电枢长度与直径之比一般为左右，而且电机的极数较多。定子由永久磁铁镶嵌于定子构成磁极，外部由铜环固定。转子铁芯由导磁冲片叠压而成，转子槽中放有电枢绕组，槽楔3由铜板制成，兼作换向片。电刷装在刷架上，可根据需要调整位置。转子4直接套在轴上，转轴和机壳按控制系统的要求进行配制。力矩电动机加电压后，转速为零时的电磁转矩称为堵转转矩，转速为零时的运行状态称为堵转状态。力矩电动机可以经常用于低速和堵转状态。力矩电动机长时间堵转运行且稳定温升不超过允许值时输出的最大堵转转矩称为连续堵转转矩，相应的电枢电流称为连续堵转电流。当转速大于零时，输出转矩小于堵转转矩。力矩电动机的机械特性是直线。在很短时间内，电枢电流超过连续堵转电流而又不使电机发热烧坏，这样电机将输出较大的堵转转矩。但电流太大会使永久磁铁去磁，受去磁限制的最大堵转转矩称为峰值转矩，相应的电枢电流称为峰值电流。永磁式直流力矩电动机的这些参数由技术数据给出。交流力矩电动机的控制信号为交流信号，其工作原理与两相交流伺服电动机相同，只不过其极数较多，外形呈扁平状。直流测速发电机直流测速发电机2在控制系统中，测速发电机是一种检测元件，检测转速，它能把机械转速成比例地转换为电电压压信信号号，很多情况下，测速发电机代替测速计测量转速，因此应用广泛，又叫速度传感器。测速发电机的输输出出电电动动势势要求：斜率高、特性成线性、无信号区小或剩余电压小、正、反转输出电压不对称度小。直流测速发电机要求在一定转速下输出电压交流分量小，无线电干扰小；交流测速发电机要求在工作转速变化范围内输出电压相位变化小。直流测速发电机直流测速发电机在自动控制系统中作为检测速度的元件，以调节电动机转速或通过反馈来提高系统稳定性和精度；在解算装置中可作为微分、积分元件。测速发电机分为直流和交流两种。永磁式直流测速发电机永磁式直流测速发电机交流测速发电机交流测速发电机直流测速发电机直流测速发电机测速发电机的应用测速发电机的应用直流测速发电机直流测速发电机一、基本结构与工作原理一、基本结构与工作原理直流测速发电机实际就是一种微型直流发电机，结构与普通小型直流发电机基本相同。定子上装有磁极，按励磁方式分为电磁式和永磁式两类。转子上装有电枢绕组。电磁式直流测速发电机采用他励结构，其工作原理与直流他励电动机相同，如图13-11所示。直流测速发电机直流测速发电机图图 13-11直流测速发电机的工作原理直流测速发电机的工作原理直流测速发电机直流测速发电机 直流测速发电机的励磁绕组接固定电源Uf，励磁绕组产生恒定磁场，电枢绕组在外力外力拖动下以转速n旋转时，电枢上的导体切割气隙磁通，电刷两端感应的电势Ea为 （13-2）式中：p为极对数；N为电枢绕组总导体数；a为电枢绕组并联支路数。工作原理：（1）空载时，负载电阻为RL =，有I=0，直流测速发电机的输出电压就是空载电势Ea，即U0=Ea，因此，输出电压与转速成正比。（2）负载后，如果负载电阻为RL，电枢回路的总电阻为Ra(包括电刷接触电阻)，当负载电流为I（I 0）时，在不计电枢反应的条件下，输出电压为 将式(13-2)代入式(13-3)，整理后得直流测速发电机直流测速发电机（13-3）直流测速发电机直流测速发电机从式(13-4)可见，只要保持、Ra、RL不变，直流测速发电机的输出电压U与转速成线性关系，但当负载电阻RL减小时，输出电压随之降低。RL为常数时的输出特性如图13-12所示。（13-4）直流测速发电机直流测速发电机图图 13-12直流测速发电机的输出特性直流测速发电机的输出特性直流测速发电机直流测速发电机从图中可见，负载电阻越小，输出电压越低。随着负载电阻的减小，电枢电流加大，电枢反应的去磁作用增加，尤其在高速时，输出电压与转速之间的线性关系不再满足。为减少电枢反应的影响，直流伺服电动机常常安装补偿绕组。直流测速发电机能把转速转速线性地变成电压信号，直流伺服电动机能把电压信号电压信号线性地变成转速，所以，直流测速发电机和直流伺服电动机是两种互为可逆可逆的运行方式。直流测速发电机直流测速发电机二、误差和减小误差的方法二、误差和减小误差的方法 直流测速发电机的输出电压与转速要严格保持正比关系在实际中是难以做到的，其实际的输出特性为图13-12中实线，造成这种非线性误差的原因和消除方法主要有以下三个方面：（1 1）、电枢反应引起的误差）、电枢反应引起的误差原因：直流测速发电机当电枢流过电流时，产生电枢反应，对主磁通有一定的去磁作用，将使主磁通有所减少，破坏了u与n的线性关系，引起误差。直流测速发电机直流测速发电机负载电阻一定时，转速n越高，电流就越大。电枢反应的去磁作用也越大，引起的误差也越大，因此，对直流测速发电机有最高转速的限制。当转速一定时，E一定，负载电阻越小，电枢电流就越大，电枢反应的去磁作用也越大，引起的误差也越大，因此，对直流测速发电机有最小负载电阻的限制。改进办法：改进办法：加一套补偿绕组来抵消电枢反应。为使补偿绕组在任何负载电流时都能很好地抵消电枢反应，补偿绕组的电流应与负载电流相等或成一定比例。在使用时负载电阻不应小于规定值。直流测速发电机直流测速发电机（2 2）、温度变化引起的误差）、温度变化引起的误差原因原因：当励磁绕组长期通过电流而发热，励磁绕组电阻增大，将引起磁通的下降，电枢感应电动势减小，破坏了u与n的线性关系，引起误差。改进办法改进办法：为减小温度变化引起的误差，常把测速发电机的磁路设计得足够饱和，这样，当励磁电流变化时，引起的磁通变化很小。直流测速发电机直流测速发电机（3 3）、电刷接触电阻引起的误差）、电刷接触电阻引起的误差原因原因：由于电刷接触电阻的非线性，电流小时大，电流大时小。当转速较高，电枢电流较大时，电流与电阻的乘积基本不变，即电刷压降可认为是常数。当转速很低时，电动势如小于电刷压降则可能使输出电压为零，造成一小段无信号区。改进方法改进方法：常选用黄铜石墨电刷或含银电刷可缩小无信号区。交流测速发电机交流测速发电机 交流测速发电机分为：同步测速发电机、异步测速发电机。同步测速发电机的输出电压频率及电压幅值随转速的变化而变化，一般用于转速指示，很少用于转速的测量。异步测速发电机的输出电压频率和励磁电压频率相同，与转速无关，输出电压与转速正比。在自控系统中，交流异步测速发电机应用较广。仅介绍交流异步测速发电机的工作原理与运行特性。3 1.结结构构交流异步测速发电机的转子采用杯形结构。与交流伺服电动机完全相同。(1)定子定子上有两相空间互差90的分布绕组，其中一相绕组为励磁绕组励磁绕组，外加单相交流电源,产生磁场。另一相绕组为输出绕组输出绕组,输出与转速n成正比的,频率与励磁绕组相同的交流电压。(2)转子空心杯由电阻率较大的非磁性材料锡锌青铜制成，装在内外定子的缝隙中。交流测速发电机交流测速发电机(3)为减小主磁路的磁阻，空心杯转子内部还有一个由硅钢片叠压而成的定子铁芯，该铁芯称为内定子。图13-13为一空心杯转子异步测速发电机结构示意图。图图 13-13空心杯转子空心杯转子异步测速发电机的结构示异步测速发电机的结构示意图意图交流测速发电机交流测速发电机2.工作原理工作原理空心杯转子异步测速发电机的工作原理如图13-14所示。图中，设互差90空间电角度的励磁绕组的轴线为直轴直轴(d轴)，输出绕组的轴线为交轴交轴(q轴)。当励磁绕组接频率为f的单相交流电压U1 时，励磁绕组内部便有交流电流流过，励磁绕组属于单相单相绕组,沿d轴方向产生交变的脉振脉振磁动势Fd和相应的脉振脉振磁通d(上面加撇),其交变频率f与外加电压相同。d在励磁绕组中感应电动势E1，忽略励磁绕组的电阻及漏抗，有可知，电源电压一定时，磁通也基本保持不变。交流测速发电机交流测速发电机图图 13-14空心杯转子异步测速发电机空心杯转子异步测速发电机n=0时的工作原理时的工作原理交流测速发电机交流测速发电机(1)当n=0，转子静止时，直轴脉振磁通d在空心杯转子中感应变压变压器器电势电势Edr（静止）（静止），变压器电势Edr产生电流 ，电流 产生直轴磁动势Fdr。由于转子空心杯结构对称，因此可以把空心杯把空心杯转转子等效子等效为为无数多个无数多个并并联联的的两相两相对对称称绕组绕组，这样在空心杯中，由变压器电势Edr和相应的电流 引起的转子磁动势Fdr是一个与转子位置无关的常数，方向始终在d轴上，如图13-14所示。实际上，直轴脉振磁通 是由转子磁动势Fdr和定子磁动势Fd之和产生的。由于直直轴轴磁通磁通 和和输输出出绕组绕组的的轴线轴线相互垂直相互垂直，因而 不会在输出绕组中感应电势，交流测速发电机输出电压为零，即U2=0。交流测速发电机交流测速发电机(2)当n0，转子转动以后，转子绕组切割脉振磁通 ，在转子绕组中产生了一个q轴速率电势 (右手)，其大小为同样在空心杯转子中产生q轴电流 ,不计转子漏抗时,和 基本同相位。电流 产生q轴脉振磁动势Fqr，其大小正比于Eqr，即FqrEqrdn (13-6)(13-5)Fqr产生相应的q轴磁通 ，磁通 沿q轴方向交变，并交链输出绕组，在其中感应电势E2，如图13-15所示。交流测速发电机交流测速发电机图图 13-15空心杯空心杯转转子异步子异步测测速速发电发电机机n0时时的工作原理的工作原理交流测速发电机交流测速发电机 E2的大小与Fqr成正比，即E2Fqr (13-7)联立式(13-6)和式(13-7)有E2dn(13-8)式(13-8)说明，交流测速发电机在励磁绕组电压不变，即励磁磁通励磁磁通d不不变时变时，发电发电机的机的输输出出电势电势E2只与只与转转速成正比，因此速成正比，因此输输出出电压电压U2也只与也只与转转速成正比。速成正比。交流测速发电机交流测速发电机3.误差简介误差简介 对对理想的交流异步测速发电机的性能要求:（1）输出电压与转速成严格的线性关系；（2）输出电压与励磁电压相位相同；（3）当转速为0时，输出电压为0，无剩余电压。此为理想情况,实际上,由于多种原因,存在线性误差、相位误差、和剩余电压。测速发电机的输出电压与转速的关系U2=f(n)，叫输出特性。理想输出特性曲线如图：开路时为曲线1，负载时，为曲线2。实际中，输出特性为非线性。由于励磁绕组与转子之间如同变压器的一、二绕组之间的关系，直轴磁通是励磁电流与转子电流共同作用产生的，而转子电动势及转子电流与转子转速有关，当转速变化时，励磁电流及励磁磁通都发生变化，即直轴磁通非常数，破坏了电压U2与转速n之间的关系。nU212交流测速发电机交流测速发电机1)线性误差。测速异步发电机转子旋转产生速率电动势 (有相对运动，区别于变压器电动势)，产生 及 ,在输出绕组中产生输出电压 。当转子旋转时，杯形转子导体切割 又产生电动势 ，它产生的电流和磁场与励磁绕组同轴，并对励磁磁动势起去磁作用，引起输出电压的减小，破坏了 与n n的线性关系。此外，励磁绕组和输出绕组的漏阻抗也是引起线性误差的原因之一。2）相位误差。由于转子杯导体不是纯电阻性的，励磁绕组和输出绕组也有漏抗，这些电抗在异步测速发电机中引起一定的相位误差。交流测速发电机交流测速发电机3）剩余电压。理想测速发电机，当转速为零时，电压也应为零。但实际很难做到，总有一些剩余电压。如两相绕组不正交、气隙不均匀、磁路不对称等都能造成剩余电压。剩余电压一般可达几十毫伏。4 交流异步测速发电机的使用主要用于交流伺服系统和解算装置中。与直流测速发电机相比，交流测速发电机的优点：（1）无电刷及换向器，结构简单、运行可靠。（2）无滑动接触，输出特性稳定，精度高。（3）摩擦力矩小，惯量小。（4）正转、反转输出电压对称。交流测速发电机交流测速发电机交流测速发电机交流测速发电机交流测速发电机的缺点：（1）存在相位误差、剩余电压。（2）输出斜率小。（3）输出特性随负载性质而不同。交流测速发电机交流测速发电机一台直流测速发电机，额定电枢电压为110V，额定转速为1500r/min，电机回路电阻为50，负载电阻为1000，假设电势常数 ，每极磁通求：（1）电枢电动势（2）当转速为1000r/min时的电枢电动势及 输出电压。