電機控制技術(shù)模板（交流感應測速發(fā)電機）

1、專業(yè)專注專心工作單位：邢臺職業(yè)技術(shù)學院主講：李光舉1.結(jié)構(gòu)特點12.工作原理25.調(diào)整和使用53.輸出特性34.主要技術(shù)指標及誤差分析4交流感應測速發(fā)電機交流測速發(fā)電機分為同步測速發(fā)電機和感應測速發(fā)電機兩大類。同步測速發(fā)電機定子輸出繞組感應電動勢的大小和頻率都隨轉(zhuǎn)速n的變化而變化，不宜用于自動控制系統(tǒng)中。1. 結(jié)構(gòu)特點感應測速發(fā)電機的定子上有兩相正交繞組，其中一相接電源勵磁，另一相則用作輸出電壓信號。 交流感應測速發(fā)電機圖1 杯形轉(zhuǎn)子感應測速發(fā)電機結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子有鼠籠式和非磁性空心杯式兩種。 鼠籠轉(zhuǎn)子感應測速發(fā)電機，結(jié)構(gòu)簡單，但性能較差；空心杯形轉(zhuǎn)子感應測速發(fā)電機性能好，是目前應用最廣泛的一種交流測

2、速發(fā)電機。2 工作原理定子 為勵磁繞組， 為正交的輸出繞組。轉(zhuǎn)子為非磁空心杯，杯壁可看成是無數(shù)條鼠籠導條緊密靠在一起排列而成。 n=0時，輸出電壓U2=0fN2N n=0 時，Uf If ?f0 Ef0,Efr ，其大小為f0fwf1f044. 4NkfEf0rwr1fr44. 4NkfE2 工作原理圖2 感應測速發(fā)電機工作原理當忽略勵磁繞組的電阻和漏電抗時， ，即 一定時， 也保持不變。由于 脈振軸線與輸出繞組 正交，不在 中產(chǎn)生電動勢。也就是當 時，輸出電壓 。f0f0f EUfUf02N2N0n02Uf0 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為n時，U2n當轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子導體切割勵磁磁場產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電動勢，其

3、大小為 2 工作原理nknpNkNkfEf01f0rwrf0rwrvrv6044. 444. 46044. 4rwr1pNkk nEf0rv 為電動勢常數(shù)。，旋轉(zhuǎn)電動勢頻率為f1。忽略 中的漏阻抗壓降時， 或2 工作原理2NnEU0f22knU 2 因?qū)l的電阻較大，其漏電抗 Xr可以忽略，因而轉(zhuǎn)子電流 Irv 與電動勢 Erv 相位相同。輸出電壓的頻率為勵磁電源頻率，有效值正比與轉(zhuǎn)速。輸出電壓的頻率為勵磁電源頻率，有效值正比與轉(zhuǎn)速。ErvIrv?2E23 感應測速發(fā)電機的輸出特性3.1. 電壓幅值特性3.2. 電壓相位特性3 感應測速發(fā)電機的輸出特性感應測速發(fā)電機的輸出特性是指當轉(zhuǎn)軸上有轉(zhuǎn)速

4、信號n輸入時，定子輸出電壓的大小和相位隨轉(zhuǎn)速的變化關系，分別稱為電壓幅值特性和電壓相位特性。3.1. 電壓幅值特性電壓幅值特性是指當勵磁電壓 和頻率 f1 為常數(shù)時，感應測速發(fā)電機輸出電壓 與轉(zhuǎn)速 n 間的函數(shù)關系，即 。圖3 電壓幅值特性fU)(2nfU2U3 感應測速發(fā)電機的輸出特性理想狀態(tài)下測速發(fā)電機的輸出特性為過原點的一條直線，實際特性由于各繞組漏阻抗和磁通等都有些變化，使輸出電壓的大小與轉(zhuǎn)速不是嚴格的直線關系。3.2. 電壓相位特性電壓相位特性是指當勵磁電壓 和頻率f 1為常數(shù)時，感應測速發(fā)電機輸出電壓U2 與勵磁電壓 Uf 之間的相位差 與輸入轉(zhuǎn)速n間的函數(shù)關系，即 。fU)(nf

5、3 感應測速發(fā)電機的輸出特性在自動控制系統(tǒng)中，希望測速發(fā)電機的輸出電壓和勵磁電壓相位相同。實際上，測速發(fā)電機的輸出電壓和勵磁電壓之間總是存在著相位移，并且相位移的大小隨著轉(zhuǎn)速的改變而變化。 圖4 電壓相位特性3 感應測速發(fā)電機的輸出特性4 感應測速發(fā)電機的主要技術(shù)指標及誤差分析4.1 線性誤差及分析4.2 相位誤差及分析4.3 剩余電壓4.4 輸出斜率4 感應測速發(fā)電機的主要技術(shù)指標及誤差分析4.1. 線性誤差及分析 線性誤差的定義圖 5 線性誤差 感應測速發(fā)電機用作阻尼元件時，對線性誤差的要求約為千分之幾到百分之幾；作為解算元件時，約為萬分之幾到千分之幾。目前高精度感應測速發(fā)電機線性誤差為0

6、.05%左右。%1002mmaxlUU)2/3(bmaxUn，b點 線性誤差產(chǎn)生的原因（a）勵磁繞組的漏阻抗 的影響。考慮 之后勵磁繞組的電壓平衡方程式為轉(zhuǎn)速n變化轉(zhuǎn)子導條電流 變化勵磁電流 變化 變化磁通 變化。fZfZf4 感應測速發(fā)電機的主要技術(shù)指標及誤差分析ffffZIEUrIfIffZIf（b）轉(zhuǎn)子繞組漏抗 引起的直軸去磁效應。忽略漏電抗 時，磁通 與 在空間上正交。當考慮 時，電流 在時間相位上落后 一個角度 。電流 所產(chǎn)生的磁通 在空間與 不正交，可將其分解成交軸分量 和直軸 分量。 與 是反方向的，起去磁作用。圖6 轉(zhuǎn)子漏電抗 對 的影響rxfrxrxrxr3I3f222f4

7、感應測速發(fā)電機的主要技術(shù)指標及誤差分析2f3Ir3rE（c）交軸磁通 在直軸上的去磁效應。當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子導體切割交軸磁通 ，產(chǎn)生切割電動勢 和電流 ， 產(chǎn)生的磁通 在直軸上，方向與 相反，其作用是去磁的。 圖7 交軸磁通 對 的影響2f22rvErvIrvI2 f4 感應測速發(fā)電機的主要技術(shù)指標及誤差分析為了減小線性誤差，應盡可能地減小勵磁繞組的漏阻抗 ，并采用高電阻率材料制成非磁性杯形轉(zhuǎn)子，最大限度地減小轉(zhuǎn)子漏電抗 。 圖7 交軸磁通 對 的影響2ffZrx4 感應測速發(fā)電機的主要技術(shù)指標及誤差分析4.2. 相位誤差及分析 輸出相位移和相位誤差輸出相位移 感應測速發(fā)電機輸出電壓 U2 與

8、勵磁電壓 Uf 之間的相位差，稱為感應測速發(fā)電機的輸出相位移 。由于輸出相位移 隨轉(zhuǎn)速的改變而變化，所以國標規(guī)定，在額定勵磁電壓條件下，電機以補償點b的轉(zhuǎn)速 旋轉(zhuǎn)時，輸出電壓的基波分量與勵磁電壓的基波分量之相位差 作為感應測速發(fā)電機的輸出相位移。一般相位移為530。圖4 電壓相位特性bnb4 感應測速發(fā)電機的主要技術(shù)指標及誤差分析相位誤差 在額定勵磁電壓條件下，電機在最大線性工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，輸出電壓基波分量相位隨轉(zhuǎn)速的變化值 稱作相位誤差。一般相位誤差為0.51。圖4 電壓相位特性4 感應測速發(fā)電機的主要技術(shù)指標及誤差分析 輸出相位移和相位誤差產(chǎn)生的原因（a）轉(zhuǎn)子漏電抗影響 角，它的大小與轉(zhuǎn)速

9、無關。（b）勵磁繞組漏阻抗影響 角，它的大小與轉(zhuǎn)速有關。圖8 電壓相量圖4 感應測速發(fā)電機的主要技術(shù)指標及誤差分析 相移角 , 不隨轉(zhuǎn)速而變稱為固定相位移，是可以通過在勵磁繞組中串入適當?shù)碾娙輥砑右匝a償?shù)摹?隨轉(zhuǎn)速而變，稱為相位誤差。相位誤差難以補償。圖8 電壓相量圖)90()90(4 感應測速發(fā)電機的主要技術(shù)指標及誤差分析 固定相位移的補償在勵磁繞組中串入適當?shù)碾娙軨，調(diào)節(jié)C的大小即可改變Uf 的大小和相位，從而使U1 和U2同相位。圖9勵磁回路串接的電容補償 圖10 固定相位移補償相量圖4 感應測速發(fā)電機的主要技術(shù)指標及誤差分析4.3. 剩余電壓剩余電壓是指感應測速發(fā)電機在勵磁繞組接額定勵

10、磁電壓，轉(zhuǎn)子靜止時輸出繞組中所產(chǎn)生的電壓。圖11 剩余電壓的固定分量和交變分量 4 感應測速發(fā)電機的主要技術(shù)指標及誤差分析 剩余電壓產(chǎn)生的原因主要由兩部分組成，一部分是固定分量，其大小與轉(zhuǎn)子位置無關；另一部分是交變分量，其值與轉(zhuǎn)子位置有關，當轉(zhuǎn)子位置變化時，其值作周期性變化。圖11 剩余電壓的固定分量和交變分量 4 感應測速發(fā)電機的主要技術(shù)指標及誤差分析(a) 固定分量固定分量產(chǎn)生的原因主要是兩相繞組不正交、磁路不對稱、繞組匝間短路、鐵心片間短路以及繞組端部電磁耦合等。 圖12 兩繞組不正交 圖13 氣隙不均勻4 感應測速發(fā)電機的主要技術(shù)指標及誤差分析(b) 交變分量產(chǎn)生交變分量的原因主要是由

11、于轉(zhuǎn)子電路的不對稱性所引起的。如轉(zhuǎn)子杯材料不均勻，杯壁厚度不一致等。實際上非對稱轉(zhuǎn)子作用相當于一個對稱轉(zhuǎn)子加上一個短路環(huán)的作用。圖14 剩余電壓的交變分量 圖15 四極電機的剩余電壓4 感應測速發(fā)電機的主要技術(shù)指標及誤差分析對稱轉(zhuǎn)子不產(chǎn)生剩余電壓，而短路環(huán)會引起剩余電壓。當電機是四極時，由于轉(zhuǎn)子和磁路的非對稱性所引起的剩余電壓可減到最小。 圖14 剩余電壓的交變分量 圖15 四極電機的剩余電壓4 感應測速發(fā)電機的主要技術(shù)指標及誤差分析(2) 剩余電壓對系統(tǒng)的影響剩余電壓 的相位與勵磁電壓 的相位也是不同的，可將 分解為兩個分量：一個相位與 相同的稱為同相分量 ；另一個相位與 成90的稱為正交分

12、量 。圖16 剩余電壓的同相和正交分量 4 感應測速發(fā)電機的主要技術(shù)指標及誤差分析rUfUrUfUfUrsUrqU剩余電壓的同相分量將使系統(tǒng)產(chǎn)生誤動作而引起系統(tǒng)的誤差，正交分量會使放大器飽和及伺服電動機溫升增高。由于導磁材料的磁導率不均勻、電機磁路飽和等原因，在剩余電壓中還會出現(xiàn)高于電源頻率的高次諧波分量，它也會使放大器飽和及伺服電動機溫升增高。圖16 剩余電壓的同相和正交分量 4 感應測速發(fā)電機的主要技術(shù)指標及誤差分析 降低剩余電壓的措施（a）將輸出繞組與勵磁繞組分開，分別嵌在內(nèi)、外定子的鐵心上，此時內(nèi)定子應做成相對于外定子能夠轉(zhuǎn)動的。圖19 轉(zhuǎn)動內(nèi)定子消除剩余電壓4 感應測速發(fā)電機的主要技

13、術(shù)指標及誤差分析（b）用補償繞組來消除剩余電壓采用補償繞組消除剩余電壓（a） 結(jié)構(gòu)原理圖 （b） 線路圖 圖20 采用補償繞組消除剩余電壓4 感應測速發(fā)電機的主要技術(shù)指標及誤差分析串聯(lián)移相電壓補償和磁通補償圖21 串聯(lián)移相電壓補償 圖22 磁通補償4 感應測速發(fā)電機的主要技術(shù)指標及誤差分析（c）外接補償裝置產(chǎn)生的附加電壓，大小接近于剩余電壓的固定分量，而相位相反。阻容電橋補償時，調(diào)節(jié)圖中 的大小可以改變附加電壓的大?。徽{(diào)節(jié)電阻 的大小可以改變附加電壓的相位，以達到完全補償剩余電壓的目的。圖23 阻容電橋補償 R1R4 感應測速發(fā)電機的主要技術(shù)指標及誤差分析圖23 阻容電橋補償 應該注意的是剩余

14、電壓中的交變分量是難以用補償法把它除去的，只得依靠改善轉(zhuǎn)子材料性能和提高轉(zhuǎn)子杯加工精度來減小它，對于已制成的電機可以將轉(zhuǎn)子杯進行修刮，使剩余電壓波動分量減小到容許的范圍。目前感應測速發(fā)電機剩余電壓可以做到小于10mV，一般的約為十幾毫伏到幾十毫伏。4 感應測速發(fā)電機的主要技術(shù)指標及誤差分析4.4. 輸出斜率輸出斜率是在額定勵磁電壓下，轉(zhuǎn)速為1000 rmin時測速發(fā)電機的輸出電壓。輸出斜率越大，測速發(fā)電機的靈敏度就越高。與直流測速發(fā)電機相比，交流測速發(fā)電機的輸出斜率比較小，一般為（0.55）V。 圖24 輸出斜率4 感應測速發(fā)電機的主要技術(shù)指標及誤差分析5 調(diào)整和使用5.1. 負載的影響及補救

15、措施5.2. 勵磁電源的影響5.3. 移相問題5.4. 最大線性工作轉(zhuǎn)速5.5. 溫度對性能的影響5 調(diào)整和使用5.1. 負載的影響及補救措施我們希望測速發(fā)電機在正常工作時，輸出電壓僅為轉(zhuǎn)速n的函數(shù)，不受負載的影響。但實際上，輸出電壓的大小和相位不僅與負載的大小有關，而且還與負載的性質(zhì)有關。5 調(diào)整和使用圖25 輸出回路等效電路假定輸出繞組的感應電動勢 不變，根據(jù)等效電路可得：輸出電壓與負載阻抗的大小和性質(zhì)有關。LZjxrEU222212E將 代入式 并整理得，為 滯后于 的角度。 純電阻負載 LLRZL221arctanRrxL22010arctan)(RrxR0為 落后于 的相位角。相位移

16、為5 調(diào)整和使用LZjxrEU222212U2E2EfU12222221EUjLLeRxRr負載電阻變化時，輸出電壓和相位移的變化規(guī)律如圖26、27所示。 圖26 輸出電壓與負載的關系 圖27 輸出相位移與負載的關系 純電感負載將 代入式 并整理得5 調(diào)整和使用LLjXZL221arctanXxrL22010arctan)(XxrL相位移為 當負載電感變化時，輸出電壓和相位移的變化規(guī)律如圖26、27所示。當負載感抗很小時，輸出電壓和相位移都很小，而相位移還可能為負值，使輸出電壓的相位超前于勵磁電壓。LZjxrEU222211222222X1UjLLeXrxE把 代入 并整理CLjXZ2C21a

17、rctanxXr2C2010arctan)(xXrC 純電容負載得相位移為5 調(diào)整和使用LZjxrEU222211222C222X-1UjCeXrxE接純電容負載時輸出電壓和相位移將按如下的規(guī)律變化： 負載容抗 很大時， 趨向 ， 趨向 。隨著負載容抗 的減小，輸出電壓 和輸出相位移 都將隨著增大。 可得， 輸出電壓 達到最大值。CX2E0CX2U0C2dXdU令222221rxEU22C2rEXU 2U5 調(diào)整和使用 負載容抗 時，電路發(fā)生串聯(lián)諧振，輸出電壓 ，在此點 不連續(xù)。 負載容抗 時，輸出回路呈感性。隨著負載容抗的減小，輸出電壓 也減小，而輸出相位移 卻隨著增大。2CxX122C2r

18、EXU 2CxX2U負載電容變化時，輸出電壓和相位移的變化規(guī)律如圖26、27所示。5 調(diào)整和使用綜上所述，可得如下結(jié)論： 當感應測速發(fā)電機的轉(zhuǎn)速一定，且負載阻抗足夠大時，即使負載阻抗在較大范圍內(nèi)變化，輸出電壓和輸出相位移也都幾乎不變。 對于純電阻負載和純電容負載，當負載阻抗改變時引起輸出電壓大小變化的趨勢是相反的。因此，輸出繞組接電阻-電容負載時，阻抗值改變對輸出電壓的影響是互相補償?shù)模锌赡茉谡{(diào)整阻抗時，輸出電壓的大小幾乎不受負載變化的影響。但它不能補償輸出電壓相位移的偏差，因為純電阻負載和純電容負載對輸出電壓相位移的影響是一致的。5 調(diào)整和使用 為了補償輸出電壓相位移的改變，可選用電阻-電感負載。此時二者對輸出電壓相位移的影響正好互相補償，但對輸出電壓大小的變動卻不能進行補償。 5.2. 勵磁電源的影響感應測速發(fā)電機對勵磁電源的穩(wěn)定度、失真度要求是比較高的，特別是解算用的測速發(fā)電機，要求勵磁電源的幅值、頻率都很穩(wěn)定，電源內(nèi)阻及電源與測速發(fā)電機之間聯(lián)線的阻抗也應盡量小。電源電壓幅值不穩(wěn)定，會直接引起輸出特性的線性和相位誤差，而頻率的變化會影響感抗和容抗的值，因而也會引起輸出特性的線性和相位誤差。5 調(diào)整