8.4 测速发电机（课件）-《电机与变压器》同步精品课堂（高等教育出版社）

8.4 测速发电机 同步精品课堂 电机与变压器 高教版 1 学习目标 掌握交流测速发电机 掌握直流测速发电机 掌握并学会直流测速发电机主要缺点 知识目标 能力目标 新知学习 一 、交流测速发电机 在自动控制系统中，有时要把机械旋转量变为电信号，以便对系统进行控制，测速发电机就是测量转速的信号元件，它能把转速变为相应的电压信号，在应用中，要求它的输出电压必须精 确地与其转速成正比。 测速发电机在自动控制系统和计算装置中，通常作为测速元件、校正元件、解算元件和角加 速度信号元件。 测速发电机可分为两大类， 一类是交流测速发电机， 一类是直流测速发电机。近年来，已出 现采用新原理、新结构研制成的霍尔效应测速发电机。 新知学习 一 、交流测速发电机 交流测速发电机分为同步和异步两类 (1)同步测速发电机 可再分为永磁式、感应子式和脉冲式三种。 ①永磁式交流测速发电机其实质上是一台单相永磁转子同步发电机，定子绕组感应的交变电动势大小和频率都随输入信号(转速)大小而变化，即 新知学习 一 、交流测速发电机 交流测速发电机分为同步和异步两类 永磁式交流测速发电机，感应电动势的频率随转速而变化，致使电机本身的阻抗及负载阻抗 均随转速而变化。 因此，这种测速发电机的输出电压不再与转速成正比关系。尽管其结构简单， 又没有滑动接触，但不适用于精密的自动控制系统，通常只是作为指示用转速计。 01 02 新知学习 一 、交流测速发电机 交流测速发电机分为同步和异步两类 ②感应子式测速发电机它是利用定子、转子齿槽位置相对变化而使输出绕组中的磁通发生变化，从而感应出电动势，这就是感应子测速发电机的原理。其 结构图如图所示，定子、转子铁心均由高硅钢片冲压成形再叠 压而成。 1、2、3—输出绕组；A、B—励磁绕组 新知学习 一 、交流测速发电机 ②感应子式测速发电机 1 定子内圆上有大槽和小槽，大槽与小槽之间放置励磁绕 组，如图中A,B 所示。在12个定子齿上分别放置输出绕组，并将 输出绕组连接成三相对称绕组。 2 转子外圆周上为24个均匀齿槽。 当励磁绕组通入直流电流时，使定子铁心磁化为N、S相间的四极 磁场。转子不动时，定子齿中的磁通不随时间变化，定子输出绕组 中没有感应电动势。 3 转子转动后，定子、转子齿的相对位置发生周 期性变化，则使定子齿中的磁通也发生周期性变化，输出绕组中便 产生交变电动势。 新知学习 一 、交流测速发电机 ②感应子式测速发电机 4 其感应电动势的频率和转子的转速之间有着严格的关系，所以它属于同步 电机。其感应电动势的大小和转速成正比，可作为测速发电机使用。 5 但其电动势的频率随转速 而变化，致使负载阻抗和电机本身的阻抗均随转速而变化。与永磁式交流测速发电机一样，感应 子式测速发电机也不宜在自动控制系统中用作交流测速发电机。 6 但是，通常采用二极管对这种 测速发电机的三相输出电流进行桥式整流后，取其直流输出电压作为速度信号而用于自动控制 系统。这种电机因为转子齿数较多，所以输出电压的频率甚高，再经过三相桥式整流，使直流输 出电压中的波纹频率很高，再配以适当的滤波措施后，其直流输出电压相当平稳。 新知学习 一 、交流测速发电机 ②感应子式测速发电机 7 这样，将感应 子式测速发电机和整流滤波电路结合后，可作为一台性能良好的直流测速发电机使用。 8 但这种 测速发电机的直流输出电压极性是由整流电路所决定的 9 与电机转子的转向无关，所以实际使用 中的缺点是不能测旋转方向。 新知学习 一 、交流测速发电机 ③脉冲式测速发电机 1 脉冲式测速发电机与感应子式测速发电机基本原理相同。它是 以脉冲频率作为输出信号的。 2 这种发电机因输出电压的频率与转子转速保持严格的正比关 系，所以也属于同步电机类型。 3 其特点是输出信号的频率相当高，即使在较低的转速下，也能 输出较多的脉冲数。因此，以脉冲个数表示的速度分辨率就比较高，它适用于速度较低的调节 系统。 新知学习 一 、交流测速发电机 (2)异步测速发电机有笼型转子和杯形转子两种。 ①异步测速发电机的结构 目前使用最广泛的一种是杯形转子异步测速发电机。杯形转 子异步测速发电机的基本结构如图所示。 新知学习 一 、交流测速发电机 ② 工作原理 图所示为杯形转子异步测速发电机工作原理图。励磁绕组Lg和输出 绕组 Ly安放在定子上。 新知学习 一 、交流测速发电机 转子反转时，输出电压的相位也相反，反映输出电压与转速n 之间关系的曲线称为输出特性曲线，如图所示。 新知学习 一 、交流测速发电机 1 当电机的励磁绕组外施恒频恒压的交流电源U₁时，便有电流 I, 通过励磁绕组，产生以电源频率f 变化的脉振磁通。 2 当转子转动 后，转子切割此脉振磁通，在转子杯中产生同频率的脉振电动势与 电流，于是输出绕组也产生同频率的脉振电动势和脉振电流。 3 因 此，异步测速发电机的输出电动势E 的频率即为励磁电源的频率 f, 而与转子转速的大小无关，但输出电动势E 的大小却正比于转子 的转速n。异步测速发电机克服了同步测速发电机的缺点，使负载 阻抗Z 不会因转子转速的变化而发生变化。 新知学习 二 、直流测速发电机 他励式需要一个恒定电 源，比较少用，多采用永磁式。永磁式的定子用永久磁钢制成，一般为凸极式。 直流测速发电机是一种微型直流发电机。它的定子、转子结构和直流伺服电动机基本相同。 若按定子磁极的励磁方式来分，直流测速发电机分为两种，一种是他励式，一种是永磁式。 若以 电枢不同结构形式来分，又可分为有槽式电枢和无槽式电枢，空心杯电枢和圆盘式印制绕组电枢 等。近年来，因自动控制系统的需要又出现了永磁式直线测速发电机。 1.分类和结构 02 03 01 新知学习 二 、直流测速发电机 2.工作原理 直流测速发电机的工作原理与一般直流发电机相同，转子上有电枢绕组和换向器，用电刷与 测量仪表相连。转子被所要测量的机械拖动。电枢中产生电动势的大小与转速成正比，从电动势的大小就可知转速。如图8-12所示 新知学习 二 、直流测速发电机 3.直流测速发电机的运行特性 直流测速发电机输出特性如图中虚线所示，实际上直流测速发电机的输出电压与转速 之间并不是保持严格的正比关系。 新知学习 二 、直流测速发电机 产生这种非线性误差原因有三： 直流测速发电机的电枢与普通直流发电机一样；当其有负载时，具有电枢反 应的去磁作用。电机的气隙磁通不再是常数，它将随负载的大小(电枢电流I。的大小)而改变。 实际上气隙合成磁通是减少的，因而使输出电压呈下降趋势。 为了改善输出特性，必须减少或削 弱电枢反应的去磁作用，尽量使电机的气隙磁通保持不变。 第二，在设计时，选取较小的线负荷，并适当 加大电机的气隙；第三，使用时，负载电阻不应小于规定值，使电枢电流不致过大。 通常采取以下三条措施：第一，对电 磁式直流测速发电机，在定子磁极上安装补偿绕组； (1)电枢反应 新知学习 二 、直流测速发电机 产生这种非线性误差原因有三： (2)电刷接触压降 由于电刷接触电阻的非线性，当电机转速较低，电枢电流较小时，电刷 接触电阻较大，这时，测速发电机的输出电压变小。只有当电机转速较高，电枢电流较大时，电刷 接触压降才可以认为是常数。 新知学习 二 、直流测速发电机 考虑电刷接触压降影响的直流测速发电机输出特性曲线如 图所示，在转速较低时，电机的输出特性曲线初始端出现一曲线区域，在这一转速范围内， 测速发电机虽然有输入信号(转速),但输出电压甚低，不成正比例，将此区域称为不灵敏区。 新知学习 二 、直流测速发电机 产生这种非线性误差原因有三： 在电磁式直流测速发电机中，因励磁绕组中长期通过电流而发热，绕 组阻值随之增大，致使励磁电流减小，由此而引起电机气隙磁通φ下降，导致电枢绕组的感 应电动势和输出电压减小。 缺点是，采用附加电阻后，相应励磁电源的电压也要升高，励磁功率随之 增大，这是不经济的。 (3)温度的影响 经计算表明，铜绕组温度每升高25 ℃,其电阻值相应增大 10%。 可用康铜或锰铜材料绕制而成。这 样，当励磁绕组温度升高时，它的电阻值虽然有所增加，但励磁回路总阻值却变化很小，励 磁电流几乎不变。 为了减小温度对励磁电流的影响，实际使用时可在直流测速发电机励磁绕组回路中 串联一个较大电阻值的，且温度系数低的附加电阻。 新知学习 二 、直流测速发电机 产生这种非线性误差原因有三： 综上所述，当负载电流小时，内部电压降也小，电枢反应也小，输出的端电压与电动势 基本相等。输出电压与转速成正比，可将转速值直接刻在电压表上读出。如果通过仪表的 电流过大，即发电机的负载电流大，则内电压降增大，电枢反应也增大，这时电压与转速不 能严格地成正比，测量将产生误差。因此，测量仪表必须是高阻抗仪表，使电流尽量减小，保证测量的准确性。 新知学习 二 、直流测速发电机 产生这种非线性误差原因有三： 直流测速发电机主要缺点是电刷与换向器的接触问题。往往因为接触不良而影响测量的准 确度。优点是灵敏度高，比交流测速发电机高约20倍，没有相位误差；正负极能够反映转动方向。因此，直流测速发电机多在要求较高的测速系统中采用。 1.直流测速发电机受温度变化的影响较小，输出变化小，斜率高，线性误差小，应用最多，这是因为： A. 斜率高，线性误差大 B. 斜率低，线性误差大 C. 斜率低，线性误差小 D. 斜率高，线性误差小 课堂练习 答案：D 2.直流测速发电机输出的是与转速： A. 成正比的交流电压 B. 成反比的交流电压 C. 成正比的直流电压 D. 成反比的直流电压 课堂练习 答案：C 3.测速发电机有交流、直流两种，通常采用直流测速发电机。直流测速发电机有他励式和： A. 永磁式 B. 自励式 C. 复励式 D. 串励式 课堂练习 答案：B 4.在计算解答系统中，要求测速发电机误差小、剩余电压低。哪种测速发电机的线性误差、剩余电压等方面能满足上述的精度要求？ A. 永磁式直流测速发电机 B. 交流异步测速发电机 C. 交流同步测速发电机 D. 电磁式直流测速发电机 课堂练习 答案：A 5.直流测速发电机在负载电阻较小，转速较高时，输出电压随转速升高而： A. 增大 B. 减小 C. 不变 D. 线性上升 课堂练习 答案：A 6.国产CYD系列高灵敏直流测速发电机，除了具有一般永磁直流测速发电机的优点外，还具有： A. 结构简单、耦合度好、输出比电势高、反应快、线性误差小、可靠性好 B. 结构复杂、耦合度差、输出比电势低、反应慢、线性误差大、可靠性差 C. 结构简单、耦合度好、输出比电势低、反应快、线性误差大、可靠性好 D. 结构复杂、耦合度差、输出比电势高、反应慢、线性误差小、可靠性差 课堂练习 答案：A 7.实际的直流测速发电机一定存在某种程度的非线性误差，CYD系列永磁式低速直流测速发电机的线性误差为： A. 1％～5％ B. 0.5％～1％ C. 0.1％～0.25％ D. 0.01％～0.1％ 课堂练习 答案：C 8.为了减小直流测速发电机的误差，使用时必须注意： A. 外接负载电阻尽可能大些 B. 外接负载电阻尽可能小些 C. 外接负载电阻等于规定的最小负载电阻 D. 在直流测速发电机输出端并接滤波电路 课堂练习 答案：B 课堂小结 1.简述直流测速发电机的输出特性曲线。 2.简述产生这种非线性误差原因。 3.简述直流测速发电机原理。 作业布置 感谢观看 $$