電機(jī)控制技術(shù)模板（交流感應(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)）

1、專業(yè)專注專心工作單位：邢臺(tái)職業(yè)技術(shù)學(xué)院主講：李光舉1.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(biāo)及誤差分析4交流感應(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)交流測(cè)速發(fā)電機(jī)分為同步測(cè)速發(fā)電機(jī)和感應(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)兩大類。同步測(cè)速發(fā)電機(jī)定子輸出繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小和頻率都隨轉(zhuǎn)速n的變化而變化，不宜用于自動(dòng)控制系統(tǒng)中。1. 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)感應(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)的定子上有兩相正交繞組，其中一相接電源勵(lì)磁，另一相則用作輸出電壓信號(hào)。 交流感應(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)圖1 杯形轉(zhuǎn)子感應(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)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(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)，結(jié)構(gòu)簡單，但性能較差；空心杯形轉(zhuǎn)子感應(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)性能好，是目前應(yīng)用最廣泛的一種交流測(cè)

2、速發(fā)電機(jī)。2 工作原理定子 為勵(lì)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(dǎo)條緊密靠在一起排列而成。 n=0時(shí)，輸出電壓U2=0fN2N n=0 時(shí)，Uf If ?f0 Ef0,Efr ，其大小為f0fwf1f044. 4NkfEf0rwr1fr44. 4NkfE2 工作原理圖2 感應(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)工作原理當(dāng)忽略勵(lì)磁繞組的電阻和漏電抗時(shí)， ，即 一定時(shí)， 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(dòng)勢(shì)。也就是當(dāng) 時(shí)，輸出電壓 。f0f0f EUfUf02N2N0n02Uf0 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為n時(shí)，U2n當(dāng)轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割勵(lì)磁磁場(chǎng)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)，其

3、大小為 2 工作原理nknpNkNkfEf01f0rwrf0rwrvrv6044. 444. 46044. 4rwr1pNkk nEf0rv 為電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)頻率為f1。忽略 中的漏阻抗壓降時(shí)， 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(dòng)勢(shì) Erv 相位相同。輸出電壓的頻率為勵(lì)磁電源頻率，有效值正比與轉(zhuǎn)速。輸出電壓的頻率為勵(lì)磁電源頻率，有效值正比與轉(zhuǎn)速。ErvIrv?2E23 感應(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出特性3.1. 電壓幅值特性3.2. 電壓相位特性3 感應(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出特性感應(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出特性是指當(dāng)轉(zhuǎn)軸上有轉(zhuǎn)速

4、信號(hào)n輸入時(shí)，定子輸出電壓的大小和相位隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)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(dāng)勵(lì)磁電壓 和頻率 f1 為常數(shù)時(shí)，感應(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出電壓 與轉(zhuǎn)速 n 間的函數(shù)關(guān)系，即 。圖3 電壓幅值特性fU)(2nfU2U3 感應(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出特性理想狀態(tài)下測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出特性為過原點(diǎn)的一條直線，實(shí)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(yán)格的直線關(guān)系。3.2. 電壓相位特性電壓相位特性是指當(dāng)勵(lì)磁電壓 和頻率f 1為常數(shù)時(shí)，感應(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出電壓U2 與勵(lì)磁電壓 Uf 之間的相位差 與輸入轉(zhuǎn)速n間的函數(shù)關(guān)系，即 。fU)(nf

5、3 感應(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出特性在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，希望測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓和勵(lì)磁電壓相位相同。實(shí)際上，測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓和勵(lì)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(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出特性4 感應(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)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(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)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(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)用作阻尼元件時(shí)，對(duì)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(shí)，約為萬分之幾到千分之幾。目前高精度感應(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)線性誤差為0

6、.05%左右。%1002mmaxlUU)2/3(bmaxUn，b點(diǎn) 線性誤差產(chǎn)生的原因（a）勵(lì)磁繞組的漏阻抗 的影響。考慮 之后勵(lì)磁繞組的電壓平衡方程式為轉(zhuǎn)速n變化轉(zhuǎn)子導(dǎo)條電流 變化勵(lì)磁電流 變化 變化磁通 變化。fZfZf4 感應(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)及誤差分析ffffZIEUrIfIffZIf（b）轉(zhuǎn)子繞組漏抗 引起的直軸去磁效應(yīng)。忽略漏電抗 時(shí)，磁通 與 在空間上正交。當(dāng)考慮 時(shí)，電流 在時(shí)間相位上落后 一個(gè)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(duì) 的影響rxfrxrxrxr3I3f222f4

7、感應(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)及誤差分析2f3Ir3rE（c）交軸磁通 在直軸上的去磁效應(yīng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割交軸磁通 ，產(chǎn)生切割電動(dòng)勢(shì) 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(duì) 的影響2f22rvErvIrvI2 f4 感應(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)及誤差分析為了減小線性誤差，應(yīng)盡可能地減小勵(lì)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(duì) 的影響2ffZrx4 感應(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)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(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出電壓 U2 與

8、勵(lì)磁電壓 Uf 之間的相位差，稱為感應(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)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(biāo)規(guī)定，在額定勵(lì)磁電壓條件下，電機(jī)以補(bǔ)償點(diǎn)b的轉(zhuǎn)速 旋轉(zhuǎn)時(shí)，輸出電壓的基波分量與勵(lì)磁電壓的基波分量之相位差 作為感應(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出相位移。一般相位移為530。圖4 電壓相位特性bnb4 感應(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)及誤差分析相位誤差 在額定勵(lì)磁電壓條件下，電機(jī)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(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)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(guān)。（b）勵(lì)磁繞組漏阻抗影響 角，它的大小與轉(zhuǎn)速有關(guān)。圖8 電壓相量圖4 感應(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)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(lì)磁繞組中串入適當(dāng)?shù)碾娙輥砑右匝a(bǔ)償?shù)摹?隨轉(zhuǎn)速而變，稱為相位誤差。相位誤差難以補(bǔ)償。圖8 電壓相量圖)90()90(4 感應(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)及誤差分析 固定相位移的補(bǔ)償在勵(lì)磁繞組中串入適當(dāng)?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(lì)磁回路串接的電容補(bǔ)償 圖10 固定相位移補(bǔ)償相量圖4 感應(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)及誤差分析4.3. 剩余電壓剩余電壓是指感應(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)在勵(lì)磁繞組接額定勵(lì)

10、磁電壓，轉(zhuǎn)子靜止時(shí)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(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)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(guān)；另一部分是交變分量，其值與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)，當(dāng)轉(zhuǎn)子位置變化時(shí)，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(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)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(duì)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(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)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(duì)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(shí)際上非對(duì)稱轉(zhuǎn)子作用相當(dāng)于一個(gè)對(duì)稱轉(zhuǎn)子加上一個(gè)短路環(huán)的作用。圖14 剩余電壓的交變分量 圖15 四極電機(jī)的剩余電壓4 感應(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)及誤差分析對(duì)稱轉(zhuǎn)子不產(chǎn)生剩余電壓，而短路環(huán)會(huì)引起剩余電壓。當(dāng)電機(jī)是四極時(shí)，由于轉(zhuǎn)子和磁路的非對(duì)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(jī)的剩余電壓4 感應(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)及誤差分析(2) 剩余電壓對(duì)系統(tǒng)的影響剩余電壓 的相位與勵(lì)磁電壓 的相位也是不同的，可將 分解為兩個(gè)分量：一個(gè)相位與 相同的稱為同相分量 ；另一個(gè)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(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)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(dòng)作而引起系統(tǒng)的誤差，正交分量會(huì)使放大器飽和及伺服電動(dòng)機(jī)溫升增高。由于導(dǎo)磁材料的磁導(dǎo)率不均勻、電機(jī)磁路飽和等原因，在剩余電壓中還會(huì)出現(xiàn)高于電源頻率的高次諧波分量，它也會(huì)使放大器飽和及伺服電動(dòng)機(jī)溫升增高。圖16 剩余電壓的同相和正交分量 4 感應(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)及誤差分析 降低剩余電壓的措施（a）將輸出繞組與勵(lì)磁繞組分開，分別嵌在內(nèi)、外定子的鐵心上，此時(shí)內(nèi)定子應(yīng)做成相對(duì)于外定子能夠轉(zhuǎn)動(dòng)的。圖19 轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)定子消除剩余電壓4 感應(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)的主要技

13、術(shù)指標(biāo)及誤差分析（b）用補(bǔ)償繞組來消除剩余電壓采用補(bǔ)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(bǔ)償繞組消除剩余電壓4 感應(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)及誤差分析串聯(lián)移相電壓補(bǔ)償和磁通補(bǔ)償圖21 串聯(lián)移相電壓補(bǔ)償 圖22 磁通補(bǔ)償4 感應(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)及誤差分析（c）外接補(bǔ)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(bǔ)償時(shí)，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(dá)到完全補(bǔ)償剩余電壓的目的。圖23 阻容電橋補(bǔ)償 R1R4 感應(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)及誤差分析圖23 阻容電橋補(bǔ)償 應(yīng)該注意的是剩余

14、電壓中的交變分量是難以用補(bǔ)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(duì)于已制成的電機(jī)可以將轉(zhuǎn)子杯進(jìn)行修刮，使剩余電壓波動(dòng)分量減小到容許的范圍。目前感應(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)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(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)及誤差分析4.4. 輸出斜率輸出斜率是在額定勵(lì)磁電壓下，轉(zhuǎn)速為1000 rmin時(shí)測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓。輸出斜率越大，測(cè)速發(fā)電機(jī)的靈敏度就越高。與直流測(cè)速發(fā)電機(jī)相比，交流測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出斜率比較小，一般為（0.55）V。 圖24 輸出斜率4 感應(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)及誤差分析5 調(diào)整和使用5.1. 負(fù)載的影響及補(bǔ)救

15、措施5.2. 勵(lì)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(duì)性能的影響5 調(diào)整和使用5.1. 負(fù)載的影響及補(bǔ)救措施我們希望測(cè)速發(fā)電機(jī)在正常工作時(shí)，輸出電壓僅為轉(zhuǎn)速n的函數(shù)，不受負(fù)載的影響。但實(shí)際上，輸出電壓的大小和相位不僅與負(fù)載的大小有關(guān)，而且還與負(fù)載的性質(zhì)有關(guān)。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(yīng)電動(dòng)勢(shì) 不變，根據(jù)等效電路可得：輸出電壓與負(fù)載阻抗的大小和性質(zhì)有關(guān)。LZjxrEU222212E將 代入式 并整理得，為 滯后于 的角度。 純電阻負(fù)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(fù)載電阻變化時(shí)，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(fù)載的關(guān)系 圖27 輸出相位移與負(fù)載的關(guān)系 純電感負(fù)載將 代入式 并整理得5 調(diào)整和使用LLjXZL221arctanXxrL22010arctan)(XxrL相位移為 當(dāng)負(fù)載電感變化時(shí)，輸出電壓和相位移的變化規(guī)律如圖26、27所示。當(dāng)負(fù)載感抗很小時(shí)，輸出電壓和相位移都很小，而相位移還可能為負(fù)值，使輸出電壓的相位超前于勵(lì)磁電壓。LZjxrEU222211222222X1UjLLeXrxE把 代入 并整理CLjXZ2C21a

17、rctanxXr2C2010arctan)(xXrC 純電容負(fù)載得相位移為5 調(diào)整和使用LZjxrEU222211222C222X-1UjCeXrxE接純電容負(fù)載時(shí)輸出電壓和相位移將按如下的規(guī)律變化： 負(fù)載容抗 很大時(shí)， 趨向 ， 趨向 。隨著負(fù)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(dá)到最大值。CX2E0CX2U0C2dXdU令222221rxEU22C2rEXU 2U5 調(diào)整和使用 負(fù)載容抗 時(shí)，電路發(fā)生串聯(lián)諧振，輸出電壓 ，在此點(diǎn) 不連續(xù)。 負(fù)載容抗 時(shí)，輸出回路呈感性。隨著負(fù)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(fù)載電容變化時(shí)，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(dāng)感應(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速一定，且負(fù)載阻抗足夠大時(shí)，即使負(fù)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(duì)于純電阻負(fù)載和純電容負(fù)載，當(dāng)負(fù)載阻抗改變時(shí)引起輸出電壓大小變化的趨勢(shì)是相反的。因此，輸出繞組接電阻-電容負(fù)載時(shí)，阻抗值改變對(duì)輸出電壓的影響是互相補(bǔ)償?shù)?，有可能在調(diào)整阻抗時(shí)，輸出電壓的大小幾乎不受負(fù)載變化的影響。但它不能補(bǔ)償輸出電壓相位移的偏差，因?yàn)榧冸娮柝?fù)載和純電容負(fù)載對(duì)輸出電壓相位移的影響是一致的。5 調(diào)整和使用 為了補(bǔ)償輸出電壓相位移的改變，可選用電阻-電感負(fù)載。此時(shí)二者對(duì)輸出電壓相位移的影響正好互相補(bǔ)償，但對(duì)輸出電壓大小的變動(dòng)卻不能進(jìn)行補(bǔ)償。 5.2. 勵(lì)磁電源的影響感應(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)對(duì)勵(lì)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(cè)速發(fā)電機(jī)，要求勵(lì)磁電源的幅值、頻率都很穩(wěn)定，電源內(nèi)阻及電源與測(cè)速發(fā)電機(jī)之間聯(lián)線的阻抗也應(yīng)盡量小。電源電壓幅值不穩(wěn)定，會(huì)直接引起輸出特性的線性和相位誤差，而頻率的變化會(huì)影響感抗和容抗的值，因而也會(huì)引起輸出特性的線性和相位誤差。5 調(diào)整