第2章直流測速發(fā)電機(jī)new

第2章直流測速發(fā)電機(jī)2.3直流測速發(fā)電機(jī)及其輸出特性2.4直流測速發(fā)電機(jī)誤差及其減小的方法2.5直流測速發(fā)電機(jī)的應(yīng)用2.6直流測速發(fā)電機(jī)的性能指標(biāo)2.7直流測速發(fā)電機(jī)的發(fā)展趨勢

2.3直流測速發(fā)電機(jī)及其輸出特性在自動(dòng)控制系統(tǒng)中作為敏感元件和校正元件，將輸入的轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘栞敵觯妷篣與轉(zhuǎn)速n成正比。實(shí)物圖2-1測速發(fā)電機(jī)2.3.1直流測速發(fā)電機(jī)的類型

實(shí)際就是微型直流發(fā)電機(jī)按照勵(lì)磁方式劃分為兩種類型:

1.永磁式(常用)永磁式直流測速發(fā)電機(jī)的定子磁極由永久磁鋼做成，沒有勵(lì)磁繞組，圖2-15所示。

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、便于使用、溫度變化對勵(lì)磁磁通影響小。

缺點(diǎn)：永磁材料價(jià)格較貴。按應(yīng)用場合分：普通速度(>幾千r/min)和低速發(fā)電機(jī)（<幾百r/min）

低速測速發(fā)電機(jī)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：可以和低速力矩電動(dòng)機(jī)直接耦合，省去了齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，消除了齒輪間隙帶來的誤差，提高系統(tǒng)的精度和剛度。廣泛應(yīng)用在國防工業(yè)和科研的精密自動(dòng)控制技術(shù)中。

圖2-15永磁式直流測速發(fā)電機(jī)

圖2-16電磁式直流測速發(fā)電機(jī)

2.電磁式電磁式直流測速發(fā)電機(jī)的定子勵(lì)磁繞組由外部電源供電，通電時(shí)產(chǎn)生磁場，圖2-16所示。

2.3.2自動(dòng)控制系統(tǒng)對直流測速發(fā)電機(jī)的要求

精確度高、靈敏度高、可靠性好等。

直流測速發(fā)電機(jī)在電氣性能方面應(yīng)滿足以下要求：(1)輸出電壓與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線(稱為輸出特性)應(yīng)為線性———精確度高，如圖2-17所示；

圖2-17測速發(fā)電機(jī)的理想輸出特性

(2)輸出特性的斜率要大——靈敏度高；(3)溫度變化對輸出特性的影響要小——可靠性好；(4)輸出電壓的紋波要小，即要求在一定的轉(zhuǎn)速下輸出電壓要穩(wěn)定，波動(dòng)要??；(5)正、反轉(zhuǎn)兩個(gè)方向的輸出特性要一致。2.3.3輸出特性直流感應(yīng)電動(dòng)勢公式:Ea=CeΦn=ken當(dāng)每極總磁通Φ為常數(shù)時(shí)，則Ea∝n即輸出電勢與轉(zhuǎn)速成正比。圖2-18直流測速發(fā)電機(jī)接上負(fù)載

測速發(fā)電機(jī)電刷兩端接上負(fù)載電阻RL后，RL兩端的電壓才是輸出電壓。由圖2-18可知，負(fù)載時(shí)輸出電壓為

Ua=Ea-IaRa

(2-12)稱為直流發(fā)電機(jī)電壓平衡方程式。式中Ra為電樞回路的總電阻，包括電樞繞組的電阻、電刷和換向器之間的接觸電阻；

Ia為電樞總電流，且有(2-13)

將式(2-13)代入式(2-12)得經(jīng)化簡后為(2-14)上式是負(fù)載時(shí)輸出電壓與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，C為測速發(fā)電機(jī)的輸出特性斜率。理想情況下，若式中Φ、Ra和RL都能保持為常數(shù)，則Ua與n之間呈線性關(guān)系，隨著負(fù)載電阻的減小，輸出特性的斜率變小，如圖2-19所示。實(shí)際上，測速發(fā)電機(jī)的輸出特性Ua=f(n)不是嚴(yán)格地呈線性特性，實(shí)際特性與要求的線性特性間存在誤差。圖2-19不同負(fù)載電阻時(shí)的理想輸出特性

2.4直流測速發(fā)電機(jī)的誤差及其減小的方法

2.4.1溫度影響線性關(guān)系的條件之一：勵(lì)磁磁通Φ為常數(shù)。實(shí)際上，電機(jī)周圍環(huán)境溫度的變化以及電機(jī)本身發(fā)熱(由電機(jī)各種損耗引起)都會引起電機(jī)繞組電阻的變化。當(dāng)溫度升高時(shí)，勵(lì)磁繞組電阻增大，勵(lì)磁電流減小，磁通也隨之減小，輸出電壓就降低。反之，當(dāng)溫度下降時(shí)，輸出電壓升高。

減少溫度對輸出特性影響的方法：

1、直流測速發(fā)電機(jī)的磁路設(shè)計(jì)得比較飽和；2、勵(lì)磁回路中串聯(lián)一個(gè)附加電阻（比RL大幾倍）來穩(wěn)流。附加電阻的材料可用溫度系數(shù)低的合金材料：錳鎳銅合金、鎳銅合金；3、對于溫度變化所引起的誤差要求比較嚴(yán)格的場合，可在勵(lì)磁回路中串聯(lián)負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，如圖2-20所示。

選擇并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的方法是：作出勵(lì)磁繞組電阻隨溫度變化的曲線(圖2-21中曲線1)，再作并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)電阻隨溫度變化的曲線(圖2-21中曲線2)；前者溫度系數(shù)為正，后者溫度系數(shù)為負(fù)。只要使得這兩條曲線的斜率相等，勵(lì)磁回路的總電阻就不會隨溫度而變化(圖2-21中曲線3)，因而勵(lì)磁電流及勵(lì)磁磁通也就不會隨溫度而變化。圖2-20勵(lì)磁回路中的熱敏電阻并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)

圖2-21電阻隨溫度變化的曲線圖2–23直流測速發(fā)電機(jī)輸出特性(圖中R

L1>R

L2)

2.4.2電樞反應(yīng)的影響

電樞反應(yīng)：由于電樞磁場的存在，氣隙磁場發(fā)生畸變的現(xiàn)象，起去磁作用。

負(fù)載電阻越小、轉(zhuǎn)速越高，電樞電流就越大，電樞反應(yīng)去磁作用越強(qiáng)，磁通Φ越小，線性誤差越大。

減少電樞反應(yīng)對輸出特性影響的方法：

1、使用過程中，轉(zhuǎn)速不得超過最大線性工作速度nmax；2、所接負(fù)載電阻不得小于最小負(fù)載電阻。圖2–26延遲換向?qū)敵鎏匦缘挠绊?/p>

2.4.3延遲換向的影響

對于小容量的直流測速發(fā)電機(jī)減少延遲換向影響的方法：1、采取限制轉(zhuǎn)速來削弱延遲換向的去磁效應(yīng)。2、規(guī)定了最高工作速度。2.4.4紋波電壓的影響紋波：實(shí)際直流電機(jī)的其輸出電勢總是帶有微弱的脈動(dòng)。紋波主要是由電機(jī)本身的固有結(jié)構(gòu)及加工誤差所引起的。

方法：采用無槽電樞直流電機(jī)可以大大減小因齒槽效應(yīng)而引起的輸出電壓紋波幅值。與有槽電樞相比，輸出電壓紋波幅值可以減小五倍以上。2.4.5電刷接觸壓降的影響電壓方程式:Ua=Ea-IaRa-ΔUb電刷接觸壓降ΔUb與下述因素有關(guān):①電刷和換向器的材料；②電刷的電流密度；③電流的方向；④電刷單位面積上的壓力；⑤接觸表面的溫度；⑥換向器圓周線速度；⑦換向器表面的化學(xué)狀態(tài)和機(jī)械方面的因素等。

由圖2-27可見，在轉(zhuǎn)速較低時(shí)，輸出特性上有一段斜率顯著下降的區(qū)域(不靈敏區(qū))。測速機(jī)雖有輸入信號(轉(zhuǎn)速)，但輸出電壓很小，對轉(zhuǎn)速的反應(yīng)很不靈敏。

減小電刷接觸壓降的影響(縮小不靈敏區(qū))的方法:1、常常采用接觸壓降較小的銀—石墨電刷。2、在高精度的直流測速發(fā)電機(jī)中還采用銅電刷，并在與換向器接觸的表面上鍍上銀層，使換向器不易磨損。

圖2-27考慮電刷接觸壓降后的輸出特性

2.5直流測速發(fā)電機(jī)的應(yīng)用

1、在自動(dòng)控制系統(tǒng)中作為測量或自動(dòng)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；2、在隨動(dòng)系統(tǒng)中用來產(chǎn)生電壓信號以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度；3、在計(jì)算解答裝置中作為微分和積分元件。4、它還可以測量各種機(jī)械在有限范圍內(nèi)的擺動(dòng)或非常緩慢的轉(zhuǎn)速，并可代替測速計(jì)直接測量轉(zhuǎn)速。

測速發(fā)電機(jī)有交流和直流兩大類。

缺點(diǎn)：由于直流測速機(jī)有電刷、換向器接觸裝置，可靠性差，精度較低，因此在系統(tǒng)中較為廣泛使用交流異步測速機(jī)。

優(yōu)點(diǎn)：1、輸出電壓斜率大（靈敏度高），2、沒有剩余電壓(即轉(zhuǎn)速為零時(shí)沒有輸出電壓)，3、沒有相位誤差(勵(lì)磁和輸出電壓之間沒有相位移)，4、溫度補(bǔ)償容易實(shí)現(xiàn)等，所以在自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用還是很廣泛的。下面舉例說明它在兩個(gè)方面的用途。

2.5.1作為系統(tǒng)的阻尼元件在圖1-1所示的雷達(dá)天線自動(dòng)控制系統(tǒng)中，直流伺服電動(dòng)機(jī)的輸出軸上耦合一臺直流測速發(fā)電機(jī)。它輸出一個(gè)與轉(zhuǎn)速成正比的直流電壓

，并負(fù)反饋到放大器的輸入端，所以放大器的輸入電壓為

測速發(fā)電機(jī)在該系統(tǒng)中所起的阻尼作用可以簡要地解釋如下：假定暫不接測速發(fā)電機(jī)，并且當(dāng)α>β時(shí)，直流伺服電動(dòng)機(jī)在正比于k1(α-β)的信號電壓作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，使β角增加，-β值減小。當(dāng)α=β時(shí)，雖然誤差信號電壓k1(α-β)=0，但是由于電動(dòng)機(jī)及負(fù)載具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，電動(dòng)機(jī)在α-β=0的位置時(shí)其轉(zhuǎn)速并不為零，而繼續(xù)向β角增加的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，使β>α。此時(shí)，由于β>α，誤差信號電壓極性變反。在此電壓的作用下，電動(dòng)機(jī)由正轉(zhuǎn)變?yōu)榉崔D(zhuǎn)。

同樣，由于電動(dòng)機(jī)及其負(fù)載的慣性，反轉(zhuǎn)又沖過了頭，這樣系統(tǒng)就會產(chǎn)生振蕩。如果接上測速發(fā)電機(jī)，當(dāng)α=β時(shí)，由于，故信號電壓為

，此電壓與原來的(指α>β時(shí))誤差信號電壓極性相反，因此伺服電動(dòng)機(jī)在α=β時(shí)就得到與dβ/dt成正比、極性與原來的信號電壓相反的電壓，此電壓使電動(dòng)機(jī)制動(dòng)，使電動(dòng)機(jī)快速地停留在β=α的位置?？梢姡到y(tǒng)中加入了測速發(fā)電機(jī)，就使得由電動(dòng)機(jī)及其負(fù)載慣量所造成的振蕩得到了阻尼，從而改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

2.5.2對旋轉(zhuǎn)機(jī)械作恒速控制

圖2-28為恒速控制系統(tǒng)的原理圖。負(fù)載是一個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械。當(dāng)直流伺服電動(dòng)機(jī)的負(fù)載阻力矩變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也隨之改變。為了使旋轉(zhuǎn)機(jī)械在給定電壓不變時(shí)保持恒速，在電動(dòng)機(jī)的輸出軸上耦合一測速發(fā)電機(jī)，并將其輸出電壓與給定電壓相減后加入放大器，經(jīng)放大后供給直流伺服電動(dòng)機(jī)。

當(dāng)負(fù)載阻力矩由于某種偶然的因素減小，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速上升，此時(shí)測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓增大，給定電壓與輸出電壓的差值變小，經(jīng)放大后加到直流電動(dòng)機(jī)的電壓減小，使電動(dòng)機(jī)減速；

反之，若負(fù)載阻力矩偶然變大，則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，測速機(jī)輸出電壓減小，使電動(dòng)機(jī)加速。盡管負(fù)載阻力矩發(fā)生擾動(dòng)，但由于該系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用，使旋轉(zhuǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)速變化很小，近似于恒速。給定電壓取自恒壓電源，改變給定電壓便能達(dá)到所希望的轉(zhuǎn)速。圖2-28恒速控制系統(tǒng)原理圖

2.6直流測速發(fā)電機(jī)的性能指標(biāo)直流測速發(fā)電機(jī)的主要性能指標(biāo)列在表2-1中。

表2-1直流測速發(fā)電機(jī)主要性能指標(biāo)

2.7直流測速發(fā)電機(jī)的發(fā)展趨勢

2.7.1發(fā)展高靈敏度測速發(fā)電機(jī)

永磁式高靈敏度直流測速發(fā)電機(jī)：直徑大，軸向尺寸小，電樞元件數(shù)多，刷間的串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)多，因而輸出電壓斜率大，其靈敏度比普通測速機(jī)高1000倍。

換向器是用塑料或絕緣材料制成薄板基體，并在板面上印制換向片而構(gòu)成的，因此換向片數(shù)很多；并且換向器固定在轉(zhuǎn)軸的端面上，故稱為印制電路端面換向器。

由于這種電機(jī)的電樞元件數(shù)及換向片數(shù)比普通直流機(jī)多得多，因而紋波電壓可以大大降低。

低速時(shí)精度高，能直接與低速伺服電動(dòng)機(jī)耦合，耦合剛度高。

2.7.2發(fā)展無刷直流測速發(fā)電機(jī)