第二章直流测速发电机

直流测速发电机

第二章 直流测速发电机

Chapter two DC Tachogenerator

2.1 直流电机基本结构和工作原理

（The Structure and Principle of a DC Machine）

直流发电机的工作是基于电磁感应定律， 即： 运动导体切割磁力线， 在导体中产生切割电势； 或者说匝链线圈的磁通发生变化， 在线圈中发生感应电势。

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直流发电机工作原理

直流电动机工作原理

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电枢连续旋转， 导体ab和cd轮流交替地切割N极和S极下的磁力线， 因而ab和cd中的电势及线圈电势是交变的。 在两极情况下， 线圈每转一圈， 电势交变一次。 但是， 电刷电势的极性始终不变。 这是由于通过换向器的作用， 无论线圈转到什么位置， 电刷通过换向片只与处于一定极性下的导体相连接，

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如电刷A始终与处在N极下的导体相连接， 而处在一定极性下的导体电势方向是不变的， 因而电刷两端得到的电势极性不变。 这就是直流发电机的最基本工作原理。

2.2 直流电机的电势和电磁转矩（EMF and MMF of DC machine） 电势：Ea Ce n

磁场分布和电刷电势

pNpN n 电磁转矩：T CT Ia Ia 60a2 a

图2 - 13 直流电机磁路 图2 - 14 气隙中磁通密度分布图

e B lv

图 2 - 2 磁场分布和电刷电势

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2.3 直流测速发电机(DC Tachogenerator

)

PRINCIPLE OF OPERATION :

The DC Tachogenerator is a speed transducer, which develops DC voltage proportional to speed of the motor connected to it. Permanent Magnetic field eliminates the need of external excitation and offers extremely reliable and stable outputs. The accuracy of the tachogenerator decides the maximum accuracy of speed of the controlled machine. They are widely used for feedback and display purposes. 直流测速发电机及其输出特性

1) 对直流测速发电机要求：

（1）输出电压与转子转速之间的关系（称为输出特性）应为线形，如图2-17；

图2-17 测速发电机的理想输出特性

（2）输出特性的斜率要大；

（3）温度变化对输出特性的影响要小；

（4）输出电压的纹波要小；

（5）正、反转两个方向的输出特性要一致。

不难理解，第（2）项要求是为了提高测速发电机的灵敏度。因为输出特性斜率大，这样，测速机的输出对转速的变化很灵敏。第（1）、（3）、（4）、

（5）项的要求是为了提高测速机的精度。

因为只有输出电压与转速成线性关系，

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并且正、反转时特性一致，温度变化对特性的影响越小，输出电压越稳定，输出电压才越能精确地反映转速，才能有利于提高整个系统的精度。

2）输出特性

图2-18 直流测速发电机接上负载

Ua Ea IaRa

Ia Ua RL

Ua Ea UaRa RL

Ua EaCe

n RaRa1 1 RLRL

图 2 - 19 不同负载电阻时的理想输出特性

3）直流测速发电机的误差及其减小方法

（1）温度的影响

得出Ua=f (n)为线性关系的条件之一是励磁磁通Φ为常数。实际上，电机周围环境温度的变化以及电机本身发热(由电机各种损耗引起)都会引起电机绕组电阻的变化。当温度升高时，励磁绕组电阻增大，励磁电流减小，磁通也随之减小，输出电压就降低。反之，当温度下降时，输出电压便升高。

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图 2 - 20 励磁回路中的热敏电阻并联网络 图2 - 21 电阻随温度变化的曲线

（2）电枢反应的影响

由于电枢磁场的存在，气隙中的磁场发生畸变，这种现象称为电枢反应。

图 2 - 22 直流电机磁场

图2 - 23 直流测速发电机输出特性(图中RL1>RL2)

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（3）延迟换向去磁

直流电机中，电枢绕组元件的电流方向以电刷为其分界线。电机旋转，当电枢绕组元件从一条支路经过电刷进入另一条支路时，其中电流反向，由+ia变成-ia。但是，在元件经过电刷而被电刷短路的过程中，它的电流既不是+ia也不是-ia， 而是处于由+ia变到-ia的过渡过程。这个过程叫元件的换向过程。正在进行换向的元件叫换向元件。换向元件从开始换向到换向终了所经历的时间为换向周期。

由于元件本身有电感，因此在换向过程中当电流变化时，换向元件中要产生自感电势:

eL Ldi dt

式中， L为换向元件的电感；i 为换向元件的电流。

单叠绕组（single overlapping winding）的展开图

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电枢绕组瞬时电路图

图 2 - 24 元件的换向过程

图 2 - 25 换向元件中的电势 图 2 - 26 延迟换向对输出特性的影响

如果不考虑磁通变化，则直流测速发电机电势与转速成正比，当负载电阻一定时，电枢电流及绕组元件电流也与转速成正比；另外，换向周期与转速成反比，

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电机转速越高，元件的换向周期越短；eL正比于单位时间内换向元件电流的变化量。基于上述分析，eL必正比转速的平方，即eL∝n2。因此，换向元件的附加电流及延迟换向去磁磁通与n2成正比，使输出特性呈现图 2 - 26 所示的形状。所以，直流测速发电机的转速上限要受到延迟换向去磁效应的限制。

（4）纹波

根据Ea=CeΦn, 当Φ、n为定值时，电刷两端应输出不随时间变化的稳定的直流电势。然而，实际的电机并非如此，其输出电势总是带有微弱的脉动，通常把这种脉动称为纹波。

纹波主要是由于电机本身的固有结构及加工误差所引起的。在第一节中我们已经看到，由于电枢槽数及电枢元件数有限，在输出电势中将引起脉动。通过增加每条支路中的串联元件数可以减小纹波。但是由于工艺所限，电机槽数、元件数及换向片数不可能无限增加，因此产生纹波是不可避免的。同时，由于电枢铁心有齿有槽，以及电枢铁心的椭圆度、偏心等等，也会使输出电势中纹波幅值上升。

纹波电压的存在对于测速机用于阻尼或速度控制都很不利， 实用的测速机在结构和设计上都采取了一定的措施来减小纹波幅值。 例如， 无槽电枢直流电机可以大大减小因齿槽效应而引起的输出电压纹波幅值， 与有槽电枢相比， 输出电压纹波幅值可以减小五倍以上。

（5）电刷接触电压

Ua=f(n)为线性关系的另一个条件是电枢回路总电阻Ra为恒值。实际上，Ra中包含的电刷与换向器的接触电阻不是一个常数。为了考虑此种情况对输出特性的影响，我们把电压方程式Ua Ea IaRa改写为Ua Ea IaRw Ub。其中Rw为电枢绕组电阻；ΔUb为电刷接触压降。

Ua Ce n Ub W1 RL

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图 2 - 27 考虑电刷接触压降后的输出特性

换向器圆周线速度对ΔUb影响较小，在小于允许的最大转速范围内，可认为速度不会引起ΔUb的变化。但是随着转速的升高，电枢电流Ia增大，电刷电流密度增加。当电刷电流密度较小时，随着电流密度的增加，ΔUb也相应地增大。 当电流密度达到一定数值后，ΔUb几乎等于常数。一般情况下，电流自换向器流向电刷时电刷压降较大，因此，通常直流机的接触压降ΔUb是指正负电刷下的总压降。

电刷接触压降ΔUb与下述因素有密切关系: ① 电刷和换向器的材料； ② 电刷的电流密度； ③ 电流的方向； ④ 电刷单位面积上的压力； ⑤ 接触表面的温度； ⑥ 换向器圆周线速度； ⑦ 换向器表面的化学状态和机械方面的因素， 等等。

为了减小电刷接触压降的影响，缩小不灵敏区，在直流测速发电机中，常常采用接触压降较小的银—石墨电刷。在高精度的直流测速发电机中还采用铜电刷，并在它与换向器接触的表面上镀上银层，使换向器不易磨损。

2.4 直流测速发电机的应用

作为反馈元件

图2-4 恒速控制系统原理图

上图为恒速控制系统的原理图。 负载是一个旋转机械。 当直流伺服电动机的负载阻力矩变化时， 电动机的转速也随之改变。 为了使旋转机械在给定电压

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不变时保持恒速， 在电动机的输出轴上耦合一测速发电机， 并将其输出电压与给定电压相减后加入放大器， 经放大后供给直流伺服电动机。 当负载阻力矩由于某种偶然的因素减小， 电动机的转速便上升， 此时测速发电机的输出电压增大， 给定电压与输出电压的差值变小， 经放大后加到直流电动机的电压减小， 电动机减速；反之， 若负载阻力矩偶然变大， 则电动机转速下降， 测速机输出电压减小， 给定电压和输出电压的差值变大， 经放大后加给电动机的电压变大， 电动机加速。 这样， 尽管负载阻力矩发生扰动， 但由于该系统的调节作用， 使旋转机械的转速变化很小， 近似于恒速。 给定电压取自恒压电源， 改变给定电压便能达到所希望的转速。

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