《直流测速发电机》PPT课件.ppt

第2章 直流测速发电机,直流测速发电机的应用,在自动控制系统中用于测量或自动调节电动机转速,在随动系统中用来产生电压信号以提高系统的稳定性和精度,在计算解答装置中作为微分和积分元件,在各种机械中代替测速计直接测量转速,自动控制系统对直流测速发电机的要求 输出电压与转速的关系曲线(称为输出特性)应为线性； 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， 即要求在一定的转速下输出电压要稳定， 波动要小； (5) 正、 反转两个方向的输出特性要一致。,1、3、4、5精度要求 2 灵敏度要求,直流测速发电机输出特性,2.1 直流发电机工作原理和结构,2.1.1 工作原理 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。,直流发电机原理图,电枢铁心,电刷及换向器,气隙,导体,磁极,2.1 直流发电机工作原理和结构,2.1.1 工作原理 电枢以转速n逆时针方向旋转，则N和S极下导体电势极性始终不变，由于换向器的作用，电刷A(B)始终与处在N(S)极下的导体相连接。因而电刷两端得到的电势极性不变，电刷电势为两导体产生的电势和。,2.1.2 直流电势的形成,电刷电势极性不变,大小是否随时间变化,？,导体切割磁通产生的电势,ei=Bxlv,法拉第电磁感应定律,定值,气隙磁通密度,脉动电势,为减小脉动电势的脉动程度， 实际电机中用很多元件(形成电势和的两个导体相互连接构成的线圈)组成电枢绕组。这些元件均匀分布在电枢表面， 并按一定的规律连接。,元件1,元件4,元件3,元件2,元件1,端部连线,一个有效边放在槽的上层，另一个放在下层，上层槽号表示元件号,元件头和元件尾分别和换向器相连，换向器相互绝缘,出线端,在电枢旋转过程中两电刷依次和换向器相连,旋转,为使电刷间获得最大电势输出，电刷应位于磁极轴线上，且将位于几何中性线上的元件短路,电刷通过换向片将上(下)层边在N(S)极下的所有元件串联成支路，两支路并联,旋转,1元件1电势 2元件2 电势 3两元件电势合成,结论：电枢表面槽数越多，元件数越多，输出电势平均值越大，脉动相对越小！,直流测速发电机基本结构图,转子铁心表面布满导体,电刷处在两极之间将几何中性线位置导体短路,2.1.3 直流电机基本结构,直流电机,静止部分(定子),旋转部分(转子),定子铁心,励磁绕组,机壳,端盖,电刷装置,电枢铁心,电枢绕组,换向器,轴,电机主要零部件的基本结构和作用 1. 定子铁心和励磁绕组,定子铁心用厚为 0.350.5 mm的电工钢片的冲片叠压而成。 铁心外处的机壳由铝合金浇铸而成。,励磁绕组由铜线绕制而成， 包上绝缘材料以后套在磁极上形成磁极，控制用的直流电机一般做成一对极。,极掌(或称极靴)较极身宽，使主磁通在空气隙中的分布更为合理，也可使励磁绕组牢固地套在磁极铁心上。,电枢铁心用厚为 0.350.5 mm的电工钢片的冲片叠压而成。,2. 电枢铁心和电枢绕组,绝缘铜导线制成元件后嵌在槽内，并将元件的两个端头按照一定的规律接到换向器上。,塑料换向器剖面图,3. 换向器 换向器由许多换向片(铜片)叠装而成。换向片之间用塑料或云母绝缘，各换向片和元件相连。,2.2 直流电势的关系式,直流发电机电刷间的电势等于正负电刷所连接的导体的电势之和,s一对电刷间串联导体数,En与导体所在点的磁通密度有关,直流电机磁路,气隙不均匀，导致磁通密度分布也不均匀,气隙中磁通密度分布,极中心下面磁通密度最大,几何中性线下面磁通密度最小,由于电枢表面不同位置上的导体的感应电势ei 不同， 不妨取一个磁极下气隙磁通密度的平均值为Bp， 一个磁极下所有导体的平均电势为ep ,N电枢绕组总导体数 2a电刷间的并联支路数,电势系数,一定要牢记！,电刷两端电势与电机的转速成正比，因此，直流发电机能够把转速信号转换成电势信号，实现测速功能！,2.3.2 自动控制系统对直流测速发电机的要求 输出电压与转速的关系曲线(称为输出特性)应为线性； 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， 即要求在一定的转速下输出电压要稳定， 波动要小； (5) 正、 反转两个方向的输出特性要一致。,1、3、4、5精度要求 2 灵敏度要求,2.3 直流测速发电机及其输出特性,2.3.3 输出特性（电刷两端接上负载电阻RL后电压关系）,不同负载电阻时的理想输出特性,2.4 直流测速发电机的误差及其减小的方法,误差,温度,电枢反应,延迟换向去磁,纹波,电刷接触压降,2.4 直流测速发电机的误差及其减小的方法,2.4.1 温度影响,环境因素及电机本身发热导致温度励磁绕组电阻励磁电流磁通输出电压,励磁磁通为常数,？,在励磁回路中串联负温度系数的热敏电阻并联网络,对于温度变化所引起的误差要求比较严格？,作出励磁绕组电阻随温度变化的曲线,作出并联网络电阻随温度变化的曲线,选择并联网络电阻使得这两条曲线的斜率相等,选择并联网络参数的方法,直流电机磁场,2.4.2 电枢反应影响,空载时励磁绕组产生的主磁场,电枢绕组中流过电流产生的电枢磁场,主磁场和电枢磁场的合成,电枢反应（合成磁场中的气隙内磁场发生畸变的现象）,合成磁通=1/2主磁通+ 电枢磁通,电机磁路不饱和,合成磁通=1/2主磁通- 电枢磁通,合成磁通1/2主磁通+ 电枢磁通,电机磁路饱和,合成磁通=1/2主磁通- 电枢磁通,电机反应能够削弱主磁场！,R L1R L2,负载电阻越小，电枢电流就越大，电枢反应去磁作用越强，磁通被削弱的越多，输出特性偏离直线越远，线性误差越大,减少电枢反应的影响的方法,在技术条件中给出最大线性工作转速和最小负载电阻值,元件的换向过程,2.4.3 延迟换向去磁 电机旋转过程中， 电枢绕组元件的电流在电刷处需要换向，即从一条支路进入另一条支路， 电流 由+ia变成- ia 。 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。,元件的换向过程,2.4.3 延迟换向去磁 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。,对主磁通的去磁作用叫做延迟换向去磁,换向元件中的电势,换向过程分析,自感电势,电枢磁场切割电势,总电势,+,=,方向同于,与主磁通方向相反,延迟换向对输出特性的影响,换向过程分析,减少延迟换向的影响的方法,限制最大工作转速,2.4.4 纹波 实际的电机其输出电势总是带有微弱的脉动， 称为纹波。,减少延迟换向的影响的方法,在结构和设计上采取措施,考虑电刷接触压降后的输出特性,？,电刷与换向器接触电阻,受制于: 电刷和换向器的材料； 电刷的电流密度； 电流的方向； 电刷单位面积上的压力； ,减少电刷接触压降的影响的方法,采用银石墨电刷、镀银铜电刷,变量,2.4.5 电刷接触压降,2.5.1 作为系统的阻尼元件 雷达天线自动控制系统,放大器的输入电压,极性相反,电机正转,电机反转,转速不为零,转速不为零,制动,测速发电机输出,2.5 直流测速发电机的应用,2.5.2 对旋转机械作恒速控制 恒速控制系统,负载阻力矩,转速,测速发电机输出电压,给定电压与输出电压的差值,加到直流电动机的电压,转速,2.7 直流测速发电机的发展趋势,输出电压斜率大，灵敏度比普通测速机高1 000 倍,2.7.1 发展高灵敏度测速发电机永磁式高灵敏度直流测速发电机,1、电机直径大 2、轴向尺寸小 3、电枢元件数多 4、刷间的串联导体数多,1、改进换向器、电刷的接触结构和工艺,2、开展对无刷测速发电机的研制，如霍尔测速发电机，两极管式测速发电机等。,2.7.2 改进电刷与换向器的接触装置，发展无刷直流测速发电机,2.7.3 发展永磁式无槽电枢、杯形电枢、印制绕组电枢测速发电机,1、转动惯量小,2、线性度好,3、纹波电压小,思考题与习题,1. 为什么直流发电机电枢绕组元件的电势是交变电势而电刷电势是直流电势? 2. 如果图 2 - 1 中的电枢反时针方向旋转， 试问元件电势的方向和A、 B电刷的极性如何? 3. 为了获得最大的直流电势， 电刷应放在什么位置? 为什么端部对称的鼓形绕组(见图 2 - 3)的电刷放在磁极轴线上?,4. 为什么直流测速机的转速不得超过规定的最高转速? 负载电阻不能小于给定值? 5. 如果电刷通过换向器所连接的导体不在几何中性线上， 而在偏离几何中性线角的直线上， 如图 2 - 29 所示， 试综合应用所学的知识， 分析在此情况下对测速机正、 反转的输出特性的影响。(提示： 在图中作一辅助线。),6. 具有 16 个槽， 16 个换向片的两极直流发电机结构如图 2 - 30 所示。 (1) 试画出其绕组的完整连接图； (2) 试画出图示时刻绕组的等值电路图； (3) 若电枢沿顺时针方向旋转， 试在上两图中标出感应电势方向和电刷极性； (4) 如果电刷不是位于磁极轴线上， 例如顺时针方向移动一个换向片的距离， 会出现什么问题?,图 2 - 29,图 2 - 30 结构简图,