控制电机控制电机交流异步测速发电机00002Stillwatersrundeep.流静水深流静水深,人静心深人静心深Wherethereislife,thereishope。有生命必有希望。有生命必有希望第第3 3章章 交流异步测速发电机交流异步测速发电机3.1 交流异步测速发电机概述交流异步测速发电机概述3.3 交流异步测速发电机的特性和主要技术指标交流异步测速发电机的特性和主要技术指标3.4 交流测速发电机的使用交流测速发电机的使用3.5 交流异步测速发电机的应用举例交流异步测速发电机的应用举例3.2 交流异步测速发电机的结构和工作原理交流异步测速发电机的结构和工作原理本本 章章 要要 求：求：熟练掌握交流测速发电机的工作原理。熟练掌握交流测速发电机的工作原理。了解交流测速发电机的结构和型式。了解交流测速发电机的结构和型式。熟练掌握交流测速发电机的输出特性。熟练掌握交流测速发电机的输出特性。熟练掌握交流测速发电机的应用。熟练掌握交流测速发电机的应用。搞清交流测速发电机的误差及其减小方法。搞清交流测速发电机的误差及其减小方法。搞清交流测速发电机的性能指标。搞清交流测速发电机的性能指标。第第3 3章章 交流异步测速发电机交流异步测速发电机3.1 3.1 交流异步测速发电机概述交流异步测速发电机概述 交流异步测速发电机是一种测量转速交流异步测速发电机是一种测量转速或转速信号的元件。理想的测速发电机的或转速信号的元件。理想的测速发电机的输出电压输出电压U2与它的转速与它的转速n成线性关系，如成线性关系，如图所示，其数学表达式为：图所示，其数学表达式为：其主要用途有两种：其主要用途有两种： U U2 2 = k n = k n U2no运算元件和阻尼元件。运算元件和阻尼元件。控制电机控制电机3.2 3.2 交流异步测速发电机的结构和工作原理交流异步测速发电机的结构和工作原理一、交流异步测速发电机结构一、交流异步测速发电机结构 定子上装有两个绕组，一个作励磁用，称为定子上装有两个绕组，一个作励磁用，称为励磁绕组励磁绕组1；另一个输出电压，称为输出绕组；另一个输出电压，称为输出绕组2；两个绕组的轴线互相垂直，在空间上相隔两个绕组的轴线互相垂直，在空间上相隔90。 U2U1控制电机控制电机U2U1转子一般为转子一般为杯形转子杯形转子，通常是由非铁磁材料（硅锰青，通常是由非铁磁材料（硅锰青铜）制成的空心薄壁圆筒，为了铜）制成的空心薄壁圆筒，为了减少转子漏电抗减少转子漏电抗、增增加电阻加电阻。此外，为了减少磁路的磁阻，在空心杯形转。此外，为了减少磁路的磁阻，在空心杯形转子内放置有固定的内定子。在分析时，杯形转子可视子内放置有固定的内定子。在分析时，杯形转子可视作由无数并联的导体条组成，和鼠笼转子一样。作由无数并联的导体条组成，和鼠笼转子一样。 U2U1励磁绕组励磁绕组输出绕输出绕组组控制电机控制电机励磁绕组励磁绕组输出输出绕组绕组交流测速发电机结构图交流测速发电机结构图控制电机控制电机交交流流测测速速发发电电机机定定转转子子铁铁心心控制电机控制电机下下好好线线的的定定子子控制电机控制电机1、是脉振磁通、是脉振磁通2、与励磁绕组、与励磁绕组W1的轴线一致，的轴线一致，与输出绕组与输出绕组W2的轴线垂直。的轴线垂直。3、与、与W1和转子导体相匝链。和转子导体相匝链。励磁绕励磁绕组接组接U1（交流）（交流）i0Fo=W1i0 U1 w1U2w2 10ERIR杯形转子杯形转子E1E2e2=0二、工作原理二、工作原理W1为励磁绕组、为励磁绕组、W2为输出绕组为输出绕组 (一一)、当、当n=0时，物理过程时，物理过程控制电机控制电机励磁励磁绕组绕组接接U1i0Fo=W1i0 e2=01、励磁磁通、励磁磁通 在在W1的的轴线上脉振，与轴线上脉振，与W1和和转子导体相环链。转子导体相环链。2、 与输出绕组与输出绕组W2的的轴线垂直，不穿过轴线垂直，不穿过W2 ，因此其中此时不感，因此其中此时不感应电势。应电势。 10ERE1W1轴线W2轴线励磁绕组励磁绕组控制电机控制电机 励磁绕组励磁绕组W1与转子杯之与转子杯之间的电磁关系，如同变压器间的电磁关系，如同变压器原边与副边之间的情况完全原边与副边之间的情况完全一样。若忽略励磁绕组一样。若忽略励磁绕组W1的的电阻电阻R1及漏抗及漏抗X1 1，则有，则有U1 E1 由于感应电势由于感应电势 E1 = 4.44fw110 ,故故10 U1所以所以励磁电压一定时，磁通也保持不变励磁电压一定时，磁通也保持不变。U1 w1U2w2 10ERIR杯形转子杯形转子E1结论结论: n = 0 时，磁通时，磁通不在输出绕组不在输出绕组W2中感应出中感应出电势，输出绕组电势，输出绕组W2也就没有电压输出。也就没有电压输出。控制电机控制电机(二二)、当转子旋转时，转子导当转子旋转时，转子导体切割磁场体切割磁场10 ，感应电势，感应电势ER 2，且且 E ER2 R2 = = B Bp plvlv，由于由于1010=B=Bp pll， v=Dn/60 v=Dn/60U1 w1U2w2 10ER2杯形转子杯形转子n平均平均磁密磁密导条导条长度长度导条导条速度速度转子切割电势与转速成正比转子切割电势与转速成正比。控制电机控制电机 由于在励磁绕组中通入的由于在励磁绕组中通入的是交流电，是交流电，10 都是随时间都是随时间交变的，交变的，频率为频率为 f1。因而，。因而，转子导体切割磁通产生的转子导体切割磁通产生的电势电势E ER2R2及电流及电流I IR2R2也都是交也都是交变的变的,频率为频率为 f1 。由于导条处于短路状态，因此其由于导条处于短路状态，因此其中会产生电流，忽略导条漏抗的中会产生电流，忽略导条漏抗的影响时，其中影响时，其中电流为电流为：U1 w1U2w2 10ER2IR2杯形转子杯形转子n控制电机控制电机流过转子导体中的电流过转子导体中的电流流IR2又要产生磁通又要产生磁通2 ，其值与电流，其值与电流IR2成正成正比，即比，即2 IR2210 n故故 2与与w2的轴线一致，的轴线一致，因因此，会在此，会在w2中感应电势中感应电势 ， E2 = 4.44fw22 ,从而输从而输出电压出电压U2= E2。U2 2U2 10 nU2U1 n故故即即U1 w1U2w2 10ER2IR2杯形转子杯形转子n 2E2控制电机控制电机U1 w1U2w2 10ER2IR2杯形转子杯形转子n 2E2U2no所以所以，当转子旋转时，转子导体切割磁场当转子旋转时，转子导体切割磁场10 ，感应电势，感应电势ER 2，产生电流，产生电流IR 2。建立磁场。建立磁场2 ，该磁场在输出绕组中，该磁场在输出绕组中感应感应电势电势ER2，其，其大小与转速成正比大小与转速成正比。且与励磁电压。且与励磁电压同频同频率率。3.3 3.3 异步测速发电机的特性和主要技术指标异步测速发电机的特性和主要技术指标一、输出特性和线性误差一、输出特性和线性误差 理想的测速发电机输出电压应正比理想的测速发电机输出电压应正比于它的转速，即于它的转速，即U2= Kv 。但是实际。但是实际的异步测速发电机输出电压与转速的异步测速发电机输出电压与转速间并不是严格的线性关系，而是非间并不是严格的线性关系，而是非线性的。线性的。U2=f(v)测速发电机输出电压与转速间的关系测速发电机输出电压与转速间的关系称为输出特性。称为输出特性。上式中上式中v为相对速度，它是实际转速为相对速度，它是实际转速n与同步转与同步转速速ns的比值，即的比值，即v = n / ns 。U1w1U2w2 10ER2IR2杯形转子杯形转子n 2E2控制电机控制电机1-1-线性输出特性线性输出特性2-2-实际输出特性实际输出特性输出特性和线性误差输出特性和线性误差 为了便于衡量实际输出特性的线性度，为了便于衡量实际输出特性的线性度，一般把实际输出特性上对应于一般把实际输出特性上对应于 （为最大（为最大相对速度）的一点与坐标原点的连线作为线相对速度）的一点与坐标原点的连线作为线性输出特性，直线与曲线之间的差异就是误性输出特性，直线与曲线之间的差异就是误差，这种误差通常用线性误差（又称幅值相差，这种误差通常用线性误差（又称幅值相对误差）对误差） x 来度量。来度量。12控制电机控制电机式中，式中， Umax为实际输出电压与线性为实际输出电压与线性输出电压的最大差值；输出电压的最大差值；U2lTmax为对应为对应于最大转速于最大转速 n max（技术条件上有规定）（技术条件上有规定）的线性输出电压。的线性输出电压。 异步测速发电机在控制系统中的用途不同，异步测速发电机在控制系统中的用途不同，对线性误差的要求也不同。作为对线性误差的要求也不同。作为阻尼元件阻尼元件时允许时允许线性误差可大一些；而作为线性误差可大一些；而作为解算元件解算元件时，线性误时，线性误差必须很小。目前，高精度的异步测速发电机线差必须很小。目前，高精度的异步测速发电机线性误差可小到性误差可小到0.05%左右。左右。12控制电机控制电机二、输出相位移与相位误差二、输出相位移与相位误差 在自动控制系统中，希望异步测速发电机的在自动控制系统中，希望异步测速发电机的输出电压与激磁电压同相位，但在实际的异步测输出电压与激磁电压同相位，但在实际的异步测速发电机中，两者之间却存在相位移。速发电机中，两者之间却存在相位移。U1w1U2w2 10ER2IR2杯形转子杯形转子n 2E2控制电机控制电机 相位移存在的原因：相位移存在的原因： 图中：图中：E1为磁通为磁通 1在激磁在激磁绕组中产生的变压器电势；绕组中产生的变压器电势； ER2为转子切割磁通为转子切割磁通 1产生的切割产生的切割电势；电势； E2为磁通为磁通 2在输出绕组在输出绕组中产生的变压器电势；中产生的变压器电势； 称为异步测速发电机的输出相称为异步测速发电机的输出相位移位移U1w1U2w2 10ER2IR2杯形转子杯形转子n 2E2控制电机控制电机三、剩余电压三、剩余电压Us 测速发电机的激磁绕组已经供电，转子处于测速发电机的激磁绕组已经供电，转子处于不动情况下（即零速时）输出绕组所产生的电压，不动情况下（即零速时）输出绕组所产生的电压，此即剩余电压，又称为零速电压。此即剩余电压，又称为零速电压。 产生剩余电压的原因是多产生剩余电压的原因是多种多样的，它由两部分组成：种多样的，它由两部分组成：一部分是固定分量一部分是固定分量U Us0s0，其值与，其值与转子位置无关；另一部分是交转子位置无关；另一部分是交变分量变分量U Usjsj，它的值与转子位置，它的值与转子位置有关，当转子位置变化时，其有关，当转子位置变化时，其值作周期性的变化。值作周期性的变化。U Us sU Us0s0U Usjsj0 0控制电机控制电机四、输出斜率四、输出斜率 与直流测速发电机一样，异步测速发电机的输与直流测速发电机一样，异步测速发电机的输出斜率出斜率Un通常也规定为转速通常也规定为转速1000r/min时的输出电压。时的输出电压。输出斜率越大，输出特性上比值输出斜率越大，输出特性上比值 U2/ n越大，测越大，测速发电机对于转速变化的灵敏度就越高。但是与同速发电机对于转速变化的灵敏度就越高。但是与同样尺寸的直流测速发电机相比较，交流测速发电机样尺寸的直流测速发电机相比较，交流测速发电机的输出斜率较小，一般为的输出斜率较小，一般为0.55V/kr/min。1000n（r/min） U2 nUnU2OU1w1U2w2 10ER2IR2杯形转子杯形转子n 2E23.4 3.4 交流异步测速发电机的使用交流异步测速发电机的使用 在选用时，应根据系统的频率，电压，工作转速的在选用时，应根据系统的频率，电压，工作转速的范围和具体用途来选择交流测速发电机的规格。用作范围和具体用途来选择交流测速发电机的规格。用作解解算元件算元件的应着重考虑的应着重考虑精度精度要高，输出电压要高，输出电压稳定性稳定性要好；要好；用于一般转速检测或做用于一般转速检测或做阻尼元件阻尼元件时，应着重考虑时，应着重考虑输出斜输出斜率率要大，而不宜既要精度高，又要输出斜率大。要大，而不宜既要精度高，又要输出斜率大。 鼠笼转子异步测速发电机输出特性斜率鼠笼转子异步测速发电机输出特性斜率大，但是它的特性比较差、线性误差大、大，但是它的特性比较差、线性误差大、转子惯性大，转子惯性大， 通常只用于精度要求不高通常只用于精度要求不高的系统中。的系统中。U1w1U2w2 10ER2IR2杯形转子杯形转子n 2E2控制电机控制电机空心杯转子异步测速发电机的精度比较高，线形空心杯转子异步测速发电机的精度比较高，线形误差小，转动惯量小，应用在要求精度比较高的误差小，转动惯量小，应用在要求精度比较高的系统中，是最广泛应用的一种异步测速发电机。系统中，是最广泛应用的一种异步测速发电机。一、负载性质对输出特性的影响及改善方法一、负载性质对输出特性的影响及改善方法 测速发电机正常工作测速发电机正常工作时时,其输出电压仅为转速的其输出电压仅为转速的函数不受负载的性质和大函数不受负载的性质和大小的影响小的影响,实际工作中输出实际工作中输出电压的大小和相位与负载电压的大小和相位与负载的大小和性质有关的大小和性质有关 。U1w1U2w2 10ER2IR2杯形转子杯形转子n 2E2控制电机控制电机 1、负载阻抗足够大时，在测速发电机转速一、负载阻抗足够大时，在测速发电机转速一定时，负载阻抗稍有变化，输出电压的大小和相定时，负载阻抗稍有变化，输出电压的大小和相位几乎不变。位几乎不变。r2jx2ZL 2、电阻负载电阻负载，在测速发电机转速一定时，负，在测速发电机转速一定时，负载阻值减小，输出电压的大小减小和相位增加。载阻值减小，输出电压的大小减小和相位增加。控制电机控制电机r2jx2ZL 3、容性负载容性负载，在测速发电机转速一定时，负，在测速发电机转速一定时，负载阻值减小，输出电压的大小增加和相位增加。载阻值减小，输出电压的大小增加和相位增加。控制电机控制电机r2jx2ZL 4、感性负载感性负载，在测速发电机转速一定时，负，在测速发电机转速一定时，负载阻值减小，输出电压的大小减小和相位减小。载阻值减小，输出电压的大小减小和相位减小。控制电机控制电机 结论：结论：1、电阻电容性负载，阻抗、电阻电容性负载，阻抗值的改变会引起输出电压大小的变化趋值的改变会引起输出电压大小的变化趋势是相反的，即他们对输出电压的大小势是相反的，即他们对输出电压的大小的影响可以互相补偿，的影响可以互相补偿，输出电压不受负输出电压不受负载大小的影响载大小的影响。但是电阻电容性负载。但是电阻电容性负载不不能补偿输出相位的偏差能补偿输出相位的偏差。2、电阻电感性负载，阻抗值的改变引起、电阻电感性负载，阻抗值的改变引起相位的改变是相反的，即对相位的改变是相反的，即对输出电压相输出电压相位的影响可以互相补偿位的影响可以互相补偿，但是电阻电感，但是电阻电感性负载对性负载对输出电压大小的影响不能补偿输出电压大小的影响不能补偿。U1w1U2w2 10ER2IR2杯形转子杯形转子n 2E2控制电机控制电机 综上所述究竟采用哪种负综上所述究竟采用哪种负载，主要根据系统的需要而定，载，主要根据系统的需要而定，通常总是希望保持输出电压的通常总是希望保持输出电压的大小不受不在阻抗的影响。因大小不受不在阻抗的影响。因此，此，多数采用电阻电容性负载多数采用电阻电容性负载。U1w1U2w2 10ER2IR2杯形转子杯形转子n 2E2控制电机控制电机二、激磁电源的影响二、激磁电源的影响 交流异步测速发电机交流异步测速发电机激磁电源电压幅值的不稳定激磁电源电压幅值的不稳定，会直接引起输出电压的不稳定，因而影响输出特性的线会直接引起输出电压的不稳定，因而影响输出特性的线形误差。因此，对于要求稳定性高，误差小的异步测速形误差。因此，对于要求稳定性高，误差小的异步测速发电机，都采用专用的电源供电，其电源的幅值和频率发电机，都采用专用的电源供电，其电源的幅值和频率不受其他因素的影响。不受其他因素的影响。三、温度的影响三、温度的影响 环境温度的变化和电机长时间工作环境温度的变化和电机长时间工作的的发热发热，会使定子绕组和杯形转子的电，会使定子绕组和杯形转子的电阻以及磁性材料的性能发生变化，这样阻以及磁性材料的性能发生变化，这样就会对电机的性能产生影响，使输出特就会对电机的性能产生影响，使输出特性不稳定。性不稳定。U1w1U2w2 10ER2IR2杯形转子杯形转子n 2E2控制电机控制电机四、移相问题四、移相问题 在自动控制系统中，往往希望输出电压与激在自动控制系统中，往往希望输出电压与激磁电压相位相同，因而要进行移相。移相可以在磁电压相位相同，因而要进行移相。移相可以在激磁回路中进行，也可以在输出回路中进行，或激磁回路中进行，也可以在输出回路中进行，或者在两回路中同时进行。最简单的方法是在激磁者在两回路中同时进行。最简单的方法是在激磁回路中串联移相电容进行移相，电容值可用实验回路中串联移相电容进行移相，电容值可用实验办法确定。办法确定。R1U2C1U1R3R2RC网络网络控制电机控制电机输出移相的相量分析输出移相的相量分析R1U2C1U1R3R2-jxcRLU1 移相前的相量图移相前的相量图移相后的相量图移相后的相量图控制电机控制电机五、最大线性工作转速五、最大线性工作转速 在测速发电机的技术条件在测速发电机的技术条件中还规定了最大线性工作转速，中还规定了最大线性工作转速，它表示当电机在转速情况下工它表示当电机在转速情况下工作时，其线性误差不超过标准作时，其线性误差不超过标准规定的范围。所以在使用中，规定的范围。所以在使用中，若对于测速发电机线性度有一若对于测速发电机线性度有一定要求时，则电机的工作转速定要求时，则电机的工作转速就不应超出最大线性工作转速。就不应超出最大线性工作转速。12