直流测速发电机教程.doc

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 Basic Structure and Operation Principle of a DC Machine）

直流发电机工作原理

直流电动机工作原理

2.2 直流电机的电势和电磁转矩（EMF and MMF of DC machine）
电势： 电磁转矩：
磁场分布和电刷电势

图2 - 13 直流电机磁路 图2 - 14 气隙中磁通密度分布图

图 2 - 2 磁场分布和电刷电势
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。
2）输出特性

图2-18 直流测速发电机接上负载

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。

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)
（3）延迟换向去磁

单叠绕组（single overlapping winding）的展开图

电枢绕组瞬时电路图

图 2 - 24 元件的换向过程
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:

式中， L为换向元件的电感；i 为换向元件的电流。

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，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）波纹
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。

（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，我们把电压方程式改写为。其中Rw为电枢绕组电阻；ΔUb为电刷接触压降。

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。
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