第2章 直流測(cè)速發(fā)電機(jī).ppt

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1、第2章 直流測(cè)速發(fā)電機(jī),直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的應(yīng)用,在自動(dòng)控制系統(tǒng)中用于測(cè)量或自動(dòng)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,在隨動(dòng)系統(tǒng)中用來(lái)產(chǎn)生電壓信號(hào)以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度,在計(jì)算解答裝置中作為微分和積分元件,在各種機(jī)械中代替測(cè)速計(jì)直接測(cè)量轉(zhuǎn)速,自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的要求 輸出電壓與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線(稱(chēng)為輸出特性)應(yīng)為線性； 輸出特性的斜率要大； (3) 溫度變化對(duì)輸出特性的影響要小； (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。,1、3、4、5精度要求 2 靈敏度要求,直流測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出特性,2.1 直流發(fā)電機(jī)工作原理和結(jié)構(gòu),2.1.

2、1 工作原理 直流發(fā)電機(jī)的工作是基于電磁感應(yīng)定律， 即： 運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體切割磁力線， 在導(dǎo)體中產(chǎn)生切割電勢(shì)； 或者說(shuō)匝鏈線圈的磁通發(fā)生變化， 在線圈中發(fā)生感應(yīng)電勢(shì)。,直流發(fā)電機(jī)原理圖,電樞鐵心,電刷及換向器,氣隙,導(dǎo)體,磁極,2.1 直流發(fā)電機(jī)工作原理和結(jié)構(gòu),2.1.1 工作原理 電樞以轉(zhuǎn)速n逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，則N和S極下導(dǎo)體電勢(shì)極性始終不變，由于換向器的作用，電刷A(B)始終與處在N(S)極下的導(dǎo)體相連接。因而電刷兩端得到的電勢(shì)極性不變，電刷電勢(shì)為兩導(dǎo)體產(chǎn)生的電勢(shì)和。,2.1.2 直流電勢(shì)的形成,電刷電勢(shì)極性不變,大小是否隨時(shí)間變化,？,導(dǎo)體切割磁通產(chǎn)生的電勢(shì),ei=Bxlv,法拉第電磁感應(yīng)定律,定

3、值,氣隙磁通密度,脈動(dòng)電勢(shì),為減小脈動(dòng)電勢(shì)的脈動(dòng)程度， 實(shí)際電機(jī)中用很多元件(形成電勢(shì)和的兩個(gè)導(dǎo)體相互連接構(gòu)成的線圈)組成電樞繞組。這些元件均勻分布在電樞表面， 并按一定的規(guī)律連接。,元件1,元件4,元件3,元件2,元件1,端部連線,一個(gè)有效邊放在槽的上層，另一個(gè)放在下層，上層槽號(hào)表示元件號(hào),元件頭和元件尾分別和換向器相連，換向器相互絕緣,出線端,在電樞旋轉(zhuǎn)過(guò)程中兩電刷依次和換向器相連,旋轉(zhuǎn),為使電刷間獲得最大電勢(shì)輸出，電刷應(yīng)位于磁極軸線上，且將位于幾何中性線上的元件短路,電刷通過(guò)換向片將上(下)層邊在N(S)極下的所有元件串聯(lián)成支路，兩支路并聯(lián),旋轉(zhuǎn),1元件1電勢(shì) 2元件2 電勢(shì) 3兩元件電

4、勢(shì)合成,結(jié)論：電樞表面槽數(shù)越多，元件數(shù)越多，輸出電勢(shì)平均值越大，脈動(dòng)相對(duì)越小！,直流測(cè)速發(fā)電機(jī)基本結(jié)構(gòu)圖,轉(zhuǎn)子鐵心表面布滿導(dǎo)體,電刷處在兩極之間將幾何中性線位置導(dǎo)體短路,2.1.3 直流電機(jī)基本結(jié)構(gòu),直流電機(jī),靜止部分(定子),旋轉(zhuǎn)部分(轉(zhuǎn)子),定子鐵心,勵(lì)磁繞組,機(jī)殼,端蓋,電刷裝置,電樞鐵心,電樞繞組,換向器,軸,電機(jī)主要零部件的基本結(jié)構(gòu)和作用 1. 定子鐵心和勵(lì)磁繞組,定子鐵心用厚為 0.350.5 mm的電工鋼片的沖片疊壓而成。 鐵心外處的機(jī)殼由鋁合金澆鑄而成。,勵(lì)磁繞組由銅線繞制而成， 包上絕緣材料以后套在磁極上形成磁極，控制用的直流電機(jī)一般做成一對(duì)極。,極掌(或稱(chēng)極靴)較極身寬，使

5、主磁通在空氣隙中的分布更為合理，也可使勵(lì)磁繞組牢固地套在磁極鐵心上。,電樞鐵心用厚為 0.350.5 mm的電工鋼片的沖片疊壓而成。,2. 電樞鐵心和電樞繞組,絕緣銅導(dǎo)線制成元件后嵌在槽內(nèi)，并將元件的兩個(gè)端頭按照一定的規(guī)律接到換向器上。,塑料換向器剖面圖,3. 換向器 換向器由許多換向片(銅片)疊裝而成。換向片之間用塑料或云母絕緣，各換向片和元件相連。,2.2 直流電勢(shì)的關(guān)系式,直流發(fā)電機(jī)電刷間的電勢(shì)等于正負(fù)電刷所連接的導(dǎo)體的電勢(shì)之和,s一對(duì)電刷間串聯(lián)導(dǎo)體數(shù),En與導(dǎo)體所在點(diǎn)的磁通密度有關(guān),直流電機(jī)磁路,氣隙不均勻，導(dǎo)致磁通密度分布也不均勻,氣隙中磁通密度分布,極中心下面磁通密度最大,幾何中性

6、線下面磁通密度最小,由于電樞表面不同位置上的導(dǎo)體的感應(yīng)電勢(shì)ei 不同， 不妨取一個(gè)磁極下氣隙磁通密度的平均值為Bp， 一個(gè)磁極下所有導(dǎo)體的平均電勢(shì)為ep ,N電樞繞組總導(dǎo)體數(shù) 2a電刷間的并聯(lián)支路數(shù),電勢(shì)系數(shù),一定要牢記！,電刷兩端電勢(shì)與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，因此，直流發(fā)電機(jī)能夠把轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換成電勢(shì)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)測(cè)速功能！,2.3.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的要求 輸出電壓與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線(稱(chēng)為輸出特性)應(yīng)為線性； 輸出特性的斜率要大； (3) 溫度變化對(duì)輸出特性的影響要小； (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)要小； (5) 正、 反轉(zhuǎn)兩個(gè)方向的輸出特性要一

7、致。,1、3、4、5精度要求 2 靈敏度要求,2.3 直流測(cè)速發(fā)電機(jī)及其輸出特性,2.3.3 輸出特性（電刷兩端接上負(fù)載電阻RL后電壓關(guān)系）,不同負(fù)載電阻時(shí)的理想輸出特性,2.4 直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的誤差及其減小的方法,誤差,溫度,電樞反應(yīng),延遲換向去磁,紋波,電刷接觸壓降,2.4 直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的誤差及其減小的方法,2.4.1 溫度影響,環(huán)境因素及電機(jī)本身發(fā)熱導(dǎo)致溫度勵(lì)磁繞組電阻勵(lì)磁電流磁通輸出電壓,勵(lì)磁磁通為常數(shù),？,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),對(duì)于溫度變化所引起的誤差要求比較嚴(yán)格？,作出勵(lì)磁繞組電阻隨溫度變化的曲線,作出并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)電阻隨溫度變化的曲線,選擇并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)電阻使得這兩

8、條曲線的斜率相等,選擇并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的方法,直流電機(jī)磁場(chǎng),2.4.2 電樞反應(yīng)影響,空載時(shí)勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的主磁場(chǎng),電樞繞組中流過(guò)電流產(chǎn)生的電樞磁場(chǎng),主磁場(chǎng)和電樞磁場(chǎng)的合成,電樞反應(yīng)（合成磁場(chǎng)中的氣隙內(nèi)磁場(chǎng)發(fā)生畸變的現(xiàn)象）,合成磁通=1/2主磁通+ 電樞磁通,電機(jī)磁路不飽和,合成磁通=1/2主磁通- 電樞磁通,合成磁通1/2主磁通+ 電樞磁通,電機(jī)磁路飽和,合成磁通=1/2主磁通- 電樞磁通,電機(jī)反應(yīng)能夠削弱主磁場(chǎng)！,R L1R L2,負(fù)載電阻越小，電樞電流就越大，電樞反應(yīng)去磁作用越強(qiáng)，磁通被削弱的越多，輸出特性偏離直線越遠(yuǎn)，線性誤差越大,減少電樞反應(yīng)的影響的方法,在技術(shù)條件中給出最大線性工作轉(zhuǎn)速和

9、最小負(fù)載電阻值,元件的換向過(guò)程,2.4.3 延遲換向去磁 電機(jī)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中， 電樞繞組元件的電流在電刷處需要換向，即從一條支路進(jìn)入另一條支路， 電流 由+ia變成- ia 。 換向元件從開(kāi)始換向到換向終了所經(jīng)歷的時(shí)間為換向周期。,元件的換向過(guò)程,2.4.3 延遲換向去磁 在元件經(jīng)過(guò)電刷而被電刷短路的過(guò)程中， 它的電流既不是+ia也不是-ia， 而是處于由+ia變到-ia的過(guò)渡過(guò)程。,對(duì)主磁通的去磁作用叫做延遲換向去磁,換向元件中的電勢(shì),換向過(guò)程分析,自感電勢(shì),電樞磁場(chǎng)切割電勢(shì),總電勢(shì),+,=,方向同于,與主磁通方向相反,延遲換向?qū)敵鎏匦缘挠绊?換向過(guò)程分析,減少延遲換向的影響的方法,限制最大工

10、作轉(zhuǎn)速,2.4.4 紋波 實(shí)際的電機(jī)其輸出電勢(shì)總是帶有微弱的脈動(dòng)， 稱(chēng)為紋波。,減少延遲換向的影響的方法,在結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)上采取措施,考慮電刷接觸壓降后的輸出特性,？,電刷與換向器接觸電阻,受制于: 電刷和換向器的材料； 電刷的電流密度； 電流的方向； 電刷單位面積上的壓力； ,減少電刷接觸壓降的影響的方法,采用銀石墨電刷、鍍銀銅電刷,變量,2.4.5 電刷接觸壓降,2.5.1 作為系統(tǒng)的阻尼元件 雷達(dá)天線自動(dòng)控制系統(tǒng),放大器的輸入電壓,極性相反,電機(jī)正轉(zhuǎn),電機(jī)反轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)速不為零,轉(zhuǎn)速不為零,制動(dòng),測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出,2.5 直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的應(yīng)用,2.5.2 對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械作恒速控制 恒速控制系統(tǒng),負(fù)載阻力

11、矩,轉(zhuǎn)速,測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出電壓,給定電壓與輸出電壓的差值,加到直流電動(dòng)機(jī)的電壓,轉(zhuǎn)速,2.7 直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì),輸出電壓斜率大，靈敏度比普通測(cè)速機(jī)高1 000 倍,2.7.1 發(fā)展高靈敏度測(cè)速發(fā)電機(jī)永磁式高靈敏度直流測(cè)速發(fā)電機(jī),1、電機(jī)直徑大 2、軸向尺寸小 3、電樞元件數(shù)多 4、刷間的串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)多,1、改進(jìn)換向器、電刷的接觸結(jié)構(gòu)和工藝,2、開(kāi)展對(duì)無(wú)刷測(cè)速發(fā)電機(jī)的研制，如霍爾測(cè)速發(fā)電機(jī)，兩極管式測(cè)速發(fā)電機(jī)等。,2.7.2 改進(jìn)電刷與換向器的接觸裝置，發(fā)展無(wú)刷直流測(cè)速發(fā)電機(jī),2.7.3 發(fā)展永磁式無(wú)槽電樞、杯形電樞、印制繞組電樞測(cè)速發(fā)電機(jī),1、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小,2、線性度好,3、紋波電壓小,思考

12、題與習(xí)題,1. 為什么直流發(fā)電機(jī)電樞繞組元件的電勢(shì)是交變電勢(shì)而電刷電勢(shì)是直流電勢(shì)? 2. 如果圖 2 - 1 中的電樞反時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)， 試問(wèn)元件電勢(shì)的方向和A、 B電刷的極性如何? 3. 為了獲得最大的直流電勢(shì)， 電刷應(yīng)放在什么位置? 為什么端部對(duì)稱(chēng)的鼓形繞組(見(jiàn)圖 2 - 3)的電刷放在磁極軸線上?,4. 為什么直流測(cè)速機(jī)的轉(zhuǎn)速不得超過(guò)規(guī)定的最高轉(zhuǎn)速? 負(fù)載電阻不能小于給定值? 5. 如果電刷通過(guò)換向器所連接的導(dǎo)體不在幾何中性線上， 而在偏離幾何中性線角的直線上， 如圖 2 - 29 所示， 試綜合應(yīng)用所學(xué)的知識(shí)， 分析在此情況下對(duì)測(cè)速機(jī)正、 反轉(zhuǎn)的輸出特性的影響。(提示： 在圖中作一輔助線。),6. 具有 16 個(gè)槽， 16 個(gè)換向片的兩極直流發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖 2 - 30 所示。 (1) 試畫(huà)出其繞組的完整連接圖； (2) 試畫(huà)出圖示時(shí)刻繞組的等值電路圖； (3) 若電樞沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)， 試在上兩圖中標(biāo)出感應(yīng)電勢(shì)方向和電刷極性； (4) 如果電刷不是位于磁極軸線上， 例如順時(shí)針?lè)较蛞苿?dòng)一個(gè)換向片的距離， 會(huì)出現(xiàn)什么問(wèn)題?,圖 2 - 29,圖 2 - 30 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖,