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直流测速发电机测速误差分析及减小误差的方法

2013-09-12 01:15

摘要：直流测速发电机的输出特性Ua=f(n)不是严格地呈线性特性，实际特性与要求的线性特性之间存在误差。阐述了引起误差的各种原因，并提出了减少误差的方法。
关键词：直流测速发电机  误差分析  减少误差 毕业
    直流测速发电机作为自动控制系统中的校正元件，就其物理本质来说，是一种测量转速的微型直流发电机；从能量转换的角度看，它把机械能转换为电能，输出直流电；从信号转换的角度看，它把转速信号转换成与转速成正比的直流电压信号输出，因而可以用来测量转速。
1 自动控制系统对直流测速发电机的要求
自动控制系统对其元件的要求，主要是精确度高、灵敏度高、可靠性好等。据此，直流测速发电机在电气性能方面应满足以下几项要求：       
（1） 输出电压与转速的关系曲线（输出特性）        a              RL =∞ 
应为线性Ua=K*n，如图1所示。                                    RL1
（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；                                      RL2
（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。                        RL1> RL2
可以看出，第（2）项要求是为了提高测速发            图1: 不同负载电阻时的
电机的灵敏度。因为输出特性斜率大，即△U/△n大，        理想输出输出特性
这样，测速机的输出对转速的变化很灵敏。负载时输出电压与转速的关系式为：Ua=CeΦ*n/(1+Ra/Rl) 如果式中Ф、Ra和Rl都能保持常数，则Ua与n之间仍呈线性关系，只不过随着负载电阻的减小，输出特性的斜率变小而已，如图1所示。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，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  直流测速发电机的误差及其减小的方法
实际上，测速发电机的输出特性不是严格地呈线性特性，实际特性与要求的线性特性间存在误差。
2．1 温度影响
直流测速发电机Ua=f(n)为线性关系的条件之一是励磁磁通Ф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，输出电压就升高。
为了减少温度变化对输出特性的影响，采取的措施一为将测速发电机的磁路设计得比较饱和。因为磁路饱和后，励磁电流变化所引起的磁通的变化较小。措施二为在励磁回路中串联一个阻值比励磁绕组电阻大几倍的附加电阻来稳流；附加电阻（丝）可以用温度系数较低的合金材料制成，如锰镍铜合金或铜镍合金。尽管温度升高将引起励磁绕组电阻增大，但整个励磁回路的总电阻增加不多。
对于温度变化所引起的误差要求比较严格的 
场合，可采用在励磁回路中串联负温度系数
的热敏电阻并联网络，如图2所示。
                                     
2．2 电枢反应影响                      图2: 励磁回路中的的热敏电阻并联网络
电机空载时,只有励磁绕组产生的主磁场。电机负载时，电枢绕组中流过电流也要产生磁场，称为电枢磁场。所以，负载运行时，电机中的磁场是主磁场和电枢磁场的合成。当励磁电流流过励磁绕组时，主磁通便由N极出来，经过空气隙及电枢，进入S极，然后分别从两边的磁轭回到N极，形成闭合回路。    在极中心下面主磁通密度最大，靠近极尖处逐渐减小，在极靴范围以外则减小很快，在几何中心线上则等于零。而电枢导体的电流方向总是以电刷为其分界线，即电刷两侧导体中的电流大小相等，方向相反。不论转子转到哪个位置，电枢导体电流在空间的分布情况始终不变。亦即电枢 （转载自http://www.ＮＳＥＡＣ.com中国科教评价网）
 
磁场在空间是固定不动的恒定磁场。主磁场    图3：直流电机的主磁场和电枢磁场
和电枢磁场在电机中的分布如图3所示。由
图3可以看出，合成磁场的磁通密度在半个极下是加强了，在另外半个极下是削弱了。由于电枢磁场的存在，气隙中的磁场发生了畸变。
如果电机的磁路不饱和，磁场的合成就可以用叠加原理。但在实际电机中，叠加原理并不完全适用。因为电机的极靴端部和电枢齿部空载时就比较饱和，加上电枢磁通后，N极右半极由于磁通变大，磁路将更加饱和，磁阻变大，合成磁通要小于1/2主磁通与1/2电枢磁通之和。左半极由于磁通变小，磁路饱和程度降低，合成磁通等于1/2主磁通与1/2电枢磁通之差。N极总的磁通有所减小。同理，S极的情况也是如此。由此可知，电枢磁场对主磁场有去磁作用。即使电机励磁电流不变，其空载时（Ia=0）的磁通Фo和有载时（Ia≠0）的合成磁通Ф是不相等的，Фo＞Ф。因此，在同一转速下，空载时的感应电势Eao和有载时的感应电势Ea也不相等，Eao＞Ea。负载电阻越小或转速越高，电枢电流就越大，电枢反应去磁作用越强，主磁通Ф被削弱得越多，输出特性偏离直线越远，线性误差越大。
为了减小电枢反应对输出特性的影响，在使用时，转速不得超过最大线性工作转速nmax，所接负载不得小于最小负载电阻Rlmin，以保证线性误差在限定的范围内。
2.3 延迟换向去磁影响
  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，其电流反向，由+ia变成-ia。在理想换向情况下，当换向元件的两个有效边处于几何中性线位置时，其电流应该为零。但实际上在直流测速发电机中并非如此。虽然此时元件只切割主磁通产生的电势为零，但仍然有电势存在，使电流过零时刻延迟，出现延迟换向去磁。
  分析如下：由于元件本身有电感，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；同时，换向元件在经过几何中性线位置时，由于切割电枢磁场而产生切割电势ea；根据楞次定律和右手定则可以确定，el和ea所产生的电流的方向与换向前的电流方向相同，是阻碍换向的。换向元件中有总电势ek=el+ea，由于总电势ek的阻碍作用而使换向过程延迟；同时，总电势ek在换向元件中产生附加电流ik，ik方向与ek方向一致。由ik产生磁通Фk,其方向与主磁通方向相反，对主磁通有去磁作用。

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；换向周期与转速成反比；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。同样可以证
明ea∝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4的形状。为了改善线性度，对于小容
  图4：延迟换向对输出特性的影响

量的测速机一般采取限制转速的措施来削弱延迟换向去磁作用，这一点与限制电枢反应去磁作用的措施一致的，即规定了最高工作转速。
2． 4  纹波影响
根据Ea=CeФn,当Ф、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。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。
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。措施一，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，因此纹波的产生不可避免；措施二，采用无槽电枢工艺（电枢的制造是将敷设在光滑电枢铁心表面的绕组，用环氧树脂固化成型并与铁心粘结在一起），就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。 内容来自www.nseac.com
2．5 电刷接触压降影响
  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；△Ub为电刷接触压降。电刷接触压降与下述因素密切相关：（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。
    换向器圆周线速度对△Ub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△Ub的变化。但随着转速的升高，电枢电流增大，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，△Ub也相应地增大。当电流密度达到一定数值后，△Ub几乎等于常数。

  基于以上的分析，就可以得出考虑电刷接触压降后直流测速发电机的输出特性，如图5所示。在转速较低时，输出特性上有一段斜率显著下降的区域。在此区域内，测速机虽有输入信号（转速），但输出电压很小，对转速的反应很不灵敏。
 
                                        图五：考虑电刷接触压降后的输出特性
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镀上银层，使换向器不易磨损。
电刷和换向器的接触情况还与化学、机械等因素有关，它们引起电刷与换向器滑动接触的不稳定性，以致使电枢电流含有高频尖脉冲。为了减少这种无线电频率的噪声对邻近设备和通讯电缆的干扰，常常在测速机的输出端连接滤波电路。
3 结束语
  在理想条件下,输出特性为一条直线。而实际的特性与直线有偏差。电枢反应和延迟换向的去磁效应使线性误差随着转速的增高或负载电阻的减小而增大。因此，在使用时必须注意电机转速不得超过规定的最高转速，负载电阻不可小于给定值。纹波电压、电刷和换向器接触压降的变化造成了输出特性的不稳定，因而降低了测速发电机的精度。测速机的输出特性对于温度的变化是比较敏感的。凡是温度变化较大，或是对变温输出误差要求严格的场合，还需对测速机进行温度补偿。通过以上措施，就可以大大提高直流测速发电机的精确度和灵敏度，使其可靠性更好。
直流测速发电机的发展趋势是：提高灵敏度和线性度，减少纹波电压和变温所引起的误差，减轻重量，缩小体积，增加可靠性，发展新品种。
（1） 发展高灵敏度测速发电机；
（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；
（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。
参考文献
（1） 姜孝定.电机原理及应用---北京:机械工业出版社,1980.6
（2） 李宗坊.微电机及其应用---西南交通大学出版社,1986.12
（3） 陈隆昌.控制电机---西安:西安电子科技大学出版社,2000.5