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第8章 交流异步测速发电机

第8章 交流异步测速发电机8.1 概述 8.2 交流异步测速发电机结构和工作原理

8.3 异步测速发电机的特性和主要技术指标8.4 异步测速发电机的使用 8.5 交流伺服测速机组 思考题与习题

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第8章 交流异步测速发电机

8.1 概 述交流异步测速发电机与直流测速发电机一样， 是 一种测量转速或传感转速信号的元件， 它可以将转速 信号变为电压信号。 理想的测速发电机的输出电压U2 与它的转速n成线性关系， 如图8 - 1所示， 其数学表 达式为 U2=kn 式中， k为比例系数。 (8 - 1)

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图 8 - 1 输出电压与转速的关系

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在自动控制系统中， 交流测速发电机的主要用途 也有两种： 一种是在计算解答装置中作为解算元件； 另一种是在伺服系统中作为阻尼元件。 其典型用途及 工作原理与直流测速发电机相同。 当交流测速发电机 作为解算元件时， 为了精确地对输入函数进行某种运 算， 要求测速发电机应有很好的线性度(输出电压应与 转速严格地成正比), 由于温度变化而引起的变温误差 要小， 转速为0时的剩余电压要低。 但对单位转速的

输出电压(输出斜率)则要求不高。

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图 8 - 2 交流阻尼伺服系统

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交、 直流测速发电机虽然都可用来作为解算元件，但由于直流测速发电机结构上需要电刷和换向器， 使 输出特性不稳而影响电机精度， 线性度也差， 所以在 计算解答装置中， 交流测速发电机获得更多的应用。 采用交流测速发电机的阻尼伺服系统如图8 - 2所示。 这里， 交流测速发电机被用作阻尼元件以提高系统的 稳定度和精确度， 其作用原理与直流测速发电机相同 (参见2 - 6节)。

用作阻尼元件的交流测速发电机， 要求其输出斜率大， 这样阻尼作用就大， 而对线性度等精度指标的 要求是次要的。

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8.2 交流异步测速发电机结构和工作原理交流异步测速发电机的结构与交流伺服电动机的 结构是完全一样的。 它的转子可以做成非磁杯形的， 也可以是鼠笼式的。 鼠笼转子异步测速发电机输出斜 率大， 但特性差、 误差大、 转子惯量大， 一般只用 在精度要求不高的系统中。 非磁杯形转子异步测速发 电机的精度较高， 转子的惯量也较小， 是目前应用最 广泛的一种交流测速发电机。 所以， 本章重点介绍这 种结构的交流测速发电机。

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杯形转子异步测速发电机的结构与杯形转子交流 伺服电动机一样， 它的转子也是一个薄壁非磁性杯， 通常用高电阻率的硅锰青

铜或锡锌青铜制成。 定子上 嵌有空间互差90°电角度的两相绕组， 其中一个绕组 W1为励磁绕组， 另一个绕组W2为输出绕组。 在机座 号较小的电机中， 一般把两相绕组都放在内定子上； 机座号较大的电机中， 常把励磁绕组放在外定子上， 把输出绕组放在内定子上。 这样， 如果在励磁绕组两

端加上恒定的励磁电压U1, 当电机转动时， 就可以从输出绕组两端得到一个其值与转速n成正比的输出电压 U2, 如图8 - 3所示。

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交流异步测速发电机的工作原理可由图8 - 4来说明， 图中W1为励磁绕组， W2为输出绕组， 它们在空间互 差90°电角度。 转子是一个非磁空心杯。 在上一章已 经说明， 这杯子可看成是一个鼠笼条数目非常之多的 鼠笼转子。

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图8 - 3 交流异步测速发电机的示意图

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图 8 - 4 交流异步测速发电机的工作原理

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当转子不动， 即n=0时， 若在励磁绕组中加上频 率为f1的励磁电压U1, 则在励磁绕组中就会有电流通 过， 并在内外定子间的气隙中产生频率与电源频率f1 相同的脉振磁场。 脉振磁场的轴线与励磁绕组W1的轴 线一致， 它所产生的脉振磁通Φ10与励磁绕组和转子杯 导体相匝链并随时间进行交变。 这时励磁绕组W1与转 子杯之间的情况如同变压器原边与副边之间的情况完 全一样。

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假如忽略励磁绕组W1的电阻R1及漏抗X1, 则可由变压器的电压平衡方程式看出， 电源电压U1与励磁绕 组中的感应电势E1相平衡， 电源电压的值近似地等于 感应电势的值， 即 U1≈E1 由于感应电势E1∝Φ10, 故 Φ10∝U1 (8 - 3) 所以当电源电压一定时， 磁通Φ10也保持不变。 (8 - 2)

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图8 - 4中画出了某一瞬间磁通Φ10的极性。 由于励 磁绕组与输出绕组相互垂直， 因此磁通Φ10与输出绕组 W2的轴线也互相垂直。 这样， 磁通Φ10就不会在输出 绕组W2中感应出电势， 所以转速n=0时， 输出绕组W2 也就没有电压输出。

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图 8 - 5 气隙磁通密度的分布

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当转子以转速n转动时， 若仍忽略R1及X1, 则沿着励磁绕组轴线脉振的磁通不变， 仍为Φ10。 由于转子 的转动， 转子杯导体就要切割磁通Φ10而产生切割电势 ER2(或称旋转电势), 同时也就产生电流IR2。 假设 励磁绕组中通入的是直流电， 那末这时它所产生的磁 场是恒定不变的， 气隙磁通密度Bδ近似地可看作为正 弦分布， 如图8 - 5所示。这相当于直流电机的情况， 根据直流电机中所述， 每个极下转子

导条切割电势的 平均值可表示为 E R2=Bplv 式中， Bp为磁通密度的平均值， 如图8 - 5所示。

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由于每极磁通Φ10=Bplτ及v=πDn/60(式中，τ为极距，D为定子内径; l为定、 转子铁心长度), 因此导条电势 ER2∝Φ10n 略导条漏抗的影响时， 导条中电流 (8 - 4)

由于杯形转子导条电阻RR比漏抗XR大得多， 当忽

I R2

ER 2 RR

(8 - 5)

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与此同时， 流过转子导体中的电流IR2 又要产生磁 通Φ2, Φ2的值与电流IR2 成正比， 即 Φ2∝IR2 考虑式(8 - 4)及(8 - 5)得 Φ2∝Φ10n (8 - 7) (8 - 6)

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因此Φ2的值是与转速n成正比的， 且也是交变的，其交变频率与转子导体中的电流频率f1一样。 不管转速 如何， 由于转子杯上半圆导体的电流方向与下半圆导体

的电流方向总相反， 而转子导体沿着圆周又是均匀分布的， 因此， 转子切割电流IR2 产生的磁通Φ2在空间的方 向总是与磁通Φ10垂直， 而与输出绕组W2的轴线方向一 致。 它的瞬时极性可按右螺旋定则由转子电流的瞬时方 向确定， 如图8 - 4所示。 这样当磁通Φ2交变时， 就要 在输出绕组W2中感应出电势， 这个电势就产生测速发 电机的输出电压U2, 它的值正比于Φ2, 即

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U 2 ∝Φ2 再将式(8 - 7)代入， 得 U2∝Φ10n 再将式(8 - 3)代入， 就得 U2∝U1n

(8 - 8)

(8 - 9)

(8 - 10)

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这就是说， 当励磁绕组加上电源电压U1, 电机以 转速n旋转时， 测速发电机的输出绕组将产生输出电压 U2, 其值与转速n成正比(如图8 - 1中所示)。 当转向相 反时， 由于转子中的切割电势、 电流及其产生的磁通 的相位都与原来相反， 因而输出电压U2的相位也与原

来相反。 这样， 异步测速发电机就可以很好地将转速信号变成为电压信号， 实现测速的目的。