交流测速发电机的工作原理与应用

交流测速发电机分为同步测速发电机和异步测速发电机两种。同步测速发电机的输出频率和电压幅值均随转速的变化而变化，因此一般用作指示式转速计，很少用于控制系统中的转速测量。异步测速发电机的输出电压频率与励磁电压频率相同而与转速无关，其输出电压与转速n成正比，因此在控制系统中得到广泛的应用。

1.交流异步测速发电机

异步测速发电机分为笼形和空心杯形两种，笼形测速发电机不如空心杯形测速发电动机的测量精度高，而且空心杯形测速发电机的转动惯量也小，适合于快速系统，因此目前应用比较广泛的是空心杯形测速发电机。空心杯形测速发电机的结构与空心杯形伺服电动机的结构基本相同。它由外定子、空心杯形转子、内定子等三部分组成。外定子放置励磁绕组，接交流电源；内定子上放置输出绕组，这两套绕组在空间相隔90°电角度。为获得线性较好的电压输出信号，空心杯形转子由电阻率较大和温度系数较低的非磁性村料制成，如磷青铜、锡锌青铜、硅锰青铜等，杯厚0.2～0.3mm。

图7-18　异步测速发电机工作原理

图7-18为空心杯形异步测速发电机的原理图。在图中定子两相绕组在空间位置上严格相差90°电角度，在一相上加恒频恒压的交流电源，使其作为励磁绕组产生励磁磁通；另一相作为输出绕组，输出电压U2与励磁绕组电源同频率，幅值与转速成正比。

发电机励磁绕组中加入恒频恒压的励磁电压时，励磁绕组中有励磁电流流过，产生与电源同频率的脉动磁动势Fd和脉动磁通Φd。磁动势Fd和磁通Φd在励磁绕组的轴线方向上脉动，称为直轴磁动势和磁通。

电动机转子和输出绕组中的电动势及由此而产生的反应磁动势，根据电动机的转速可分两种情况。

（1）n=0电动机不转。当n=0时，即转子不动时，直轴脉振磁通在转子中产生的感应电动势为变压器电动势。由于转子是闭合的，这个变压器电动势将产生转子电流、根据电磁感应理论，该电流所产生的磁通方向应与励磁绕组所产生的直轴磁通Φd相反，所以二者的合成磁通还是直轴磁通。由于输出绕组与励磁绕组互相垂直，合成磁通也与输出绕组的轴线垂直，因此输出绕组与磁通没有耦合关系故不产生感应电动势，输出电压U2为零。

（2）n≠0电动机旋转。当转子转动时，转子切割脉动磁通Φd，产生切割电动势Er，切割电动势的大小可通过式（7-15）计算

式中：Cr为转子电动势常数；Φd为脉动磁通幅值。

可见，转子电动势的幅值与转速成正比。转子电动势的方向可用右手定则判断。转子中的感应电动势在转子杯中产生短路电流Ik，考虑转子漏抗的影响，转子电流要滞后转子感应电动势一定的电角度。短路电流Ik产生脉动磁动势Fr，转子的脉动磁动势可分解为直轴磁动势Frd和交轴磁动势Frq，直轴磁动势将影响励磁磁动势并使励磁电流发生变化，交轴磁动势Frq产生交轴磁通Φq。交轴磁通与输出绕组交链感应出频率与励磁频率相同，幅值与交轴磁通Φq成正比的感应电动势E2。由于Φq∝Frq∝Fr∝Er∝n，所以E2∝Φq∝n，即输出绕组的感应电动势的幅值正比于测速发电动机的转速，而频率与转速无关为励磁电源的频率。

定、转子中的电流、电动势及空间磁动势与磁通间的关系如图7-18所示。(www.xing528.com)

交流异步测速发电动机的输出特性U2=f（n）如图7-19所示。

图7-19　交流异步测速发电机的输出特性

当忽略励磁绕组的漏阻抗时，只要电源电压Uf恒定，则Φd为常数，由上述分析可知，输出绕组的感应电动势E2及空载输出电压U2都与n成正比，理想空载输出特性为直线，如图7-19中的直线1所示。

测速发电动机实际运行时，由图7-18可知，转子切割Φq而产生的磁动势Frd是起去磁作用的，使合成后d轴上总的磁通减少，输出绕组感应电动势E2减少，输出电压U2随之降低，所以实际的空载输出特性如图7-19中的曲线2所示。

当测速发电机的输出绕组接上负载阻抗ZL时，由于输出绕组本身有漏阻抗Z2，会产生漏阻抗压降，使输出电压降低，这时输出电压为

上式说明，负载运行时，输出电压U2不仅与输出绕组的感应电动势E2有关，而且还与负载的大小和性质有关。带负载运行时的输出特性如图7-19中的曲线3所示。

交流测速发电机存在剩余电压。剩余电压是指励磁电压已经供给，转子转速为零时，输出绕组产生的电压。

剩余电压的存在，使转子不转时也有输出电压，造成失控；转子旋转时，它叠加在输出电压上，使输出电压的大小及相位发生变化，造成误差。

产生剩余电压的原因很多，其中之一是由于加工、装配过程中存在机械上的不对称及定子磁性材料性能的不一致性，励磁绕组与输出绕组在空间不是严格地相差90°电角度，这时两绕组之间就有电磁耦合，当励磁绕组接电源，即使转子不转，电磁耦合会使输出绕组产生感应电动势，从而产生剩余电压。选择高质量的各方向特性一致的磁性材料，在机械加工和装配过程中提高机械精度，以及装配补偿绕组可以减少剩余电压。使用者则可通过电路补偿的方法去除剩余电压的影响。

2.交流同步测速发电机

同步测速发电机的转子为永磁式，即采用永久磁铁做磁极；定子上嵌放着单相输出绕组。当转子旋转时，输出绕组产生单相的交变电动势，其有效值E∝n，而其交变电动势的频率为f=pn/60。

输出绕组产生的感应电动势E，其大小与转速成正比，但是其交变的频率也与转速成正比变化就带来了麻烦。因为当输出绕组接负载时，负载的阻抗会随频率的变化而变化，也就会随转速的变化而变化，不会是一个定值，使输出特性不能保持线性关系。由于存在这样的问题，因此同步测速发电机不像异步测速发电动机那样得到广泛的应用。如果用整流电路将同步测速发电机输出的交流电压整流为直流电压输出，就可以消除频率随转速变化带来的缺陷，使输出的直流电压与转速成正比，这时用同步发电机测量转速就有较好的线性度。