Тахогенератори

Лекція 6. Інформаційні електричні машини. Виконавчі елементи. Ч.1.

Рис. 6.1. Класифікація інформаційних електричних машин.

Тахогенераторами (ТГ) називаються невеликі електричні машини, призначені для перетворення механічного переміщення - обертання вала - в електричний сигнал - вихідна напруга.

Основна вимога, яка пред'являється до більшості ТГ, - лінійність вихідної характеристики, т.е пропорційність вихідної напруги U_Г частоті обертання n (рис.6.2):

де k, k₁ - постійні величини; α - кут повороту.

По роду струму розрізняють ТГ ~ та - струму. ТГ змінного струму можуть бути асинхронними й синхронними. ТГ постійного струму можуть бути або з постійними магнітами, або з електромагнітним порушенням (з обмоткою збудження).

Рис. 6.2. Характеристика ідеального ТГ.

ТГ в схемах автоматики використовуються для наступних цілей:

· виміру швидкості обертання. У цьому випадку вихідна напруга подається на вольтметр, шкала якого градуйована в об/хв;

· здійснення зворотного зв'язку по швидкості в системах, що стежать;

· здійснення електричного диференціювання: U_Г = k₁(dα/dt);

· здійснення електричного інтегрування:

Основні вимоги, пропоновані до тахогенераторів:

· висока лінійність вихідної характеристики - мінімальне відхилення її від прямій U_Г = k_n вихідною характеристикою, що є ідеальною, тахогенератора;

· більша крутість вихідної характеристики k = U_Г/n, мВ/(об/хв);

· симетрія вихідної напруги: U_Г(+n) = U_Г(-n);

· мінімальне значення нульової напруги U_Г при n = 0 (у тахогенераторів змінного струму) і мінімальна зона нечутливості (у тахогенераторів постійного струму);

· максимальна вихідна потужність при мінімальній споживаній потужності;

· мінімальна пульсація вихідної напруги (у тахогенераторів постійного струму);

· мінімальна зміна фази вихідної напруги (у тахогенераторів змінного струму);

· малий момент інерції ротора й малий момент опору;

· стабільність вихідної характеристики при зміні навколишніх умов;

· малі габаритні розміри й маса;

· високі показники надійності (ресурс, інтенсивність відмов і ін.).

До ТГ, що забезпечують зворотний зв'язок по швидкості й демпфірування систем, що стежать, пред'являються підвищені вимоги по крутості вихідної характеристики й потужності вихідного сигналу. Лінійність вихідної характеристики для них не відіграє істотної ролі.

Рис. 6.3. Схеми використання ТГ для диференцюючих (а) та інтегруючих (б) функцій.

До ТГ, призначених для виконання операцій диференціювання й інтегрування, навпаки, пред'являються підвищені вимоги відносно лінійності, точності, стабільності характеристик, у той час як значення потужності вихідного сигналу й крутість вихідної характеристики тут не є визначальними факторами.

ТГ інтегруючий елемент, що як диференціює й, автоматики.

Для диференціювання якої-небудь функції необхідно обертати ротор ТГ - повертати його на кути a, пропорційні даної функції. Вихідна напруга при цьому буде прямо пропорційно похідній заданої функції:

У тих випадках, коли похідна заданої функції повинна бути представлена у вигляді кутової величини, необхідно використовувати спеціальну схему (рис.6.3, а), що полягає з асинхронного тахогенератора (AT), елемента порівняння (ЭС), підсилювача (У), виконавчого двигуна (ИД), редуктора (Р), лінійного поворотного трансформатора (ЛПТ). Частота обертання ЛПТ пропорційна похідній dα/dt.

Для інтегрування заданої функції за часом (рис.6.3,6) потрібно перетворювати її в електричну напругу U(t) і обертати ротор тахогенератора так, щоб його вихідна напруга U_Г(t) у будь-який момент часу компенсувала напруга U(t). Тоді кут повороту ротора тахогенератора буде пропорційний інтегралу заданої функції за часом:

Пристрій і принцип дії асинхронного тахогенератора

Асинхронні ТГ (АТГ) по своїй конструкції не відрізняються від двофазних асинхронних виконавчих двигунів з порожнім немагнітним ротором. Так само як і двигуни, вони мають на статорі дві фазні обмотки, осі яких зміщені в просторі відносно один одного на кут 90°. Одна з них B (рис.6.4,а) підключається до мережі й називається обмоткою збудження. З іншої обмотки Г знімається вихідна напруга тахогенератора. Ця обмотка називається вихідний, або генераторної. Залежно від місця розташування обмоток розрізняють три конструктивні форми асинхронних тахогенераторів:

· с обмотками тільки на зовнішньому статорі;

· с обмотками тільки на внутрішньому статорі;

· с однієї обмоткою на зовнішньому статорі й однієї - звичайно обмоткою збудження - на внутрішньому.

Розглянемо фізичні процеси, що протікають в АТГ при n = 0.

При нерухливому роторі (n = 0) струм обмотки збудження створює пульсуючий по поздовжній осі d магнітний потік Ф_dS, який, пронизуючи ротор, наводить у ньому ЕРС трансформації (рис.6.4, а). Контури струмів ротора від ЕРС трансформації розташовуються в площинах, перпендикулярних поздовжньої осі d - осі потоку порушення Ф_dS. Ці струми створюють магнітний потік ротора Ф_dR, спрямований назустріч потоку порушення Ф_ds і, який, як у будь-якому трансформаторі, компенсується зростаючим струмом первинної обмотки - обмотки збудження.

Рис. 6.4. До принципу дії асинхронного ТГ при n=0: а – контури струмів та магнітні потоки; б – залежність нульової напруги від положення ротора.

Теоретично при нерухливому роторі (n = 0) у ТГ магнітний потік є тільки по поздовжній осі - осі обмотки збудження, тому в генераторній обмотці, вісь якої зміщена на 90° до обмотки збудження, ніяких ЕРС наводитися не повинне. Але в ТГ і при n = 0 на затискачах генераторної обмотки є незначна напруга - нульове (залишкове).

Нульова напруга U₀ - напруга при n = 0 - явище досить небажане. Причини його виникнення різні:

а) неточне зрушення обмоток;

б) несиметрія магнітного ланцюга через різну провідність стали уздовж і поперек прокату, наявності короткозамкнених контурів, нерівномірності повітряного зазору;

в) наявність потоків розсіювання;

г) наявність ємнісних зв'язків між обмотками, особливо помітних у тахогенераторах з підвищеною частотою живлячого напруги;

д) несиметрія порожнього ротора й т.п.

Більшість зазначених причин приводять до того, що в ТГ при n = 0 з'являється поперечна складова магнітного потоку, яка наводить ЕРС E₀ у генераторній обмотці.

Значення нульової напруги U₀ не залишається постійним при повороті ротора (рис.6.4, б). Його можна розділити на постійну U_0const і змінну U_0var складові.

Постійна складова U_0const, обумовлена причинами, зазначеними раніше в пунктах «а...г», у більшості тахогенераторів перебуває в межах від 25 до 100 мВ.

Змінна складова U_0var = U_0max – U_0min (див. рис.6.4, б) залежить в основному від товщини, тобто неоднакової електричної провідності порожнього ротора в різних напрямках (від його несиметрії). Вона звичайно становить 3...7 мВ.

Для боротьби з постійної складовий нульової напруги дуже часто обмотки збудження й генераторну розміщають на різних статорах: одну - на внутрішньому, іншу - на зовнішньому. З метою боротьби зі змінної складової небажаної нульової напруги ретельно обробляють і калібрують ротор, домагаючись його максимальної симетрії в електричному відношенні. До зменшення змінної складової залишкової напруги веде збільшення числа p пара полюсів обмоток статора. Як уже говорилося раніше, звичайно 2p > 4.

Рис. 6.5. Схеми зменшення нульової напруги ТГ: а – шляхом підбору R та C; б – шляхом підбору кількості витків КО та активного опору R.

У цілому ряді ТГ для боротьби з нульовою напругою застосовуються спеціальні схеми (рис.6.5). У першій схемі (див. рис.6.5, а) нульова напруга зменшується шляхом добору R і С, у другий (рис.6.5, б) - шляхом добору числа витків компенсаційної обмотки (КО), розташованої на внутрішньому статорі, і значення активного опору R. Недоліки схем: неповне усунення U₀; наявність електричного зв'язку між обмотками збудження й генераторної.

При обертанні ротора (n ≠ 0) його «волокна» - елементарні провідники перетинають магнітний потік порушення Ф_dS, і в них, крім ЕРС трансформації, наводиться ще ЕРС обертання. Під дією ЕРС обертання по ротору протікають струми, контури яких при великому активному опорі ротора практично збігаються з віссю потоку порушення Ф_dS (рис.6.6). Ці струми створюють свій магнітний потік ротора Ф_dR, який спрямований по поперечній осі q ТГ. Потік Ф_dR, зчіплюючись із витками генераторної обмотки Г, наводить у них ЕРС Е_Г - вихідну ЕРС тахогенератора. Частота цієї ЕРС дорівнює частоті мережі. Тому що Е_Г = ω_г × (dФ_qR/dt), те її частота дорівнює частоті зміни потоку Ф_qR, викликуваного струмами від ЕРС обертання. Частота ЕРС обертання при n = const дорівнює частоті зміни в часі потоку Ф_dS, яким вона наводиться: Е_вр ~ Ф_dSn; таким чином, частота зміни Е_Г у часі дорівнює частоті живильної мережі - напруги U_B.

Рис. 6.6. До принципу дії асинхроного ТГ при n¹0.

ЕРС обертання ротора Е_qR, потік ротора ФqR поперечної осі й вихідна ЕРС Е_Г ТГ за значенням (амплітуді) пропорційні частоті обертання ротора n, тобто Е_Г ~ Ф_qR ~ n.

Вихідна напруга тахогенератора U_Г менше ЕРС Е_Г на значення спадання напруги на опорі Z_Г генераторної обмотки, тобто U_Г = Е_Г - I_ГZ_Г.

На рис.6.7, а представлена схема включення двофазного несиметричного асинхронного двигуна з конденсатором C у ланцюзі обмотки В. На рис.6.7, б представлена схема включення АТГ. Порівнюючи ці схеми, неважко помітити, що вони схожі один на одного, тільки в схемі тахогенератора затискачі 1 -Г, на які у двигуна подається напруга U_B, замкнені між собою; отже, у тахогенератора U_B = 0. Також у схемі тахогенератора замість конденсатора С включений опір навантаження Z_H.

Рис. 6.7. Схеми включення двофазного ємнісного двигуна (а) та асинхронного ТГ (б).

Вихідна напруга тахогенератора U_Г може бути знайдене як спадання напруги на опорі Z_H навантаження:

Однак, незважаючи на наявність ряду істотних недоліків, асинхронні тахогенератори з порожнім ротором як у нас, так і за рубежем випускаються в більших кількостях. До позитивних якостей АТГ, які сприяють їхньому широкому поширенню:

· безконтактність - відсутність ковзних контактів;

· мала інерційність, обумовлену малим моментом інерції ротора;

· наявність малого моменту опору (тертя в підшипниках і гальмуючого електромагнітного) внаслідок відсутності радіальних і аксіальних сил, що діють на ротор;

· більшу надійність;

· непогану стабільність характеристик.

· Недоліками асинхронних тахогенераторів, що обмежують області їх застосування, є:

· теоретична й практична нелінійність вихідної характеристики;

· наявність фазової погрішності;

· наявність нульового (залишкового) напруги;

· мала вихідна потужність, що приводить до необхідності збільшення габаритних розмірів (асинхронний тахогенератор в 2...4 рази більше тахогенератора постійного струму з такою ж вихідною потужністю);

· низький cosf;

· більші габаритні розміри й маса.

Тахогенератори постійного струму

Тахогенератори постійного струму - це невеликі генератори постійного струму частіше з порушенням струму за допомогою постійних магнітів, рідше - з незалежним порушенням (рис.6.8). Конструктивно вони не відрізняються від звичайних машин постійного струму малої потужності.

Рис.6.8. Схема ТГ постійного струму з незалежним збудженням.

При Ф = const, r_Г = const і R_H = const крутість до постійна й вихідна характеристика тахогенератора (рис.6.9) є прямою лінією. У сучасних тахогенераторів постійного до вона перебуває в межах від 3 до 100 мВ/(об/хв).

Чим менше опір навантаження R_H, тим менше крутість вихідної характеристики (2, рис.6.9). Вплив опору щіткового контакту на вихідну характеристику легко встановити, аналізуючи рівність. При ΔU_щ ≠ 0, що буває в реальних тахогенераторах, вихідна характеристика U_Г = f(n) перетинає вісь ординат (при n = 0) не на початку координат, а в крапці U_г’ = ΔU_щ/(1 + r_г/R_H) (3, рис.6.9).

Рис. 6.9. Вихідні характеристики ТГ постійного струму

Рис. 6.10. Вплив насичення на зміну магнітного потоку при зміні струму збудження

За рахунок спадання напруги на щітковому контакті в тахогенератора постійного струму з'являється зона нечутливості - зона частот обертання від n = 0 до n = n_min, при яких вихідна напруга U_г дорівнює нулю. Визначають зону нечутливості, уважаючи U_г = 0:

З метою зменшення зони нечутливості необхідно ретельно підбирати щітки, щоб вони забезпечували мінімальне спадання напруги ΔU_Щ. У звичайних тахогенераторах установлюють мідно-графітові або срібно-графітові щітки, а в прецизійних тахогенераторах особливо відповідальних систем автоматики - дротові щітки зі срібним, золотим або навіть платиновим покриттям.

Вплив реакції якоря в тахогенераторах постійного струму проявляється у вигляді викривлення вихідної характеристики. Якщо тахогенератор розрахований так, що він працює на вигині магнітної характеристики (рис.6.10), то при малому опорі навантаження RH внаслідок значного струму I_г і його збільшення з ростом n магнітний потік Ф тахогенератора не залишається постійним. Через дію, що розмагнічує, реакції якоря магнітний потік зі збільшенням швидкості зменшується, що приводить до зменшення крутості k вихідної характеристики, яку можна записати у вигляді

зміні її виду (крива 4 на рис.6.9) і появі швидкісної амплітудної погрішності, що становить у сучасних тахогенераторів 0,5...3 %.

Синхронні тахогенератори

Велике поширення в цей час одержали синхронні тахогенератори, що конструктивно представляють собою однофазні (а іноді й трифазні) синхронні генератори малої потужності з ротором, що мають явно виражені полюси й виконаним у вигляді постійного магніту - зірочки. Завдяки виконанню збудження постійним магнітом у синхронному тахогенераторі відсутні ковзні контакти, що значно підвищує його надійність.

При обертанні ротора тахогенератора в обмотці його статора наводиться ЕРС, амплітуда якої прямо пропорційна частоті обертання n:

де f = pn/60 - частота генерованої ЕРС; w_Г - ефективне число витків обмотки статора; Ф - магнітний потік; k = 4,44(рw_Г/60)Ф - постійний (при Ф = const) коефіцієнт, дорівнює крутості вихідної характеристики; p - число пар полюсів.

Застосування синхронних ТГ у ряді схем важко внаслідок того, що в них одночасно з амплітудою при зміні частоти обертання n змінюється й частота f вихідної напруги. Зміна частоти приводить до зміни значення реактивних опорів X_L = 2πfL і X_с = 1/(2πfС) як самого ТГ, так і навантаження, на яке він працює. Це веде до викривлення вихідної характеристики й до появи погрішностей. За певних умов внаслідок виникнення резонансних явищ робота синхронного ТГ не задовольняє вимогам схем автоматики. У схемах автоматики, що працюють на частотному принципі, мінливість частоти f (пропорційність її частоті обертання n), навпаки, уважається досить позитивною якістю синхронного тахогенератора.

Позитивною якістю всіх без винятку синхронних ТГ є те, що вони при малих габаритних розмірах мають велику вихідну потужність.

Дата добавления: 2014-01-07