Аналоговые тахогенераторы. Погрешности измерения и способы их уменьшения.

Тахогенера́тор— измерительный генератор постоянного или переменного тока, предназначенный для преобразования мгновенного значения частоты (угловой скорости) вращения вала в пропорциональный электрический сигнал.

Действие тахогенератора основано на пропорциональности угловой частоты вращения ротора генератора его ЭДС при постоянном значении потока возбуждения.

Различают тахогенераторы переменного тока (синхронные и асинхронные) и постоянного тока.

Тахогенераторы постоянного тока — небольшие коллекторные машины, поток возбуждения в которых создаётся постоянным магнитом или независимой обмоткой.

Тахогенераторы синхронного типа представляют собой небольшие синхронные машины с постоянным магнитом в качестве ротора.

Асинхронные тахогенераторы (получили наибольшее распространение) по конструкции подобны асинхронным электродвигателям с полым короткозамкнутым ротором. На статоре такого тахогенератора расположены под углом 90° две обмотки, одна из которых (обмотка возбуждения) питается переменным током постоянной частоты и постоянного напряжения, а вторая является выходной, и к ней может быть подсоединён измерительный прибор (вольтметр, отградуированный, например, в об/мин)

 

 

ТАХОГЕНЕРАТОРЫ

Принцип действия.Тахогенераторы постоянного тока выполняют с постоянными магнитами на статоре (рис. 9.1,а) или с электромагнитным возбуждением от независимого источника постоянного тока (рис. 9.1,б). В них используют якорь обычного типа с барабанной обмоткой, а также полый или дисковый с печатной обмоткой (см. § 9.2), При неизменном токе возбужденияI_в , т. е. при неизменном потоке Ф, ЭДС пропорциональна частоте вращения:

(9.1)

Е = с_еФп,

что является основой для использования машины постоянного тока в качестве тахогенератора. Его выходное напряжение

(9.2)

U = Е - I_aΣR_a = Е - U(ΣR_a /R_н),

где R_н — сопротивление нагрузки.

Из (9.1) и (9.2) составим уравнение выходной характеристики тахогенератора:

(9.3)

U = E = ceФn . 1 + ∑Ra /Rн 1 + ∑Ra /Rн

На рис. 9.2, а сплошными линиями показаны выходные характеристики для различных сопротивлений нагрузки при идеализированных условиях (при Ф = const и ΣR_a = const). Эти характеристики являются линейными, а их угол наклона к оси абсцисс уменьшается при снижении сопротивления нагрузки. Следовательно, тахогенераторы можно применять только при неизменной нагрузке, т. е. совместно с индикатором или другим устройством, на который рассчитан данный тахогенератор.

Крутизна выходной характеристики современных тахогенераторов постоянного тока S = 3 ÷ 100 мВ/(об/мин) (меньшие значения относятся к тахогенераторам с постоянными магнитами). Наиболее распространены тахогенераторы с номинальной частотой вращения n = 1500 ÷ 3000 об/мин.

Погрешности выходной характеристики. Выходная характеристика практически отклоняется от линейного закона в результате размагничивающего действия реакции якоря, наличия нелинейного сопротивления в переходном контакте между коллектором и щетками и изменения тока возбуждения из-за

Рис. 9.1. Устройство тахогенераторов постоянного тока: 1 — корпус с полюсами; 2 — якорь; 3 — подшипник; 4 — вал; 5 — кожух; 6 — коллектор; 7 — подшипниковый щит; 8 — щетки

 

Рис. 92. Выходные характеристики тахогенератора постоянного тока и влияние на характеристики падения напряжения под щетками

увеличения сопротивления обмотки возбуждения при ее нагревании.

Размагничивающее действие реакции якоря проявляется при возрастании частоты вращения n, так как при этом повышается напряжение U, увеличивается ток I_a тахогенератора, а следовательно, и МДС якоря F_a. Поэтому при повышенных частотах вращения выходное напряжение U возрастает медленнее, чем увеличивается частота вращения (см. штриховые линии на рис. 9.2, а). Чтобы уменьшить влияние размагничивающего действия реакции якоря, в цепи нагрузки желательно иметь максимально большое сопротивление R_н и тахогенератор должен работать при небольших относительных частотах вращения.

Нелинейный характер сопротивления щеточного контакта также создает определенную погрешность по сравнению с идеализированной характеристикой 1 (рис. 9.2,б).

При этом выходная характеристика 2 остается линейной, однако в области малых частот вращения тахогенератор становится нечувствительным к изменению Δп — появляется зона нечувствительности Оа. Для уменьшения погрешности, создаваемой падением напряжения 2Δu_щ под парой щеток, в тахогенераторах применяют металлографитовые щетки, у которых величина 2Δu_щ незначительна, а в прецезионных тахогенера­торах, предназначенных для счетно-решающих устройств, — щетки с серебряными и золотыми напайками. При использовании таких щеток погрешность от влияния величины 2Δu_щ практически можно не учитывать.

Нагревание обмотки возбуждения тахогенератора приводит к увеличению ее сопротивленияR_в , вследствие чего уменьшаются ток возбуждения, магнитный поток и выходное напряжение. Чтобы с повышением температуры обмотки возбуждения ток возбуждения изменялся незначительно, последовательно с ней включают либо терморезистор, который стабилизирует сопротивление цепи обмотки возбуждения, либо добавочный резистор с сопротивлением R_до6 >>R_н , выполненный из материала с малым температурным коэффициентом сопротивления. Кроме того, чтобы уменьшить влияние тока возбуждения на магнитный поток, тахогенераторы часто выполняют с сильно насыщенной магнитной системой.

Указанные причины вызывают отклонение выходной характеристики тахогенератора от идеализированной линейной. Относительная скоростная амплитудная погрешность Δu, обусловленная нелинейностью выходной характеристики, обычно устанавливается при номинальной частоте вращения и определяется как отношение (%)

(9.4)

Δu = Uид -Uд 100 . Uид

где U_ид — выходное напряжение при идеализированныхусло-виях; U_д — действительное значение выходного напряжения.

В зависимости от класса точности тахогенератора скоростная амплитудная погрешность при номинальной частоте вращения составляет ±(0,5 — 3)%, а ошибка асимметрии +(1 - 3)%.

Достоинства и недостатки тахогенераторов. Достоинствами тахогенераторов постоянного тока являются: малые габариты и масса при большой выходной мощности; отсутствие фазовой погрешности, что обусловлено работой на активную нагрузку; кроме того, в тахогенераторах с постоянными магнитами не требуется иметь вспомогательный источник электрической энергии для возбуждения. Однако по сравнению с тахогенераторами переменного тока они имеют ряд недостатков: сложность конструкции, высокую стоимость, нестабильность выходной характеристики из-за наличия скользящего контакта; пульсации выходного напряжения и радиопомехи, возникающие в результате коммутации тока щетками.

 

АСИНХРОННЫЙ ТАХОГЕНЕРАТОР

Назначение. Тахогенераторы применяют в автоматических устройствах для преобразования механического вращения в электрический сигнал. В идеальном случае тахогенератор должен давать на выходе напряжение, пропорциональное частоте вращения:

(5.38)

U = kп или U = kdθ/dt,

где n — частота вращения, об/мин; θ — угол, на который перемещается вал механизма, связанного с тахогенератором. Эту зависимость, являющуюся основной, называют выходной характеристикой тахогенератора.

Тахогенераторы предназначены для следующих целей: измерения частоты вращения; выработки ускоряющих и за-медляющих сигналов; выполнения операции дифференцирования и интегрирования в схемах счетно-решающих устройств. Требования, предъявляемые к точности тахогенератора, различны в зависимости от условий работы. При измерении частоты вращения требуется сравнительно невысокая точность; обычно допустима погрешность 1 - 2,5 %. Наибольшую точность должны иметь тахогенераторы, работающие в качестве дифференцирующих и интегрирующих звеньев в вычислительных устройствах. При этом ошибка в линейности выходной характеристики не должна превышать 0,05 — 0,1 % по амплитуде и 0,1 % по фазе.

Принцип действия. Конструкция асинхронного тахогенератора аналогична конструкции асинхронного исполнительного

Рис. 5.17. Схема асинхронного тахогенератора

двигателя с полым немагнитным ротором. На статоре в пазах уложены две обмотки, сдвинутые в пространстве на 90°. Одна из обмоток В(возбуждения) постоянно включена в сеть, другая обмотка Г (генераторная) присоединена к нагрузке Z_н (рис. 5.17), т. е. является выходной.

По обмотке В проходит переменный ток, в результате чего создается магнитный поток Ф_d , пульсирующий с частотой сети f₁ . Этот поток распределен в пространстве практически синусоидально и его ось совпадает с осью обмотки возбуждения (рис. 5.18, а), называемойпродольной осью d-d. Соответственно поток, создаваемый обмоткой возбуждения, называют продольным. Ось q-q, перпендикулярную оси обмотки возбуждения, называют поперечной.Рассмотрим, какие ЭДС и токи возникают при взаимодействии потока Ф_d с ротором и обмотками статора при неподвижном и вращающемся роторе.

Рис. 5.18. Характер распределения ЭДС и токов в роторе, индуцируемых в результате пульсации потока Фd и вращения ротора

При неподвижном роторе магнитный поток Ф_d пронизывает обмотку возбуждения В, индуцируя в ней ЭДС

(5.39)

Е_в = 4,44f₁ w_в k_o6.в Ф_dm ,

где wв и k_o6.в — число витков и обмоточный коэффициент обмотки возбуждения.

Пренебрегая активным сопротивлением обмотки возбуждения и индуктивным сопротивлением, обусловленным потоком рассеяния, для обмотки возбуждения имеем уравнениеÚ_в + É_в = 0.

В идеальном случае в обмотке Г продольный поток Ф_d не индуцирует ЭДС, так как обмотка Гсдвинута относительно обмотки В на 90°. Следовательно, равно нулю и напряжение на нагрузке. Однако практически точной магнитной симметрии осей указанных обмоток достигнуть невозможно; поэтому часть потока Ф_d оказывается трансформаторно связанной с обмоткой Г и индуцирует в ней некоторую ЭДС, называемую остаточной.

Полый ротор можно представить совокупностью ряда «элементарных проводников». В каждом таком проводнике пульсирующий поток индуцирует ЭДС е_тр ,называемуютрансформаторной. Так как активное сопротивление полого ротора во много раз больше индуктивного, то ЭДС е_тр и вызываемый ею в роторе ток i_тp практически совпадают по фазе. При этом условии создаваемая током i_тp МДС ротора F_2dдействует по продольной оси машины, как при неподвижном, так и при вращающемся роторе. На рис. 5.18, а показано направление ЭДСе_тр, тока i_тp и МДС F_2dв момент времени, когда поток Ф_d уменьшается. Поскольку для обмотки возбуждения справедливо условие Ú_в + É_в = 0, то при возникновении продольной МДС ротораF_2dв обмотке возбуждения появляется компенсирующий ток (аналогично тому, как в трансформаторе), МДС F_вd которого компенсирует действие МДС F_2d.

При вращении ротора каким-либо посторонним механизмом в его элементарных проводниках кроме трансформаторной ЭДС е_тр индуцируется еще и ЭДС вращения е_вр = B_x l₂ v₂ , где В_х — индукция в рассматриваемой точке воздушного зазора в данное мгновение; l₂ — длина ротора в магнитном поле; v₂ — окружная скорость ротора.

Поскольку поток Ф_d пульсирует во времени с частотой сети f₁ , то и индуцируемые им ЭДС е_вртакже пульсируют с этой же частотой. При синусоидальном распределении индукции В_х вдоль окружности ротора максимальное значение ЭДС е_вр в любой момент времени достигается в элементарном проводнике, расположенном по продольной оси машины.

На рис. 5.18,б показано мгновенное направление ЭДС вращения е_вр и создаваемого ею тока i_врв элементарных проводниках полого ротора. При любой частоте вращения направление этой ЭДС в элементах ротора, расположенных по обе стороны от поперечной оси, противоположное. Если пренебречь индуктивным сопротивлением полого ротора, то направление тока i_вр в каждом элементе будет совпадать с направлением ЭДС е_вр . При этом условии токи ротора i_вр создают МДС F_2qи пульсирующий магнитный поток Ф_q , которые направлены по поперечной осиq-q(рис. 5.18, в). Поток Ф_q не сцеплен непосредственно с обмоткой возбуждения; в выходной обмотке он индуцирует ЭДС

(5.40)

Е_г = 4,44f₁ w_г k_об.г Ф_qm ,

где w_г и k_об.г - число витков и обмоточный коэффициент выходной обмотки.

Очевидно, что частота ЭДС в выходной обмотке не зависит от частоты вращения ротора и при любых условиях равна частоте изменения ЭДС е_вр , в роторе, т. е. частоте сети f₁ , питающей обмотку возбуждения. Неизменность частоты выходного напряжения является важным свойством асинхронного тахогенератора.

Рассмотрим, как связана величина ЭДС Е_г в выходной обмотке с частотой вращения ротора. Согласно (5.40) она пропорциональна поперечному потоку Ф_qm = F_2q /R_мq , где F_2q — максимальное значение МДС ротора по поперечной оси; R_мq — магнитное сопротивление машины поперечной оси.

В асинхронной машине с полым немагнитным ротором эффективный воздушный зазор очень велик, а поэтому магнитное сопротивление R_мq является величиной практически неизменной (магнитное сопротивление стальных участков пренебрежимо мало). Следовательно, магнитный поток по поперечной оси практически пропорционален МДС F_2q , которая, в свою очередь, пропорциональна току i_вр и ЭДС вращения е_ер ротора. Однако ЭДС вращения прямо пропорциональна потоку Ф_d и частоте вращения ротора n, поэтому при отсутствии насыщения магнитной системы

(5.41)

U_вых ≈ Е_г = с₁ f₁ Ф_qm = с₂ f₁ F_2q = с₃ f₁ Ф_dmn = с₄ n ,

где с₁ - с₄ - постоянные.

Таким образом, в идеализированном тахогенераторе (при принятых допущениях) ЭДС в выходной обмотке прямо пропорциональна частоте вращения ротора. Иными словами, его выходная характеристика U_вых = f(v) является линейной (рис.5.19, а, кривая 2). В реальных условиях работы тахогенератора указанная характеристика отклоняется от линейной зависимости (кривая 1),т. е. появляется амплитудная погрешность ΔU_вых.

Рис. 5.19. Выходные характеристики некалиброванного (а)и калиброванного (б) асинхронного тахогенератора

Причины погрешностей. Основным показателем качества работы тахогенератора является линейность выходной характеристики. Причинами, вызывающими погрешности тахогенератора, т. е. отклонение выходной характеристики от линейной зависимости, являются:

а) технологические неточности при изготовлении;

б) электромагнитная реакция ротора, изменяющая значения потоков Ф_d и Ф_q при изменении режима работы тахогенератора (частоты вращения и нагрузки).

в) изменение некоторых параметров при изменении частоты вращения (например, сопротивления полого ротора);

г) изменение сопротивления обмоток и магнитного сопротивления по различным осям под влиянием температуры, насыщения и др.

Из-за технологических неточностей при изготовлении тахогенераторов [отклонений обмоток статора В и Г от взаимно перпендикулярного положения, допусков в величине воздушного зазора и толщине полого ротора (рис. 5.18)] в выходной обмотке при частоте вращения ротора, равной нулю, индуцируется некоторая остаточная ЭДС Е_ост , называемая нулевым сигналом. Примерный характер ее изменения в зависимости от угла поворота ротора θ показан на рис. 5.20. Нулевой сигнал, обусловленный неточным взаимным расположением обмоток В и Г, можно уменьшить, если обмотку возбуждения расположить на внешнем статоре, а выходную обмотку — на внутреннем (рис. 5.21, а). Это дает возможность настроить тахогенератор на минимальный нулевой сигнал путем поворота внутреннего статора и установки его в такое положение, при котором остаточная ЭДС в выходной обмотке минимальна.

Рис. 5.20. Зависимость нулевого сигнала от угла поворота ротора

 

Рис. 5.21. Схемы для способов уменьшения нулевого сигнала

Другим способом уменьшения нулевого сигнала является включение обмоток статора по мостовой схеме (рис. 5.21,б). В этом случае между зажимами В и Г включают компенсирующее устройство, состоящее из емкости С и активного сопротивления R, значение которых подбирают так, чтобы в выходной обмотке индуцировалась минимальная остаточная ЭДС. Полностью устранить нулевой сигнал указанными способами не удается из-за технологических допусков в величине воздушного зазора и толщине полого ротора. Обычно при настройке тахогенератора стремятся получить минимальный нулевой сигнал для различных положений ротора.

 

Уравнение выходной характеристики. Это уравнение можно получить путем разложения пульсирующего поля обмотки возбуждения на вращающиеся поля прямой и обратной последовательностей с использованием методики, примененной для анализа двухфазного исполнительного двигателя. При этом уравнение выходной характеристики в комплексной форме приобретет вид

(5.42)

Ú_вых = - jÚ_в k_v /(Á - B́v²),

где v = n₂ /n₁ — относительная частота вращения ротора (n₁ = 60f₁ /p — синхронная частота вращения); Á и B́ — комплексные коэффициенты, зависящие от параметров схемы замещения тахогенератора. Из (5.42) следует, что для снижения погрешности тахогенератора, т. е. получения выходной характеристики, близкой к прямой линии, необходимо уменьшать член B́v², вызывающий отклонение от линейной зависимости. Для этого ограничивают диапазон рабочих частот вращения тахогенератора так, чтобы относительная максимальная частота вращения

Рис.5.22. Зависимости амплитудной (а) и фазовой (б) погрешности от v: 1- при отсутствии нагрузки; 2 - индуктивная нагрузка; 3 - активная нагрузка; 4 - емкостная нагрузка (сопротивление Zн нагрузки имеет одну и ту же величину)

в тахогенераторах, используемых в измерительных устройствах и следящих системах, не превышала 0,5—0,7, а в тахогенераторах, используемых в счетнорешающих устройствах,— 0,2—0,3. При этом тахогенераторы должны иметь большую синхронную частоту вращения, в связи с чем их обычно выполняют на повышенную частоту питающей сети (400—500 Гц), с малым числом пар полюсов р.

В асинхронных тахогенераторах погрешность выходной характеристики является комплексной величиной, т. е. при изменении режима работы машины выходное напряжение изменяет-ся не только по величине, нo и по фазе. В связи с этим различают амплитудную ΔU_вых и фазовую Δψ_вых погрешности тахогенератора (рис. 5.22).

Амплитудную и фазовую погрешности можно уменьшить путем соответствующей калибровки тахогенератора. Под калибровкой понимают установление такого наклона идеальной характеристики тахогенератора (см. рис. 5.19,б, кривая 2), при котором отклонение в среднем реальной характеристики 1 от идеальной было бы минимальным.

 

Датчики с переменным магнитным сопротивлением

Измерительная катушка снабжается магнитным сердечни­ком, на который воздействует поток индукции постоянного маг­нита; катушка помещена перед диском (полюсное колесо) или перед вращающимся ферромагнитным телом. Последователь­ность скачков магнитных свойств (зубья, щели, отверстия) дис­ка или вращающегося тела вызывает периодическое изменение

Магнитного сопротивления в магнитной цепи катушки, ко­торое наводит в ней э.д.с. с частотой, пропорциональной скорости вращения. Амплитуда этой э.д.с. за­висит:

а) от расстояния между ка­тушкой и вращающимся телом; она быстро падает с уве­личением этого расстояния ров); (которое обычно не ожет пре­вышать нескольких миллимет­

б) от скорости вращения (в принципе амплитуда э.д.с. про­порциональна этой скорости); при малых скоростях амплитуда может быть недостаточной для обнаружения, вследствие чего появляется «мертвая зона», в которой невозможны никакие из­мерения. Эта зона тем протяженнее, чем больше расстояние между катушкой и вращающимся телом. Увеличение потерь с повышением скорости ведет к ограничению амплитуды.

Диапазон измерений зависит от числа р скачкообразных из­менений магнитных свойств вращающегося тела, например, от числа зубьев колеса.

Минимальная измеряемая скорость тем меньше, чем больше р, тогда как максимальная измеряемая скорость тем выше, чем меньше р. Типичные диапазоны измерении составляют от 50 до 500 об/мин для колеса с 60 зубьями и от 500 до 10 000 об/ мин для колеса с 15 зубьями.

Датчик рассматриваемого типа позволяет определять ско­рость диска, вращающегося внутри кожуха, при условии, стенка кожуха немагнитная и расстояние между катушкой и. диском остается небольшим.

 

---

Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 1074; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!