Тахогенераторы: синхронные, асинхронные и постоянного тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

1. Назначение и классификация тахогенераторов

2. Асинхронные тахогенераторы

2.1 Уравнение Э.Д.С.

2.2 Погрешности АТ

2.2.1 Классификация погрешностей AT

2.2.2 Амплитудные и фазовые ошибки AT от изменения скорости

2.2.3 Остаточная э. д. с. AT

2.2.4 Погрешности АТ от изменения температуры

2.2.5 Погрешности AT от изменения частоты

3. Тахогенераторы постоянного тока

3.2 Выходная характеристика

3.3 Погрешности ТГ и методы их уменьшения

3.4 Сравнение AT и ТГ постоянного тока

4. Синхронные тахогенераторы

Список использованной литературы

1. Назначение и классификация тахогенераторов

Тахогенераторами (ТГ) называются электрические микромашины, выходная э. д. с. которых пропорциональна угловой скорости ротора. Поскольку в электрических машинах генерируемая э.д.с. пропорциональна скорости ротора, то в качестве ТГ может быть использован любой тип электрического генератора: синхронный, асинхронный, постоянного тока, индукторный и т. д.

В автоматических системах наибольшее распространение получили два типа ТГ: асинхронные и постоянного тока. В зависимости от назначения все они делятся на две группы: ТГ для демпфирования следящих систем и ТГ как счетно-решающие элементы в электромеханических интеграторах. На рис.1 приведена принципиальная схема следящей системы, в которой ТГ использован для скоростного демпфирования. Выходная э.д.с. тахогенератора складывается с сигналом измерителя рассогласования командной и исполнительной осей и подается через усилитель на исполнительный двигатель.

Применение ТГ улучшает качественные показатели следящей системы. При отсутствии сигнала обратной связи по скорости в следящей системе, как правило, наблюдается перерегулирование, и она приходит в согласованное положение после нескольких качаний (кривая 1 на рис.2). При включении демпфирующего ТГ исполнительная ось не совершает качаний (кривая 2) при приближении к положению согласования. ТГ вырабатывает сигнал, противоположный по знаку сигналу рассогласования, и перерегулирования не происходит. тахогенератор погрешность электродвижущая сила

Схема электромеханического интегратора с использованием ТГ постоянного тока приведена на рис.3.

Входным сигналом является напряжение U (t), которое необходимо проинтегрировать, выходным -- напряжение U_о на потенциометре (Пт), которое пропорционально

.

Рис.1. Принципиальная схема следящей системы с демпфирующем тахогенератором Д -датчик; П -приемник; Дв -исполнительный двигатель; ТГ -тахогенератор; Р -редуктор.

Рассмотрим основные соотношения для этой схемы. При медленном изменении входного сигнала исполнительный двигатель, управляемый через усилитель разностью входного напряжения и э.д.с. ТГ, успевает в любой момент времени достигнуть скорости, при которой U (t)= E_г; но Е_г= к_т(^da/_dt), где к_т--коэффициент пропорциональности для тахогенератора.

Отсюда

Напряжение, снимаемое с линейного потенциометра, пропорционально углу поворота его движка и_дв : U_о = к_пи_дв = к_пк_ра, где к_п--постоянный коэффициент-- крутизна выходного напряжения потенциометра; к_ред--передаточное число механического редуктора. Таким образом,

. (1)

Требования, предъявляемые к характеристикам демпфирующих и счетно-решающих ТГ существенно различны. Для счетно-решающих ТГ наиболее важными показателями являются: линейность выходной э. д. с. в зависимости от угловой скорости ротора, т. е. постоянство пропорциональности к_т; стабильность характеристик во времени и отсутствие э. д. с. при неподвижном роторе.

Рис.2. Кривые переходного процесса при согласовании следящей системы

Рис.3. Принципиальная схема электромеханического интегратора с ТГ постоянного тока

Погрешность воспроизведения линейной зависимости для ТГ этого типа составляет 0,02--0,1%. Для демпфирующих ТГ линейность зависимости выходной э. д. с. от скорости может быть в пределах нескольких процентов; для них важное значение имеют крутизна выходной э. д. с, отсутствие помех в выходном сигнале, момент инерции ротора.

Кроме указанных двух типов ТГ, в автоматических и других системах используются ТГ как измерители угловой скорости валов двигателей и различного рода механизмов. В качестве измерителей скорости применяются электрические машины постоянного тока с постоянными магнитами, индукторные и синхронные генераторы. Они имеют относительно высокую точность зависимости выходного напряжения от скорости; погрешность воспроизведения линейной зависимости составляет 0,2--0,5%.

2. Асинхронные тахогенераторы

Асинхронный тахогенератор (АТ) представляет собой двухфазную асинхронную машину с короткозамкнутым ротором, выполненным в виде тонкостенного немагнитного стакана. На статоре АТ расположены две обмотки, магнитные оси которых смещены в пространстве относительно друг друга на 90 электрических градусов (рис.4). Одна из обмоток -- обмотка возбуждения -- включается в сеть переменного тока. Для удобства обозначим эту обмотку через В. Она создает в машине пульсирующий с частотой сети магнитный поток Ф_d. Поскольку ось этого потока совпадает с осью обмотки возбуждения, его называют продольным магнитным потоком. Значение продольного потока пропорционально приложенному напряжению, т. е. Ф_d = U_в. При неподвижном роторе пульсирующий магнитный поток Ф_d индуктирует в роторе трансформаторную э. д. с, которая создает ток I_d и н. с. по продольной оси.

Если ротор АТ приведен во вращение с некоторой угловой скоростью , то в нем индуктируется еще э. д. с. вращения, пропорциональная Ф_d и щ_р: Е_q = .Под действием этой э. д. с. возникают поперечный ток ротора І_q, и поперечный поток Ф_q, которые также пропорциональны U_в и изменяются во времени с частотой сети.

Рис.4. Принципиальная электрическая схема асинхронного тахогенератора

Поперечный магнитный поток Ф_q индуктирует во второй обмотке АТ, называемой генераторной обмоткой, э. д. с.

, (2)

где к₁ -- коэффициент пропорциональности, зависящей от электрических параметров обмотки и ротора АТ.

Частота э. д. с. генераторной обмотки АТ не зависит от угловой скорости ротора и всегда равна частоте сети, от которой питается обмотка возбуждения; ее фаза определяется электрическими параметрами АТ. Необходимо отметить, что в общем случае линейная зависимость э. д. с. генераторной обмотки от угловой скорости ротора на самом деле существует с некоторым приближением, которое зависит главным образом от активного сопротивления короткозамкнутого ротора и индуктивного сопротивления рассеяния обмотки возбуждения.

Конструктивные схемы выполнения АТ представлены на рис.5, АТ состоит из внешнего 1 и внутреннего 2 магнитопроводов, выполненных из листового пермаллоя, полого немагнитного ротора 3 и двух обмоток: возбуждения 4 и генераторной 5. Изображенные на рис.5 конструктивные схемы АТ отличаются друг от друга местом расположения обмоток. В первой схеме (рис.5, а) обе обмотки (возбуждения и генераторная) располагаются на внешнем магнитопроводе, во второй (рис.5, б) -на внутреннем магнитопроводе, в третьей (рис.5, в) -одна из обмоток располагается на внешнем магнитопроводе, а вторая -- на внутреннем магнитопроводе. Внутренний магнитопровод крепится на втулке 6. Сквозь втулку проходит вал ротора 7.



Рис.5. принципиальные конструктивные схемы АТ: а - обе обмотки на внешнем магнитопроводе; б - обе обмотки на внутреннем магнитопроводе; в - одна обмотка на внешнем, а вторая - на внутреннем магнитопроводе. 1 - внешний магнитопровод; 2 - внутренний магнитопровод; 3 - ротор; 4 - обмотка возбуждения; 5 - генераторная обмотка; 6 - крышка; 7 - вал

Асинхронные тахогенераторы, в том числе входящие в агрегаты асинхронный двигатель-генератор АДТ, по назначению можно разделить на три группы:

Асинхронные тахогенераторы, выполняющие функции демпфирования следящих систем. Это сравнительно «грубые» электрические микромашины, к которым предъявляют весьма малые требования по точности.

Асинхронные тахогенераторы -- указатели скорости; они находят применение в устройствах стабилизации частоты вращения. Основные требования к таким АТ: достаточная линейность (0,5--1%) и стабильность характеристик.

Асинхронные тахогенераторы -- элементы счетно-решающих устройств. К АТ этой группы предъявляют высокие требования по линейности характеристик (0,02--0,1%), стабильности и надежности в работе.

Остановимся несколько подробнее на функциях, выполняемых АТ третьей группы. Из уравнения (2) следует, что при неизменном значении напряжения возбуждения U_в э. д. с. генераторной обмотки

(3)

или

,

т. е. при помощи АТ можно решать задачи дифференцирования и интегрирования функций. Для дифференцирования какой-либо функции необходимо поворачивать ротор АТ на углы, пропорциональные величине этой функции, тогда напряжение на генераторной обмотке будет пропорционально производной от этой функции. В том случае, когда производная от этой функции должна быть представлена в виде угловой величины, используется схема, изображенная на рис.6. Помимо известных элементов в этой схеме использован ЛВТ -- линейный вращающийся трансформатор.

Для интегрирования функции во времени надо преобразовать ее в электрическое напряжение и вращать ротор АТ так, чтобы э. д. с. его генераторной обмотки в любой момент времени компенсировала это напряжение. Тогда угол поворота ротора АТ будет пропорционален значению интеграла во времени от данной функции. Очевидно, что преобразователь функции в напряжение и асинхронный тахогенератор должны питаться от одной сети. На рис.7 приведена принципиальная схема электромеханического интегратора с асинхронным тахогенератором. Если напряжение возбуждения АТ изменять пропорционально другой заданной функции времени, то, как видно из формулы (3), с помощью АТ можно получить интеграл отношения двух функций

.

Рис.6. Блок-схема для выполнения операции дифференцирования

Рис.7. Блок-схема электромеханического интегратора

Как уже отмечалось, зависимость напряжения генераторной обмотки АТ от скорости и напряжения возбуждения приближенно соответствует уравнению (2), отображающему характеристики идеального тахогенератора. Расхождения по амплитуде и фазе между идеальным и действительным значениями напряжения представляют собой погрешности АТ.

Как элемент электрических счетно-решающих устройств и систем автоматики, асинхронный тахогенератор характеризуют следующие данные: напряжение и частота питающей сети; потребляемые ток и мощность; крутизна э. д. с. генераторной обмотки в мВ/об/мин; сдвиг фазы э. д. с. генераторной обмотки относительно напряжения возбуждения; выходное сопротивление генераторной обмотки; момент инерции ротора; относительные амплитудные погрешности от изменения скорости, температуры и частоты; фазовые погрешности от изменения скорости, температуры и частоты; величина остаточной э. д. с. генераторной обмотки.

2.1 Уравнение Э.Д.С.

Уравнения э. д. с. асинхронного тахогенератора практически совпадают с уравнениями э. д. с. обобщенной электрической машины.

В отличие от обобщенной идеализированной машины будем считать что: напряжения, приложенные к обмоткам ротора, равны нулю; коэффициенты взаимоиндукции по продольной и поперечной осям одинаковы; индуктивное сопротивление рассеяния ротора равно нулю (это допущение оправдывается тем, что обмотка ротора располагается в воздушном зазоре); в цепь генераторной обмотки включено некоторое сопротивление Z_Н.

Электрическая схема АТ с нагрузкой приведена на рис.8. Уравнения э. д. с. контуров АТ при постоянной угловой скорости в установившемся режиме запишем в виде:



где

При анализе АТ наибольший интерес представляют токи I_В и I_г. Поэтому, исключая из уравнений (8) токи I_b и I_q, придем к системе уравнений относительно токов I_В и I_г:

Решая эти уравнения относительно токов I_В и I_г, получим



Напряжение на зажимах генераторной обмотки

Полученные формулы позволяют произвести расчет основных характеристик АТ при любых сопротивлениях нагрузки и скорости ротора.

Входное сопротивление АТ определяется по формуле:

Формулу для расчета выходного сопротивления АТ вследствие симметрии обмоток получим из формулы (9) путем замены Z_B на Z_Г и Z_Г^` на Z_В:

Как видно из полученных формул, входное и выходное сопротивления АТ зависят от скорости ротора.

Поскольку счетно-решающие АТ обычно работают в компенсационных схемах, рассмотрим выражения для I_в, U_г = E_г и Z_ВХ в режимах холостого хода. Полагая, что Z_H= Z_Г^` =?, получим:



Или

Где

Введя безразмерные параметры

формулы для а и b перепишем в виде:

Входное сопротивление АТ

При х=0 Z_ВХ = Z_в+Z_П, что соответствует эквивалентной схеме трансформатора при коротком замыкании (рис.8). Первичная обмотка трансформатора -- обмотка возбуждения, вторичная -- полый ротор.

Из формулы (12) следует, что э. д. с. Генераторной обмотки AT зависит от скорости ротора нелинейно. Улучшение линейности обеспечивается уменьшением коэффициента b. Наиболее целесообразно уменьшать b путем увеличения активного сопротивления ротора, поэтому роторы счетно-решающих AT изготовляются из материалов с высоким удельным сопротивлением. Следует заметить, что с увеличением r падает крутизна э. д. с. Генераторной обмотки, определяемая коэффициентом а.

В некоторых случаях желательно, чтобы э. д. с. генераторной обмотки совпадала по фазе с напряжением возбуждения. Это требование удовлетворяется, если Jm a = 0,

При этом коэффициент, определяющий крутизну э. д. с. Генераторной обмотки, равен

Рис.8. Эквивалентная схема АТ при неподвижном роторе

2.2 Погрешности АТ

2.2.1 Классификация погрешностей AT

Для асинхронных тахогенераторов первостепенное значение имеет получение линейной зависимости э. д. с. генераторной обмотки от скорости ротора в достаточно широком интервале изменения температуры, напряжения и частоты. В реальных условиях это требование выполняется с некоторым приближением, которое характеризует погрешности AT.

В качестве основных величин, характеризующих погрешности AT, принимаются:

1) относительная амплитудная ошибка э. д. с. генераторной обмотки от изменения скорости, температуры, напряжения и частоты; она определяется как отношение максимальной разности э. д. с. ?Е реального и идеализированного AT к максимальному значению э. д. с. генераторной обмотки:

где ?E_х, ?E_T, ?E_u, ?E_f -- максимальные отклонения э. д. с. генераторной обмотки от изменения соответственно скорости, температуры, напряжения и частоты AT;

фазовая ошибка, под которой понимается максимальное отклонение фазы э.д.с. генераторной обмотки ?ц от ее номинального значения при изменении скорости, температуры, напряжения и частоты;

остаточная э. д. с. -- это э. д. с. генераторной обмотки при неподвижном роторе (ее иногда называют э. д. с. помех).

Как и для всех электрических информационных микромашин, перечисленные погрешности AT по своей физической природе можно разделить на четыре группы.

Погрешности, вытекающие из принципа работы; для AT эти погрешности обусловлены нелинейной зависимостью э. д. с. генераторной обмотки от скорости ротора (12) и обозначаются: е_х -- относительная амплитудная ошибка от изменения скорости и ? ц_х -- фазовая ошибка от изменения скорости.

Погрешности из-за конструктивных ограничений AT как электрической машины; сюда относятся погрешности от высших пространственных гармоник индукции и от нелинейности кривой намагничивания; они сравнительно невелики и для AT могут не рассматриваться, если составляют не более 0,05%.

Технологические погрешности AT из-за неточности изготовления магнитопроводов и полого немагнитного ротора; они возникают главным образом при малых скоростях и с количественной точки зрения характеризуются остаточной э. д. с. которая в общем случае состоит из двух составляющих: постоянной, определяемой электрической и магнитной асимметрией магнитопровода, и переменной, зависящей от электрической асимметрии ротора.

4. Погрешности от изменения условий эксплуатации; наибольшее значение имеют погрешности от изменения температуры и частоты сети.

В AT различных типов и назначений требования к значениям перечисленных погрешностей неодинаковы. Естественно, что наиболее жесткие требования к значениям погрешностей предъявляются в счетно-решающих AT. Рассматриваемый ниже анализ погрешностей выполнен для AT этого типа.

2.2.2 Амплитудные и фазовые ошибки AT от изменения скорости

Для определения погрешностей AT от изменения скорости ротора воспользуемся формулой (12). Знаменатель в этой формуле представляет собой комплексное число, равное сумме единицы и малого комплексного числа bх². Изменение модуля знаменателя (1 + bх²) характеризует амплитудную ошибку AT, а изменение аргумента -- фазовую ошибку.

Рис.9. Зависимость Э.Д.С. генераторной обмотки АТ от скорости вращения

Пусть х_к -- скорость ротора AT, при которой э. д. с. генераторной обмотки Е_г и э. д. с. по выбранной линейной зависимости Е_о компенсируют друг друга (рис.9.). Тогда относительная ошибкаAT, записанная в комплексной форме,

или, пренебрегая членами с bх²,

Вещественная часть выражения (19) равна относительной амплитудной ошибке АТ от изменения скорости, а мнимая часть -- фазовой ошибке.

Обозначая b₁=Re b; b₂ = Jm b, будем иметь:

Определим значение х_к при котором относительная амплитудная ошибка е_х будет минимальна. Из формулы (20) путем дифференцирования находим, что е_х имеет наибольшее значение при

Значение относительной амплитудной ошибки при этом будет

Относительная амплитудная ошибка при максимальной скорости определяется по формуле (20):

(22)

Очевидно, что выбранная линейная зависимость э. д. с. генераторной обмотки является наилучшей, если е_хm =- е_хm . Подставляя сюда два последних выражения для е_хo и е_хm, приходим к уравнению для определения х_к:

Отсюда определяют оптимальную скорость ротора AT х_к, при которой необходимо компенсировать э. д. с. генераторной обмотки, чтобы получить наименьшую амплитудную ошибку от изменения скорости ротора в диапазоне от 0 до х₀.

Значение скорости

Подставляя его в формулу (21) или (22), получим выражение для относительной амплитудной ошибки Л Г от изменения скорости:

выражая е_хm в процентах, находим

Максимальная фазовая ошибка, как видно из выражения (20), определяется по аналогичной формуле:

Используя соотношение (24), получим

(25)

2.2.3 Остаточная э. д. с. AT

Остаточная э. д. с. генераторной обмотки возникает вследствие технологических погрешностей при изготовлении AT. Как показывает анализ, остаточная э. д. с. содержит основную временную гармонику и высшие гармоники. Действующее значение основной гармоники в общем случае зависит от углового положения ротора. Формулу для E_Т можно записать в виде:

где Е_пост -- постоянная составляющая остаточной э. д. с, не зависящая от углового положения ротора; Е_ПЕР -- переменная составляющая остаточной э. д. с, изменяющаяся при повороте ротора AT.

Постоянная составляющая остаточной э. д. с. Е_пост сдвинута по фазе относительно напряжения возбуждения на некоторый угол ц_ост (рис.10.), который зависит от различных факторов: типа магнитной асимметрии магнитопроводов, наличия коротко-замкнутых витков, емкостных связей между обмотками и т. п.

Рис.10. Постоянная составляющая остаточной Э.Д.С



Рис.11. Влияние остаточной Э.Д.С. АТ на симметричность выходных характеристик

Большое значение Е_пост приводит к тому, что выходная характеристика AT Е_вых = Е_пост + Е_г =f(х) оказывается несимметричной (рис.11.). Для уменьшения Е_посг применяют ряд методов:

1.Включение последовательно с генераторной обмоткой AT компенсирующего устройства (КУ) с добавочной э. д. с, находящейся в противофазе с Е_пост (рис.12.).

2.Размещение обмоток AT на различных элементах магнитопровода для изменения взаимоиндукции между ними, например внутренний магнитопровод может слегка поворачиваться с помощью специального эксцентрика. При этом методе компенсируется только составляющая остаточной э. д. с, находящаяся в фазе с э. д. с. обмотки возбуждения (рис.13.).

Устройство по оси генераторной обмотки AT компенсирующих обмоток I и II (рис.14.). Одна из обмоток питается непосредственно от сети через большое активное сопротивление R3, вторая -- от напряжения на небольшом активном сопротивлении R1, включенном последовательно с обмоткой возбуждения AT. Подбирая сопротивления Rl, R2 и R3 и переключая концы обмоток, можно создать н. с, имеющую произвольную временную фазу, и тем самым скомпенсировать любую постоянную составляющую остаточной э. д. с.

Рис. 12. Уменьшение остаточной э. д. с. Рис. 13. Компенсация остаточной э. д. с. Рис. 14. Компенсация остаточной э. д. с. с помощью компенсирующего устройства за счет поворота внутреннего сердечника с помощью компенсирующих обмоток

Естественно, что все указанные методы дают удовлетворительные результаты, если остаточная э. д. с. стабильна. В противном случае необходима периодическая регулировка AT.

Рис.15. К образованию переменной составляющей остаточной э. д. с.

Переменная составляющая остаточной э. д. с. Е_пер обусловлена электрической асимметрией ротора, которую можно представить себе в виде короткозамкнутого витка в симметричном роторе, создающего взаимоиндукцию между обмотками А Т как функцию угла поворота ротора (рис.15.).

Для уменьшения переменной составляющей остаточной э. д. с. следует увеличить число пар полюсов AT. Значительного ее уменьшения ной э. д. с. можно достигнуть симметрированием ротора, которое сводится к механическому удалению части металла с поверхности полого ротора AT в месте образования условного короткозамкнутого витка.

2.2.4 Погрешности АТ от изменения температуры

Как видно из формулы (15), значение коэффициента а зависит от температуры через параметры ш и в. После преобразования получим

Найдем относительное изменение коэффициента а:

Вещественная часть равна относительной амплитудной ошибке AT от изменения температуры, мнимая -- фазовой ошибке.

В общем случае для любых значений безразмерных параметров ш,о и в выражения получаются весьма громоздкими. Однако для счетно-решающих AT, в которых погрешности от изменения температуры имеют важное значение, можно сделать существенные упрощения. По условиям получения минимальных амплитудных и фазовых погрешностей А Т от изменения скорости необходимо, чтобы b«1 или, как это следует из второй формулы (15), ш«в и о«в

При этом условии



Для получения большого значения в ротор счетно-решающих АТ выполняется из материала с высоким удельным сопротивлением (спецманганин, константант и др.), которые, как правило, имеют низкое значение температурного коэффициента сопротивления, т. е. ?в/в примерно на три порядка меньше ?ш/ш. Это означает, что в АТ на температурную погрешность основное влияние оказывает изменение активного сопротивления обмотки возбуждения. При этих условиях выражения (27) можно существенно упростить

Заменяя ?ш/ш=б₁?Т, где а₁ -- температурный коэффициент сопротивления обмотки возбуждения, получим

(28)

Уменьшение температурных погрешностей AT может быть достигнуто различными методами:

а)выбор рациональной конструкции AT, при которой относительный параметр ш будет минимальным;

б)применение в качестве материала ротора сплавов с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления;

в)включение в цепь возбуждения термосопротивлений с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления;

г)регулировка схемы интегрирующего привода, в котором наиболее часто применяются AT, например путем выбора фазы опорного напряжения усилителя или параметров цепи компенсации.

2.2.5 Погрешности AT от изменения частоты

Для определения погрешности AT от изменения частоты формулу для э. д. с. генераторной обмотки (12) представим в виде (членом bх² в знаменателе можно пренебречь)

(29)

От частоты сети в этом выражении зависит коэффициент а, определяемый по (26) через параметры ш и в; при этом, очевидно,

(30)

Из формулы (29) получаем

(31)

Выражая через и и используя соотношение (30) можно найти формулу для определения Опуская громоздкие алгебраические преобразования, приведем окончательное выражение

Относительная погрешность от изменения частоты существует, даже если собственные параметры обмотки возбуждения равны нулю; полагая в (32) ш=о=0, получим

Следует отметить, что в компенсационных схемах частотная погрешность проявляется незначительно. Это объясняется тем, что для согласования по фазе э. д. с. генераторной обмотки с напряжением задающего элемента в выходную цепь последнего включается фазосдвигающее устройство, представляющее собой цепочку RC (рис.16.); изменение напряжения от частоты на выходе этой цепочки описывается формулой, аналогичной

Действительно, задающее напряжение -- напряжение на конденсаторе -- равно

а его относительное изменение при колебаниях частоты

 (34)

что совпадает с формулой (33) при .На самом деле вследствие наличия собственных параметров обмотки возбуждения определенная погрешность от изменения частоты остается даже в компенсационных схемах.

Рис.16. Фазосдвигающая цепочка RC

3. Тахогенераторы постоянного тока

В качестве тахогенераторов постоянного тока используются электрические машины постоянного тока малой мощности с возбуждение от постоянных магнитов или независимым электромагнитным возбуждением. Это, как правило, двухполюсные машины без добавочных полюсов, у которых для повышения линейности зависимости выходного напряжения от угловой скорости предусмотрены определенные конструктивные меры (рис.17.):

скос пазов якоря на одно зубцовое деление с целью исключения пульсации магнитного потока;

шихтованные пакеты статора и ротора для уменьшения потерь от вихревых токов;

применение большого числа коллекторных пластин, специальных щеток и материала коллектора для снижения пульсаций выходной э. д. с. и получения надежного контакта;

выбор относительно большого значения l/D с целью снижения момента инерции ротора и момента трения в опорах.

Для исключения пульсаций магнитного потока и потерь от вихревых токов в некоторых типах ТГ применяется полый якорь в виде пластмассового стаканчика с запрессованной в него обмоткой якоря (рис. 18). Обычно такая конструкция машины выполняется при применении возбуждения от постоянных магнитов, так как воздушный зазор в этом ТГ довольно большой и при электромагнитном возбуждении была бы необходима значительная н.с. обмотки.

3.2 Выходная характеристика

Выходной характеристикой ТГ постоянного тока называется зависимость напряжения на якоре

Рис.17. Принципиальная конструктивная схема ТГ постоянного тока с барабанным якорем. 1 -- магнитопровод статора (явнополюсный); 2 -- якорь с обмоткой; 3 -- обмотка возбуждения; 4 -- корпус; 5 -- подшипниковый щит; 6 -- щетка; 7 -- коллектор; 8 -- подшипник; 9 -- вал

Найдем эту зависимость для идеального ТГ, у которого магнитный поток полюсов постоянен, реакция якоря и коммутационных токов пренебрежимо мала, а падение напряжения в щеточном контакте равно нулю.

Рис.18. Принципиальная конструктивная схема ТГ с полым якорем. 1 -- кольцевой магнитопровод статора; 2 - постоянный магнит с цилиндрическим отверстием; 3 -- полый якорь; 4 -- корпус; 5 -- подшипниковый щит; 6 -- щетка;7 -- коллектор; 8 -- подшипник; 9 -- вал

Уравнение э. д. с. цепи якоря

Но

Отсюда

(35)

На рис.19.штриховой линией проведены зависимости U_o =f(щ_p) для идеального ТГ при различных R_н. В действительности сформулированные выше допущения для идеальных ТГ в реальных ТГ не выполняются, что приводит к искажению линейной зависимости, которое тем больше, чем ниже сопротивление нагрузки (сплошные кривые на рис.19.).

Рис.19. Выходные характеристики ТГ постоянного тока

3.3 Погрешности ТГ и методы их уменьшения

Отклонение выходной характеристики от линейной зависимости называется основной погрешностью ТГ. Она обусловлена реакцией якоря и коммутационных токов, ослабляющей магнитной поток полюсов, а также падением напряжения под щетками. Для оценки этой погрешности составим уравнение э. д. с. ТГ с учетом указанных факторов

(36)

Считая магнитную цепь не насыщенной, можно принять

где к₁ -коэффициент пропорциональности.

Подставляя это выражение в (36) и заменяя , получим

Решая это уравнение относительно U, находим

Полагая, что , будем иметь

(37)

Относительную погрешность выходной характеристики ТГ определим по формуле

.

Подставляя сюда выражение (37) и пренебрегая членом

, получим

где щ_р0 -- максимальное значение угловой скорости ротора ТГ.

Для уменьшения первой составляющей погрешности применяются металлизированные щетки с малым падением напряжения; в прецизионных ТГ коллектор выполняют из коррозионностойких материалов (никель, серебро). Вторая составляющая основной погрешности может быть уменьшена применением добавочных полюсов, увеличением воздушного зазора, выбором формы полюсных наконечников и ширины щеток.

В ТГ с постоянными магнитами снижение влияния реакции якоря и коммутационных токов можно достигнуть выбором рабочей точки на кривой возврата магнита.

На работу ТГ постоянного тока существенное влияние оказывают технологические погрешности, обусловленные несимметрией воздушного зазора (эксцентриситет, различие в магнитных свойствах полюсов) и неточностью скоса пазов.

Несимметрия воздушного зазора приводит к пульсациям выходной э. д. с. с частотой, равной или кратной угловой скорости ротора. Эти пульсации называют полюсными пульсациями в отличие от оборотных пульсаций э. д. с, вносимых соединительной муфтой. Для уменьшения полюсных пульсаций применяют специальную технологию: шлифовка поверхности якоря в собственных подшипниках, расточка полюсов в сборке со станиной, обработка посадочных поверхностей под подшипниковые щиты с одной установки на станке, веерная сборка якоря, специальная шихтовка полюсов и т. п. Зубцовые пульсации э. д. с. связаны с колебаниями магнитной проводимости полюса из-за наличия пазов на якоре. Их угловая частота равна Z_pщ_p. Для уменьшения зубцовых пульсаций увеличивают воздушный зазор, применяют скос паза по винтовой линии на одно зубцовое деление, выполняют магнитные клинья.

Отмеченные технологические погрешности ТГ постоянного тока практически отсутствуют в ТГ с полым якорем; по этой причине прецизионные ТГ постоянного тока выполнены с якорем в виде пластмассового стаканчика, с обмоткой из тонкого провода.

Кроме основной и технологической погрешностей ТГ существует дополнительная погрешность, обусловленная главным образом изменением температуры окружающей среды. Для уменьшения этой погрешности в ТГ с электромагнитным возбуждением последовательно с обмоткой возбуждения включается термозависимое сопротивление с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (рис.20.) или же применяются теплочувствительные магнитные шунты МШ (рис.21.), изготовленные из сплавов, изменяющих свою магнитную проводимость при нагреве машины; с ростом температуры сопротивление магнитного шунта увеличивается, что приводит к уменьшению потока шунта Ф₈ и поддержанию постоянства магнитного потока, замыкающегося через якорь.

Рис.20. Схемы температурной компенсации ТГ постоянного тока

Рис.21. Стабилизация магнитного потока с помощью теплочувствительного магнитного шунта

3.4 Сравнение AT и ТГ постоянного тока

ТГ постоянного тока имеет определенные преимущества и недостатки по сравнению с асинхронным тахогенератором.

Основные преимущества ТГ постоянного тока:

отсутствие остаточной э. д. с. при неподвижном роторе;

нет проблемы фазирования выходной э. д. с. при работе в компенсационных схемах;

высокое значение крутизны выходной э. д. с;

более простые методы компенсации температурных погрешностей.

Недостатки:

наличие щеток и коллектора приводит к снижению срока службы и надежности ТГ;

в процессе коммутации в выходных цепях появляются высокочастотные помехи, ограничивающие возможности применения ТГ в некоторых схемах;

3)большое значение момента сухого трения, что исключает применение ТГ постоянного тока в прецизионных интеграторах.

4. Синхронные тахогенераторы

Синхронные тахогенераторы по принципу действия тождественны обычным синхронным генераторам, используемым для преобразования механической энергии в электрическую.

Рис.22. Принципиаль- Рис.23. Индукторный тахогенератор повышеннойная схема синхронного частоты тахогенератора 1-статор;2-ротор; 3 -- генераторная обмотка; 4 -- обмотка возбуждения

В качестве тахогенераторов наиболее часто применяются два типа синхронних машин: синхронные генераторы с магнитоелектрическим возбуждением и индукторные генераторы повышенной частоты с электромагнитным возбуждением.

Принципиальные схемы указанных генераторов приведены на рис.22. и 23. Обмотки статора выполняются однофазними или трехфазными. Однофазнне обмотки применяются в тахогенераторах, у которых выходной величиной, характеризующей скорость вращения ротора, является частота Е.Д.С.

Трехфазные обмотки целесообразно применять в ТГ, выходной величиной которых является напряжение на зажимах при заданном сопротивлении нагрузки, в этом случае напряжение предварительно выпрямляют с помощью полупроводниковых диодов.

В синхронных тахогенераторах, выполненных по типу обычных синхронных машин, наблюдаются те же основные погрешности, что и в ТГ постоянного тока: зависимость выходной Е.Д.С. от нагрузки, оборотные пульсации Е.Д.С. от несимметрии воздушного зазора, зубцовые пульсации, зависимость Е.Д.С. от изменения температуры. Для уменьшения етих погрешностей применяются такие же меры, как и в ТГ постоянного тока.

В индукторных тахогенераторах повышенной частоты оборотные пульсации практически отсутствуют, а зубцовые пульсации благодаря их высокой частоте могут быть сглажены с помощью малоинерционного RС-фильтра.

Для уменьшения зависимости Е.Д.С. от изменения температурs рабочая точка кривой намагничивания (рис.24) выбирается в зоне насыщения. Пологий участок кривой намагничивания с ростом тока возбуждения объясняется тем, что начиная с некоторого значення потока в машине, его изменение в зубцах уменьшается, что является характерным для индукторных машин.

Внешняя характеристика индукторного тахогенератора, так же как и обычного синхронного ТГ, резко падающая, поетому ТГ этого типа должны работать на постоянное сопротивление нагрузки.

Теоретические основы работі синхронных тахогенераторов не отличаются от теории синхронных генераторов обычного исполнения и хорошо известны из общего курса электрических машин, поэтому в настоящей отчёте они не рассматриваются.

Размещено на Allbest.ru