Генераторные преобразователи скорости вращения

Генераторными преобразователями скорости вращения - тахогенераторы (ТГ) постоянного тока, асинхронные и синхронные представляют собой микромашины постоянного или переменного тока, которые работают в генераторном режиме, создавая на выходе электродвижущую силу (ЭДС), величина которой зависит от скорости ω вращения ротора.

Тахогенератор постоянного тока - это электрическая машина постоянного тока с независимым возбуждением (рис. 8.12а) или с возбуждением от постоянного магнита (рис. 8.12б).

Обмотка возбуждения LBR или постоянный магнит создает постоянный магнитный поток Ф в электрической машине. ЭДС на щетках тахогенератора

Е = с_еФ ω = к ω,

где с_е - конструктивная постоянная, к = с_еФ = const.

Выходное напряжение U = Е, если сопротивление нагрузки тахогенератора R_H = ∞. В этом случае характеристика управления тахогенератора представляет собой линейную зависимость U от ω (наклонная прямая на рис. 8.13). Если же сопротивление нагрузки имеет конечную величину R_H < ∞, то линейность преобразования ω→ U нарушается.

Протекающий в цепи якорной обмотки ток вызывает реакцию якоря. Линейная характеристика искажается, как показано на рис. 8.13. В характеристике управления имеет место нелинейность в зонах малых и больших скоростей. Приближение характеристики управления к линейной зависимости U от ω достигается за счет увеличения сопротивления R_H нагрузки. Поэтому приемник сигнала от ТГ должен иметь большое входное сопротивление. Тогда характеристика управления может быть приближенно представлена линейной зависимостью

U = к_ТГ ω

Постоянный по величине коэффициент к_ТГ определяется выражением

,

где R_Я - сопротивление якорной обмотки и щеточного контакта.

Для уменьшения коллекторных пульсаций напряжения U увеличивают количество пластин коллектора. Якорь выполняют полым, без пазов. Параллельно якорной обмотке подключают конденсатор С для сглаживания пульсаций напряжения. Постоянная времени емкостного фильтра

,

возрастает с увеличением емкости С. Однако при этом уменьшается полоса пропускания тахогенератора. При частотах сигнала на входе f _ω > 1/2π Т амплитудная погрешность напряжения на выходе превышает 3 дБ, а фазовая превышает 45^О.

Зависимость выходной величины U от входной величины ω в динамике описывают дифференциальным уравнением

.

Асинхронный тахогенератор переменного тока выполнен на базе асинхронной двухфазной машины. На статоре 1 имеются две обмотки с взаимно перпендикулярными осями: обмотка возбуждения L1, расположенная по оси d - d, и выходная (генераторная) обмотка L2, расположенная по оси q – q (рис. 8.14а).

Обмотка возбуждения L1 подключается под переменное напряжение U₁ чатотой f равной 50 Гц или 400 Гц. С генераторной обмотки L2 снимается выходной сигнал – переменное напряжение U₂ частотой f. Амплитуда U_m2 напряжения U₂ зависит от уловой скорости ω вращения ротора.

Для уменьшения момента инерции ротор 2 выполняется тонкостенным в виде стакана из немагнитного проводникового материала (обычно алюминиевого сплава). Внутри ротора размещается неподвижный шихтованный сердечник по которому замыкаются магнитные потоки.

Принцип действия асинхронного тахогенератора состоит в следующем.

Обмотка возбуждения L1 создает вдоль оси d - d переменный магнитный поток Ф_d (на рис. 8.14б показан стрелкой, направленной по оси d - d). Поток Ф_d пульсирует с частотой f, изменяя направление через каждые 1/2 f секунды. В роторе индуцируется трансформаторная ЭДС E_d (на рис. 8.14б показанна с помощью кружков). Возбуждаемый этой ЭДС магнитный поток, как составляющая потока Ф_d, действует вдоль оси d - d и поэтому не вызывает появление ЭДС в генераторной обмотке.

При вращении ротора (ω=const) в магнитном поле с переменным потоком Ф_d в роторе возникает ЭДС вращения

E_q = c_eФ_d ω (8.4)

(на рис. 8.14б показанна с помощью кружков). ЭДС E_q и вызванный ею ток в роторе изменяются с частотой f. Они обусловливают появление переменного магнитного потока Ф_q, действующего вдоль оси q-q (на рис. 8.14б показан стрелкой, направленная по оси q-q). В генераторной обмотке L2 потоком Ф_q индуцируется переменная ЭДС

e₂ (t)= E_m2 (ω)sin(2π f t), (8.5)

амплитуда E_m2 (ω) которой пропорциональна, согласно (8.4), угловой скорости ω вращения ротора тахогенератора. При изменении знака ω, т.е. направления вращения ротора, фаза e₂ (t) изменяется на 180^О. На рис. 8.14в показаны выходные сигналы тахогенератора для двух разных значений ω при одинаковом направлении вращения ротра тахогенератора.

Подключение нагрузки к генераторной обмотке тахогенератора может вызвать существенные амплитудные и фазовые искажения выходного сигнала. Поэтому на практике обычно используют тахогенератор в режиме, близком к холостому ходу. Такой режим реализуют, например, соединяя нагрузку с тахогенератором через эмиттерный повторитель, обладающий высоким входным сопротивлением. В такой схеме удается согласовать тахогенератор даже с низкоомной нагрузкой.

Характеристику управления тахогенератора представим в виде

U₂=K_ТГ | ω |,

где U₂ - напряжение на выходе тахогенератора, К_ТГ – передаточный коэффициент, имеющий размерность В∙с.

Полоса пропускания асинхронного тахогенератора ограничена частотой питающей сети. Поэтому для быстродействующих систем используются тахогенераторы с повышенной частотой питания. По сравнению с тахогенераторами постоянного тока асинхронные тахогенераторы имеют существенно меньший передаточный коэффициент. Амплитудная погрешность асинхронного тахогенератора менее 0,5%.

Синхронный тахогенератор представляет собой микромашину, подобную синхронному генератору, у которой ротор – постоянный магнит. В простейшей конструкции синхронного тахогенератора предусматривается одна генераторная обмотка.

При вращении ротора с угловой скоростью ω магнитный поток в обмотке изменяется по синусоидальному закону. Индуцируемая в генераторной обмотке переменная ЭДС

e_Г (t)= E_mГ (ω)sin(ωt), (8.6)

изменяется с частотой ω, полностью определяемой скоростью вращения ротора. Амплитуда E_mГ (ω) ЭДС пропорциональна скорости вращения. При изменении угловой скорости вращения ротора изменяется и амплитуда и частота ЭДС и напряжения на выходе тахогенератора (рис. 8.15)

Зависимость частоты ЭДС синхронного тахогенератора от угловой скорости вращения ротора является основным недостатком этого аппарата. Другой недостаток – выходной сигнал не содержит информацию о направлении вращения ротора. Эти недостатки устранены в реверсивных синхронных тахогенераторах. В них применяют дополнительные обмотки и электронные устройства в виде фазочувтсвительных схем, которые обеспечивают получение на выходе тахогенератора постоянного напряжения, полярность которого зависит от направления вращения ротора.