Тахометрический генератор постоянного тока

Устройство. Принцип действия. Элементами устройства ге­нератора являются

а) статор (индуктор), представляющий собой ферромагнит­ный каркас, который несет 2 полюса, направляющих поле магнитной индукции, образуемое током че­рез катушки (электромагниты) или постоянными магнитами;

б) ротор (якорь), который представляет собой многослой­ный цилиндр из листового железа, вращающийся между полю­сами статора, причем его ось совпадает с осью статора; на его периферии параллельно оси расположены в углублениях (па­зах) л=2 медных проводников; эти проводники, называемые активными, соединены попарно своими концами с другими, ко­торые расположены строго вдоль диаметра ротора к называ­ются пассивными;

в) коллектор — цилиндр с той же осью, что к у ротора, но значительно меньшего диаметра, несущий изолированные между собой медные пластинки, каждая из которых связана с ак­тивным проводником;

г) две щетки, связанные с клеммами генератора и прижи­маемые к коллектору, которые закрепляются на двух Диамет­рально противоположных пластинках; щетки расположены вдоль средней линии перпендикулярно направлению индукции, так, чтобы снимать максимальную э.д.с.

Расчет э.д.с, наводимой в активных проводниках. В /-м проводнике (0^/<2fe-l) вследствие вращения возникает э.д.с, величина которой определяется выражением

где dtp/ —магнитный поток, пересекаемый проводником за ин­тервал времени dt,

ds_c — приращение площади поверхности, описываемой движу­щимся проводником, за время dt, и B_IN - составляющая В,

нормальная к ds_c.

Приращение площади описываемой поверхности определя­ется выражением

Здесь / — длина активного проводника, a v — его линейная ско­рость, равная t)=wr, где to —угловая скорость ротора, г —его радиус. Окончательно получаем

В диаметрально противоположном активном проводнике вследствие симметрии имеем

Расчет э. д, с. совокупности проводников, расположенных одну сторону от нейтральной линии. В совокупности k проводников справа от нейтральной линии наводится суммарная

где s=2nrt/n — площадь поверхности между двумя соседними проводниками, и 2J sB/*—Фо— поток, исходящий из полюса индуктора.

Для этих условий можно написать

где N — частота вращения ротора (число оборотов в секунду); таким же образом в совокупности проводников слева от ней­тральной линии наводится э.д.с. E_g:

Идея намотки состоит в соединении между собой 2k про­водников так, чтобы образовать два одинаковых комплекта по k последовательно соединенных проводников, в каждом из ко­торых возникает э. д. с. Е, такая, что

Эта э.д.с. поступает во внешнюю цепь через две щетки, расположенные на коллекторе вдоль нейтральной линии диа­метрально противоположно друг другу.

В более общем случае, когда генератор имеет 2/7 полюсов индукторов (каждый с потоком Фо), п\проводников ротора, соединенных параллельно по 2о ветвям обмотки, индуцируе­мая э.д.с. имеет величину

Именно на этой пропорциональности э.д.с. Е и угловой скоро­сти а основано использование генераторов постоянного тока в тахометрии, и одно из их преимуществ по сравнению с други­ми тахометрическими датчиками состоит в том, что получаемый сигнал изменяет знак одновременно с изменением направления вращения.

Реакция якоря. Если якорь связан с внешним контуром, то э.д.с. вызывает в нем ток, проходящий через активные про­водники по разные стороны от нейтральной линии в противо­положных направлениях.

Сопоставляя попарно проводники, симметричные относи­тельно нейтральной линии, устанавливаем, что они создают индукцию, перпендикулярную линии полюсов и пропорцио­нальную I; эта поперечная индукция называется реакцией якоря.

Реакция якоря вызывает искривление силовых линий поля к приводит к смещению нейтральной линии в направлении дви­жения. Поскольку э.д.с. снимается с неподвижных щеток, установленных на первоначально нейтральной линии (/=0), ее величина ускоренно убывает с ростом тока.

Эксплуатационные параметры. На холостом ходу (/=0) э. д. с. генератора определяется общим выражением

где фо — поток, вызванный индукцией, k_e и k_m — постоянные па­раметры генератора.

Когда генератор соединен с нагрузкой R, он отдает ток /, который вызывает внутреннее падение напряжения RJ_f где Ri — сопротивление якоря, и реакцию якоря, которая уменьша­ет э.д.с. генератора тем больше, чем больше величина тока. Обозначая k, величину, характеризующую реакцию якоря, можно написать

или

где еь и Rb зависят от материалов контактов щетка — коллек­тор.

Для совокупности генератора с нагрузкой получаем соотно­шение

или

откуда следуют выражения для тока в нагрузке

Из полученного для V выражения можно заключить, что:

—генератор имеет «мертвую зону», а напряжение возника­ет только при скоростях выше еь1к_е\ щетки должны быть уста­новлены таким образом, чтобы минимизировать контактную разность потенциалов ey_t напряжение U не является строго линейной функцией от вследствие реакции якоря; при тахометрическом использо­вании в режиме генератора нелинейность может быть умень­шена путем: а) минимизации тока / за счет использования по­вышенного сопротивления нагрузки; б) ограничения скорости вращения; в) использования таких типов обмотки ротора, ко­торые дают малую реакцию якоря. Напряжение, получаемое в режиме генератора, обычно ха­рактеризуют величиной э.д.с. при скорости вращения 1000 об/ мин и обозначают через Ке.

Линейность характеристики тахометра оценивают с исполь­зованием максимальной разницы при 3600 об/мин между на­пряжением, измеренным на холостом ходу U_M, и напряжением Uс, вычисленным в предположении линейности генератора, т.е. £/с=3,6 Ке- Полагают, следовательно, что

Реакция якоря зависит от направления вращения, посколь­ку она приводит к смещению нейтральной линии в направле­нии вращения; для равных, но противоположно направленных скоростей вращения потоки, действующие на ротор, не одина­ковы и, таким образом, соответствующие э.д.с. не точно сим­метричны.

Пусть Ке и Ке—э.д.с. холостого хода при 1000 об/мин для каждого направления вращения; асимметрия кривой £/=/(о>) при этом характеризуется двусторонним допуском

Напряжение U, вырабатываемое генератором, не является строго постоянным; оно содержит переменные составляющие, обусловленные а) возможным эксцентриситетом ротора и не­однородностью его магнитных свойств, что приводит к пульса­циям с частотой ш/2л; б) явлениями, связанными с коммутаци­ей пластин коллектора и вызывающими биение частоты л_с<о/2я, где Uс — число пластин. Такие пульсации можно в принципе ослабить с помощью фильтров LC или RC, хотя на малых ско­ростях вращения может возникнуть проблема с составляю­щей и. Степень модуляции напряжения на выходе генератора вследствие биения характеризуется величиной В для данной скорости вращения:

где Аи — размах колебаний напряжения U.

Типы конструкций. Чтобы избежать использования дополни­тельного источника питания обмотки возбуждения, индуктор выполняют на постоянных магнитах. Укажем обычно исполь­зуемые материалы и порядок величин их остаточной индукции В_г и коэрцитивного поля Не. Твердые ферриты из смеси металлических оксидов: В_г— =0,2-5-0,4 Тл; Я_с= ЮО-г-250 кА/м; альнико (сплав железо — никель — кобальт — алюминий — медь): £,=0,8-М,3 Тл; _с=504-80 кА/м; тиконал (сплав типа альнико с добавкой титана): B_r=0,7-f--т-0,8 Тл; #с=120-г160 кА/м; кобальт—самарий (редкоземельный элемент): В_г=0,8-г-4-1,0 Тл; Яс=600н-700 кА/м. В противоположность альнико и тиконалу магниты из фер­ритов или редкоземельных металлов не размагничиваются при демонтаже; зато альнико и тиконал малочувствительны к тем­пературам. Классификация в порядке возрастания цены сле­дующая: феррит, альнико, тиконал, редкие земли.

Роторы бывают трех видов — катушечные, колоколообразные, дискоидальные.

Генератор с катушечным ротором позволяет вы­рабатывать относительно большое напряжение в несколько десятков вольт. Однако реакция якоря может искажать линей­ность, а значительная индуктивность обмотки L ухудшает элек­трическое быстродействие, определяемое постоянной времени L/R; значительной является и механическая инерция. Колоколообразный ротор образуется проволочной обмоткой на пустотельном немагнитном цилиндре, вращающемся вокруг фиксированного сердечника. Такой тип конструк­ции обеспечивает значительное снижение реакции ротора, ин­дуктивности L и механической инерции. Дискоидальный ротор представляет собой изо­лированный диск, на котором закреплены пластинчатые про­водники; этот тип конструкции характеризуется, в частности, очень малой величиной индуктивного сопротивления, хорошей защищенностью от посторонних воздействий и допускает отно­сительно большие токи без искажения линейности.

Тахометрические генераторы на переменном токе

Такой тип генераторов интересен отсутствием коллектора и щеток, что способствует заметному увеличению срока службы, а также отсутствию флуктуации падения напряжения на щет­ках и подавлению паразитных сигналов при коммутациях. Од­нако схемы включения таких генераторов обычно более слож­ны, так как измерение амплитуды требует выпрямления и фильтрации выходного напряжения.

Синхронный генератор. Речь идет о небольшом генераторе переменного тока. Ротор, связанный с осью, скорость которой Статор несет якорную обмотку (одно- или многофазную), в которой возникает синусоидальная э.д.с; ев амплитуда и частота пропорциональны скорости вращения ротора, т. е.

где £=&iO), Q—k₂<i), k\, Аг —константы генератора. Таким об-; разом, величина w может быть определена по амплитуде э.д.с,' или по ее частоте.

Примерами таких тахометров могут служить генераторы с магнето (фирма-изготовитель Chauvin — Arnoux), имеющие од­нофазный статор и ротор в виде постоянного магнита с тремяпарами полюсов. Тахометр типа 64 имеет максимальную скорость 3000 об/мин, напряжение 24В±1% и частоту 50 Гц при1000 об/мин. У тахометра типа 64GV максимальная скорость составляет 6000 об/мин, напряжение 24В±1%, частота 200 Гц при 4000 об/мин.

Определение скорости по величине э.д.с. Импеданс якоря определяется выражением Zi=Ri+jLiQ, где Ri и U — соответственно его сопротивление и индуктивность.

Напряжение на клеммах ротора, нагруженного сопротивлением R, по абсолютной величине равно I

Как видно, напряжение U в общем случае не является линейной функцией. Использование генератора в тахометрии требует, чтобы сопротивление нагрузки R оставалось много больше импеданса обмотки даже при максимальных скоростях u; при этом U практически равно Е.

Выходное напряжение выпрямляется и фильтруется для по­лучения постоянного пропорционального напряжения; оно не зависит от направления вращения. Эффективность фильтра па­дает с уменьшением частоты, поэтому степень биения напря­жения возрастает при малых скоростях вращения, определяя нижний предел применимости. Кроме того, наличие фильтра вносит постоянную времени, которая снижает быстродействие.

Определение скорости по частоте сигнала. Частотное изме­рение представляет интерес, когда создаваемый синхронным генератором сигнал необходимо передать на расстояние; в этом случае потери в линии не влияют на измерение.

В качестве примера опишем тахометр с электрической пе­редачей, выпускаемый фирмой Jaeger. Его задающий генератор — трехфазный, причем каждая обмотка его ротора соединена с одной из обмоток синхронного мотора. Поэтому в моторе возникает поле, которое вращается с той же скоростью, что ротор генератора, и увлекает синхронно ротор мотора, представляющий собой магнит. Ротор мотора связан со вторым магнитом (измерительным), который вращается перед метал­лическим диском; в последнем возникают токи Фуко, пропор­циональные скорости вращения измерительного магнита, и вра­щающий момент Cm, пропорциональный скорости. Этот враща­ющий момент, согласно закону Ленца, стремится повернуть диск в сторону движения измерительного магнита; он уравновеши­вается противоположной парой сил спиральной пружины, так что отклонение а диска пропорционально скорости вращения.

Тахометрический асинхронный генератор. Его конструкция подобна конструкции двухфазного асинхронного мотора

Ротор состоит из тонкого немагнитного цилинд­ра, который вращается со ско­ростью (являющейся объек­том измерения; его масса и инерция очень малы. Статор из магнитного листового желе­за несет две расположенные квадрупольно обмотки: а) воз­буждающую обмотку, к кото­рой приложено напряжение v_e с амплитудой V_e и стабильной частотой). б)измерительную обмотку, в которой наводится э.д.с. Последняя Фоомипует- тахиметрический сигнал £ — постоянная данного прибора.

Разность фаз <р меняется на несколько градусов во всем диапазоне изменения скоростей генератора, но испытывает ска­чок на я при смене направления вращения. При нулевой ско­рости на клеммах измерительной обмотки возникает небольшое остаточное напряжение; оно вызвано несовершенством конст­рукции — асимметрией ротора, неоднородностью магнитного контура, неточной установкой обмоток по углу.

Порядок величин метрологических параметров прибора сле­дующий: диапазон измерений от 10 об/мин до 2-10* об/мин; из­меряемое напряжение при 1000 об/мин —от 1 до 10 В; откло­нение от линейности — от 0,1% до 0,2% диапазона измерений; остаточное напряжение — от 10 до 100 мВ; момент инерции ро­тора— несколько г-см². За исключением очень малого момен­та инерции, характеристики генераторов этого типа не слишком примечательны; кроме того, их использование требует очень стабильного возбуждающего источника. Однако такие генера­торы представляют интерес, поскольку легко могут быть вклю­чены в регулирующие или командные комплексы, в которых информация передается амплитудой синусоидальных токов фик­сированной частоты, содержащие, к примеру, такие приборы, как двухфазный мотор с управляющей обмоткой, синхродетек-гор, резольвер, индуктивный потенциометр.