Устройство и принцип действия тахогенераторов переменного тока

Тахогенераторы переменного тока — это маломощные электрические машины работающие в режиме измерительного генератора и предназначенные для мгновенных преобразований частоты (угловой скорости) механического вращения вала в электрический сигнал переменного выходного напряжения. В зависимости от способа получения выходного сигнала, бывают двух типов: асинхронные и синхронные. В конструкциях обеих типов отсутствует щёточно-коллекторный узел, что является основным их преимуществом перед тахогенераторами постоянного тока, которое проявляется в повышении надёжности, увеличении срока службы, упрощении эксплуатацию и так далее.

Асинхронные тахогенераторы переменного тока

   На статоре 1 (рис.1,а), в асинхронном тахогенераторе переменного тока, находятся обмотка возбуждения (ОВ) и сдвинутая относительно неё на 90° выходная (генераторная) обмотка (ОГ). Между неподвижными статором 1 и внутренним ферромагнитным сердечником 2 (рис.1,а) расположен ротор 3 (рис.1,а), выполненный в виде тонкостенного стакана, который вращается в процессе работы тахогенератора.

При подаче питающего переменного напряжения на обмотку возбуждения и вращении ротора, в выходной (генераторной) обмотке будет наводиться ЭДС. Амплитудное и среднее значения наводимой ЭДС  пропорционально значению угловой скорости вращения ротора (чем выше скорость (n) тем больше амплитуда (Uвых.), см. рис.1,б). Частота наводимой ЭДС не зависит от скорости ротора и постоянно равна частоте сети, питающей обмотку возбуждения.

Следует отметить, что при обработке выходного сигнала асинхронного тахогенератора есть возможность “фиксировать”, с помощью определённых схемных решений, смену направления вращения ротора, так как в этих случаях фаза выходного напряжения (наводимой ЭДС) меняется на обратную.

Соблюдение строгой пропорциональности между частотой вращения ротора тахогенератора и выходным электрическим сигналом является основным требованием, предъявляемым к тахогенераторам. Для асинхронных тахогенераторов обычно допускается погрешность 0.5-2.5% при измерениях частоты вращения,  0.05-0.1% в интегрирующих и дифференцирующих звеньях счётно-решающих устройств. В особых случаях тахогенераторы изготавливают с ещё более высокой точностью.

Кроме этого тахогенераторы должны быть: достаточно надёжны при изменении условий внешней среды (температуры, влажности и т.п.); выдерживать ударные и вибрационные нагрузки; не создавать шумов и радиопомех; иметь большое быстродействие; иметь малые размеры и массу, а также быть простыми по устройству. Асинхронные тахогенераторы переменного тока наиболее полно соответствуют вышеперечисленным требованиям.

Ниже приведен список основных параметров с диапазонами их усреднённых возможных значений:

— крутизна выходной характеристики, К_u=ΔU/ Δn,  Кu=1…10 мВ/мин-¹ ;

— величина остаточной ЭДС (когда ротор не вращается) не должна превышать 0.1%

максимального выходного значения и обычно находиться в пределах 25…100 мВ;

— статический момент трения, момент при котором начинается вращение ротора,

составляет М_ст = 0.0002…0.001 н•м;

— максимальная рабочая частота вращения ротора, n_макс= 8000…10000 об/ мин-¹ ;

Рассмотрим немного подробнее принцип работы асинхронного тахогенератора переменного тока. На рисунке 3 буквами В обозначена обмотка возбуждения, а буквами Г генераторная (выходная) обмотка, а также показано что они сдвинуты относительно друг друга на 90°. Когда по обмотке возбуждения проходит переменный ток с частотой f ₁, то в результате этого создаётся магнитный поток Ф_d, пульсирующий с частотой f ₁ ,ось которого совпадает с осью (d—d) обмотки возбуждения. Ось обмотки возбуждения называют продольной, следовательно и магнитный поток Ф_d будет называться продольным. Перпендикулярно к оси (d—d) изображена поперечная ось (q—q), генераторной обмотки.

   где w_в – число витков обмотки В,  k_об.в  — обмоточный коэффициент обмотки В;

Из-за наличия трансформаторной связи между обмотками В и Г, магнитный поток Ф_d индуктирует в обмотке Г некоторую ЭДС, называемую остаточной и имеющую относительно небольшое значения поскольку вышеуказанные обмотки сдвинуты на 90° и поэтому силовые линии потока Ф_d  в незначительной степени пронизывают витки обмотки Г.

Полый ротор тахогенератора можно представить, как набор из множества элементарных проводников. Пульсирующий магнитный поток Ф_d тоже индуктирует в них ЭДС называемую трансформаторной (е тр.), которая в свою очередь вызывает в этих проводниках ток i тр. создающий магнитодвижущую силу F_2d по продольной оси машины, действующую как при неподвижном, так и при вращающемся роторе. Напомним, что магнитодвижущая сила (м.д.с.) представляет собой физическую величину, характеризующую способность электрических токов создавать магнитные потоки и используется при расчётах магнитных цепей, как “аналог ЭДС в электрических цепях”. Обратим внимание, что при появлении м.д.с. F_2d , в обмотке возбуждения тахогенератора возникает компенсирующий ток (как и в трансформаторе), а создаваемая этим током МДС F_в.d будет компенсировать действие МДС F_2d .

Из основных законов физики известно, что при перемещении проводника в магнитном поле в нём индуктируется ЭДС, поэтому при вращении ротора тахогенератора от постороннего механизма в магнитном поле Ф_d обмотки возбуждения в его элементарных проводниках, кроме трансформаторной (е тр.), индуктируется ещё и ЭДС вращения (е вр.).

Магнитный поток Ф_d, пронизывая витки обмотки возбуждения, индуктирует в ней ЭДС.

где B_x— индукция в рассматриваемой на данный момент точке воздушного зазора,

l₂ – длина ротора в магнитном поле, v₂ – окружная скорость ротора.

ЭДС вращения (е вр.), вызывают в проводниках ротора токи (i вр.), которые в свою очередь создают МДС F_2q и пульсирующий магнитный поток Ф_q, направление которых совпадает  с поперечной осью (q—q) выходной обмотки Г, что приводит к индуктированию в ней ЭДС:

Следует отметить, что частота изменения ЭДС выходной обмотки всегда равна частоте f 1 ЭДС обмотки возбуждения и не зависит от скорости вращения ротора, что является ценным свойством асинхронного тахогенератора переменного тока.

Рисунок 3. Распределение ЭДС и токов в полом роторе, индуктируемых в результате пульсации потока Фd (а) и вращении ротора (б).

При отсутствии насыщения магнитной системы можно утверждать что Uвых ~ Ег. В идеализированном тахогенераторе э.д.с. в выходной обмотке, а следовательно и Uвых, прямо пропорциональны частоте вращения ротора, т.е. выходная характеристика Uвых= f (v) является линейной (рис. 4, прямая 2). К сожалению, реальная выходная характеристика тахогенератора (рис. 4, прямая 1) отличается от линейной, т.е. появляется погрешность ΔUвых.

Основные причины, вызывающие отклонение выходной характеристики тахогенератора от линейной зависимости:

— неточности при изготовлении, в основном связанные с технологиями производства;

— непостоянство сопротивления обмоток и магнитных сопротивлений по различным осям

(d—d, q—q, … на рис.3) в результате изменений температуры, насыщения и т.д.;

— некоторые параметры меняют свои значения в зависимости от частоты вращения ротора,

например меняется сопротивления полого ротора;

— меняются значения величин магнитных потоков Ф_d (рис.3) и Ф_q вызванные

электромагнитной реакцией ротора, при изменениях его частоты вращения, или(и)

изменениях величины нагрузки выходной обмотки тахогенератора, Z_нг.

Синхронные тахогенераторы переменного тока

Синхронным тахогенератором переменного тока, в дальнейшем СТГ, называют небольшую бесколекторную синхронную электрическую машину в которой ротор 1 (см. рис.5) представляет собой постоянный магнит с несколькими полюсами, а в пазах статора 2 размещена выходная обмотка 3. При вращении ротора от постороннего механизма в выходной обмотке тахогенератора индуктируется переменное напряжение Uвых (см. рис.5) амплитуда и частота которого зависят от скорости вращения ротора. Так как ротор СТГ обычно изготавливают из многополюсного постоянного магнита, то на один оборот приходится не один а несколько периодов выходного сигнала.

Существенным минусом СТГ может быть невозможность определения направления вращения ротора по выходному сигналу, это является одной из основных причин его ограниченного применения. К плюсам можно отнести довольно большой срок службы и повышенную надёжность, по сравнению с другими типами тахогенераторов, прежде всего из-за отсутствия щёточно-коллекторного узла, а также сравнительно большую мощность выходного сигнала.

Для определения частоты вращения ротора СТГ применяют два метода, частотный или(и) амплитудный.

Частотный способ определения скорости вращения

Частотный метод для СТГ является самым точным так как на частоту выходного сигнала не оказывают влияния такие факторы как, изменения температуры, величина зазора между статором и ротором, уменьшение магнитного потока вызванное старением магнитов и т.д..

Но, к сожалению, при определении скорости вращения частотным способом требуется время для определения частоты выходного сигнала Uвых путём накопления импульсов, что не даёт возможности получать мгновенно информацию об изменениях скорости.

После определения частоты F_out выходного сигнала Uвых , скорость вращения ротора вычисляют по формуле:

где F_rot — частота вращения ротора в Гц;  F_out — частота сигнала Uвых на выходе тахогенератора Гц;  p — число пар полюсов ротора тахогенератора.

Для более точного определения частоты вращения ротора необходимо большее количество времени, в течении которого частота может изменяться. А изменение частоты во время накопления импульсов для её определения вносит погрешность в измерения. Это плохо сказывается на динамичности системы управления в целом, т.к. её схема управления, в таких случаях, более медленно компенсирует уменьшение или увеличение скорости вращения. Чтобы как-то уменьшить вышеуказанный недостаток, используют СТГ с большим количеством полюсов. Это даёт возможность сократить время для определения выходной частоты, что в свою очередь позволяет сократить время реакции схемы управления.

Частоту выходного сигнала можно определять по формуле приведенной ниже, но при этом усложняется электрическая схема, что не всегда приемлемо.

где F_out – расчётное значение выходной частоты тахогенератора; N – число накопленных импульсов; Т – длина каждого периода;

Амплитудный способ определения скорости вращения

     Амплитудный способ выгодно отличается от частотного простотой схемы управления, но не очень точен из-за: температурных колебаний ; зазоров между статором и ротором; старения магнитов ротора, влияющее на величину магнитного потока; частотной модуляции, оказывающей воздействие на реактивные элементы электрической цепи. Как и в других типах тахогенераторов, при увеличении скорости вращения ротора возрастает и генерируемая в обмотке статора ЭДС. Для “считывания” значений этой ЭДС обычно используют выпрямитель (одно- или двухполупериодный) и НЧ фильтр, назначение которого сглаживать пульсации.

Зная параметр “крутизны выходного напряжения”, представляемый обычно размерностью в мВ/мин-¹ (милливольт на оборот в минуту), и величину генерируемого выходного напряжения, можно сравнительно легко вычислить частоту вращения ротора:

       где F_rot — частота вращения ротора в Гц ; Uout — величина генерируемого выходного напряжения в мВ; St- “крутизна выходного напряжения” в мВ/мин-¹.