3.5 Требования к отчету

Отчет должен содержать:

1. цель работы.

2. схему лабораторной установки.

3. результаты измерений сведенные в таблицы.

4. графики, построенные по результатам измерений и вычислений.

5. выводы.

3.6 Контрольные вопросы

1. Чем отличаются моментные преобразователи от исполнительных двигателей?

2. Какой характер получившихся погрешностей у исследованных преобразователей?

3. Каким образом можно уменьшить «нулевые» сигналы исследуемых преобразователей?

5. Почему наблюдается нелинейная зависимость момента у индуктивного моментного преобразователя?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

ИССЛЕДОВАНИЕ ТАХОГЕНЕРАТОРОВ ПОСТОЯННОГО И ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

4.1 Цель работы

Целью работы является изучение принципов действия тахогенераторов постоянного и переменного тока; ознакомление с их конструкциями; экспериментальное определение скоростных характеристик тахогенераторов.

4.2 Теоретическая часть

4.2.1 Общие сведения о тахогенераторах

Тахогенераторы предназначены для измерения угловых скоростей вращения и конструктивно представляют собой генераторы постоянного или переменного тока. В отличие от обычных генераторов у тахогенераторов выходное напряжение (В) должно быть пропорциональным скорости вращения ротора – (об/мин). Эта зависимость называется скоростной характеристикой.

В зависимости от выполняемой функции в тахогенераторах допускаются различные погрешности от нелинейности и стабильности характеристики.

Наименьшую нелинейность характеристики (0.05  0.1 %) должны иметь тахогенераторы – элементы счетно-решающих устройств, которые выполняют операции дифференцирования и интегрирования. Для дифференцирования какой-либо функции необходимо поворачивать ротор тахогенератора на углы, пропорциональные величине этой функции, тогда выходное напряжение будет пропорционально производной от этой функции.

Передаточная функция тахогенератора в этом случае имеет вид реального дифференцирующего звена:

(2.2.1)

где К – крутизна ЭДС тахогенератора в мВ/(об/мин);

Т – постоянная времени, определяемая в основном скоростью протекания электромагнитных процессов в машине, т.е. активными и реактивными сопротивлениями выходной обмотки и нагрузкой (электромеханической постоянной времени, обусловленной инерцией полого ротора тахогенератора, обычно пренебрегают).

Для интегрирования функции по времени надо преобразовать её в электрическое напряжение и вращать ротор так, чтобы ЭДС его генераторной обмотки в любой момент времени компенсировала это напряжение. Тогда угол поворота ротора будет пропорционален величине интеграла по времени от данной функции.

4.2.2 Тахогенераторы постоянного тока

Тахогенераторы постоянного тока представляют собой коллекторный генератор постоянного тока. Выполняются с независимым возбуждением (рис. 1а) или с возбуждением постоянным магнитом (рис. 1б).

При неизменном токе возбуждения J_В, т.е. при неизменном потоке Ф, ЭДС тахогенератора пропорциональна скорости вращения:

(2.2.2)

где C_e – постоянная тахогенератора, определяемая конструкцией;

n – скорость вращения в об/мин.

а) б)

Рис. 1 Тахогенераторы постоянного тока: а – независимое возбуждение, б – возбуждение постоянным магнитом

При нагружении тахогенератора сопротивлением R_н его выходное напряжение

(2.2.3)

где R₀ – сопротивление якорной обмотки, включая и сопротивление щёточного контакта.

Из уравнений (2.2.2), (2.2.3) находим уравнение выходной характеристики тахогенератора:

, (2.2.4)

где выражение

(2.2.5)

крутизна выходного напряжения.

Часто под крутизной выходного напряжения принимается число вольт приходящееся на 1000 об/мин. В малых тахогенераторах специального назначения эта величина составляет 3  5 В, а в тахогенераторах общего применения – 50  100 В и более. Диапазон измеряемых скоростей вращения тахогенератора постоянного тока составляет 0  10000 об/мин.

В идеализированном случае (Ф – const, и – const) выходные характеристики будут линейными. На рис.2 изображены сплошными линиями выходные характеристики для различных сопротивлений нагрузки. Угол наклона уменьшается при уменьшении сопротивления нагрузки.

Практически выходная характеристика отклоняется от линейного закона в результате размагничивающего действия реакции якоря, наличия нелинейного сопротивления в переходном контакте между коллектором и щётками и изменения тока возбуждения при её нагреве.

Для уменьшения влияния размагничивающего действия реакции якоря желательно иметь в цепи нагрузки большое сопротивление и работать при небольших скоростях вращения.

Нелинейный характер сопротивления щёточного контакта также создаёт погрешность, т.к. падение напряжения под парой щёток (2U_Щ) можно приблизительно считать постоянным, не зависящим от тока нагрузки.

Поэтому в области малых скоростей тахогенератор становится нечувствительным к изменению скорости вращения (рис.3).

Для уменьшения погрешности, создаваемой 2U_Щ, в тахогенераторах применяют металлографические щётки, у которых величина 2U_Щ очень мала. В прецизионных тахогенераторах, предназначенных для счётно-решающих устройств, щётки изготавливают с серебряными и золотыми напайками, поэтому погрешностью от 2U_Щ можно пренебречь.

Рис. 2 Выходные характеристики тахогенератора

Рис. 3 Нулевой сигнал тахогенератора

Нагревание обмоток возбуждения тахогенератора приводит к уменьшению потока возбуждения, следовательно, к уменьшению выходного напряжения. Для стабилизации крутизны применяют при независимом возбуждении сильно насыщенную магнитную систему. В тахогенераторах с возбуждением постоянными магнитами изменения температуры окружающей среды оказывают меньшее влияние на величину магнитного поля магнитов.

Большим достоинством тахогенераторов постоянного тока является отсутствие фазовой погрешности. К недостаткам их относятся: сравнительно большие вес и стоимость, нестабильность выходной характеристики из-за наличия скользящего контакта, пульсация выходного напряжения и радиопомехи.

В общем случае различают скоростные, якорные, зубцовые и коллекторные пульсации выходного напряжения. Наименьшие пульсации у малогабаритных тахогенераторов с полым бескаркасным якорем, которые имеют меньшую механическую инерционность и улучшенные условия коммутации благодаря малому значению индуктивности обмотки якоря.

4.2.3 Асинхронные тахогенераторы

По конструктивному исполнению асинхронный тахогенератор подобен асинхронному двигателю с немагнитным полым ротором. Он состоит из статора и неподвижного сердечника ротора, между которыми в воздушном зазоре вращается тонкостенный немагнитный полый цилиндр (рис.4).

На статоре генератора помещаются две однофазные обмотки, взаимно сдвинутые по его окружности на половину полюсного шага (на 90 электрических градусов). Одна из обмоток включается в сеть переменного тока напряжением U_В и называется обмоткой возбуждения – _В, а другая с числом витков _Г – генераторной. Взаимная индукция между этими обмотками отсутствует вследствие взаимной перпендикулярности их осей, поэтому при неподвижном роторе – цилиндре в генераторной обмотке ЭДС отсутствует. При вращении ротора с угловой скоростью ddt его образующие пересекают пульсирующее магнитное поле Ф_В возбуждения и в них возникает ЭДС вращения. Эта ЭДС вызывает в роторе ток J_q, создающий по оси генераторной обмотки пульсирующее поперечное поле Ф_{q .} Поле Ф_q , пульсируя с частотой напряжения возбуждения – U_В , индуцирует в генераторной обмотке ЭДС, амплитуда которой пропорциональна скорости вращения цилиндра.

Рис. 4 Схема асинхронного тахогенератора

На рис.5 представлены кривые выходной характеристики при различных значениях нагрузкиZ_n.

Рис. 5 Выходная характеристика асинхронного тахогенератора

В идеализированном тахогенераторе выходная характеристика линейная (кривая 1). В реальных тахогенераторах эта зависимость отклоняется от линейной (кривая 2), т.е. появляется амплитудная погрешность. Причинами отклонения выходной характеристики от линейной зависимости являются:

а) технологические неточности при изготовлении;

б) электромагнитная реакция ротора, изменяющая величину потоков Ф_В и Ф_q при изменении режима работы тахогенератора (скорости вращения и нагрузки);

в) изменение сопротивления полого ротора при изменении скорости вращения;

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

Из-за технологических неточностей при изготовлении тахогенераторов (отклонения обмоток статора _В и _Г от взаимно - перпендикулярного положения, неравномерность воздушного зазора и толщины полого ротора, неоднородность структуры магнитных материалов и т.д.) в генераторной обмотке при неподвижном роторе индуктируется некоторая остаточная ЭДС, называемая нулевым сигналом. Нулевой сигнал, обусловленный неточным взаимным расположением обмоток _В и _Г , может быть уменьшен размещением обмоток на разных элементах магнитопровода, например _В на внешнем статоре, _Г на внутреннем (сердечнике). Это даёт возможность поворотом сердечника установить минимальный нулевой сигнал.

Другие методы уменьшения нулевого сигнала основаны на компенсации остаточного ЭДС или остаточной намагничивающей силы.

Полностью устранить нулевой сигнал указанными методами не удаётся из-за неравномерности толщины полого ротора, т.к. эта неравномерность приводит к электрической асимметрии ротора и величина остаточной ЭДС будет зависеть от углового положения ротора.

При рассмотрении идеализированного тахогенератора предполагалось, что величина потока Ф_В остаётся неизменной при всех режимах работы. В действительности этот поток изменяется при изменении нагрузки в генераторной обмотке. Асинхронный тахогенератор можно рассматривать как трансформатор с вращающейся короткозамкнутой вторичной обмоткой, в которой кроме трансформаторной ЭДС от пульсации поля возбуждения Ф_В индуктируется ещё ЭДС вращения от пересечения этого поля образующими цилиндра. Тонкостенный цилиндр представляет собой равномерно распределённую обмотку и не имеет определённой фиксированной магнитной оси. Под действием поперечного потока Ф_В в элементах полого ротора индуктируется ЭДС вращения eu и возникают токи iu, которые распределены относительно осей машины так же, как и токи, создаваемые трансформаторными ЭДС. При этом появляется добавочная продольная составляющая намагничивающей силы ротора F_2d, изменяющая ток возбуждения J₁ (рис. 6а).

Рис. 6а Расположение магнитного потока тахогенератора

Рис. 6б Расположение выходного напряжения тахогенератора

В результате изменяется ЭДС возбуждения E_В, продольный поток – Ф_В и ЭДС в генераторной обмотке:

(2.2.6)

г

(2.6)

де, – соответственно активная и индуктивная составляющая сопротивления обмотки возбуждения;

(2.2.7)

где – обмоточный коэффициент обмотки возбуждения. Т.к. поток Ф_q пропорционален скорости вращения ротора, то ЭДС eu, токи iu и н.с. F_2d будут пропорциональны уже квадрату этой скорости. Следовательно, они будут не линейно уменьшать магнитный поток и ЭДС E_г при увеличении скорости вращения.

При подключении к выходной обмотке нагрузки по ней протекает ток J_г, который создаёт некоторую н.с. F_rq. Результирующая н.с. по поперечной оси F_q=F_2q1+F_1q, т.е. она будет отличаться от н.с. F_2q1 при холостом ходе. Кроме того, выходное напряжение тахогенератора под нагрузкой будет меньше, чем при холостом ходе, за счёт падения напряжения в обмотках генератора.

Уравнение выходной характеристики в комплексной форме имеет вид:

, (2.2.8)

где k – коэффициент пропорциональности;

=n/n₁ – относительная скорость вращения;

n₁ – синхронная скорость;

A, B – комплексные коэффициенты, зависящие от параметров схемы тахогенератора.

Из (2.2.8) следует, что для уменьшения погрешности от нелинейности нужно уменьшить член В² ,вызывающий отклонение от линейной зависимости. Для этого тахогенераторы выбирают с большой синхронной скоростью, частота питающей сети 400  1000 Гц, а измеряемая скорость не должна превышать  = 0.2  0.3.

В

(2.6)

еличина комплекса определяется:

(2.2.9)

где r₂ – активное сопротивление ротора;

r₁ – полное (приведённое) сопротивление обмоток статора.

Следовательно, уменьшение погрешности может быть достигнуто путём увеличения r₂, Z_H и уменьшения Z₁. Для этой цели необходимо работать при Z_H , т.е. при режиме холостого хода, а полый ротор выполняют обычно из материалов с большим электрическим сопротивлением, чем в исполнительных двигателях. Кроме того, увеличивают сечение проводов обмоток статора.

В асинхронных тахогенераторах погрешность выходной характеристики является комплексной величиной, т.е. при изменении скорости вращения тахогенератора Е_г представляет собой геометрическую сумму нулевого сигнала Е_г0 и ЭДС вращения Е_вр, при этом фазовая погрешность _r тем больше, чем меньше скорость вращения.

Существенное влияние на точность АТ оказывает изменение сопротивления машины при её нагреве во время работы. В основном оно вызывается нагревом ротора. Для устранения температурной погрешности в тахогенераторах большой мощности ротор выполняют из материалов с низким температурным коэффициентом сопротивления или применяют специальную температурную компенсацию.

Полная погрешность тахогенераторов при максимальной рабочей скорости обычно составляет 0.1 2.5 %. В тахогенераторах, служащих для измерения скорости вращения и для выработки ускоряющих и замедляющих сигналов, основное значение имеет амплитудная погрешность; при использовании же их в качестве дифференцирующих звеньев они должны иметь минимальную как амплитудную (0.05  0.3%), так и фазовую (не более 0.1) погрешности.

В современных АТ крутизна выходной характеристики S = dU_вых/dn составляет 1 10 мВ/(об/мин).

Величина нулевого сигнала обычно не превышает 0.1% от максимального значения выходного напряжения и составляет 25  100 мВ; переменная составляющая её Е₀ = Е_0max – Е_0min, изменяющаяся при различных положениях ротора, не превышает 0.7 мВ. Максимальная рабочая скорость n_max достигает 8000  10000 об/мин, а относительная скорость

Очень часто АТ, также как и тахогенераторы постоянного тока, конструктивно выполняются в одном корпусе с приводным двигателем, образуя тахометрический агрегат (АДТ, ДТ).