Балаковский Институт

Техники, Технологии и Управления

Кафедра: Автоматики и систем управления

Лабораторная работа.

По дисциплине ЭУСУ.

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК АСИХРОННОГО ТАХОГЕНЕРАТОРА.

Выполнили

Студенты гр. УИТ-42

Баринов. А

Ильин. А

Зайцев. Д

Астанков. Д

Плотникова. О

Проверил: Тудвасева.

<<______>> _______________2004г.

Цель работы:

Изучение принципа действия электромашинных преобразователей частоты вращения, исследование конструкции и характеристик асинхронного тахогенератора.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ.

В системах автоматики и вычислительных устройствах широко применяются информационные электрические машины, преобразующие механические величины (частоту вращения, ускорение, угол поворота и т.п.) в электрический сигнал. Один из видов информационных электрических машин – тахогенератор, который преобразует частоту вращения какого-либо вала в электрический сигнал. Тахогенераторы (ТГ) используются для измерений с целью контроля частоты вращения вала какого-либо устройства. Для получения сигналов в системах регулирования или стабилизации чачтоты вращения вала автоматизированного объекта такие тахогенераторы называют корректирующими. Тахогенераторы применяют также в качестве дифференцирующих и интегрирующих звеньев в вычислительных устройствах.

Зависимость выходного напряжения тахогенератора U_вых от частоты вращения ротора (якоря) n определяется выходной характеристикой U_вых =f(n). Уравнение идеальной выходной характеристики тахогенератора

U_вых =C_Un, (1)

где C_U- крутизна выходной харастеристики, определяющая чуствительность тахогенератора к изменениям частоты вращения. Тахогенераторы должны удовлетворять ряду специфических требований. Выходная характеристика тахогенератора, представляющая собой зависимость напряжения на выходе U_вых от частоты n должна максимально приближатся к прямолинейной и иметь наибольшую крутизну. При этом на форму выходной характеристики практически не должны влияет внешние факторы (температура, влажность, давление и т.п.). Напряжение на выходе тахогенератора при n=0, называемое остаточным, должно быть минимальным. Напряжение U_вых должно быть симметричным, т.е. при вращении тахогенератора с одинаковой частотой, но в разные стороны +n=-n абсолюные значения выходных напряжений должны быть одинаковы:

U_вых = U^*_вых (2)

При нарушении этого условия появляется ошибка несимметрии тахогенератора, %,

(3)

где U_вых и U^*_вых выходное напряжение при вращении ротора тахогенератора соответственно по часовой и против часовой стрелки.

Выходная мощность тахогенератора должна быть достаточной для работы подключаемых к нему приборов. Кроме того, пульсация выходного напряжения тахогенератора, обусловленная электромагнитными процессами в нем должна быть минимальной. Необходимая степень соотвествия перечисленным требованиям определяется назначением тахогенератора. Тахогенераторы для счетно-решаюших устройств должны иметь выходную характеристику, максимально приближенную к прямолинейной, чтобы погрешность воспроизведения линейной зависимости U_вых =f(n) не превышала 0,02-0,1%; для измерительных тахогенераторов эта погрешность может составлять 1-2,5%. Корректирующие тахогенераторы, применяемые в системах автоматики для получения ускоряющих и замедляющих сигналов, должны иметь максимално возможную крутизну выходной характеристики, а погрешность воспроизведения линейной функции в них может достигать несколько процентов. Своим устройством асинхронный тахогенератор не отличается от асинхронного исполнительного двигателя с полым немагнитным ротором. В отличие от исполнительного двигателя полый ротор тахогенератора изготавливают из сплава с повышенным удельным сопротивлением, не зависящим от температуры (константан, манганин и т.п.). Одна из обмоток статора тахогенератора-обмотка возбуждения ОВ, другая – генераторная обмотка ОГ (рис. 1). Считаем ось обмотки возбуждения продольной d-d, а ось генераторной обмотки-поперечной q-q. Рассмотрим процессы, происходящие в асинхронном тахогенераторе при неподвижном роторе (n=0).

При включении обмотки возбуждения в сеть переменного тока напряжением U₁ и частотой f₁ возникает МДС Ф, и в магнитопроводе генератора наводится пульсирущий магнитный поток Ф_В направленный по оси d-d. Пронизывая полый ротор, наводит в нем (как во вторичной обмотке трансформатора) ЭДС Е_тр называемую трансформаторной. В генераторной обмотке ОГ поток Ф_В не наводит ЭДС, так как ось обмотки d-d расположена под углом 90 эл. град. к оси обмотки возбуждения d-d.. Под действием Е_тр в стенках полого стакана возникнут токи I_2тр, которые благодоря повышенному активному сопротивлению ротора практически совпадают по фазе с Е_тр. Токи I_2тр создают МДС ротора F_2d направленную по продольной оси встречно МДС F_В возбуждения. В результате взаимодействия МДС F_В и F_2d создается результирующий магнитный поток по продольной оси Ф_d пульсирующий с частотой тока сети f₁ (рис. 1).

Если ротор тахогенератора вращать с частотой n, то в результате пересечения стенками стакана силовых линий потока Ф_d в роторе наведется ЭДС вращения, мгновенное значение которой

e_2вр=С_еВ_dl₂n, (4)

где В_d – магнитная индукция в зазоре от магнитного потока Ф_d

l₂ – длина ротора, находящегося в магнитном поле.

Электродвижущая сила вращения прямо пропорциональна частоте вращения ротора n, а частоту этой ЭДС зависит от частоты пульсации магнитного потока Ф_d, т.е. равна частоте тока в обмотке возбуждения f_1. Пульсирующий магнитный поток Ф_d создает синусоидальное распределение магнитной индукции В_d в воздушном зазоре, поютому максимальные значения ЭДС вращения Е_{2ВР max} будут наводится в точках стенок ротора, когда последние расположены по продольной оси d-d (рис.1,б). Под действием ЭДС вращения в роторе появятся токи I_ВР, которые благодоря повышенному активному сопротивлению ротора практически совпадают по фазе с ЭДС вращения. Токи I_ВР создают МДС ротора Е_2q, направленную по пеперечной оси. Эта МДС наводит пульсирующий с частотой f₁ магнитный поток Ф_2d , который создает в ОГ переменную ЭДС, действующее значение которой,В,

Е_Г = 4б44 f₁К_ОБ.ГФ_2q, (5)

где - число витков в ОГ;

К_ОБ.Г – обмоточный коэффициент ОГ.

Таким образом, частота ЭДС Е_r , наведенной в генераторной обмотке тахогенератора, равна частоте тока в обмотке возбуждения f₁ и не зависит от частоты вращения ротора. Зависимость ЭДС Е_r от частоты вращения ротора n установим следующим образом : ЭДС вращения е_ВР прямо пропорциональна частоте вращения n, следовательно, ток I_ВР и МДС F_2q ротора также прямо пропорциональны частоте вращения n.В машине с полым немагнитным ротором немагнитный промежуток между внешним и внутренним статорами достадочно велик. Поэтому магнитное сопротивление R_mq потоку ротора F_2q по поперечной оси создается в основном за счет этого немагнитного промежутка и является практически постоянным, не зависящим от магнитного состояния стальных участков магнитопровода тахогенератора (сердечники наружного и внутреннего статоров). Таким образом, магнитный поток Ф_2q= F_2q/ R_mq прямо пропорционален МДС F_2q, а следовательно, частоте вращения n, поэтому Ф_2q~ F_2q~ I_ВР~ E_ВР~n, то есть можно записать:

Е_Г = 4,44С_Ф f₁ K_бо.Гn = C_e n, (6)

Где С_Ф и C_e – коэффициенты пропорциональности.

При подключении нагрузки r_H на выход генераторной обмотки в ее цепи появится ток I_Г. Обычно сопротивление нагрузки Z_Н достаточно велико, поэтому ток I_Г – небольшой и не вызывает в генераторной обмотке значительного падения напряжения. Это позволяет с незначительным допущением принять U_ВЫХ Е_r, тогда

U_ВЫХ Е_r = C_en. (7)

Следовательно, величина(амплитуда) напряжения на выходе тахогенератора U_ВЫХ прямо пропорциональна частоте вращения ротора, а частота этого напряжения равна частоте тока в обмотке возбуждения f₁ и не зависит от частоты вращения ротора.

Из рассмотрения принципа действия асинхронного тахогенератора следует, что его выходная характеристика прямолинейна. Однако свойства реальных тахогенераторов отличаются от свойств идеального тахогенератора, так как они обладают некоторыми погрешностями.

Выходная харастеристика тахогенератора( рис. 2. а, б, график 1) только в начальной части совпадает с идеальной характеристикой (график 2), а с ростом частоты вращения n становится криволинейной. Это приводит к появлению амплитудной погрешности

(8)

где U_ВЫХ.И и U_ВЫХ.Р - напряжение на выходе идеального и реального асинхронного тахогенератора при заданной частоте вращения n_X.

Причина амплитудной погрешности в том что напряжение U_ВЫХ отличается от ЭДС Е_Г, амплитудой и фазой и с ростом тока в ОГ эта разницаувеличивается за счет роста падения напряжения в генераторной обмотке I_Г Z_Г . Амплитудную погрешность вырвжают в процентах:

(9)

Сравнивая рис. 2а,б, видим, что амплитудная погрешность будет минимальной, если идеальную выходную характеристику (прямая 2 ) провести так, чтобы она пересекла реальную характеристику 1 в точке , соответствующей частоте вращения:

(10)

где n_max-наибольшая частота вращения для данного типа АТГ.

Достоинства асинхронного тахогенератора: отсутвие скользящих контактов, что обеспечивает его эксплуатационную надежность и стабильность выходной характеристики; малоинерционность и небольшой момент сопротивления из-за незначительной массы ротора и отсутствия радиальных и аксиальных сил, действующих на ротор впроцессе работы тахогенератора.

Недостатки асинхронного тахогенератора: нелинейность выходной характеристики: наличие остаточной ЭДС, а следовательно, несимметричность выходной характеристики; небольшая мощность на выходе; повышенные габаритные размеры и масса, которые в 2-3 раза больше, чем у тохогенераторов постоянного тока.

Несмотря на перечисленные недостатки, асинхронные тахогенераторы широко используются в устройствах автоматики, особенно в случаях повышенного требования к надежности этих устроиств.

Техника эксперимента.

Лабораторная установка состоит из тахометрического преобразователя ТХ 170 с датчиком МЭ 305, электродвигателя М типа 4А63А4У3 и тахогенератора ТГ-4А.

Технические данные:

Тахогенератор

Тип	U1,B	I1,A	F1, Гц		nmax, Об/мин	Масса,кг
ТГ-4А	220	0.30	50	2,5	6000	1,5

Электродвигатель.

Тип	Мном,Н*м	Рном,кВт	n1,об/мин	Мпред/Мном	J,г*м2
4А63АУ3	1,67	0,25	1500	4,0	4,9

Рис.3

Схема экспериментальной установки

Вал электродвигателя механически связан как с датчиком тахометра, позволяющего отслеживать количество оборотов в минуту, так и с ротором тахогенератора, на генераторной обмотки которого индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости вращения.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомились с правилом техники безопасности.

2. Ознакомились с техническими характеристиками и конструкциями тахогенератора ТГ-4А и электродвигателя 4А63А4У3

3. Установили минимальное напряжение питания на электродвигателе и сняли показания тахометра и тахогенератора.

4. Результаты занесли в таблицу, где U_вых- выходной сигнал преобразователя; n-частота вращения.

n,об/мин	300	500	750	900	1000	1150	1250	1350	1500
Uвых,В	50	75	100	125	135	150	160	170	200