5. Электрические микромашины – элементы систем управления

5.1Тахогенераторы – датчики частоты вращения вала машин

Тахогенераторы (ТХГ) представляют собой электрические генераторы мощностью от единиц до десятков ватт, служащие для преобразования частоты вращения вала машины в электрический сигнал. Основными требованиями, предъявляемыми к ТХГ являются:

– Линейность и возможно большая крутизна выходной характеристики;

– Малое влияние на выходную характеристику нагрузки и температуры окружающей среды.

Выходная характеристика – это зависимость выходного напряжения U от частоты вращения n. Крутизна выходной характеристики K_S представляет собой отношение

По физическому принципу действия тахогенераторы могут быть синхронными, асинхронными, постоянного тока.

Синхронный ТХГ является простейшим тахогенератором переменного тока с магнитоэлектрическим возбуждением. В пазах статора, набранного из листов электротехнической стали, уложена однофазная распределённая обмотка. Ротор выполнен в виде дискообразного многополюсного постоянного магнита. При вращении ротора в статорной обмотке W₁ на холостом ходу наводится ЭДС:

, (5.1)

где - передаточный коэффициент ТХГ.

Таким образом, при холостом ходе ТХГ выходное напряжение U=E₁ и пропорционально частоте вращения n. В тоже время частота напряжения ТХГ есть функция частоты вращения. Следовательно, в нагруженном тахогенераторе реактивная составляющая сопротивления нагрузки Z_н и индуктивное сопротивление обмотки самого ТХГ изменяются с изменением частоты, поэтому выходная характеристика U=f(n) нелинейна. В связи с этим, несмотря на простоту устройства и отсутствие скользящих контактов, синхронные ТХГ в автоматических системах применяются редко. Используют их в основном для измерения частоты вращения машин, подключая непосредственно к вольтметру со шкалой, отградуированной в оборотах в минуту.

Из тахогенераторов переменного тока широкое применение получили асинхронные ТХГ с полым ротором, конструкция которых не отличается от конструкции двухфазного асинхронного двигателя с полым немагнитным ротором. Асинхронным тахогенераторам присуща нелинейность выходной характеристики, которую стараются уменьшить, подключая обмотку возбуждения к источнику напряжения 400 Гц, что не всегда удобно. Выходное напряжение асинхронного ТХГ не остается постоянным по фазе при изменении частоты вращения. Фазовая погрешность зависит от характера нагрузки ТХГ и достигает нескольких градусов. Практически у всех асинхронных ТХГ выходная характеристика несимметрична – выходное напряжение U при вращении ротора в противоположных направлениях имеет различные значения, особенно при малых n. Большое влияние на несимметрию выходной характеристики оказывает нулевая остаточная ЭДС E₀, т.е. ЭДС, наводимая в генераторной (выходной) обмотке при неподвижном роторе. Е₀ обусловливается расположением обмоток возбуждения (ОВ) и генераторной (ОГ) не строго под углом 90град., магнитной асимметрией стали и воздушного зазора, наличием потоков рассеивания и ёмкостных связей. У большинства ТХГ Е₀ составляет 30 110 мВ. В тахогенераторах при изменении температуры меняются активные сопротивления ОВ, ОГ, тонкостенного ротора, что вызывает нестабильность выходной характеристики. Диапазон измеряемых асинхронным ТХГ частот вращения ограничивается 10⁴ об/мин.

Наибольшее применение в технике получили тахогенераторы постоянного тока, которые выполняют с магнитоэлектрическим или электромагнитным возбуждением. В ТХГ постоянного тока нельзя не учитывать падение напряжения на щётках U_Щ, значения которого могут достигать 1 В. Поэтому уравнение для внешней характеристики ТХГ примет вид

, (5.2)

где ток якоря . Тогда

С емейство внешних характеристик тахогенератора показано на рис. 5.1. Нелинейность характеристик при R_н ≠ ∞ объясняется влиянием реакции якоря на поток Ф, которое возрастает при больших значениях I_я, связанных с увеличением частоты вращения n и, следовательно, напряжения U. Для уменьшения этой погрешности ТХГ его нагружают на схемы с большим входным сопротивлением, например, на эмиттерный повторитель. Для минимизации другой погрешности ТХГ, связанной с падением напряжения на щётках, последние выполняют медно-графитовыми или серебряно-графитовыми. При этом зона нечувствительности ОА сокращается. Для уменьшения пульсаций напряжения U выход ТХГ подключают к сглаживающему RC-фильтру.