4.1.2. Тахогенераторы постоянного тока

ТГ постоянного тока (ТГПТ) представляет собой маломощную электрическую машину с независимым возбуждением или с постоянными магнитами (рис. 4.6). Конструктивно ТГПТ состоит из статора, выполненного в виде ферромагнитного каркаса с 2р полюсами, ротора - в виде много­слой­ного цилиндра и щеточно-коллекторного узла. Электрические машины этого типа используются в следящих приводах постоянного тока различного назначения, системах измерения скоростей и т.д.

Функция преобразования ТГПТ (так же как и других индукционных машин) зависит от конструктивных особенностей и величины нагрузки. ЭДС индукции Е_р, возникающей в электрической машине при вращении ротора относительно обмотки возбуждения, выражается зависимостью вида:

здесь p - число пар полюсов, r - количество проводников, образующих ро­тор, a - обмоточный параметр, Ф - поток индукции через ротор.

Обозначая все конструктивные параметры как k, получим для идеального случая (рис. 4.7):

U_вых = U_ТГ = k n = k d/dt,

где n - частота вращения; k - крутизна характеристики;  - угол поворота ротора.

Данное выражение описывает линейную функцию пре­об­ра­зования, которая справедлива при допущении, что Ф_в, R_я, R_н = const. Здесь Ф_в - магнитный поток возбуждения; R_я - сопротивление якорной обмотки; R_н - сопротивление на­грузки. Для вычисления крутизны харак­теристики ТГТП k используется выражение:

где C_e = E_р/Ф_в n.

Наибольшая крутизна характерис­ти­ки имеет место на холостом ходу, при R_н = . (У современных ТГПТ k лежит в широких пределах 3 ... 100 мВ/об/мин).

Всистемах управления ТГПТ представляется апериодическим звеном. Передаточная функция ТГПТ обычно апроксимируется зависимостью:

, где

здесь С - суммарная емкость электрической машины и нагрузки.

Реальный режим работы ТГПТ значительно отличается от идеального. Среди большого количества различных источников погрешностей, обычно выделяют следующие факторы: сопротивление щеточного узла, размагничивающее действие потока реакции ротора, изменение температуры обмоток и «зубцовая пульсация» выходного напряжения.

Основное влияние на точность ТГПТ оказывает щеточно-коллекторный узел. Падение напряжения на щетках U_щ, сдвигающее характеристику датчика по оси скорости вызывает появление аддитивной по­грешности _а равной: . Данная погрешность соответствует некоторой зоне нечув­стви­тель­ности при малых скоростях ротора (рис. 4.7). Другая проблема, связанная с наличием щеточно-коллекторного узла заключается в нестабильности функции преобразования (вследствие непостоянства переходного сопротивления контактов), а также излучением радиопомех.

Уменьшение влияния данного узла на точность ТГПТ достигается путем снижения переходного сопротивле­ния щеток, и экранирования кор­пуса. (С этой целью щетки делают из серебрянно-гра­фитовых материалов).

Вторая особенность, присущая всем индукционным машинам связана с влиянием тока в цепи нагрузки на магнитный поток ОВ. Действительно, при R_н  , магнитный поток Ф_в уменьшается с увеличением скорости за счет размагничивающего действия потока реакции якоря. Это приводит к снижению крутизны характе­ристики ТГПТ, особенно заметной на больших скоростях вращения (рис. 4.7). Величина указанной мультипликативной погрешности достигает 3 %.

Магнитный поток ОВ чувствителен и к изменению температу­ры окружающей сре­ды. Например, тепловые эффекты, возникающие в процессе ра­боты ТГПТ, приводят к увеличению сопротивления обмоток ротора и возбуждения. При этом, поскольку сопротивление роторной обмотки R_я очень мало, его изменение прак­тически не влияет на выходной сигнал. Существенно большее влияние оказывает изменение сопротивления ОВ, приводящее к уменьше­нию тока во­з­буждения, а, следовательно, и маг­нитного потока Ф_в, что снижает кру­­тизну характеристики ТГПТ. (Величина этой до­полнительной погрешности мо­жет достигнуть  5%). Для компен­сации температурной чувствите­льности наиболее распространен способ, при котором в цепь ОВ вклю­чается термонезависимое сопро­тивление R_доб, такое, что R_доб > R_ов, где R_ов - сопротивление ОВ.

В таком случае, величина тока возбуждения будет определяться в основном величиной R_доб и, сле­дова­тель­но, мало зависеть от R_ов. Тогда

I_в = U_в/(R_доб + R_ов)  const

Другой путь предполагает использование ТГПТ с постоянными магнитами, не имеющими ОВ.

Наконец, для ТГПТ характерны некоторые зубцовые пульсации выходного напряжения, возникающие вследствие неравномерности воздушного зазора, вибраций щеток и т.д. Для уменьшения погрешностей этого вида в конструкции ТГПТ используют полый ротор (он выполнен в виде стакана, состоящего из обмотки, про­водники которой, связаны воедино пластмассой). У таких датчиков момент инерции ротора весьма мал, а также отсутствуют пульсации выходного напряжения, поскольку ротор не имеет зубцов. Классы точности ТГПТ приведены в табл. 4.3.

Таблица 4.3. Классы точности ТГПТ

Показатель	Тахогенераторы
	высокоточные		точные		общего назначения
	класс точности
	0,02	0,05	0,1	0,2	 0,5	1,0	2,5
Нелинейность изменения выходного напряжения, %	 0,02	 0,05	 0,1	 0,2	 0,5	-	-
Асимметрия выходного напряжения, %	 0,025	 0,05	 0,125	 0,25	 0,5	 1,25	 2,5

В номинальном режиме суммарная погрешность ТГПТ лежит в пределах 1,0 ... 4,0 %.

ТГПТ широко используются при построении следящих систем различного назначения: в при­­водах меха­низ­мов черной ме­­таллургии (транспо­ртеры, про­катные станы), на тра­­н­спорте (электропоезда), грузопо­д­ъ­емных ус­тройствах (манипулято­ры, краны), а также во мно­гих ус­тро­й­ствах автоматики. На рис. 4.8 пре­дс­та­влена схема системы упра­в­ления, получившей название «эле­ктрома­ши­нный усилитель - исполнительный двигатель» (сокращенно «ЭМУ-ИД»). Схема нашла применение в задачах управления объектами, имеющими большой момент инерции. В табл. 4.4 представлены характеристики некоторых известных моделей ТГПТ.

Таблица 4.4. Примеры промышленных ТГПТ

Модель	nном, об/мин	k, В/об/мин	Rн, кОм	, %	, мм	l, мм	m, кг
ТГП-5	6000	0,004	10	5	37	48	0,09
ТД-103	1500	0,1	1,2	2,5	55	98	0,7
TS-252	4000	0,003	0,4	1,4	40	50	0,1

Примечание. Модель TS-252 разработана фирмой Tamagawa, Япония.

ТГПТ наиболее часто используются в мехатронных устройствах и системах управления общего назначения. Их достоинства: большая выходная мощность, отсутствие фазовой погрешности (при актив­ной нагрузке), а также отсутствие обмоток возбуждения (для ТГПТ с постоянными магнитами) сделали ДС этого типа привлекательными для большого числа прикладных задач. Недостатки ТГПТ связаны с большей, по сравнению с АТГ стоимостью, нестабильность выходной характеристики и наличием пульсаций напряжения. Также ТГПТ создают радиопомехи.