Оглавление
1. Предисловие………………………………………………………стр.2
2. Принципработы………………………………………………стр.2
3. Тахогенераторыпостоянного тока в схемах автоматики………………………………………….стр.6
4. Достоинства инедостатки…………………………………………… стр.7
5. Списоклитературы…………………………………………… стр.8
Тахогенераторы постоянного тока
Предисловие
Уровень развития материальнойкультуры человеческого общества в первую очередь определяется созданием ииспользованием источников энергии. Применение пара, а в последние 100 летэлектричества, совершило техническую революцию в промышленности и оказалорешающее влияние на развитие социальных отношений. В настоящее время в наиболееразвитых странах на одного человека приходится до 1О кВт всех видов энергии.Это примерно в 100 раз больше, чем мускульная мощность человека, которая еще200 лет назад была основной в промышленности и сельском хозяйстве. С полнымоснованием можно считать, что сегодня технический и культурный уровень развитияГосударства определяется количеством электроэнергии, вырабатываемой на душунаселения.
Основой для создания электрических машин и трансформаторов явилсяоткрытый М. Фарадеем закон электромагнитной индукции. Начало практическогоприменения электрических машин было положено русским академиком Б. С. Якоби,который в 1834 г.создал конструкцию электрической машины, явившуюся прототипом современногоэлектродвигателя. Практическое применение трансформаторов началось в 1876 г., когда русскийученый П. Н. Яблочков впервые применил трансформаторы для питания изобретенныхим электрических свечей. Широкому применению электрических машин впромышленности способствовало изобретение русского инженера М. О.Доливо-Добровольского (1889) трехфазного асинхронного двигателя, отличающегосяпростотой конструкции и высокой надежностью. К началу ХХ в. были созданы почтивсе виды современных электрических машин и разработаны основы их теории.Начиная с этого времени быстрыми темпами происходит электрификацияпромышленности и транспорта.
Электрические машины малой мощности(микромашины), применяются в системах и устройствах автоматики и вычислительнойтехники в качестве функциональных элементов. Все электромашинные элементыавтоматики разделяются на три группы: исполнительные двигатели, электромашинныеусилители и информационные машины. Исполнительные двигатели осуществляютпреобразование электрического сигнала в механическое перемещение, они могутбыть асинхронными, постоянного тока и шаговыми. Электромашинные усилителислужат для усиления мощности электрических сигналов. Информационные машинывключают в себя тахогенераторы, сельсины, магнесины и вращающиесятрансформаторы. Эти машины служат для преобразования механических величин (углаповорота, частоты вращения или ускорения) в электрический сигнал или для передачи механического перемещения нарасстояние.
Принцип работы
Тахогенераторпостоянного тока — это машина постоянного тока с независимым возбуждениемили возбуждением постоянными магнитами, работающая в генераторном режиме. Поконструкции он почти не отличается от машин постоянного тока.
Тахогенераторыпостоянного тока служат для измерения частоты вращения по значению выходногонапряжения, а также для получения электрических сигналов, пропорциональныхчастоте вращения вала в схемах автоматического регулирования.
Основными требованиями, предъявляемыми ктахогенераторам, являются: а) линейность выходной характеристики; б) большаякрутизна выходной характеристики; в) малое влияние на выходную характеристикуизменения температуры окружающей среды и нагрузки; г) минимум пульсацийнапряжения на коллекторе.
На. рис. 9.5 показаны принципиальные схемы тахогенераторовпостоянного тока с электромагнитным возбуждением (а) и возбуждением постояннымимагнитами (б).
В случае электромагнитного возбуждения обмотку возбужденияОВ подключают к источнику постоянного тока (рис. 9.5, а). Тахогенераторвозбуждается и если его
якорь привести во вращение с частотой n, то на выходегенератора появится постоянное напряжение Uвых. Уравнение выходнойхарактеристики тахогенератора имеет вид
где rа- сопротивление обмотки якоря, Ом; Rн — внутреннее сопротивление прибора, подключенного к тахогенератору, Ом.
Если пренебречь падением напряжения в щеточном контакте∆Uщ, то
Из (2) следует, что чем больше сопротивление прибора Rн тем больше крутизна выходной характеристики Сu. Наибольшая крутизна увыходной характеристики, соответствующей режиму холостого хода тахогенератора,когда обмотка якоря разомкнута" (RH =∞).
С ростом тока нагрузки (уменьшением RH) крутизна выходной характеристики уменьшается (рис. 9.6, а). Усовременных тахогенераторов постоянного тока Сu = (6÷
260).10¯³В/(об/мин), что превышает крутизну асинхронныхтахогенераторов.
Выходная характеристика тахогенератора постоянного тока — прямая линия. Однако опыт показывает, что выходная характеристика прямолинейна
только в начальной части (при малых относительных частотахвращения), а с ростом частоты вращения она становится криволинейной (рис. 9.6,а). Криволинейность
характеристики усиливается при уменьшении сопротивлениянагрузки RH и увеличении частоты вращенияn. Это объясняется размагничивающим действием реакции
якоря в тахогенераторе. Для уменьшения криволинейностивыходной характеристики не следует использовать тахогенератор на его предельныхчастотах вращения и применять в качестве нагрузки приборы с малым внутреннимсопротивлением.
В реальныхусловиях существует падение напряжения в щеточном контакте ∆Uщ, поэтому выходная характеристикатахогенератора выходит не из начала осей координат, а из точки на оси ординат,отстоящей от начала координат на
Uщ= -[∆Uщ/(1 + rа/ RH)] (3)
Это приводит к появлению у тахогенераторов постоянного токазоны нечувствительности ε=±nmin, Впределах которой он не создает на выходе напряжения (рис. 9.6, 6).
Для уменьшения зоны нечувствительности в тахогенераторахприменяют щетки с небольшим значением ∆Uщ, т. е. с малым сопротивлением(медно-графитные или серебряно-графитные). В тахогенераторах высокой точности(прецизионных) используют щетки с серебряными или золотыми напайками.
В тахогенераторахпостоянного тока технологическая неточность установки щеток на геометрическойнейтрали вызывает еще один вид погрешности-ассимметрию выходного напряжения,Она заключается в том, что величина выходного напряжения различна при вращенииякоря с одинаковой частотой, но в противоположных направлениях. При сдвигещеток с геометрической нейтрали возникает продольная составляющая потока якоря,которая при одном направлении вращения совпадает с потоком возбуждения, а придругом-противоположна ему. Следовательно, результирующий поток машины при обоихнаправлениях вращения будет различным, при этом различными будут э. д. с.,индуктируемые в якоре.
Асимметриювыходного напряжения вычисляют как отношение разности выходных напряжений привращении якоря с номинальной частотой в обоих направлениях к полусумме этихнапряжений. В зависимости от класса точности тахогенератора скоростнаяамплитудная погрешность при номинальной частоте вращения составляет ±(0,05-3)%, а ошибка асимметрии равна ±(1-3)%.
Источником погрешности является также непостоянствомагнитного потока обмотки возбуждения Фв. При электромагнитном возбуждениитахогенератора причиной
этого может быть колебание напряжения UВ,подводимого к обмотке возбуждения, нагрев этой обмотки.
В обоих случаях изменяется ток возбуждения IB что ведет к изменению потока Фв. Дляуменьшения возможных колебаний потока Ф. магнитную систему тaxoгeнepaторавыполняют с сильным магнитным насыщением, т.е рабочую точку 1 на кривойнамагничивания принимают за «коленом» насыщения магнитной системы. Из построенийрис. 9.7, а видно, что изменение токавозбуждения Iв на ∆Iв1 в зоне точки 1 вызываетизменение потока возбуждения на ∆Фв1,значение изменений здесь намного меньше, чем в зоне точки 2, лежащей напрямолинейном участке кривой намагничивания, расположенном до «колена»насыщения (∆Фв1
Сильное магнитное насыщение магнитной цепи тахогенератора невсегда целесообразно, потому что увеличивается объем обмотки возбуждения, аследовательно, габаритные размеры тахогенератора. В тахогенераторах с ненасыщенноймагнитной системой для ограничения колебаний потока возбуждения Ф.последовательно в цепь обмотки возбуждения включают терморезистор,компенсирующий изменение сопротивления обмотки при колебаниях температуры, илиприменяют магнитные шунты МШ (рис. 9.7, б),
изготовленные из сплава, изменяющего свое магнитное сопротивлениепри изменении температуры нагрева. Например, при нагреве обмотки возбуждения еесопротивление увеличивается, ток Iв и поток Фв уменьшаются.Но при этом магнитное сопротивление шунтов увеличивается, что уменьшает поток Фшчерез шунты и увеличивает поток Фв. через полюс и якорь на величину, компенсирующуюего уменьшение от изменения тока возбуждения. При снижении температуры процессыидут в обратном направлении. В итоге происходят лишь незначительные колебанияпотока возбуждения.
Все причины,вызывающие отклонение выходной характеристики тахогенератора от прямолинейной,ведут к амплитудной погрешности. Тахогенераторы постоянного
тока имеют амплитудную погрешность от 0,5 до 3%.
В тахогенераторах постоянного тока возможна пульсациявыходного напряжения, обусловленная рядом причин: зубчатой поверхностьюсердечника якоря;
неравномерностью воздушного зазора или неодинаковоймагнитной проводимостью сердечника якоря по разным радиальным направлениям;вибрацией щеток и замыканием
секций обмотки якоря в процессе коммутации; небольшимколичеством секций в обмотке якоря из-за малых габаритных размеров машины Пульсациинапряжения могут вносить помехи в работу автоматических устройств, элементомкоторых являются тахогенераторы. Пульсации напряжения можно ослабить за счет болеекачественной технологии изготовления тахогенеpaтopa с применением веернойсборки листов сердечника якоря (листы укладывают в пакет со сдвигом на однозубцовоеделение), а также подключением сглаживающего фильтра на выход тахогенератора.Однако полностью избавиться от пульсаций не удается. Амплитуды пульсациивыходного напряжения тахогенераторов постоянного тока составляют 0.1-3 % отсреднего значения выходного напряжения.
На работутахогенератора оказывают влияние также пульсации выходного напряжения,обусловленные: 1) зубчатым строением якоря (зубцовые пульсации); 2) изменениеммагнитного потока за время одного оборота вследствие эллиптичности,эксцентриситета якоря или магнитной анизотропии его материала (якорныепульсации); 3) периодическим изменением числа секций в параллельных ветвях якоря;особенно при малом числе коллекторных пластин; 4) вибрацией щеток и замыканиемнакоротко части секций
ТАХОГЕНЕРАТОРЫ постоянного тока В СХЕМАХАВТОМАТИКИ
Применениетахогенераторов постоянного тока в различных системах управления объясняется тем, что входнымсигналом для большинства регуляторов в схемах автоматики является напряжениепостоянного тока; тахометры с равномерными шкалами являются вольтметрами магнитоэлектрическойсистемы и по существу измеряют напряжение постоянного тока, пропорциональноечастоте вращения.
В замкнутой системе регулирования тахогенераторы являютсяосновным звеном контура обратной связи по частоте вращения. Часто считают, что тахогенератор — этобезынерционное звено или (при наличии RС-фильтра для сглаживания пульсацийповышенной частоты) инерционное звенопервого порядка с небольшой постоянной времени, определяемой RС-цепочкой фильтра.
Более глубокие исследования, однако, показывают, что с учетом ∆UЩ и люфтов в подвижной передаче (муфты, зубчатыепары) узел тахогенератора становится нелинейным звеном, вызывающимавтоколебания системы управления. При этом наиболее вредные низкочастотныепульсации напряжения на выходе узла тахогенератора в большей степени зависят оторганических недостатков применяемых передач, чем от собственно тахогенераторакак электрической машины.
В системе автоматического управления под тахогенератором(ТГ) принято понимать комплекс устройств или узел между валом двигателя ивходом усилителя. В приводах с тахогенераторами этот узел включает в себяустройство сочленения (муфту, зубчатую передачу), собственно тахогенератор,проводку до панели управления, а иногда также выходной трансформатор, фильтр ипотенциометр.
На рис.9.8 вкачестве примера приведена простейшая структурная схема управляемого электропривода с обратнойсвязью по частоте вращения. Схема управления предназначена для того, чтобыобеспечить частоту вращения механизма М пропорциональнойнеизменному эталонному напряжению или изменять ее пропорционально напряжениюпрограммного устройства ПУ. Для этогонапряжение ТГ в устройстве сравненияУС сопоставляется с напряжением источника эталонного напряжения илипрограммного устройства и их разность подается на усилитель, где онаусиливается, как правило, двумя последовательными каскадами — предварительнымусилителем У и усилителем мощности УМ, к которомуподключен двигатель Д. Нетруднозаметить, что чем выше коэффициент усиления по напряжению и по мощности усилителей,тем меньшими должны быть разность напряжений и мощность, отдаваемая ТГ, которые необходимо подавать на входУ, чтобы обеспечить заданную частоту вращения, и тем точнее будет
выдерживаться пропорциональностьюмежду частотой вращения и напряжением ПУ.Рис.9.8 Структурная схема управляемого
электропривода
Достоинства и недостатки.Достоинстватахогенераторов постоянного тока по сравнению с асинхронными тахогенераторами:меньшие габаритные размеры и масса (в 2-3 раза) при большей
выходной мощности; отсутствие фазовой погрешности; возможновозбуждение постоянными магнитами, что позволяет обойтись без источника питаниядля цепи
возбуждения.
Наряду с этим тахогенераторы постоянного тока имеютнедостатки, ограничивающие их применение: сложность конструкции, высокуюстоимость, наличие скользящего контакта между щетками и коллектором, чтоприводит к снижению надежности тахогенератора и к нестабильности выходнойхарактеристики; наличие зоны нечувствительности; пульсация выходного напряжения;помехи радиоприему, для подавления которых в некоторых случаях приходитсяприменять специальные меры.
(Для подавления электромагнитных излучений применяютэкранирование двигателя. В качестве экрана используют заземленный корпусдвигателя. Если в подшипниковом щите со стороны коллектора имеются окна, то ихзакрывают металлической сеткой, соединенной с заземленным корпусом двигателя.Если корпус двигателя или его передний подшипниковый щит(со стороны коллектора)изготовлены из пластмассы, то неметаллическую часть двигателя закрывают сеткойи заземляют.
Для подавлениярадиопомех, проникающих в электросеть, применяют симметрирование обмоток ивключение фильтров. Симметрирование состоит в том, что каждую обмотку,включаемую последовательно в цепь якоря (обмотку возбуждения, обмоткудобавочных полюсов и т. п.), разделяют на две равные части и присоединяютсимметрично обмотке якоря, подключая к щеткам разной полярности. В качествефильтров используют конденсаторы, включенные между каждым токонесущим проводоми заземленным корпусом двигателя. Значение емкости конденсаторов подбираютопытным путем. Конденсаторы должны быть рассчитаны на рабочее напряжениедвигателя. Предпочтительнее применять проходные конденсаторы типа КБП, укоторых один из зажимов металлический корпус, прикрепляемый непосредственно кстатору двигателя и заземляемый вместе с ним. Часто конденсаторы фильтрарасполагают в коробке выводов двигателя.)
Таким образом, любой вид тахогенератора имеет своидостоинства и недостатки. Поэтому при выборе тахогенератора необходимо исходитьиз конкретных условий его работы и требований, предъявляемых к тахогенераторусо стороны автоматического устройства, для которого он предназначается.
Широкое применениеполучили тахогенераторы постоянного тока, возбуждаемые постоянными магнитами. Эти тахогенераторы не имеютобмотки возбуждения, и поэтому они проще по конструкции и имеют меньшиегабариты.
В табл. 9.2 приведены технические данные некоторых тахогенераторовпостоянного тока, изготавливаемых серийно отечественной промышленностью.
Список использованнойлитературы:
И.П. Копылов “Электрические машины” 2004г.
Д.Э. Брускин, А.Е. Зорохович, В.С. Хвостов “Электрическиемашины” 1979г.
М. М. Кацман “Электрические машины”2000г.
М. М. Кацман “Электрическиемашины и электропривод автоматических устройств” 1987г.
Д. Э. Брускин “Электрическиемашины и микромашины” 1981г.