Мотор постоянного тока с тахогенератором



Тахогенераторы — виды, устройство и принцип работы

Слово «тахогенератор» происходит от двух слов — от греческого «тахос», означающего «быстрый» и от латинского «генератор». Тахогенератор представляет собой измерительную электрическую микромашину переменного или постоянного тока, которая монтируется на вал оборудования, и преобразует текущее значение частоты вращения вала в электрический сигнал, определенный параметр которого несет информацию о частоте вращения.

Таким параметром может выступать величина генерируемой ЭДС или значение частоты сигнала. Выходной сигнал с тахогенератора может подаваться на средство визуального отображения (например на дисплей) или на устройство автоматического управления частотой вращения вала, на котором работает данный тахогенератор.

Тахогенераторы бывают нескольких типов, в зависимости от вида сигнала, генерируемого на выходе: с сигналом переменного напряжения или тока (асинхронные или синхронные тахогенераторы), либо с сигналом постоянного тока.

Тахогенератор постоянного тока

Тахогенератор постоянного тока представляет собой коллекторную машину с возбуждением либо от постоянных магнитов (встречаются чаще), либо от обмотки возбуждения (встречаются реже), располагаемых на ее статоре. Измерительная ЭДС наводится на обмотку ротора тахогенератора, и оказывается прямо пропорциональна угловой скорости вращения ротора, по сути — скорости изменения магнитного потока, в точном соответствии с законом электромагнитной индукции.

Выходной сигнал — напряжение, величина которого также прямо пропорциональна угловой скорости вращения ротора — снимается через щетки с коллектора. Поскольку в работе участвуют коллектор и щетки, такой агрегат подвержен более скорому износу, чем тахогенератор переменного тока. Проблема еще и в том, что щеточно-коллекторный узел в процессе своей работы порождает импульсные помехи в выходном сигнале такого тахогенератора.

Так или иначе, выходным сигналом у тахогенератора постоянного тока является напряжение, что создает трудности с точным преобразованием напряжение-скорость, ведь магнитный поток подмагничивания зависит от температуры магнитов, от электрического сопротивления в месте контакта щеток с коллектором (которое со временем изменяется), наконец — от размагничивания постоянных магнитов с течением времени.

Тем не менее, в некоторых случаях тахогенераторы постоянного тока оказываются удобны формой представления выходного сигнала, а также закономерным явлением смены полярности данного сигнала в соответствии с изменением направления вращения вала.

Тахогенераторы постоянного тока характеризуются «коэффициентом преобразования» St, который выражает отношение снимаемого напряжения Uout к соответствующей данному напряжению частоте вращения Frot. Этот параметр дается в технической документации на тахогенератор, и измеряется в милливольтах, умноженных на обороты в минуту. Зная данный параметр и выходное напряжение с тахогенератора, можно вычислить текущую частоту по формуле:

Электродвигатель со встроенным тахогенератором:

Асинхронный тахогенератор переменного тока

Асинхронные тахогенераторы переменного тока похожи по устройству на асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Ротор здесь изготавливается в виде полого цилиндра (обычно медного или алюминиевого), а статор содержит две обмотки, расположенные под прямым углом друг к другу. Одна из обмоток статора — обмотка возбуждения, вторая — выходная. На обмотку возбуждения подается переменный ток с определенной амплитудой и частотой, а выходная обмотка присоединяется к измерительному прибору.

Читайте также:  Переднее мотор колесо для велосипеда комплект

Когда короткозамкнутый ротор вращается, он периодически нарушает изначальную ортогональность магнитных потоков двух обмоток, в результате искажения картины магнитных полей, в выходной обмотке периодически наводится ЭДС. Если же ротор неподвижен, то магнитный поток обмотки возбуждения не искажается, и в выходной обмотке ЭДС не наводится. Здесь величина генерируемой ЭДС пропорциональна частоте вращения вала.

Поскольку подаваемый на обмотку возбуждения ток имеет собственную частоту, отличную от частоты вращения вала, такой тахогенератор именуется асинхронным. Кроме прочего, данная конструкция позволяет по фазе выходного сигнала судить о направлении вращения ротора, — при смене направления вращения фаза переворачивается.

Синхронный тахогенератор переменного тока

Синхронные тахогенераторы представляют собой бесколлекторные машины переменного тока. Намагниченность ротора создается постоянным магнитом, на статоре же присутствуют одна или более обмоток. В данном случае и амплитуда выходного сигнала, и его частота, — будут пропорциональны частоте вращения вала. Поэтому данные о скорости можно измерять как по значению амплитуды (детектирование по амплитуде), так и непосредственно по частоте (детектирование по частоте). Однако направление вращения по выходному сигналу синхронного тахогенератора не определить.

Ротор синхронного тахогенератора переменного тока может быть выполнен в виде многополюсного магнита, и на один оборот вала давать в выходном сигнале несколько импульсов подряд. Такие тахогенераторы, наравне с асинхронными, отличаются более длительным сроком службы, поскольку в них нет щеточно-коллекторного узла, склонного к механическому износу.

Детектирование по частоте

Поскольку у синхронного тахогенератора частота на выходе от температуры и других факторов не зависит, то измерения частоты с ним получаются более точными. Вычисление осуществляется очень просто, достаточно знать количество пар полюсов p на роторе:

Но есть и нюанс. Чтобы точность вычислений получилось достаточно высокой, необходимо затратить время, за которое теоретически скорость может уже измениться, а это значит, что пока импульсы считаются, нарастает погрешность измерения, что вредно.

Дабы погрешность при измерении снизить, ротор делают многополюсным, чтобы вычисления можно было осуществить быстрее, тогда и реакция регулирующей системы может последовать более скоро. Для одного полюса частота вычисляется по следующей формуле:

где N — количество считанных импульсов, Т — период считывания импульсов

У синхронного тахогенератора амплитуда сигнала изменяется в зависимости от скорости, поэтому при проектировании выходного частотного детектора важно учесть весь возможный диапазон амплитуд выходных напряжений тахогенератора.

Детектирование по амплитуде

При амплитудном способе определения частоты схема частотного детектора будет проще, но здесь важно учесть влияние таких факторов, как: температура, изменение немагнитного зазора и т. д. Чем выше частота — тем больше амплитуда выходного сигнала, поэтому схема детектора обычно представляет собой выпрямитель и НЧ-фильтр, где коэффициент преобразования, измеряемый в мВ*об/мин, позволяет определить частоту по следующей формуле:

Читайте также:  Мотор b48 bmw f30

Кроме рассмотренных в данной статье традиционных типов тахогенераторов, в современной технике также применяются импульсные датчики на базе оптронов, датчиков Холла и т. д. Достоинство тахогенераторов заключается в том, что в паре с детектором они не требуют никаких дополнительных источников питания. К недостаткам традиционных тахогенераторов машинного типа относятся: плохая чувствительность на низких скоростях и вносимый тормозящий момент.

Источник

Исполнительные двигатели и тахогенераторы постоянного тока

Исполнительные двигатели постоянного тока

Исполнительные двигатели постоянного тока — маломощные машины, используемые в автоматике и телемеханике, в системах автоматического управления, регулирования и- контроля автоматизированных установок, где они преобразуют электрический сигнал измерительного органа — напряжение управления — в угловое перемещение вала для воздействия на управляющий, регулирующий или контролирующий аппарат. В тех случаях, когда поступающий сигнал недостаточен для приведения в действие исполнительного двигателя, применяют магнитный или полупроводниковый усилитель мощности.

Исполнительные двигатели обычно работают в условиях частых пусков, остановок и реверсов. Они отличаются значительным начальным пусковым моментом и быстродействием. Зависимости вращающего момента и скорости якоря от напряжения управления у них в большинстве случаев близки к линейным.

В зависимости от системы питания цепей двигателя различают исполнительные двигатели с якорным управлением и с полюсным управлением. При якорном управлении обмоткой управления является обмотка якоря, в связи с чем напряжение управления подводят к ее зажимам, а неизменный ток возбуждения обеспечивает независимый источник электрической энергии постоянного напряжения. В случае полюсного управления обмоткой управления служит обмотка возбуждения главных полюсов и напряжение управления подводят к ее зажимам, а напряжение на зажимах якоря, задаваемое независимым источником электрической энергии постоянного напряжения, сохраняется неизменным .

Обычно используют якорное управление. Изменение полярности напряжения управления вызывает противоположное направление вращения якоря.

Исполнительные двигатели постоянного тока изготовляют номинальной мощности от долей ватта до 600 Вт нормальной и специальной конструкций.

Двигатели нормальной конструкции аналогичны машинам постоянного тока общего применения, но отличаются от них тем, что станина с главными полюсами так же, как и якорь, собрана из тонких изолированных друг от друга листов электротехнической стали, что способствует улучшению свойств этих машин в переходных режимах. Кроме того, добавочные полюсы в этих машинах отсутствуют, так как реакция якоря невелика и процессы коммутации вполне удовлетворительны. Поскольку скорость якоря небольшая, вентилятор на валу таких двигателей не предусмотрен.

К двигателям специальной конструкции относятся магнитоэлектрические машины с возбуждением основного магнитного поля с помощью постоянных магнитов, а также малоинерционные машины, отличающиеся конструкцией якоря. К последним относятся: двигатели с полым немагнитным якорем — полым тонкостенным цилиндром из пластмассы с запрессованной обмоткой из медного провода с внутренним неподвижным ферромагнитным магнитопроводом, укрепленным на подшипниковом щите, и менее долговечные двигатели с дисковым якорем — тонким немагнитным диском из керамики, текстолита, стекла, а иногда из алюминия с печатной обмоткой, представляющей совокупность радиально расположенных по обе стороны диска проводников из медной фольги, по которой скользят серебряно-графитные щетки. Названные конструкции отличаются малым моментом инерции якоря, что обеспечивает высокое быстродействие исполнительного двигателя.

Читайте также:  Двигатель el15 ресурс мотора

Масса исполнительных двигателей постоянного тока в 2 — 4 раза меньше, чем масса одинаковых по номинальной мощности исполнительных асинхронных двигателей, а к. п. д. их при номинальной мощности 5. 10 Вт составляет около 0,3 и достигает значения 0,65 и несколько выше для двигателей номинальной мощностью 200 — 300 Вт.

Тахогенераторы постоянного тока

Тахогенераторы постоянного тока — машины небольшой мощности, предназначенные для преобразования механической величины в электрический сигнал — выходное напряжение. В частности, их используют для контроля и измерения скорости вала исполнительного устройства, с которым соединен вал тахогенератора, зажимы якоря которого соединены с измерительным прибором. Помимо этого, тахогенераторы применяют в электромеханических счетно-решающих устройствах для выполнения вычислительных операций, а также в устройствах автоматической отработки генерируемых ускоряющих и успокаивающих сигналов.

Тахогенераторы бывают магнитоэлектрические с возбуждением основного магнитного поля с помощью постоянных магнитов и электродинамические с электромагнитным возбуждением, обусловленным М. д. с. обмотки возбуждения, питаемой от независимого источника электрической энергии постоянного напряжения.

Выходное напряжение тахогенератора в режиме холостого хода изменяется линейно в зависимости от скорости якоря, а при нагрузке эта линейность несколько нарушается, причем тем больше, чем меньшим сопротивлением обладает измерительный прибор, присоединенный к зажимам якоря. Все же для каждого тахогенератора существует относительно небольшой диапазон измеряемых скоростей, в пределах которого при определенном достаточно большом сопротивлении измерительного прибора и неизменных условиях цепи возбуждения выходную характеристику можно считать практически линейной.

Схема включения тахогенератора постоянного тока независимого возбуждения

Существенный недостаток тахогенераторов постоянного тока — пульсация выходного напряжения из-за незначительного периодического изменения магнитного потока вследствие неравномерности воздушного зазора и неравенства проводимостей якоря в различных радиальных направлениях, в том числе обусловленных зубчатой конструкцией его магнитопровода, а также из-за вибрации щеток, неровностей и эллиптичности коллектора и коммутационных процессов — в значительной мере устранен в тахогенераторе с полым якорем, который устроен так же, как и малоинерционный исполнительный двигатель постоянного тока с аналогичным якорем.

Неточность установки щеток по геометрической нейтрали коллектора тахогенсратора приводит к асимметрии выходного напряжения, т. е. к генерированию двух различных напряжений в обмотке якоря при противоположных направлениях его вращения с одинаковой скоростью. При правильном расположении щеток асимметрия напряжений находится в пределах от 0,3 до 1% номинального напряжения тахогенератора.

Источник

Поделиться с друзьями