20916

Исследование тахогенераторов постоянного и переменного тока

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Оборудование измерительные приборы и инструменты: лабораторная установка источники постоянного и переменного тока вольтметры тахометр магазины сопротивлений и конденсаторов. По роду тока тахогенераторы делятся на ТГ постоянного тока и ТГ переменного тока. Допустимая амплитудная погрешность может составлять единицы процентов; минимум фазовой погрешности – минимум изменения фазы выходного напряжения при изменении скорости вращения для ТГ переменного тока; симметричность выходной характеристики – неизменность ее крутизны при изменении...

Русский

2013-08-01

980.5 KB

26 чел.

Тахогенераторы  8

Лабораторная работа №2

Исследование тахогенераторов постоянного и переменного тока

Цель работы: ознакомление с конструкциями тахогенераторов постоянного и переменного тока, приобретение навыков экспериментального определения их характеристик.

Оборудование, измерительные приборы и инструменты: лабораторная установка, источники постоянного и переменного тока, вольтметры, тахометр, магазины сопротивлений и конденсаторов.

1. Основные теоретические сведения

Тахогенераторы (ТГ) – электрические информационные микромашины, служащие для преобразования механического вращения вала в электрический сигнал.

По роду тока тахогенераторы делятся на ТГ постоянного тока и ТГ переменного тока. Последние, в свою очередь, делятся на асинхронные и синхронные.

Тахогенераторы применяются:

- для измерения скорости вращения машин и механизмов;

- для осциллографирования кривых изменения скорости вращения валов в функции времени, например, при разгоне, торможении, реверсе электродвигателей;

- для осуществления обратной связи в следящих системах.

Основные требования, предъявляемые к ТГ в отношении точности:

- линейность выходной характеристики , где  - выходное напряжение ТГ,  - скорость вращения. Практически это означает минимум амплитудной погрешности, выражаемой как разность между ординатами идеальной (линейной) и реальной выходных характеристик. Допустимая амплитудная погрешность может составлять единицы процентов;

- минимум фазовой погрешности – минимум изменения фазы выходного напряжения при изменении скорости вращения (для ТГ переменного тока);

- симметричность выходной характеристики – неизменность ее крутизны при изменении направления вращения

- минимальное выходное напряжение при неподвижном роторе и минимальная зона нечувствительности;

- минимальные пульсации выходного напряжения.

Кроме требований точности, следует отметить другие:

- большая крутизна выходной характеристики;

- стабильность выходных характеристик при изменении условий эксплуатации – температуры, давления, влажности, вибраций при допустимых колебаниях напряжения возбуждения;

- надежность, простота конструкции;

- минимум радиопомех и шумов;

- минимум собственного момента сопротивления (особенно при трогании) и инерционности ротора;

- минимальный вес и габариты.

Тахогенераторы постоянного тока.

В зависимости от системы возбуждения ТГ постоянного тока бывают с возбуждением от постоянных магнитов (с магнитоэлектрическим возбуждением) и с электромагнитным возбуждением. Электрические схемы соответствующих тахогенераторов показаны на рис. 1.

По конструкции тахогенераторы постоянного тока практически ничем не отличаются от исполнительных двигателей постоянного тока.

При неизменном потоке возбуждения  эдс генераторной (якорной) обмотки пропорциональна скорости вращения :

,  (1)

что является основой для использования машины постоянного тока в качестве тахогенератора. Его выходное напряжение

,     (2)

где  падение напряжения в обмотке якоря; ,- сопротивления обмотки якоря и нагрузки соответственно;  - ток якоря.

Из выражений (1) и (2) получается уравнение выходной характеристики тахогенератора

,      (3)

где  - постоянный коэффициент, зависящий только от конструктивных особенностей машины;  - крутизна выходной характеристики ТГ.

Из этого выражения следует, что при идеализированных условиях ( и ) характеристики ТГ являются линейными, а их угол наклона к оси абсцисс (крутизна характеристики) уменьшается при снижении сопротивления нагрузки (сплошные линии на рис. 2).

Крутизна выходной характеристики современных ТГ постоянного тока при холостом ходе составляет 3…100 мВ/об/мин.

Практически выходная характеристика отклоняется от линейной зависимости в результате следующих причин:

  1.  размагничивающего действия реакции якоря (пунктирные линии на рис. 2).;
  2.  изменение тока возбуждения из-за увеличения сопротивления обмотки возбуждения при ее нагреве;
  3.  наличия нелинейного сопротивления в переходном контакте между коллектором и щетками.

Влияние реакции якоря в ТГ постоянного тока проявляется в уменьшении потока возбуждения  на некоторую величину  при протекании по якорной обмотке тока и создания соответствующего потока якоря. Поскольку ток  увеличивается при увеличении скорости вращения, соответственно уменьшается и крутизна характеристики. Чтобы уменьшить влияние размагничивающего действия реакции якоря, в цепи нагрузки желательно иметь максимально большое сопротивление  и работать при небольших относительных скоростях вращения.

Уменьшение крутизны характеристики вызывается также уменьшением потока возбуждения  из-за уменьшения тока возбуждения (в ТГ с электромагнитным возбуждением). Последнее происходит при уменьшении напряжения питания и нагревании обмотки возбуждения. Причем влияние нагрева обычно оказывается более существенным, чем колебания напряжения источника возбуждения. Например, нагрев обмотки на 25ºС вызывает увеличение ее сопротивления на 10%. Рис. 3 показывает степень изменения потока возбуждения в сильно насыщенных (") и слабо насыщенных ( ' ) магнитных цепях. Поэтому магнитная система ТГ с электромагнитным возбуждением обычно выполняется сильно насыщенной, чтобы свести к минимуму влияние реакции якоря и нагревания обмотки возбуждения. В этом смысле поток, создаваемый постоянными магнитами, более стабилен. Кроме того, часто последовательно с обмоткой возбуждения включают либо терморезистор, стабилизирующий сопротивление цепи возбуждения, либо достаточно большой добавочный резистор, выполненный из материала с малым температурным коэффициентом сопротивления.

Нелинейный характер сопротивления щеточного контакта также может создавать определенную погрешность по сравнению с идеализированной характеристикой. Учитывая, что падение напряжения под парой щеток () можно приблизительно считать постоянным, не зависящим от тока нагрузки, уравнение (3) можно записать в виде

.

При этом выходная характеристика остается линейной, однако в области малых скоростей вращения ТГ становится нечувствительным к изменению  - появляется зона нечувствительности Оа (рис. 4). Для уменьшения этого вида погрешности в ТГ постоянного тока применяются щетки с низким падением напряжения переходного контакта (металлографитовые, с серебряными и золотыми напайками). При этом зона нечувствительности практически сводится к нулю.

Выходное напряжение ТГ постоянного тока имеет определенные пульсации. Различают следующие виды пульсаций: якорные, зубцовые и коллекторные.

Якорные пульсации имеют частоту  Гц, зубцовые имеют частоту  Гц и коллекторные – частоту  Гц. Здесь - скорость вращения ротора, об/мин;  - число зубцов якоря; - число коллекторных пластин. Величина пульсаций может достигать нескольких процентов от среднего значения выходного напряжения. Основными мерами борьбы с указанными пульсациями являются конструктивно - технологические и использование фильтров.

Кроме указанных возможны также погрешности, обусловленные неточностью установки щеток на геометрическую нейтраль. Такое явление приводит, в частности, к асимметрии выходного напряжения, то есть к различной крутизне характеристики при правом и левом вращении ротора. При этом под ошибкой асимметрии выходного напряжения понимают разность между выходными напряжениями при правом и левом вращении с одинаковой скоростью. Эта ошибка может достигать величины 3%.

Достоинствами тахогенераторов постоянного тока являются:

- отсутствие для них погрешности (амплитудной и фазовой), связанной с характером нагрузки (активной, индуктивной, емкостной);

- достаточно высокая крутизна характеристики.

К недостаткам ТГ постоянного тока в, первую очередь, следует отнести наличие скользящего контакта, снижающего надежность, вносящего погрешность и нестабильность выходного напряжения и появление искрения под щетками, что создает радиопомехи.

Тахогенераторы переменного тока.

Тахогенераторы переменного тока делятся на синхронные и асинхронные.

Синхронные ТГ обычно выполняются как однофазные со звездообразным ротором из постоянных магнитов. В их конструкции отсутствуют скользящие контакты. При вращении ротора в генераторной обмотке наводится эдс, амплитуда и частота которой пропорциональны скорости вращения ротора. Это приводит к изменению реактивных сопротивлений как самого ТГ, так и нагрузки, что существенно искажает выходную характеристику. В приборостроении синхронные ТГ используются сравнительно редко, в основном в системах, где информационным параметром является частота сигнала.

Асинхронные ТГ (АТ) конструктивно ничем не отличаются от двухфазных исполнительных асинхронных двигателей с полым немагнитным ротором. Электрическая схема такого ТГ приведена на рис. 5. АТ имеет два статора (внешний и внутренний), в воздушный зазор между которыми помещается немагнитный ротор в виде полого цилиндра. Две обмотки выполняются так, чтобы их оси были сдвинуты друг относительно друга на 90º. Одна обмотка называется обмоткой возбуждения (В), другая – генераторной (Г). Конструктивно обмотки могут располагаться: а) обе обмотки на внешнем статоре; б) одна обмотка на внешнем статоре, а другая – на внутреннем статоре. В последнем случае путем относительного сдвига статоров удается получить более точную взаимную перпендикулярность осей обмоток.

Обмотка возбуждения при протекании по ней переменного тока создает поток , пульсирующий с частотой , то есть с частотой приложенного напряжения . Ось этого потока совпадает с осью обмотки возбуждения (рис. 6,а), называемой продольной осью d-d. Соответственно поток, создаваемый обмоткой возбуждения, называют продольным. Ось q-q, перпендикулярную оси обмотки возбуждения, называют поперечной.

При неподвижном роторе поток  наводит в роторе трансформаторную эдс , что вызывает протекание соответствующих токов . Поскольку этот поток перпендикулярен к оси генераторной обмотки, то эдс в ней при неподвижном роторе наводиться не будет.

При вращении ротора каким-либо посторонним механизмом в каждом элементе тела ротора кроме трансформаторной эдс  индуктируется еще и эдс вращения  и протекает соответствующий ток , направления которых могут быть определены по правилу правой руки. На рис. 6,б показано мгновенное направление  и создаваемого ею тока  в элементарных проводниках полого ротора. Каждое изменение знака потока приведет к изменению знаков эдс, следовательно, частота и фаза эдс вращения равны частоте и фазе пульсаций потока  и не зависят от скорости вращения. Такое распределение тока создает поперечный пульсирующий поток  с частотой пульсации  (рис. 6,в), который в генераторной обмотке индуктирует эдс

,

где с – постоянный коэффициент;  - скорость вращения.

Таким образом, в идеализированном тахогенераторе эдс в выходной обмотке прямо пропорциональна скорости вращения ротора (его выходная характеристика является линейной). В реальных условиях работы ТГ эта характеристика отклоняется от линейной зависимости, то есть появляется амплитудная погрешность. Причинами, вызывающими появление этой погрешности, являются:

а) технологические неточности при изготовлении;

б) электромагнитная реакция ротора, изменяющая величину потоков  и  при изменении режима работы ТГ (скорости вращения и нагрузки);

в) изменение некоторых параметров ТГ при изменении скорости вращения (например, сопротивления полого ротора);

г) изменение сопротивления обмоток и магнитного сопротивления по различным осям при изменении внешних условий.

Из-за технологических погрешностей при изготовлении ТГ (прежде всего отклонений обмоток В и Г от взаимно перпендикулярного положения, допусков в величине воздушного зазора и толщине полого ротора) в выходной обмотке при нулевой скорости ротора индуктируется некоторая остаточная эдс , называемая нулевым сигналом. Примерный характер ее изменения в зависимости от угла поворота ротора показан на рис. 7. В серийно выпускаемых асинхронных ТГ остаточная эдс составляет 25…100 мВ; переменная составляющая ее имеет значение 3…7 мВ. При малых скоростях вращения ротора, когда  имеет небольшую величину, это дает большую относительную погрешность. Для уменьшения  опытным путем осуществляют относительный сдвиг внутреннего и внешнего статоров, если обмотки В и Г размещены на двух статорах.

При рассмотрении идеализированного ТГ предполагается, что величина потока  остается неизменной во всех режимах работы машины. В действительности этот поток изменяется при изменении скорости вращения и тока нагрузки в обмотке Г по двум причинам.

Во-первых, под действием потока  в элементах полого ротора индуктируется эдс вращения  и возникают соответствующие токи , которые распределены относительно осей машины так же, как и токи , создаваемые трансформаторными эдс . При этом в машине появляется добавочная продольная составляющая потока, изменяющая ток в обмотке возбуждения. В результате изменяется эдс, продольный поток и эдс  в выходной обмотке. Так как поток  пропорционален скорости вращения ротора, то эдс  и токи  будут пропорциональны уже квадрату этой частоты. Поэтому с увеличением скорости вращения они будут нелинейно уменьшать магнитный поток  и эдс . Погрешности, вызванные изменением продольного потока от реакции ротора, можно уменьшить повышением активного сопротивления ротора. Для этого применяют в качестве материала ротора фосфористую бронзу, удельное сопротивление которой в 2 раза выше, чем у алюминия при весьма малом температурном коэффициенте сопротивления. При этом, правда, снижается крутизна выходной характеристики. Для ее повышения приходится увеличивать число витков генераторной обмотки, что связано с увеличением ее внутренних сопротивлений.

Во-вторых, при подключении генераторной обмотки к внешнему нагрузочному сопротивлению  по ней протекает ток  и создается соответствующий поток. Поэтому результирующий поток по поперечной оси в этом случае отличается от потока при холостом ходе. Кроме того, выходное напряжение ТГ при нагрузке будет меньше, чем при холостом ходе, за счет падения напряжений в генераторной обмотке.

Погрешность, обусловленная изменением потока  и подключением нагрузки, будет тем больше, чем больше сопротивления  и  обмоток статора и меньше сопротивление нагрузки. Поэтому часто ТГ работают в режиме, близком к режиму холостого хода ().

Весьма эффективным способом получения выходной характеристики ТГ, близкой к линейной, является ограничение диапазона рабочих скоростей вращения тахогенератора в сочетании с повышением частоты питания (для сохранения диапазона измерения абсолютных скоростей). Практически в зависимости от требуемой точности ТГ выбирают диапазон измерения относительной скорости , что дает значение амплитудной погрешности .

Амплитудную погрешность можно уменьшить также путем соответствующей калибровки ТГ, под которой понимают установление такого наклона идеальной характеристики (рис. 8, б, кривая 2), при которой отклонение в среднем реальной характеристики 1 от идеальной было бы минимальным.

В асинхронных ТГ погрешность выходной характеристики является комплексной величиной, то есть при изменении режима работы машины выходное напряжение изменяется не только по величине, но и по фазе, что в ряде случаев приводит к нежелательным последствиям. Во всех случаях – при изменении скорости вращения, внешней нагрузки, сопротивления ротора от нагрева имеет место изменение фазы выходного сигнала. Фазовую погрешность обычно определяют как разность между фазовыми сдвигами идеального  и реального  ТГ:

    - .

Поскольку величина фазовой погрешности  зависит от тех же причин, что и величина амплитудной погрешности, меры уменьшения их одни и те же. Однако имеются и некоторые особенности. На рис. 9 приведены графики изменения амплитуды (рис. 9, а) и фазы (рис. 9, б) от величины и характера нагрузки при постоянной скорости вращения, а на рис. 10 – амплитудной и фазовой погрешностей от характера нагрузки и скорости вращения. Из этих зависимостей следует, что фазовая погрешность уменьшается при активно – индуктивной нагрузке, но при этом возрастает амплитудная погрешность. Наименьшая амплитудная погрешность имеет место при емкостной нагрузке; наименьшая фазовая погрешность – при индуктивной нагрузке.

Для уменьшения фазовой погрешности следует к активному нагрузочному сопротивлению добавлять индуктивное; но при этом возрастает амплитудная погрешность. Для уменьшения амплитудной погрешности следует к активному нагрузочному сопротивлению добавлять емкостное; но при этом возрастает фазовая погрешность.

Существенное влияние на точность асинхронного ТГ оказывает изменение его сопротивлений при нагреве во время работы. Для устранения температурной погрешности ротор обычно выполняют из материалов с низким температурным коэффициентом сопротивления или применяют специальную температурную компенсацию.

Преимущества асинхронных тахогенераторов перед ТГ постоянного тока состоят в следующем:

- простота конструкции, отсутствие скользящих контактов и более высокая надежность;

- малый момент инерции ротора и малый собственный момент трения (2…10·10-4 Нм).

К недостаткам асинхронных ТГ следует отнести наличие фазовой погрешности, зависимость крутизны выходной характеристики от характера нагрузки, наличие нулевого сигнала при неподвижном роторе, малую крутизну выходной характеристики (1...10 мВ/об/мин), малая выходная мощность.

Динамические свойства тахогенераторов.

Динамические свойства ТГ определяются их электромагнитной постоянной времени . Дифференциальное уравнение, связывающее выходной сигнал  с входным – углом поворота его вала , имеет вид

   ,     (4)

где  - статический коэффициент усиления по напряжению, определяемый крутизной выходной характеристики ТГ.

В соответствии с выражением (4) передаточная функция тахогенератора по отношению к углу поворота его вала имеет вид

,     (5)

а по отношению к угловой скорости вращения его вала вид

.     (6)

Постоянная времени  определяется в основном скоростью протекания электромагнитных процессов в машине, то есть активными и реактивными сопротивлениями машины и ее нагрузки, поэтому

   .

В том случае, если  можно пренебречь, выражения (5) и (6) принимают вид

;  .   (7)

II. Описание лабораторной установки

Лабораторная установка содержит две электрические микромашины – постоянного тока с магнитоэлектрическим возбуждением и асинхронной двухфазной, смонтированных в общем корпусе. Валы машин механически соединены. Приведение их во вращение производится с помощью двигателя постоянного тока с магнитоэлектрическим возбуждением, питаемого от регулируемого источника постоянного тока. На панель лабораторной установки выведены концы обмоток всех машин для подсоединения измерительных приборов, источников питания и сопротивлений нагрузки.

III. Порядок выполнения работы

  1.  Ознакомиться с конструкциями тахогенераторов.

Для ТГ постоянного тока:

  1.  Снять и построить выходные характеристики тахогенератора  для трех значений сопротивлений нагрузки. Определить крутизну этих характеристик. Значения сопротивлений нагрузки следует выбирать в диапазоне 500 Ом. Рекомендуется измерение скорости с помощью стробоскопа производить, начиная с максимальной.

Предупреждение. Проводя измерение скорости нельзя допускать попадания излучения лампы стробоскопа в глаза.

  1.  Повторить опыт по п. 3 при противоположном направлении вращения ротора ТГ. Определить асимметрию выходного напряжения ТГ как  для нескольких значений модуля скорости при правом и левом вращении.
  2.  Построить внешнюю характеристику ТГ .

Для асинхронного ТГ:

  1.  Снять и построить зависимость остаточной эдс ТГ в функции угла поворота ротора (при неподвижном роторе). При этом измерения можно проводить, фиксируя ротор через 30° в пределах полного оборота.
  2.  Снять и построить выходные характеристики тахогенератора  для трех значений сопротивлений активной нагрузки, трех значений сопротивлений емкостной нагрузки и трех значений сопротивлений смешанной нагрузки . Определить крутизну этих характеристик. Значения сопротивлений нагрузки следует выбирать в диапазоне 500 Ом.
  3.  Повторить опыт по п. 6 при противоположном направлении вращения ротора ТГ. Определить асимметрию выходного напряжения ТГ как  для нескольких значений модуля скорости при правом и левом вращении.
  4.  Построить внешнюю характеристику ТГ .
  5.  Принимая различные идеальные характеристики тахогенераторов, построить графики погрешностей.

IV. Содержание отчета

В отчете должны быть представлены электрические схемы проведения опытов, полученные таблицы и графики полученных зависимостей, перечень используемых приборов, выводы по работе.

V. Контрольные вопросы

  1.  Чем конструктивно отличается тахогенератор постоянного тока от двигателя постоянного тока?
  2.  Перечислите основные достоинства тахогенераторов постоянного и переменного тока.
  3.  Каковы основные способы повышения линейности характеристики тахогенераторов?
  4.  Чем определяется крутизна характеристики тахогенератора?
  5.  Назовите причины появления и способы уменьшения погрешностей тахогенераторов постоянного и переменного тока?

Список рекомендуемой литературы.

1. Брускин Д.Э. и др. Электрические машины и микромашины.–М.: Высшая школа, 1981.–432 с.

2. Юферов Ф.М. Электрические машины автоматических устройств.-М.: Высшая школа, 1988.- 479 с.

3. Арменский Е.В., Фалк Г.Б. Электрические микромашины.-М.: Высшая школа, 1985.-231 с.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

71952. Нормирование и управление запасами 48.5 KB
  Логистика, вначале как практическая деятельность, а затем и как наука выявила новый объект управления — поток товарно-материальных ценностей. Запасы стали рассматривать как форму существования материального потока, часть материального потока, который имеет свои границы в пространстве и во времени.
71954. Биогафия В.В.Геммерлинга 75.42 KB
  Владимир Владимирович Геммерлинг жил в очень насыщенный историческими событиями период родился в Российской Империи жил в Российской республике Советской России пережил Великую Отечественную Войну и умер в СССР. Став взрослым Вольдемар переменил свое имя на Владимир.
71956. Жизнь и научная деятельность Сергея Семеновича Неуструева 57.98 KB
  Период с конца XIX по начало XX вв. в России был насыщен событиями как на уровне страны, так и на международном уровне. Это время экономического роста и развития промышленности, производство в которой возросло в 2,5 раза.
71957. Онтология счастья: Любовь, творчество и развитие 32.38 KB
  За всю историю человечество создало множество теорий пытающихся вывести определенные правила подобрать ключи к заветной дверце которая отворяет дорогу в счастье. Человек всегда думал о счастье. Но счастье это настолько глубокое настолько интимное переживание что никакие общие...
71958. Узагальнена таблиця, додавання одноцифрових чисел. Знаходження за таблицею результатів додавання та віднімання. Задачі на дві дії 44 KB
  Мета: повторити і закріпити та систематизувати знання учнів з додавання та віднімання в межах 20 з переходом через десяток, продовжити роботу над розв’язанням задач; розвивати логічне мислення, увагу; виховувати почуття взаємодопомоги, працьовитості, любові до математики.
71959. Число и цифра 1 43.5 KB
  Тип урока: изучение нового материала. Цели: научить узнавать и называть цифру 1, обозначать один предмет цифрой 1, находить цифры в окружающей обстановке,объяснять их смысл. Задачи: закреплять умения устного счёта в пределах 10 в прямом и обратном порядке;
71960. Вправи і задачі на додавання і віднімання в межах 20 38.5 KB
  Вдосконалювати обчислювальні навички в межах 20 закріплювати вміння розв’язувати задачі опрацьованих видів розвивати мислення увагу мовлення виховувати відповідальність взаємодопомогу. Під час подорожі ми будемо розв’язувати приклади і задачі на додавання і віднімання в межах 20.