«Тахогенераторы. Область их применения. Тахогенераторы постоянного и переменного тока»

(от др.-греч. τάχος — быстрейший, скорость и генератор) — измерительный генератор постоянного или переменного тока, предназначенный для преобразования мгновенного значения частоты (угловой скорости) вращения вала в пропорциональный электрический сигнал.

Величина (ЭДС), а в некоторых типах ТГ и частота, сигнала прямо пропорциональны частоте вращения.

Сгенерированный сигнал подаётся для непосредственного отображения на специально проградуированный вольтметр (тахометр), либо на вход автоматических устройств управления, отслеживающих частоту вращения.

Принцип действия

Действие тахогенератора основано на пропорциональности угловой частоты вращения ротора генератора к его ЭДС при постоянном значении потока возбуждения.

Тахогенераторы делятся на несколько типов: переменного тока (синхронные и асинхронные) и постоянного тока.

Асинхронные тахогенераторы переменного тока

По конструкции подобны асинхронным электродвигателям с полым короткозамкнутым ротором. На статоре такого тахогенератора расположены под углом 90° две обмотки, одна из которых (обмотка возбуждения) питается переменным током постоянной частоты и постоянного напряжения, а вторая является выходной, и к ней может быть подсоединён измерительный прибор (вольтметр, отградуированный, например, в об/мин). Так как частота выходного напряжения не зависит от частоты вращения ротора и равна частоте напряжения в катушке возбуждения, такой тип тахогенератора и называется асинхронным. А благодаря двум независимым катушкам АТГ может не только отображать скорость вращения, но и определять направление вращения изменением фазы выходного сигнала на 180° при изменении направления вращения.

Синхронные тахогенераторы переменного тока

Частотный способ определения скорости вращения

Так как частота выходного сигнала не зависит от температуры, уменьшения магнитного потока вызванного старением и величины зазора между ротором и статором тахогенератора, то этот способ является одним из самых точных. Скорость вращения вычисляется путём определения частоты выходного сигнала и дальнейшим вычислением частоты вращения ротора по формуле:

F_{rot} = \frac {F_{out}}{p}

Где Frot — частота вращения ротора в , Fout — частота сигнала на выходе тахогенератора, p — число пар полюсов ротора тахогенератора.

Недостатком данного метода является то, что для более точного определения частоты необходимо больше времени, и за это время частота может значительно измениться. А значит чем больше времени тратится на накопление импульсов для определения частоты, тем больше погрешность в измерениях, и тем более медленно схема управления компенсирует увеличение или уменьшение скорости вращения, что плохо сказывается на динамичности системы в целом. Для снижения погрешности используют СТГ с бо́льшим числом полюсов, что позволяет сократить время определения выходной частоты, а значит и время реакции управляющей схемы. Определить частоту сигнала можно из накопленных и усредненных периодов нескольких импульсов. Расчет производится по формуле:

F_{out} = \frac {N}{T_1+…+T_N} = \frac {N}{\sum_{i=1}^N T_i}

Где Fout — частота сигнала на выходе тахогенератора, N — число накопленных импульсов, T — длина каждого периода.

При таком способе определения скорости вращения надо учитывать, что амплитуда выходного сигнала тоже меняется, а значит вход детектора частоты должен быть рассчитан на низко- и высоковольтный входной сигнал, что в ряде случаев может являться недостатком, в силу усложнения схемы.

Амплитудный способ определения скорости вращения

F_{rot} = \frac {U_{out}}{60S_t}

Где Frot — частота вращения ротора в , Uout — выходное действующее напряжение с тахогенератора, St — крутизна выходного напряжения в mV*RPM

Тахогенераторы постоянного тока

F_{rot} = \frac {U_{out}}{60S_t}

Где Frot — частота вращения ротора в , Uout — выходное напряжение с тахогенератора, St — крутизна выходного напряжения в mV*RPM. Направление вращения определяется знаком результата.

Схемы постоянной автоматики

Итак, мы уже говорили, что тахогенераторы используются в автоматических схемах, теперь давайте подробнее разберем, как они там задействованы.

Схема включения тахогенератора постоянного тока

• Выше показана принципиальная схема подключения тахогенератора.
• Обмотка ОВ подключается к источнику постоянного тока. При этом тахогенератор, приходя в состояние возбуждения, и если его якорь приводится в движение с некой частотой, на выходе он начнет выдавать постоянное напряжение.
• При этом чем больше сопротивление прибора Rh, тем круче характеристика Сu на выходе. Значение наибольшей крутизны будет соответствовать холостому режиму работы тахогенератора – случается это когда обмотка у якоря размыкается.
• Соответственно, при росте нагрузки наблюдается обратное явление.
• Тахогенератор выдает на выходе характеристику тока в виде постоянной линии, но соответствует это действительности только на низких оборотах вращения. Если их увеличить, характеристика станет криволинейной. Если при этом уменьшается сопротивление нагрузки RH эффект кривизны также будет расти.
• Объясняется это тем, что якорь оказывает размагничивающее действие.

Совет! Чтобы генератор не выдавал криволинейную выходную характеристику, не нужно запускать его на максимально возможных оборотах, а в качестве нагрузки использовать только приборы, внутреннее сопротивление которых небольшое.

• Также стоит учитывать момент, что в реальных условиях наблюдается падение напряжения в щетках, из-за чего выходная характеристика идет не из начала координат, а с некоторым смещением. Данное явление – причина появления у тахогенераторов зоны нечувствительности, в которой не создается напряжение.
• Чтобы уменьшить зону нечувствительности применяют щетки с малым сопротивлением, обычно медно-графитовые или серебряно-графитовые. В моделях высокой точности используют щетки с серебряными или золотыми напайками. Однако все равно эти приборы имеют некоторую погрешность, в пределах 0,2-0,5%.

Отрывок, характеризующий Тахогенератор

Офицеры хотели откланяться, но князь Андрей, как будто не желая оставаться с глазу на глаз с своим другом, предложил им посидеть и напиться чаю. Подали скамейки и чай. Офицеры не без удивления смотрели на толстую, громадную фигуру Пьера и слушали его рассказы о Москве и о расположении наших войск, которые ему удалось объездить. Князь Андрей молчал, и лицо его так было неприятно, что Пьер обращался более к добродушному батальонному командиру Тимохину, чем к Болконскому. – Так ты понял все расположение войск? – перебил его князь Андрей. – Да, то есть как? – сказал Пьер. – Как невоенный человек, я не могу сказать, чтобы вполне, но все таки понял общее расположение. – Eh bien, vous etes plus avance que qui cela soit, [Ну, так ты больше знаешь, чем кто бы то ни было.] – сказал князь Андрей. – A! – сказал Пьер с недоуменьем, через очки глядя на князя Андрея. – Ну, как вы скажете насчет назначения Кутузова? – сказал он. – Я очень рад был этому назначению, вот все, что я знаю, – сказал князь Андрей. – Ну, а скажите, какое ваше мнение насчет Барклая де Толли? В Москве бог знает что говорили про него. Как вы судите о нем? – Спроси вот у них, – сказал князь Андрей, указывая на офицеров. Пьер с снисходительно вопросительной улыбкой, с которой невольно все обращались к Тимохину, посмотрел на него. – Свет увидали, ваше сиятельство, как светлейший поступил, – робко и беспрестанно оглядываясь на своего полкового командира, сказал Тимохин. – Отчего же так? – спросил Пьер. – Да вот хоть бы насчет дров или кормов, доложу вам. Ведь мы от Свенцян отступали, не смей хворостины тронуть, или сенца там, или что. Ведь мы уходим, ему достается, не так ли, ваше сиятельство? – обратился он к своему князю, – а ты не смей. В нашем полку под суд двух офицеров отдали за этакие дела. Ну, как светлейший поступил, так насчет этого просто стало. Свет увидали… – Так отчего же он запрещал? Тимохин сконфуженно оглядывался, не понимая, как и что отвечать на такой вопрос. Пьер с тем же вопросом обратился к князю Андрею. – А чтобы не разорять край, который мы оставляли неприятелю, – злобно насмешливо сказал князь Андрей. – Это очень основательно; нельзя позволять грабить край и приучаться войскам к мародерству. Ну и в Смоленске он тоже правильно рассудил, что французы могут обойти нас и что у них больше сил. Но он не мог понять того, – вдруг как бы вырвавшимся тонким голосом закричал князь Андрей, – но он не мог понять, что мы в первый раз дрались там за русскую землю, что в войсках был такой дух, какого никогда я не видал, что мы два дня сряду отбивали французов и что этот успех удесятерял наши силы. Он велел отступать, и все усилия и потери пропали даром. Он не думал об измене, он старался все сделать как можно лучше, он все обдумал; но от этого то он и не годится. Он не годится теперь именно потому, что он все обдумывает очень основательно и аккуратно, как и следует всякому немцу. Как бы тебе сказать… Ну, у отца твоего немец лакей, и он прекрасный лакей и удовлетворит всем его нуждам лучше тебя, и пускай он служит; но ежели отец при смерти болен, ты прогонишь лакея и своими непривычными, неловкими руками станешь ходить за отцом и лучше успокоишь его, чем искусный, но чужой человек. Так и сделали с Барклаем. Пока Россия была здорова, ей мог служить чужой, и был прекрасный министр, но как только она в опасности; нужен свой, родной человек. А у вас в клубе выдумали, что он изменник! Тем, что его оклеветали изменником, сделают только то, что потом, устыдившись своего ложного нарекания, из изменников сделают вдруг героем или гением, что еще будет несправедливее. Он честный и очень аккуратный немец… – Однако, говорят, он искусный полководец, – сказал Пьер. – Я не понимаю, что такое значит искусный полководец, – с насмешкой сказал князь Андрей. – Искусный полководец, – сказал Пьер, – ну, тот, который предвидел все случайности… ну, угадал мысли противника. – Да это невозможно, – сказал князь Андрей, как будто про давно решенное дело. Пьер с удивлением посмотрел на него. – Однако, – сказал он, – ведь говорят же, что война подобна шахматной игре. – Да, – сказал князь Андрей, – только с тою маленькою разницей, что в шахматах над каждым шагом ты можешь думать сколько угодно, что ты там вне условий времени, и еще с той разницей, что конь всегда сильнее пешки и две пешки всегда сильнее одной, a на войне один батальон иногда сильнее дивизии, а иногда слабее роты. Относительная сила войск никому не может быть известна. Поверь мне, – сказал он, – что ежели бы что зависело от распоряжений штабов, то я бы был там и делал бы распоряжения, а вместо того я имею честь служить здесь, в полку вот с этими господами, и считаю, что от нас действительно будет зависеть завтрашний день, а не от них… Успех никогда не зависел и не будет зависеть ни от позиции, ни от вооружения, ни даже от числа; а уж меньше всего от позиции. – А от чего же? – От того чувства, которое есть во мне, в нем, – он указал на Тимохина, – в каждом солдате. Князь Андрей взглянул на Тимохина, который испуганно и недоумевая смотрел на своего командира. В противность своей прежней сдержанной молчаливости князь Андрей казался теперь взволнованным. Он, видимо, не мог удержаться от высказывания тех мыслей, которые неожиданно приходили ему. – Сражение выиграет тот, кто твердо решил его выиграть. Отчего мы под Аустерлицем проиграли сражение? У нас потеря была почти равная с французами, но мы сказали себе очень рано, что мы проиграли сражение, – и проиграли. А сказали мы это потому, что нам там незачем было драться: поскорее хотелось уйти с поля сражения. «Проиграли – ну так бежать!» – мы и побежали. Ежели бы до вечера мы не говорили этого, бог знает что бы было. А завтра мы этого не скажем. Ты говоришь: наша позиция, левый фланг слаб, правый фланг растянут, – продолжал он, – все это вздор, ничего этого нет. А что нам предстоит завтра? Сто миллионов самых разнообразных случайностей, которые будут решаться мгновенно тем, что побежали или побегут они или наши, что убьют того, убьют другого; а то, что делается теперь, – все это забава. Дело в том, что те, с кем ты ездил по позиции, не только не содействуют общему ходу дел, но мешают ему. Они заняты только своими маленькими интересами. – В такую минуту? – укоризненно сказал Пьер. – В такую минуту, – повторил князь Андрей, – для них это только такая минута, в которую можно подкопаться под врага и получить лишний крестик или ленточку. Для меня на завтра вот что: стотысячное русское и стотысячное французское войска сошлись драться, и факт в том, что эти двести тысяч дерутся, и кто будет злей драться и себя меньше жалеть, тот победит. И хочешь, я тебе скажу, что, что бы там ни было, что бы ни путали там вверху, мы выиграем сражение завтра. Завтра, что бы там ни было, мы выиграем сражение! – Вот, ваше сиятельство, правда, правда истинная, – проговорил Тимохин. – Что себя жалеть теперь! Солдаты в моем батальоне, поверите ли, не стали водку, пить: не такой день, говорят. – Все помолчали. Офицеры поднялись. Князь Андрей вышел с ними за сарай, отдавая последние приказания адъютанту. Когда офицеры ушли, Пьер подошел к князю Андрею и только что хотел начать разговор, как по дороге недалеко от сарая застучали копыта трех лошадей, и, взглянув по этому направлению, князь Андрей узнал Вольцогена с Клаузевицем, сопутствуемых казаком. Они близко проехали, продолжая разговаривать, и Пьер с Андреем невольно услыхали следующие фразы: – Der Krieg muss im Raum verlegt werden. Der Ansicht kann ich nicht genug Preis geben, [Война должна быть перенесена в пространство. Это воззрение я не могу достаточно восхвалить (нем.) ] – говорил один. – O ja, – сказал другой голос, – da der Zweck ist nur den Feind zu schwachen, so kann man gewiss nicht den Verlust der Privatpersonen in Achtung nehmen. [О да, так как цель состоит в том, чтобы ослабить неприятеля, то нельзя принимать во внимание потери частных лиц (нем.) ] – O ja, [О да (нем.) ] – подтвердил первый голос. – Да, im Raum verlegen, [перенести в пространство (нем.) ] – повторил, злобно фыркая носом, князь Андрей, когда они проехали. – Im Raum то [В пространстве (нем.) ] у меня остался отец, и сын, и сестра в Лысых Горах. Ему это все равно. Вот оно то, что я тебе говорил, – эти господа немцы завтра не выиграют сражение, а только нагадят, сколько их сил будет, потому что в его немецкой голове только рассуждения, не стоящие выеденного яйца, а в сердце нет того, что одно только и нужно на завтра, – то, что есть в Тимохине. Они всю Европу отдали ему и приехали нас учить – славные учители! – опять взвизгнул его голос. – Так вы думаете, что завтрашнее сражение будет выиграно? – сказал Пьер. – Да, да, – рассеянно сказал князь Андрей. – Одно, что бы я сделал, ежели бы имел власть, – начал он опять, – я не брал бы пленных. Что такое пленные? Это рыцарство. Французы разорили мой дом и идут разорить Москву, и оскорбили и оскорбляют меня всякую секунду. Они враги мои, они преступники все, по моим понятиям. И так же думает Тимохин и вся армия. Надо их казнить. Ежели они враги мои, то не могут быть друзьями, как бы они там ни разговаривали в Тильзите.

Что такое тахогенератор

Это маломощные электрогенераторы, имеющие мощность от 10 до 50 Вт. Предназначение их основано на преобразовании вращательной частотности (перемещение механического плана вращением вала) в электрические сигналы (напряжения) в автомат-системах. Так, на тепловозах, имеющих электрическую передачу, оборудование применяется для регулировки мощности в автоматическом режиме.

Устройство являет собой часть электродвигателя, присоединяемого либо монтируемого к валу. Исходящий сигнал агрегата подается либо на специальный прибор автомат-регулирования (управления частотностью вращения вала электродвигателя), либо прибор визуального отображения. Таким образом, можно ответить на вопрос – на чем основан принцип работы тахогенератора.

Асинхронные тахогенераторы переменного тока

При подаче питающего переменного напряжения на обмотку возбуждения и вращении ротора, в выходной (генераторной) обмотке будет наводиться ЭДС. Амплитудное и среднее значения наводимой ЭДС пропорционально значению угловой скорости вращения ротора (чем выше скорость (n) тем больше амплитуда (Uвых.), см. рис.1,б). Частота наводимой ЭДС не зависит от скорости ротора и постоянно равна частоте сети, питающей обмотку возбуждения.

Следует отметить, что при обработке выходного сигнала асинхронного тахогенератора есть возможность “фиксировать”, с помощью определённых схемных решений, смену направления вращения ротора, так как в этих случаях фаза выходного напряжения (наводимой ЭДС) меняется на обратную.

Рисунок 2. Электрическая схема асинхронного тахогенератора

Соблюдение строгой пропорциональности между частотой вращения ротора тахогенератора и выходным электрическим сигналом является основным требованием, предъявляемым к тахогенераторам. Для асинхронных тахогенераторов обычно допускается погрешность 0.5-2.5% при измерениях частоты вращения, 0.05-0.1% в интегрирующих и дифференцирующих звеньях счётно-решающих устройств. В особых случаях тахогенераторы изготавливают с ещё более высокой точностью.

Кроме этого тахогенераторы должны быть: достаточно надёжны при изменении условий внешней среды (температуры, влажности и т.п.); выдерживать ударные и вибрационные нагрузки; не создавать шумов и радиопомех; иметь большое быстродействие; иметь малые размеры и массу, а также быть простыми по устройству. Асинхронные тахогенераторы переменного тока наиболее полно соответствуют вышеперечисленным требованиям.

Ниже приведен список основных параметров с диапазонами их усреднённых возможных значений:

— крутизна выходной характеристики, Кu=ΔU/ Δn, Кu=1…10 мВ/мин-¹ ;

— величина остаточной ЭДС (когда ротор не вращается) не должна превышать 0.1%

максимального выходного значения и обычно находиться в пределах 25…100 мВ;

— статический момент трения, момент при котором начинается вращение ротора,

составляет Мст = 0.0002…0.001 н•м;

— максимальная рабочая частота вращения ротора, nмакс= 8000…10000 об/ мин-¹ ;

Рассмотрим немного подробнее принцип работы асинхронного тахогенератора переменного тока. На рисунке 3 буквами В обозначена обмотка возбуждения, а буквами Г генераторная (выходная) обмотка, а также показано что они сдвинуты относительно друг друга на 90°. Когда по обмотке возбуждения проходит переменный ток с частотой f 1, то в результате этого создаётся магнитный поток Фd, пульсирующий с частотой f 1 ,ось которого совпадает с осью (d—d) обмотки возбуждения. Ось обмотки возбуждения называют продольной, следовательно и магнитный поток Фd будет называться продольным. Перпендикулярно к оси (d—d) изображена поперечная ось (q—q), генераторной обмотки.

где wв – число витков обмотки В, kоб.в — обмоточный коэффициент обмотки В;

Из-за наличия трансформаторной связи между обмотками В и Г, магнитный поток Фd индуктирует в обмотке Г некоторую ЭДС, называемую остаточной и имеющую относительно небольшое значения поскольку вышеуказанные обмотки сдвинуты на 90° и поэтому силовые линии потока Фd в незначительной степени пронизывают витки обмотки Г.

Полый ротор тахогенератора можно представить, как набор из множества элементарных проводников. Пульсирующий магнитный поток Фd тоже индуктирует в них ЭДС называемую трансформаторной (е тр.), которая в свою очередь вызывает в этих проводниках ток i тр. создающий магнитодвижущую силу F2d по продольной оси машины, действующую как при неподвижном, так и при вращающемся роторе. Напомним, что магнитодвижущая сила (м.д.с.) представляет собой физическую величину, характеризующую способность электрических токов создавать магнитные потоки и используется при расчётах магнитных цепей, как “аналог ЭДС в электрических цепях”. Обратим внимание, что при появлении м.д.с. F2d , в обмотке возбуждения тахогенератора возникает компенсирующий ток (как и в трансформаторе), а создаваемая этим током МДС Fв.d будет компенсировать действие МДС F2d .

Из основных законов физики известно, что при перемещении проводника в магнитном поле в нём индуктируется ЭДС, поэтому при вращении ротора тахогенератора от постороннего механизма в магнитном поле Фd обмотки возбуждения в его элементарных проводниках, кроме трансформаторной (е тр.), индуктируется ещё и ЭДС вращения (е вр.).

Магнитный поток Фd, пронизывая витки обмотки возбуждения, индуктирует в ней ЭДС.

где Bx— индукция в рассматриваемой на данный момент точке воздушного зазора,

l2 – длина ротора в магнитном поле, v2 – окружная скорость ротора.

ЭДС вращения (е вр.), вызывают в проводниках ротора токи (i вр.), которые в свою очередь создают МДС F2q и пульсирующий магнитный поток Фq, направление которых совпадает с поперечной осью (q—q) выходной обмотки Г, что приводит к индуктированию в ней ЭДС:

Следует отметить, что частота изменения ЭДС выходной обмотки всегда равна частоте f 1 ЭДС обмотки возбуждения и не зависит от скорости вращения ротора, что является ценным свойством асинхронного тахогенератора переменного тока.

При отсутствии насыщения магнитной системы можно утверждать что Uвых ~ Ег. В идеализированном тахогенераторе э.д.с. в выходной обмотке, а следовательно и Uвых, прямо пропорциональны частоте вращения ротора, т.е. выходная характеристика Uвых= f (v) является линейной (рис. 4, прямая 2). К сожалению, реальная выходная характеристика тахогенератора (рис. 4, прямая 1) отличается от линейной, т.е. появляется погрешность ΔUвых.

Основные причины, вызывающие отклонение выходной характеристики тахогенератора от линейной зависимости:

— неточности при изготовлении, в основном связанные с технологиями производства;

— непостоянство сопротивления обмоток и магнитных сопротивлений по различным осям

(d—d, q—q, … на рис.3) в результате изменений температуры, насыщения и т.д.;

— некоторые параметры меняют свои значения в зависимости от частоты вращения ротора,

например меняется сопротивления полого ротора;

— меняются значения величин магнитных потоков Фd (рис.3) и Фq вызванные

электромагнитной реакцией ротора, при изменениях его частоты вращения, или(и)

изменениях величины нагрузки выходной обмотки тахогенератора, Zнг.

Зачем нужен тахогенератор

Разберемся, где применяются тахогенераторы. Задействуются они в качестве измеряющих и контролирующих скорость датчиков. Это достаточно информативная электромашина.

Сферами ее применения являются:

• осциллографирование изменения вращательной скорости валов;
• обратная связь в системах слежения.

Также задействуется оборудование непосредственно для замеров скорости вращения механизмов, машин.