Асинхронный тахогенератор переменного тока выполнен на базе асинхронной двухфазной машины(рис. 9.15а).
На статоре 1 имеются две обмотки с взаимно перпендикулярными осями: обмотка возбуждения L1, расположенная по оси d-d, и выходная (генераторная) обмотка L2, расположенная по оси q–q.
Обмотка возбуждения L1 подключается под переменное напряжение U1 частотой f равной 50 Гц или 400 Гц. С генераторной обмотки L2 снимается выходной сигнал – переменное напряжение U2 частотой f . Амплитуда Um2 напряжения U2 зависит от угловой скорости ω вращения ротора.
Для уменьшения момента инерции ротор 2 выполняют тонкостенным в виде стакана из немагнитного проводникового материала (обычно алюминиевого сплава). Внутри ротора размещается неподвижный шихтованный сердечник по которому замыкаются магнитные потоки.
| Рис. 9.15. Элементы синхронного тахогенератора переменного тока (а,б) и временная диаграмма ЭДС генераторной обмотки (в) |
Принцип действия асинхронного тахогенератора состоит в следующем.
Обмотка возбуждения L1 создает вдоль оси d - d переменный магнитный поток Фd (на рис. 9.15б показан стрелкой, направленной по оси d-d). Поток Фd пульсирует с частотой f, изменяя направление через каждые 1/2f секунды. В роторе индуцируется трансформаторная ЭДС Ed (на рис. 9.15б показана с помощью кружков). Возбуждаемый этой ЭДС магнитный поток, как составляющая потока Фd , действует вдоль оси d-d и поэтому не вызывает появление ЭДС в генераторной обмотке.
При вращении ротора (ω=const) в магнитном поле с переменным потоком Фd в роторе возникает ЭДС вращения
Eq = ceФdω
(на рис. 9.15б показана с помощью кружков). ЭДС Eq и вызванный ею ток в роторе изменяются с частотой f . Они обусловливают появление переменного магнитного потока Фq , действующего вдоль оси q-q (на рис. 9.15б показан стрелкой, направленная по оси q-q). В генераторной обмотке L2 потоком Фq индуцируется переменная ЭДС
e2(t)=Em2(ω)sin(2πft) ,
амплитуда Em2(ω) которой пропорциональна угловой скорости ω вращения ротора тахогенератора. При изменении знака ω, т.е. направления вращения ротора, фаза e2(t) изменяется на 180О. На рис. 9.15в показаны выходные сигналы тахогенератора для двух разных значений ω при одинаковом направлении вращения ротора тахогенератора.
Подключение нагрузки к генераторной обмотке тахогенератора может вызвать существенные амплитудные и фазовые искажения выходного сигнала. Поэтому на практике обычно используют тахогенератор в режиме, близком к холостому ходу. Такой режим реализуют, например, соединяя нагрузку с тахогенератором через эмиттерный повторитель, обладающий высоким входным сопротивлением. В такой схеме удается согласовать тахогенератор даже с низкоомной нагрузкой.
Характеристику управления тахогенератора представим в виде
U2=KТГ|ω| ,
где U2 - напряжение на выходе тахогенератора, КТГ – передаточный коэффициент, имеющий размерность В∙с.
Полоса пропускания асинхронного тахогенератора ограничена частотой питающей сети. Поэтому для быстродействующих систем используются тахогенераторы с повышенной частотой питания. По сравнению с тахогенераторами постоянного тока асинхронные тахогенераторы имеют существенно меньший передаточный коэффициент. Амплитудная погрешность асинхронного тахогенератора менее 0,5%.
Синхронный тахогенератор
Синхронный тахогенератор представляет собой микромашину, подобную синхронному генератору, у которой ротор – постоянный магнит. В простейшей конструкции синхронного тахогенератора предусматривается одна генераторная обмотка.
При вращении ротора с угловой скоростью ω магнитный поток в обмотке изменяется по синусоидальному закону. Индуцируемая в генераторной обмотке переменная ЭДС
eГ(t)=EmГ(ω)sin(ωt) ,
изменяется с частотой ω, полностью определяемой скоростью вращения ротора. Амплитуда EmГ(ω) ЭДС пропорциональна скорости вращения. При изменении угловой скорости вращения ротора изменяется и амплитуда, и частота ЭДС и напряжения на выходе тахогенератора (рис. 9.16)
| Рис. 9.16. Временные диаграммы ЭДС на выходе синхронного тахогенератора при разных скоростях вращения |
Зависимость частоты ЭДС синхронного тахогенератора от угловой скорости вращения ротора является основным недостатком этого аппарата. Другой недостаток – выходной сигнал не содержит информацию о направлении вращения ротора. Эти недостатки устранены в реверсивных синхронных тахогенераторах. В них применяют дополнительные обмотки и электронные устройства в виде фазочувтсвительных схем, которые обеспечивают получение на выходе тахогенератора постоянного напряжения, пропорционального ω,полярность которого зависит от направления вращения ротора.
Цифровые датчики скорости
Элементы конструкции
Цифровой датчик скорости обладает большей точностью по сравнению с тахогенераторами. Он состоит из двух основных частей: импульсного преобразователя скорости (ИП) и кодового преобразователя (КП).
Импульсный преобразователь ИП преобразует угловую скорость вала в импульсы напряжения частотой f, пропорциональной скорости вращения вала. ИП может быть выполнен на основе кодового диска с окнами, расположенными на двух концентрических дорожках (рис. 9.17а). Две дорожки используются для того, чтобы определить направление вращения диска (вала). Окна внутренней дорожки сдвинуты на определенный небольшой угол по отношению к окнам внешней дорожки, как показано на рис. 9.17а.
| Рис. 9.17. Изобразительная модель кодового диска импульсного преобразователя (а) и функциональная схема цифрового датчика скорости (б) |
Когда диск вращается с некоторой угловой скоростью ω, излучение от источников (светодиодов) через окна дорожек периодически попадает на фотодиоды (рис. 9.17б). При этом проводимость фотодиодов увеличивается. По сигналам с фотодиодов в блоке формирования импульсов И вырабатываются импульсы частотой
,
где n - количество окон на дорожке (на рис. 9.17а четыре окна на дорожке). Длительность τ импульса напряжения UH , формируемого от окна наружной дорожки, и импульса UB от окна внутренней дорожки тем меньше, чем больше скорость ω.
