§5.5. Тахогенераторы постоянного тока

Тахогенераторы постоянного тока (рис.5.17,а) по принципу действия и конструкции представляют собой электрические коллекторные микромашины постоянного тока с независимым электромагнитным возбуждением или возбуждением от постоянных магнитов.

Выходная характеристика.
    Выходная характеристика тахогенератора – это зависимость напряжения U_Я от угловой скорости ω якоря при Ф=const и R_H = const.
   Электродвижущая сила якоря E_Я прямо пропорциональна магнитному потоку возбуждения и угловой скорости якоря. На основании (5.6) при постоянном магнитном потоке

E_Я=S_тг.0ω=S_тг.0(dΘ/dt),    (5.28)

где S_тг.0=kФ_В крутизна тахогенератора при х.х.; Θ– угол поворота якоря тахогенератора.
   Выражение (5.28) – это уравнение выходной характеристики тахогенератора постоянного тока при х.х., т.е. при разомкнутой цепи якоря. Данная линейная зависимость показана на рис.5.17,б (для Rн=∞).  

Рис.5.17

При подключении обмотки якоря к прибору или устройству с конечным значением входного сопротивления выходное напряжение будет меньше ЭДС якоря. Уравнение равновесия ЭДС и напряжений в цепи якоря, записанное по второму закону Кирхгофа, имеет вид U_Я=E_Я-I_ЯR _ЦЯ, где I _я - ток якоря; R _ця - сопротивление цепи якоря, равное сумме сопротивлений обмотки R _я и щеток. Так как по закону Ома I_Я=U_Я/R _H, то

U _Я=E _Я / (1+R _ЦЯ/R _H)=S _тг.0ω / (1+R _ЦЯ/R _H).    (5.29)

Уравнение (5.29) свидетельствует о линейности выходной характеристики тахогенератора постоянного тока при постоянных магнитном потоке возбуждения и сопротивлении щеток.
   На рис.5.17,б представлены выходные характеристики, соответствующие уравнению (5.29) для двух конечных значений сопротивления нагрузки R _H1 и R _H2, причем R _H1 > R _H2.Однако выходная характеристика реального тахогенератора может отклоняться от линейной зависимости (5.29). Это объясняется двумя факторами:
   1) возникновением при нагрузке тахогенератора потока якоря, нелинейно ослабляющего поток возбуждения при росте тока якоря. Следовательно, ЭДС якоря при нагрузке не является постоянной величиной для данной угловой скорости якоря, а зависит от нагрузки;
   2) изготовлением тахогенераторов постоянного тока с графитовыми щетками. У тахогенераторов с графитовыми щетками постоянным является не сопротивление переходного контакта, а падение напряжения U _Ш. Это соответствует характеру зависимости сопротивления графита от плотности тока в нем. В таком тахогенераторе напряжение на выводах якоря при нагрузке U _я=Е _я-U _ш-I _яR _я.
   Выходная характеристика, построенная с учетом размагничивающего действия реакции якоря и постоянства падения напряжения в щеточном контакте, показана на рис.5.17,б штрих- пунктирной линией. Как видно, характеристика нелинейная, т.е. появляется погрешность отображения функциональной зависимости. Характеристика начинается не из нуля, так как при малой угловой скорости якоря ЭДС меньше падения напряжения в щетках и U _Я=0. Это означает, что тахогенератор имеет зону нечувствительности Δω _зн – диапазон угловых скоростей ротора, в пределах которого выходное напряжение практически равно нулю.
   Крутизна тахогенератора постоянного тока при нагрузке S _тг. в общем случае является нелинейной функцией угловой скорости якоря. Если размагничивающим действием реакции якоря в конкретном случае можно пренебречь, то на основании (5.29)

S _тг.= S _ТТ.0 / (1+R _я/R _н),    (5.30)

т.е. крутизна не зависит от угловой скорости якоря. Она определяется конструктивными параметрами и напряжением возбуждения машины и увеличивается с ростом нагрузочного сопротивления. У тахогенераторов постоянного тока при R _н>>R _я крутизна S _тг.= 3–100 мВ/(об/мин).

Погрешности и классы точности.
   Погрешность отображения функциональной зависимости, вызванная реакцией якоря, является принципиальной.
   Для уменьшения погрешности целесообразно подключать на выход тахогенератора как можно большее нагрузочное сопротивление R _н и использовать небольшой диапазон угловых скоростей якоря(ω<=0,5ω_ном.), так как в этом случае реакция якоря незначительна. Весьма низкая погрешность у тахогенераторов, выполненных на базе машины постоянного тока с полым или дисковым якорем, потому что у таких машин, как указывалось, снижается влияние реакции якоря.
   Зона нечувствительности является конструктивной погрешностью тахогенераторов постоянного тока. Зона нечувствительности сужается при увеличении крутизны тахогенератора:
   Δ ω _зн=U_щ/S_тг.
   Значительное уменьшение Δ ω_зндостигается применением металлических щеток с серебряными напайками в местах прикосновения к коллектору, у которых вольт-амперная характеристика линейная.
   К технологическим погрешностям тахогенератора постоянного тока относится асимметрия – отклонение выходных напряжений тахогенератора от среднего значения в режиме нагрузки при равных угловых скоростях и разных направлениях вращения ротора. При неточной установке щеток на геометрической нейтрали появляется продольная реакция якоря, которая при одном направлении вращения и полярности тока будет намагничивающей, при другом – размагничивающей. Значение асимметрии (%):

   A_тг=(U_яч-U_{я пр})100 / (U_яч+U_{я пр}),

где U_яч и U_{я пр},соответственно напряжения на якоре при вращении по часовой и против часовой стрелки.
   Определенную погрешность в работу тахогенератора постоянного тока вносят пульсации выходного напряжения, которое не является постоянным во времени при постоянной угловой скорости ротора. Пульсации относятся к конструктивно-технологическим погрешностям тахогенератора. Якорные пульсации вызываются изменением магнитного сопротивления и, как следствие, магнитного потока в пределах оборота якоря, которое может быть обусловлено эллиптичностью или эксцентриситетом якоря. Зубцовые пульсации связаны с изменением магнитного потока под полюсом вследствие зубчатости поверхности якоря. Якорные и зубцовые пульсации отсутствуют у тахогенераторов с полым немагнитным или дисковым якорем. Коллекторные пульсации вызываются периодическим изменением числа катушек в параллельных ветвях обмотки якоря вследствие замыкания части катушек при коммутации и вибрацией щеток на коллекторе. Зубцовые и коллекторные пульсации являются высокочастотными и весьма легко сглаживаются LC- фильтрами. Якорные пульсации имеют более низкую частоту. У прецизионных тахогенераторов амплитуда пульсации не превышает 0,1–1 % от среднего напряжения.
   У тахогенераторов постоянного тока имеются эксплуатационные погрешности. Например, при электромагнитном возбуждении возможна температурная погрешность вследствие нагрева обмотки полюсов, повышения ее сопротивления и уменьшения тока возбуждения и выходного напряжения. Такая же погрешность возможна при колебании напряжения в сети, питающей обмотку полюсов. Чтобы даже значительные изменения тока возбуждения не вызывали больших изменений магнитного потока, магнитную систему тахогенератора выполняют насыщенной. Если магнитопровод тахогенератора должен быть ненасыщенным, то для предотвращения температурной погрешности применяют теплочувствительные магнитные шунты.
   Тахогенератор с возбуждением от постоянных магнитов не имеет указанных эксплуатационных погрешностей. Существенное преимущество такого тахогенератора состоит в том, что он не нуждается в источнике питания.
   Преимущество тахогенераторов постоянного тока – возможность получения малой погрешности отображения функциональной зависимости. Однако имеется ряд недостатков, ограничивающих их применение: наличие скользящего контакта коллектор-щетки, значительно снижающего надежность машин; необходимость использования фильтров от радиопомех и для сглаживания пульсации выходного напряжения.
   При оценке класса точности тахогенераторов постоянного тока используют два показателя: погрешность отображения функциональной зависимости и асимметрию. Класс точности тахогенератора устанавливают по наихудшему из показателей. В зависимости от класса допустимая погрешность и асимметрия лежат в диапазоне 0,02–2,5 %

Динамические характеристики.
   В режиме, близком к холостому ходу, тахогенератор можно считать усилительным звеном, если входной величиной является угловая скорость, и идеальным дифференцирующим звеном, если входной величиной является угол поворота ротора. В соответствии с (5.28) передаточные функции тахогенератора для этих двух случаев будут иметь вид

W(p)=e _Я(p)/ω(p)=K _тг ,    (5.31)
   W(p) = e _я(p)/Θ(p)=K _тг p,    (5.32)

где коэффициент передачи тахогенератора K _тг=S _тг.0
   В реальных условиях тахогенератор может работать с нагрузкой, что скажется на его динамических характеристиках. Переходные процессы в генераторе постоянного тока, работающем на нагрузку, были рассмотрены в § 5.3. Тахогенератор работает при постоянном потоке возбуждения, и его инерционность будет определяться только постоянной времени цепи якоря:

W(p)=U_я(p)/ω(p)=K _тг. /(τ _я p+1),    (5.33)
W(p)= U _я(p)/Θ(p)=K _тг.p/( τ _яp+1),    (5.34)

где K _тг.=S _тг.
   Как видно из (5.34), тахогенератор представляет собой инерционное дифференцирующее звено и производит дифференцирование с некоторым искажением, которое определяется постоянной времени τ_я (рис.5.18,а).

Рис.5.18.

Если дифференцирование должно происходить без искажения, то постоянная времени должна быть сведена к минимуму, при котором тахогенератор можно было бы считать безынерционным звеном. Передаточная функция такого тахогенератора (5.32), график его переходной функции представлен на рис.5.18,б. Существенного уменьшения τ _я можно достичь при использовании в качестве тахогенераторов постоянного тока машин с полым немагнитным ротором (якорем) или дисковым, у которых, как указывалось, мала индуктивность обмотки якоря.