Общие сведения

Датчики скорости - ТАХОГЕНЕРАТОРЫ

Назначение датчиков скорости (ДС) — преобразование угловой скорости двигателя или скорости движения рабочего органа механизма в электрический сигнал. В системах АЭП ДС используются для реализации обратной связи по скорости. В качестве ДС нашли широкое применение тахогенераторы (ТГ) — микромашины постоянного и переменного токов.

Высокая производительность многих технологических процессов и качество выпускаемой продукции могут быть обеспечены только при стабильности всех факторов, определяющих технологический процесс, в том числе и частоты вращения электропривода. Часто требуется регулирование частоты вращения с погрешностью не более 0,2 %. Чувствительность систем автоматического управления (САУ) во многом зависит от величины и пульсаций сигнала обратной связи датчика скорости, которые зависят от типа и исполнения тахогенератора.

Тахогенераторы подразделяют на индукционные: постоянного тока, синхронные, асинхронные, индукторные тахогенераторы и фотоэлектрические: кодовые и с равномерным растром. Индукционные тахогенераторы характеризуются родом напряжения (постоянное или переменное). Тахогенераторы переменного тока подразделяются по числу фаз на однофазные, трехфазные и многофазные. Основной характеристикой тахогенераторов является скоростная (внешняя) характеристика, которая дает зависимость среднего значения напряжения от частоты вращения вала.

Измерение частоты вращения может осуществляться методом первой обратной разности кода положения, полученного с датчика положения за интервал дискретности системы управления. Возможны цифровые преобразователи скорости, основанные на измерении разности частот входного (напряжение возбуждения) и выходного напряжения фазовращателя, которая прямо пропорциональна частоте вращения. Эти методы с электронными схемами цифрового отсчета описаны, например, в /186, 199/. Датчик частоты вращения, основанный на использовании элементов Холла, описан в /21/.

Разрешающая способность индукционных датчиков скорости порядка 2 ^-12 оборота. Относительная погрешность тахогенераторов (класс точности) порядка 0,01 %, а импульсных фотоэлектрических датчиков до 10^-4 %.

Теоретические и экспериментальные исследования показали, что датчики скорости при наличии подвижной передачи становятся сложным звеном с элементами, создающими тенденцию к автоколебаниям. В связи с этим во многих случаях используют двигатели с тахогенераторами на одном валу. Значительное количество датчиков частоты вращения различной конструкции и принципа действия описано в /16, 18/.

Тахогенератор постоянного тока представляет собой электрическую машину постоянного тока с независимым возбуждением или постоянными магнитами (рис. 6.11,а). Входная координата ТГ — угловая скорость ω, выходная — напряжение U_вых, выделяемое на сопротивлении нагрузки.

Рис. 6.11. Схема (а) и характеристика управления тахогенератора постоянного тока (б)

Передаточный коэффициент ТГ, строго говоря, не остается постоянным при изменении скорости из-за нелинейности сопротивления щеточного контакта и реакции якоря. Поэтому в характеристике управления наблюдается определенная нелинейность в зонах малой и большой скоростей (рис. 6.11,6). Нелинейность в зоне малой скорости уменьшают применением металлизированных щеток с малым падением напряжения. Нелинейность характеристики из-за реакции якоря снижается ограничением сверху скорости и увеличением сопротивления нагрузки. При выполнении указанных мероприятий характеристику управления ТГ можно считать практически прямолинейной.

На работу ТГ существенное влияние оказывают конструктивно-технологические погрешности. Это коллекторные пульсации напряжения, обусловленные конечным числом коллекторных пластин, пульсации из-за зубцовой конструкции якоря, оборотные пульсации, вызванные несимметрией воздушного зазора. Погрешности от указанных пульсаций сильнее искажают выходной сигнал ТГ в области низких скоростей. При снижении скорости уменьшается их частота и увеличивается амплитуда относительно уровня передаваемого сигнала. Эти погрешности ограничивают нижний предел скорости ТГ. Для уменьшения перечисленных пульсаций тахогенераторы выполняются с повышенным числом коллекторных пластин, со скошенными по винтовой линии на одно зубцовое деление пазами якоря, с увеличенным воздушным зазором. Тахогенераторы высокой точности выполняются с полым беспазным якорем. Для дополнительного снижения пульсаций к выходу ТГ подключают конденсатор (рис. 6.11,а),

Конденсатор выполняет функцию фильтра высокочастотных относительно угловой скорости пульсаций.

Тахогенераторы переменного тока выполнены на базе асинхронной двухфазной машины.

Конструкция асинхронного тахогенератора ничем не отличается от асинхронного исполнительного двигателя с полым немагнитным ротором. Как и в ИД, одна из обмоток статора подключается к сети переменного тока и называется обмоткой возбуждения (ОВ), с другой - генераторной обмотки (ГО) снимается выходное напряжение (рис. 4.1).

Рис. 4.1. К вопросу о принципе действия асинхронного тахогенератора

Принцип действия асинхронного тахогенератора заключается в следующем. (Для упрощения качественного анализа примем полый ротор состоящим из конечного числа витков, замкнутых на торцах).

При питании обмотки возбуждения переменным током частоты f_В возникает пульсирующий магнитный поток Ф_В, который во вращающемся роторе индуцирует два вида ЭДС: трансформаторную ЭДС - Е_Т (показана внутри ротора) и ЭДС вращения - Е_ВР (показана снаружи ротора).

В контурах, перпендикулярных оси обмотки возбуждения, под действием трансформаторной ЭДС протекают токи и возникает поток Ф_ТР, который в соответствии с принципом Ленца направлен встречно потоку обмотки возбуждения, однако его действие компенсируется увеличением тока возбуждения. Так как ось генераторной обмотки перпендикулярна потоку Ф_ТР, он не будет индуцировать в ней никакой ЭДС.

В контурах, параллельных оси обмотки возбуждения, но теперь уже под действием ЭДС вращения тоже протекают токи, которые создают свой поток Ф_ВР. Он, пульсируя по оси генераторной обмотки, и наводит в ней выходную ЭДС.

Если принять, что магнитный поток возбуждения является гармонической функцией времени ф = Ф_msin(w₁t), то мгновенное значение ЭДС вращения будет е_вр = с_еФ_msin(w₁t)n. Ток, созданный этой ЭДС, i = e_вр/r_р = c_е/r_р*Ф_msin(w₁t)n. (Индуктивным сопротивление ротора можно пренебречь, поскольку он немагнитный, да к тому же выполнен из материала с высоким удельным сопротивлением). При отсутствии насыщения магнитный поток пропорционален току ф_вр = k_фi = k_фc_е/r_р*Ф_msin(w₁t)n. Тогда мгновенное значение выходной ЭДС будет е = -W_Гdф_вр/dt = -W_Гk_фc_е/r_р*Ф_mw₁cos(w₁t)n = Е_msin(w₁t - 90⁰). Угловая частота сети w₁ = 2pf. Так как ЭДС изменяется по гармоническому закону, ее действующее значение будет

Таким образом, величина выходной ЭДС асинхронного тохогенератора пропорциональна угловой скорости вращения, а ее частота равна частоте сети возбуждения.

При подключении нагрузки выходное напряжение U_Г станет меньше ЭДС Е_Г на величину внутреннего падения напряжения I_ГZ_Г

В общем случае асинхронный тахогенератор (АТГ) представляет несимметричную двухфазную машину, которую можно исследовать методом симметричных составляющих, что приводит к следующему выражению выходной характеристики [1]

(4.2)

где: k = W_ЭГ/W_ЭВ - коэффициент трансформации АТГ; - напряжение возбуждения; n = n/n₁ - относительная частота вращения; - комплексные коэффициенты, зависящие от величины и характера нагрузки Z_Н, от параметров схемы замещения АТГ.

Как следует из выражения (4.2), выходное напряжение U_Г не является линейной функцией относительной угловой скорости вращения n. Нелинейность создает квадратичная зависимость Вn². Если Вn² = 0, то U_Г становится пропорциональным n, а тахогенератор считается идеальным. При проектировании АТГ выражение Вn²стремятся уменьшить как за счет уменьшения n так и за счет уменьшения В.

Так как n₁ = 60f/р, то с целью уменьшения n тахогенераторы проектируют на большую частоту f. Правда при этом не уменьшают р, поскольку при р > 1, слабее проявляется магнитная несимметрия машины. Обычно р = 2.

Комплексный коэффициент В [1]:

где Z_CB - полное сопротивление обмотки возбуждения статора АТГ. Ясно, что с увеличением r_P, коэффициент В будет уменьшаться. Вот почему ротор АТГ выполняют из материала с высоким удельным сопротивлением (фосфористой или марганцевой бронзы, манганина и др.)! Повышению линейности выходной характеристики способствует и работа при больших сопротивлениях нагрузки Z_H. К уменьшению k и Z_CB обычно не прибегают т.к. первое снижает крутизну выходной характеристики, а второе - увеличивает габариты АТГ.

Синхронные тахогенераторы.

В качестве тахогенераторов применяются маломощные синхронные генераторы с магнитоэлектрическим возбуждением. Конструкция синхронных тахогенераторов (СТГ) хорошо описана в /5, 112/. Если выходной величиной является выпрямленное напряжение, то в СТГ обмотки статора выполняются многофазными (m = 3 и 6), при числе пар полюсов p_п = 1 - 2. Однофазная обмотка применяется в СТГ, у которых выходной величиной, характеризующей скорость, является частота ЭДС. Такие СТГ выполняются многополюсными. В настоящее время распространены СТГ с небольшим числом полюсов (2 р_п = 6 - 12), однако имеются СТГ и с большим числом полюсов (2 р_п = 24, 72 и даже 500 /18/). Большое число полюсов при трехфазной обмотке статора позволяют применять СТГ на тихоходных электроприводах.

Действующее значение ЭДС фазы обмотки статора

E_ф = 4,44 f w₁ k_об1 Ф_ad = k_e W, (19.7)

где k_e = (p_п / _{Ö 2} ) w₁ k_об1 Ф_ad.

Выпрямленное напряжение обмотки статора

U = k­_b k_e W,

где k­_b = 1,17 при трехфазном однополупериодном выпрямлении,

k­_b = 1,35 при шестифазном однополупериодном выпрямлении,

k­_b = 2,34 при трехфазном двухполупериодном выпрямлении.

Крутизна выходной характеристики (коэффициент передачи)

k_тг = DU/DW, В/ об/c. (19.8)

Так же, как для ТГПТ, крутизна выходной характеристики СТГ с выпрямленным напряжением определяется отношением r_я /r_иц . Выходные характеристики СТГ аналогичны показанным на рис.19.2, но в отличие от ТГПТ не имеют зоны нечувствительности, а в отличие от асинхронных ТГ они не имеют остаточной ЭДС. Основные погрешности СТГ обусловлены:

- зависимостью выходного напряжения от сопротивления измерительной цепи;

- низкочастотными пульсациями выходного напряжения вследствие несимметрии воздушного зазора машины;

- зубцовыми пульсациями магнитного потока;

- зависимостью параметров генератора от изменения температуры.

Эти погрешности компенсируются теми же мерами, которые применены для тахогенераторов постоянного тока. Выпрямленное напряжение СТГ с постоянными магнитами на роторе и трехфазной обмоткой статора имеет оборотные пульсации в пределах 2 - 4 %. Известен способ снижения пульсаций выпрямленного выходного напряжения трехфазного синхронного генератора установкой между СТГ и выпрямителем многофазного (m_в) трансформатора, табл. 19.1 /18/.

Таблица 19.1

mстг	mв	Umax , о.е	Umin , о.е	Uср , о.е	DUз , %
			0,5	0,827	60,5
			0,865	0,955	19,6
			0,966	0,988	3,5

Зубцовые пульсации снижают при помощи фильтра. Для Г-образного RC -фильтра коэффициент сглаживания пульсаций, равный k_ф = DU_з ^’/ DU_з^” , где DU_з ^’-зубцовые пульсации при отсутствии фильтра, DU_з^” - зубцовые пульсации после сглаживания фильтром, приведен в табл.19.2.

Таблица 19.2

Частота зубцовых пульсаций, Гц	kф при Тф = 0,005 с	kф при Тф = 0,02 с	kф при Тф = 0,05 с

Для снижения пульсаций выпрямленного напряжения прецизионные СТГ изготавливают с полюсами специального профиля, позволяющего получить желаемую форму ЭДС. Достоинством СТГ является малая чувствительность к вибрациям, к пыли и влаге. СТГ могут работать во взрывоопасной среде. Передаточная функция СТГ аналогична с ТГПТ, выражение (19.6).

В зависимости от функциональных возможностей информационно- измерительной системы получают нереверсивные или реверсивные СТГ постоянного (выпрямленного) тока. В первом случае используется обычное выпрямительное устройство, полярность выходного напряжения которого не зависит от направления вращения СТГ. Во втором случае применяют фазочувствительные выпрямители. В /112, 206/ представлены и подробно исследованы схемы преобразования синусоидального и косинусоидального напряжения двухфазного СТГ в постоянное путем умножения выходных напряжений фаз СТГ на синусоидальные функции угла поворота его ротора. Последние получают с помощью датчиков положения ротора типа вращающихся трансформаторов, рис.19.4.

Рис.19.4

На рисунке:

СТГ - двухфазный синхронный генератор, СКВТ - синусно-косинусный вращающийся трансформатор, ДМ - демодулятор, ФНЧ - фильтр низких частот,

U_оп - опорное напряжение, U_вых - выходное напряжение датчика скорости.

Напряжения, снимаемые с обмоток СТГ и равные

U_стг1 = (Y_ad dq/dt)sinq; U_стг2 = (Y_ad dq/dt)cosq, (19.9)

подаются на соответствующие блоки умножения. На эти же блоки умножения подаются напряжения обмоток СКВТ, пропущенные через демодуляторы и представляющие собой функции угла q: sinq, cosq. Очевидно, что число пар полюсов СКВТ и СТГ должно быть одинаковым. Напряжения с выхода блоков умножения

U_п1 = (Y_ad dq/dt)sin²q, U_п2 = (Y_ad dq/dt)cos²q (19.10)

поступают на входы сумматора, на выходе которого формируется напряжение

U_вых = (Y_ad dq/dt)(sin²q + cos²q) = Y_ad dq/dt =Y_adW. (19.11)

Полярность выходного постоянного напряжения, пропорционального частоте вращения, определяется направлением вращения и меняется при реверсе на противоположную. В выходном сигнале благодаря фильтрам низкой частоты отсутствуют переменные составляющие, образующие пульсации. Выходное напряжение формируется от нуля, без зоны нечувствительности и без какого-либо остаточного напряжения.