Тахометрические датчики (стр. 2 из 4)

Эксплуатационные параметры. На холостом ходу (/=0) э. д. с. генератора определяется общим выражением

где фо — поток, вызванный индукцией, k_e и k_m — постоянные параметры генератора.

Когда генератор соединен с нагрузкой R, он отдает ток /, который вызывает внутреннее падение напряжения RJ_f где Ri — сопротивление якоря, и реакцию якоря, которая уменьшает э.д.с. генератора тем больше, чем больше величина тока. Обозначая k, величину, характеризующую реакцию якоря, можно написать

Падение напряжения на щетках описывается выражением

или

где еь и Rb зависят от материалов контактов щетка — коллектор.

Для совокупности генератора с нагрузкой получаем соотношение

или

откуда следуют выражения для тока в нагрузке

и для напряжения на клеммах нагрузки

Из полученного для V выражения можно заключить, что:

—генератор имеет «мертвую зону», а напряжение возникает только при скоростях выше еь1к_е\ щетки должны быть установлены таким образом, чтобы минимизировать контактную разность потенциалов ey_tнапряжение U не является строго линейной функцией от вследствие реакции якоря; при тахометрическом использовании в режиме генератора нелинейность может быть уменьшена путем: а) минимизации тока / за счет использования повышенного сопротивления нагрузки; б) ограничения скорости вращения; в) использования таких типов обмотки ротора, которые дают малую реакцию якоря. Напряжение, получаемое в режиме генератора, обычно характеризуют величиной э.д.с. при скорости вращения 1000 об/ мин и обозначают через Ке.

Линейность характеристики тахометра оценивают с использованием максимальной разницы при 3600 об/мин между напряжением, измеренным на холостом ходу U_M, и напряжением Uс, вычисленным в предположении линейности генератора, т.е. £/с=3,6 Ке- Полагают, следовательно, что

Реакция якоря зависит от направления вращения, поскольку она приводит к смещению нейтральной линии в направлении вращения; для равных, но противоположно направленных скоростей вращения потоки, действующие на ротор, не одинаковы и, таким образом, соответствующие э.д.с. не точно симметричны.

Пусть Ке и Ке—э.д.с. холостого хода при 1000 об/мин для каждого направления вращения; асимметрия кривой £/=/(о>) при этом характеризуется двусторонним допуском

Напряжение U, вырабатываемое генератором, не является строго постоянным; оно содержит переменные составляющие, обусловленные а) возможным эксцентриситетом ротора и неоднородностью его магнитных свойств, что приводит к пульсациям с частотой ш/2л; б) явлениями, связанными с коммутацией пластин коллектора и вызывающими биение частоты л_с<о/2я, где Uс — число пластин. Такие пульсации можно в принципе ослабить с помощью фильтров LC или RC, хотя на малых скоростях вращения может возникнуть проблема с составляющей и. Степень модуляции напряжения на выходе генератора вследствие биения характеризуется величиной В для данной скорости вращения:

где Аи — размах колебаний напряжения U.

Типы конструкций. Чтобы избежать использования дополнительного источника питания обмотки возбуждения, индуктор выполняют на постоянных магнитах. Укажем обычно используемые материалы и порядок величин их остаточной индукции В_г и коэрцитивного поля Не. Твердые ферриты из смеси металлических оксидов: В_г— =0,2-5-0,4 Тл; Я_с= ЮО-г-250 кА/м; альнико (сплав железо — никель — кобальт — алюминий — медь): £,=0,8-М,3 Тл; _с=504-80 кА/м; тиконал (сплав типа альнико с добавкой титана): B_r=0,7-f--т-0,8 Тл; #с=120-г160 кА/м; кобальт—самарий (редкоземельный элемент): В_г=0,8-г-4-1,0 Тл; Яс=600н-700 кА/м. В противоположность альнико и тиконалу магниты из ферритов или редкоземельных металлов не размагничиваются при демонтаже; зато альнико и тиконал малочувствительны к температурам. Классификация в порядке возрастания цены следующая: феррит, альнико, тиконал, редкие земли.

Роторы бывают трех видов — катушечные, колоколообразные, дискоидальные.

Генератор с катушечным ротором позволяет вырабатывать относительно большое напряжение в несколько десятков вольт. Однако реакция якоря может искажать линейность, а значительная индуктивность обмотки L ухудшает электрическое быстродействие, определяемое постоянной времени L/R; значительной является и механическая инерция. Колоколообразный ротор образуется проволочной обмоткой на пустотельном немагнитном цилиндре, вращающемся вокруг фиксированного сердечника. Такой тип конструкции обеспечивает значительное снижение реакции ротора, индуктивности L и механической инерции. Дискоидальный ротор представляет собой изолированный диск, на котором закреплены пластинчатые проводники; этот тип конструкции характеризуется, в частности, очень малой величиной индуктивного сопротивления, хорошей защищенностью от посторонних воздействий и допускает относительно большие токи без искажения линейности.

Тахометрические генераторы на переменном токе

Такой тип генераторов интересен отсутствием коллектора и щеток, что способствует заметному увеличению срока службы, а также отсутствию флуктуации падения напряжения на щетках и подавлению паразитных сигналов при коммутациях. Однако схемы включения таких генераторов обычно более сложны, так как измерение амплитуды требует выпрямления и фильтрации выходного напряжения.

Синхронный генератор. Речь идет о небольшом генераторе переменного тока. Ротор, связанный с осью, скорость которой Статор несет якорную обмотку (одно- или многофазную), в которой возникает синусоидальная э.д.с; ев амплитуда и частота пропорциональны скорости вращения ротора, т. е.

где £=&iO), Q—k₂<i), k\, Аг —константы генератора. Таким об-; разом, величина w может быть определена по амплитуде э.д.с,' или по ее частоте.

Примерами таких тахометров могут служить генераторы с магнето (фирма-изготовитель Chauvin — Arnoux), имеющие однофазный статор и ротор в виде постоянного магнита с тремяпарами полюсов. Тахометр типа 64 имеет максимальную скорость 3000 об/мин, напряжение 24В±1% и частоту 50 Гц при1000 об/мин. У тахометра типа 64GV максимальная скорость составляет 6000 об/мин, напряжение 24В±1%, частота 200 Гц при 4000 об/мин.

Определение скорости по величине э.д.с. Импеданс якоря определяется выражением Zi=Ri+jLiQ, где Ri и U — соответственно его сопротивление и индуктивность.

Напряжение на клеммах ротора, нагруженного сопротивлением R, по абсолютной величине равно I

Как видно, напряжение U в общем случае не является линейной функцией. Использование генератора в тахометрии требует, чтобы сопротивление нагрузки R оставалось много больше импеданса обмотки даже при максимальных скоростях u; при этом U практически равно Е.

Выходное напряжение выпрямляется и фильтруется для получения постоянного пропорционального напряжения; оно не зависит от направления вращения. Эффективность фильтра падает с уменьшением частоты, поэтому степень биения напряжения возрастает при малых скоростях вращения, определяя нижний предел применимости. Кроме того, наличие фильтра вносит постоянную времени, которая снижает быстродействие.

Определение скорости по частоте сигнала. Частотное измерение представляет интерес, когда создаваемый синхронным генератором сигнал необходимо передать на расстояние; в этом случае потери в линии не влияют на измерение.

В качестве примера опишем тахометр с электрической передачей, выпускаемый фирмой Jaeger. Его задающий генератор — трехфазный, причем каждая обмотка его ротора соединена с одной из обмоток синхронного мотора. Поэтому в моторе возникает поле, которое вращается с той же скоростью, что ротор генератора, и увлекает синхронно ротор мотора, представляющий собой магнит. Ротор мотора связан со вторым магнитом (измерительным), который вращается перед металлическим диском; в последнем возникают токи Фуко, пропорциональные скорости вращения измерительного магнита, и вращающий момент Cm, пропорциональный скорости. Этот вращающий момент, согласно закону Ленца, стремится повернуть диск в сторону движения измерительного магнита; он уравновешивается противоположной парой сил спиральной пружины, так что отклонение а диска пропорционально скорости вращения.

Тахометрический асинхронный генератор. Его конструкция подобна конструкции двухфазного асинхронного мотора

Ротор состоит из тонкого немагнитного цилиндра, который вращается со скоростью (являющейся объектом измерения; его масса и инерция очень малы. Статор из магнитного листового железа несет две расположенные квадрупольно обмотки: а) возбуждающую обмотку, к которой приложено напряжение v_eс амплитудой V_e и стабильной частотой). б)измерительную обмотку, в которой наводится э.д.с. Последняя Фоомипует-тахиметрический сигнал £ — постоянная данного прибора.