1. ТАХОГЕНЕРАТОРЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Тахогенераторы постоянного тока применяются в электрических вычислительных устройствах для выполнения различных вычислительных операций, в системах автоматического регулирования для ввода производной выходного сигнала или сигнала ошибки и для улучшения динамических свойств этих систем, а также в качестве датчика в различных измерительных схемах.

Тахогенератор представляет собой электромеханический дифференцирующий элемент, преобразующий механическое вращательное движение в электрический сигнал, т. е. служащий для ввода электрической величины. К тахогенераторам постоянного тока предъявляются следующие основные требования:

а) основная характеристика тахогенератора — зависимость выходного напряжения от скорости вращения — должна быть линейной и симметричной, т. е. тахогенератор должен развивать одинаковое напряжение при вращении в обе стороны;

б) крутизна характеристики, т. е. отношение приращения напряжения тахогенератора к приращению скорости его вращения, должна быть достаточно большой;

в) характеристика тахогенератора должна быть стабильной и не меняться во времени в зависимости от температуры и других физических условий;

г) тахогенератор должен быть надежен в эксплуатации;

д) тахогенератор должен характеризоваться достаточным быстродействием (малой электромеханической постоянной времени);

е) коллекторные шумы во многих случаях должны быть сведены к минимуму;

ж) тахогенератор должен быть простым по конструкции, дешевым в изготовлении и компактным;

з) тахогенераторы должны работать продолжительное время и в любом положении.

Так как напряжение тахогенератора в системах автоматического регулирования подается на вход усилителя с большем входным сопротивлением, а в вычислительных устройствах он часто работает в компенсационной схеме, то обычно не требуется, чтобы этот прибор развивал значительную мощность.

При дифференцировании тахогенератор создает дополнительный момент на оси, с которой он связан, и это является его недостатком.

Основным недостатком тахогенераторов постоянного тока является необходимость применения коллектора, что в условиях эксплуатации приводит к ряду нежелательных явлений.

Рис. XIII.1. Тахогенератор с постоянными магнитами: 1 — магнит с полюсами; 2 — якорь; 3 — щетка; 4 — коллектор

Коллектор и щетки обгорают вследствие искрения, особенно при пониженном атмосферном давлении и повышенной влажности. Искрение создает также помехи для работы различной аппаратуры, а переходное сопротивление между щетками и коллектором изменяется вследствие загрязнения или засаливания коллектора и т. д. Кроме того, тахогенераторы постоянного тока сложнее по конструкции и дороже тахогенераторов переменного тока.

Основным преимуществом тахогенераторов постоянного тока по сравнению с тахогенераторами переменного тока является отсутствие фазовых погрешностей и однотипность нагрузок.

Тахогенераторы постоянного тока по принципу действия и конструктивному оформлению представляют собой обычные электрические машины малой мощности, работающие в генераторном режиме. В зависимости от способа возбуждения тахогенераторы могут быть магнитоэлектрическими (рис. XIII.1) и электродинамическими (рис. XII 1.2). В первом случае возбуждение осуществляется при помощи постоянных магнитов, во втором — при помощи обмотки возбуждения, имеющей независимый источник питания.

Кривые статических характеристик тахогенераторов с независимым возбуждением круче, чем у тахогенераторов, возбуждаемых постоянными магнитами, причем крутизна может регулироваться потоком возбуждения.

Преимущество тахогенераторов с постоянными магнитами — они не нуждаются в особом источнике питания для возбуждения. Кроме того возможно создание малогабаритных тахогенераторов с коэффициентом передачи порядка

Температурные погрешности значительно меньше влияют на стабильность характеристик тахогенераторов с постоянными магнитами, чем стабильность характеристик тахогенераторов с независимым возбуждением.

Рис. XIII.2. Тахогенератор постоянного тока с независимым возбуждением: 1 — корпус; 2 — полюсы; 3 — якорь; 4 — щеткодержатель; 5 — передняя крышка; 6 — щетка; 7 — коллектор; 8 — поводок; 9 — клеммная плата

Недостатком тахогенератора с постоянным магнитом является его чувствительность к тряске и ударам и уменьшение потока возбуждения с течением времени, что приводит к изменению коэффициента тахогенератора. У некоторых тахогенераторов предусматривается возможность восстановления прежнего значения магнитного потока при помощи специальных магнитных шунтов, встроенных в машину (тонких перемычек между полюсами).

Для того чтобы уменьшить изменение коэффициента передачи тахогенератора с изменением температуры, иногда вводят температурную компенсацию непосредственно в цепь включения устройства.

В тахогенераторах с независимым возбуждением на величину выходного напряжения влияют колебания напряжения, питающего обмотку возбуждения. Однако в некоторых случаях все элементы, взаимодействующие с тахогенератором, изменяют свои масштабные коэффициенты также пропорционально падению напряжения, и влияние колебаний напряжения следует признать явлением положительным.

Электродинамические тахогенераторы должны характеризоваться малой петлей гистерезиса, для того чтобы магнитный поток

возбуждения однозначно зависел от тока возбуждения. С этой целью в качестве магнитопроводящего материала для изготовления статора и ротора целесообразно применять пермаллой.

Выходная характеристика тахогенератора.

Возможность применения тахогенератора в качестве электромеханического устройства, выполняющего дифференцировалие, основана на использовании известной для машин постоянного тока зависимости э. д. с. от скорости вращения ротора:

где — число пар полюсов;

— число оборотов якоря генератора в минуту;

— число проводников, уложенных в пазы якоря;

а — число пар параллельных ветвей обмотки якоря (обычно

Ф — поток возбуждения.

Рис. XIII.3. Выходные статические характеристики тахогенератора

Если магнитный поток возбуждения остается постоянным, т. е. то э. д. с. будет пропорциональна числу оборотов якоря тахогенератора и формула (XIII.1) примет вид

где — коэффициент пропорциональности, постоянный для данной машины.

Формула (XIII.2), в свою очередь, может быть преобразована (рис. XIII.3) к виду

— угловая скорость вращения.

В реальных условиях тахогенератор работает на некоторую нагрузку. Если предположить, что магнитный поток при этом сохранил прежнее значение, выходное напряжение тахогенератора уменьшится на величину падения напряжения и будет равно

где I — ток нагрузки;

— сопротивление цепи якоря, включающее сопротивление самой якорной обмотки и сопротивление переходного контакта между коллектором и щетками.

Так как

где сопротивление внешней нагрузки, то

отсюда

При постоянстве

где

Новый масштабный коэффициент увеличивается с уменьшением нагрузки. Таким образом, при наличии нагрузки выходное напряжение тахогенератора также пропорционально скорости вращения ротора.

Так как

где — угол поворота ротора,

передаточная функция тахогенератора постоянного тока относительно угла поворота ротора имеет вид

т. е. тахогенератор постоянного тока может быть представлен в виде идеального дифференцирующего звена с коэффициентом представляющим собой отношение приращения напряжения тахогенератора к приращению скорости вращения якоря, которое является основной характеристикой прибора. Величина коэффициента передачи назначается в зависимости от условий обеспечения устойчивой работы и качества системы регулирования.

Значение обычно удобнее определять экспериментально по кривым при различных сопротивлениях нагрузки В этом случае

или

где — изменение угловой скорости

Если напряжение измеряется в вольтах, а скорость вращения — в об/мин, то коэффициент тахогенератора будет иметь размерность в мин/об. Если же угловая скорость имеет размерность то

коэффициент тахогенёратора будет иметь размерность в с/рад. Момент для вращения тахогенератора может быть определен по формуле

где — момент, определяемый силами трения.