Тахогенераторы — виды, устройство и принцип работы
Слово «тахогенератор» происходит от двух слов — от греческого «тахос», означающего «быстрый» и от латинского «генератор». Тахогенератор представляет собой измерительную электрическую микромашину переменного или постоянного тока, которая монтируется на вал оборудования, и преобразует текущее значение частоты вращения вала в электрический сигнал, определенный параметр которого несет информацию о частоте вращения.
Таким параметром может выступать величина генерируемой ЭДС или значение частоты сигнала. Выходной сигнал с тахогенератора может подаваться на средство визуального отображения (например на дисплей) или на устройство автоматического управления частотой вращения вала, на котором работает данный тахогенератор.
Тахогенераторы бывают нескольких типов, в зависимости от вида сигнала, генерируемого на выходе: с сигналом переменного напряжения или тока (асинхронные или синхронные тахогенераторы), либо с сигналом постоянного тока.
Тахогенератор постоянного тока
Тахогенератор постоянного тока представляет собой коллекторную машину с возбуждением либо от постоянных магнитов (встречаются чаще), либо от обмотки возбуждения (встречаются реже), располагаемых на ее статоре. Измерительная ЭДС наводится на обмотку ротора тахогенератора, и оказывается прямо пропорциональна угловой скорости вращения ротора, по сути — скорости изменения магнитного потока, в точном соответствии с законом электромагнитной индукции.
Выходной сигнал — напряжение, величина которого также прямо пропорциональна угловой скорости вращения ротора — снимается через щетки с коллектора. Поскольку в работе участвуют коллектор и щетки, такой агрегат подвержен более скорому износу, чем тахогенератор переменного тока. Проблема еще и в том, что щеточно-коллекторный узел в процессе своей работы порождает импульсные помехи в выходном сигнале такого тахогенератора.
Так или иначе, выходным сигналом у тахогенератора постоянного тока является напряжение, что создает трудности с точным преобразованием напряжение-скорость, ведь магнитный поток подмагничивания зависит от температуры магнитов, от электрического сопротивления в месте контакта щеток с коллектором (которое со временем изменяется), наконец — от размагничивания постоянных магнитов с течением времени.
Тем не менее, в некоторых случаях тахогенераторы постоянного тока оказываются удобны формой представления выходного сигнала, а также закономерным явлением смены полярности данного сигнала в соответствии с изменением направления вращения вала.
Тахогенераторы постоянного тока характеризуются «коэффициентом преобразования» St, который выражает отношение снимаемого напряжения Uout к соответствующей данному напряжению частоте вращения Frot. Этот параметр дается в технической документации на тахогенератор, и измеряется в милливольтах, умноженных на обороты в минуту. Зная данный параметр и выходное напряжение с тахогенератора, можно вычислить текущую частоту по формуле:
Электродвигатель со встроенным тахогенератором:
Асинхронный тахогенератор переменного тока
Асинхронные тахогенераторы переменного тока похожи по устройству на асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Ротор здесь изготавливается в виде полого цилиндра (обычно медного или алюминиевого), а статор содержит две обмотки, расположенные под прямым углом друг к другу. Одна из обмоток статора — обмотка возбуждения, вторая — выходная. На обмотку возбуждения подается переменный ток с определенной амплитудой и частотой, а выходная обмотка присоединяется к измерительному прибору.
Когда короткозамкнутый ротор вращается, он периодически нарушает изначальную ортогональность магнитных потоков двух обмоток, в результате искажения картины магнитных полей, в выходной обмотке периодически наводится ЭДС. Если же ротор неподвижен, то магнитный поток обмотки возбуждения не искажается, и в выходной обмотке ЭДС не наводится. Здесь величина генерируемой ЭДС пропорциональна частоте вращения вала.
Поскольку подаваемый на обмотку возбуждения ток имеет собственную частоту, отличную от частоты вращения вала, такой тахогенератор именуется асинхронным. Кроме прочего, данная конструкция позволяет по фазе выходного сигнала судить о направлении вращения ротора, — при смене направления вращения фаза переворачивается.
Синхронный тахогенератор переменного тока
Синхронные тахогенераторы представляют собой бесколлекторные машины переменного тока. Намагниченность ротора создается постоянным магнитом, на статоре же присутствуют одна или более обмоток. В данном случае и амплитуда выходного сигнала, и его частота, — будут пропорциональны частоте вращения вала. Поэтому данные о скорости можно измерять как по значению амплитуды (детектирование по амплитуде), так и непосредственно по частоте (детектирование по частоте). Однако направление вращения по выходному сигналу синхронного тахогенератора не определить.
Ротор синхронного тахогенератора переменного тока может быть выполнен в виде многополюсного магнита, и на один оборот вала давать в выходном сигнале несколько импульсов подряд. Такие тахогенераторы, наравне с асинхронными, отличаются более длительным сроком службы, поскольку в них нет щеточно-коллекторного узла, склонного к механическому износу.
Детектирование по частоте
Поскольку у синхронного тахогенератора частота на выходе от температуры и других факторов не зависит, то измерения частоты с ним получаются более точными. Вычисление осуществляется очень просто, достаточно знать количество пар полюсов p на роторе:
Но есть и нюанс. Чтобы точность вычислений получилось достаточно высокой, необходимо затратить время, за которое теоретически скорость может уже измениться, а это значит, что пока импульсы считаются, нарастает погрешность измерения, что вредно.
Дабы погрешность при измерении снизить, ротор делают многополюсным, чтобы вычисления можно было осуществить быстрее, тогда и реакция регулирующей системы может последовать более скоро. Для одного полюса частота вычисляется по следующей формуле:
где N — количество считанных импульсов, Т — период считывания импульсов
У синхронного тахогенератора амплитуда сигнала изменяется в зависимости от скорости, поэтому при проектировании выходного частотного детектора важно учесть весь возможный диапазон амплитуд выходных напряжений тахогенератора.
Детектирование по амплитуде
При амплитудном способе определения частоты схема частотного детектора будет проще, но здесь важно учесть влияние таких факторов, как: температура, изменение немагнитного зазора и т. д. Чем выше частота — тем больше амплитуда выходного сигнала, поэтому схема детектора обычно представляет собой выпрямитель и НЧ-фильтр, где коэффициент преобразования, измеряемый в мВ*об/мин, позволяет определить частоту по следующей формуле:
Кроме рассмотренных в данной статье традиционных типов тахогенераторов, в современной технике также применяются импульсные датчики на базе оптронов, датчиков Холла и т. д. Достоинство тахогенераторов заключается в том, что в паре с детектором они не требуют никаких дополнительных источников питания. К недостаткам традиционных тахогенераторов машинного типа относятся: плохая чувствительность на низких скоростях и вносимый тормозящий момент.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Тахогенераторы. Виды и работа. Детектирование и особенности
Специальные электронные устройства, позиционируемые как тахогенераторы (ТГ), получили свое название от греческого «тахос», означающего «скорость» или «быстрый». Функционально эти приборы представляют собой монтируемую на валу двигателя машину постоянного/переменного тока. С ее помощью удается трансформировать частоту вращения на валу в импульсный сигнал, содержащий полезную информацию об отслеживаемом параметре.
В качестве контролируемой величины выбираются либо ЭДС, наводимая на выходе тахогенератора, либо частота генерируемых импульсных посылок. Выходной сигнал после дешифрирования поступает на дисплей или на модуль, управляющий работой обслуживаемого двигателя через обратную связь.
Принцип действия системы
В основу функционирования этих устройств заложен принцип индукции, согласно которому во вращающемся роторе генерируется ЭДС, пропорциональная рабочей частоте f вала. К его выводным контактам, оформленным в виде ламелей коллектора, подводятся съемные щетки из графита, имеющие минимальное сопротивление (высокую проводимость).
С них по электрическим медным проводникам напряжение подается на регистрирующий прибор, проградуированный в единицах частоты (Гц или кГц). В тахогенераторах с обратной связью любое отклонение от заданного показателя приводит к появлению сигнала, устраняющего его и поддерживающего f на заданном уровне.
Разновидности тахогенераторов
В зависимости от формы и качества вырабатываемого устройством сигнала тахогенераторы делятся на два вида. В первом случае на их выходе формируется переменный ток, а во втором в качестве информационного признака выступает постоянный уровень.
Переменный сигнал генерируется устройствами, которые по аналогии с электродвигателями, называются асинхронными или синхронными.
Тахогенераторы постоянного тока (ПТ)
Эта разновидность устройств представлена электрическими машинами коллекторного типа с внешним возбуждением. Последнее создается либо постоянными магнитами, либо формируется в отдельной возбуждающей обмотке, размещенной непосредственно на статоре.
Согласно закону э/м индукции контролируемый параметр (наводимая в роторной обмотке ЭДС) прямо пропорциональна его угловой скорости, определяемой как градиент магнитного потока в катушках. Выходное переменное напряжение снимается с помощью специальных щеток, имеющих прямой контакт с коллектором ротора.
Наличие коллектора и щеток приводит к тому, что тахогенераторы этого типа очень быстро выходят из строя. Это объясняется интенсивным износом медных токосъемников, которые приходится регулярно заменять. К недостаткам устройств постоянного тока также относят сильные импульсные помехи, создаваемые щеточно-коллекторным узлом во время вращения.
Отметим также, что на выходе у тахогенераторов этого типа действует постоянное напряжение, затрудняющее точное преобразование контролируемого показателя в скорость. Кроме того, образующийся в устройстве э/м поток зависит от окружающей температуры, от степени размагничивания железа, а также от сопротивления в зоне контакта щеток с ламелями коллектора.
Несмотря на это, в ряде ситуаций тахогенераторы ПТ более предпочтительны, поскольку позволяют распознавать направление вращения по смене полярности контролируемого сигнала. Результат преобразования в данном случае оценивается коэффициентом St, выражающим отношение напряжения U out к частоте вращения Frot.
Эта характеристика приводится в технической документации на конкретный образец прибора, а ее размерность указывается в мВ на обороты в минуту. Если рассматриваемый коэффициент известен заранее – нужный параметр на выходе тахогенератора вычисляется по простейшей формуле.
Асинхронные тахогенераторы и их особенности
Эти устройства по функционалу и конструкции схожи с асинхронными машинами с короткозамкнутым (КЗ) ротором, напоминающим беличью клетку. Он изготавливается в виде полого цилиндра из меди или алюминия.
На статоре самого тахогенератора имеется две катушки, э/м поля которых перпендикулярны друг другу. Одна из них – это обмотка возбуждения, а со второй снимается выходной сигнал.
На первую катушку подается переменное напряжение фиксированной амплитуды и частоты, а к концам второй подключается измерительный прибор. Во время вращения такого ротора ориентация магнитных потоков периодически меняется, что приводит к искажению силовых линий. В результате на выходе наводится ЭДС соответствующей величины, определяемой скоростью вращения вала (чаще всего они связаны пропорциональной зависимостью).
В ситуации, когда ротор тахогенератора неподвижен, создаваемый вокруг возбуждающей обмотки магнитный поток не изменяет своей картины (ЭДС не наводится). С учетом того, что частота подаваемого на обмотку возбуждения сигнала несколько отличается от того же параметра для двигателя – такое устройство называется асинхронным.
К достоинствам этого способа контроля частоты относят, возможность по фазе выходного сигнала контролировать такой механический параметр, как направление вращения. При его ротации меняется и фазовый показатель, регистрируемый на выходе контрольного прибора.
Синхронные генераторные устройства
Тахогенераторы синхронного типа – это электрические машины, у которых графитовые щетки и коллекторный узел полностью отсутствуют. Они отличаются от асинхронных приборов тем, что сам ротор намагничивается с помощью встроенных в него постоянных магнитов, а на статоре имеется соответствующее количество э\м обмоток.
При таком устройстве микромашины напряжение на выходе и скорость вращения на входе связаны прямо пропорциональной зависимостью. В данном случае контролируемые параметры могут измеряться как по амплитуде, так и по частоте. Чтобы привести их к виду, удобному для оценки, эти сигналы сначала обрабатываются в специальном детекторе и только потом (после дешифрирования) – поступают на дисплей или управляющий узел.
В синхронных устройствах определить направление вращения с помощью анализа выходного сигнала не получается (из-за невозможности сравнения фаз). Ротор такого тахогенератора – это магнит с полюсами, способными за один оборот выдавать на выходе сразу несколько следующих один за другим импульсов.
К преимуществам синхронных устройств относят:
- Независимость контролируемых параметров от внешних факторов (от температуры, в частности).
- Надежность и удобство обслуживания.
- Длительные сроки эксплуатации.
Большинство из достоинств синхронных тахогенераторов объясняется отсутствием в их конструкции щеточного узла, подверженного быстрому износу.
Способы детектирования
Детектировать полезный сигнал можно по двум основным характеристикам: частоте и амплитуде получаемого напряжения.
Детектирование по частоте (скорости вращения)
Частотный способ применяется при эксплуатации синхронных тахогенераторов, на работу которых колебания температуры окружающей среды не оказывают заметного влияния. Благодаря этому частоту вращения якоря-ротора удается определять очень точно.
Для получения нужного результата достаточно знать количество пар полюсов на якоре, обозначаемое латинской буквой «P». После этого необходимо разделить измеренный с помощью частотомера параметр на этот показатель.
Регистрируемая частота получается из формулы:
Для получения более точного результата, измерения проводятся после того, как двигатель «вышел» на устойчивый рабочий режим, при котором скорость вала постоянна. На точность снятия показаний большое влияние оказывает количество полюсов в роторе, которое стараются делать максимально возможным.
Для каждого из них рабочая частота вычисляется так:
Здесь N – количество учтенных импульсов, а Т соответствует периоду считывания каждого из них.
Поскольку тахогенераторы этого типа контролируют скорость вращения – при проектировании частотного детектора учитывается весь диапазон допустимых значений этого параметра.
Детектирование по амплитуде
При этом способе контроля параметров, схема получается более простой. Но чтобы она работала корректно – потребуется учесть влияние следующих факторов:
- Непостоянство магнитного зазора в сердечниках оборудования.
- Колебания окружающей температуры.
- Нелинейность характеристик прибора и т. п.
Поскольку зависимость между частотой и амплитудой на выходе выражается прямой пропорцией – для ее реализации выбираются линейные детекторные схемы.
Это может быть типовое выпрямительное устройство или фильтр НЧ, в которых частота определяется по формуле:
Помимо тахогенераторов в технике управления параметрами электродвигателей широко применяются схожие по функционалу датчики Холла. Преимущества микромашин заключается в том, что при работе в комплекте с детектором они не нуждаются в дополнительных питающих элементах. К недостаткам этих устройств относят низкую чувствительность на малых оборотах и вносимую в работу двигателя помеху в виде тормозящего момента.
Тахогенератор: что это такое и зачем он нужен
Если говорить о том, что такое тахогенератор – это устройства, которые внесли существенную лепту в человеческий прогресс.
В последнее время развитие человечества плотно связывают с освоением энергоисточников, действенностью задействования их. Кроме того, экспертами справедливо подмечено, что уровень развития каждого государства непосредственно зависит от того объема энергии, которая производится.
Автоматизация выдвинула иные, более прогрессивные требования к обратным связям различных механизмов, оборудования. Появление тахогенераторов внесло свою лепту в развитие энергоснабженческих систем.
Поэтому купить тахогенераторы https://energo1.com/catalog/takhogeneratory/ потребуется, если необходимо:
- измерять частотность вращения;
- вырабатывать сигналы управления разных типов;
- решать вопросы дифференцирования, интегрирования для обратной связи по скорости, так далее.
Получаемая возможность реализации всего вышеозначенного функционала вызывает огромный спрос на применение разных видов таких электрических машин в системах автомат-управления, регулировки, прочих.
Узнаем все о таком оборудовании, как работает тахогенератор, так далее.
Что такое тахогенератор
Это маломощные электрогенераторы, имеющие мощность от 10 до 50 Вт. Предназначение их основано на преобразовании вращательной частотности (перемещение механического плана вращением вала) в электрические сигналы (напряжения) в автомат-системах. Так, на тепловозах, имеющих электрическую передачу, оборудование применяется для регулировки мощности в автоматическом режиме.
Устройство являет собой часть электродвигателя, присоединяемого либо монтируемого к валу. Исходящий сигнал агрегата подается либо на специальный прибор автомат-регулирования (управления частотностью вращения вала электродвигателя), либо прибор визуального отображения. Таким образом, можно ответить на вопрос – на чем основан принцип работы тахогенератора.
Виды тахогенераторов
Такие электромашины существуют: переменного тока (они, в свою очередь, подразделяются на синхронные и асинхронные), а также – тока постоянного.
Тахогенератор постоянного тока
Это маломощные устройства, отличающиеся возбуждением либо от постоянных магнитов, либо электромагнитными независимыми. У таких агрегатов небольшой вес и размеры, при большей выходной мощности нет фазовой погрешности. Задействование их подразумевает эксплуатацию без источника питания для цепи возбуждения.
Асинхронный тахогенератор переменного тока
В схемах автоматики такой тип оборудования имеет функционал, аналогичный устройствам постоянного тока. Асинхронные электромашины также подразделяются на:
- точные – предназначение – функционирование в интегрирующих/дифференциальных схемах;
- имеющие меньшую точность, предназначенные для отслеживания скорости в кругах обратной связи.
Асинхронные электрические микромашины называют бесконтактными (в отличие от оборудования постоянного тока, к тому же – менее надежного). То есть, у первых отсутствуют контакты скольжения.
Конструкционно асинхронная электромеханика не отличается от аналогичных двигателей-исполнителей, имеющих полый немагнитный ротор. На статоре у них также располагаются 2 обмотки, сдвинутые на 90 градусов: одна обмотка ОЗ подключается к кругу – это возбуждающая обмотка, со второй (ОГ), имеющей название генераторная (она же исходная), снимается исходящее из измерительного генератора напряжение.
Характеристика такого вида оборудования видоизменяется при наличии непостоянного остаточного магнетизма, изменении насыщения, а также – характера, величины нагрузки, тому подобного. Нестабильность выходной характеристики – частая причина дополнительных погрешностей, вызванных независимыми факторами:
- остаточного магнетизма;
- температурными;
- нагрузочными;
- так далее.
Рассматриваемый тип тахогенератора обладает рядом положительных характеристик:
- небольшая инерционность;
- бесконтактность.
Также такое оборудование отличается высокой надежностью.
А методы борьбы с погрешностями асинхронных электромашин разнообразны. Как правило, большинство сводится к стабилизации частоты, нагрузок, входного напряжения, прочее.
Синхронный тахогенератор переменного тока
Это безколлекторное оборудование, изготовляемое однофазным. Имеет звездообразный ротор, состоящий из постоянных магнитов. Функционирует такой тип устройства с переменной частотностью, поэтому его задействование в простых схемах затруднительно. Применяется такое устройство для приводов механизмов, что имеют малую вращательную скорость.
Зачем нужен тахогенератор
Разберемся, где применяются тахогенераторы. Задействуются они в качестве измеряющих и контролирующих скорость датчиков. Это достаточно информативная электромашина.
Сферами ее применения являются:
- осциллографирование изменения вращательной скорости валов;
- обратная связь в системах слежения.
Также задействуется оборудование непосредственно для замеров скорости вращения механизмов, машин.
Резюме
Каким бы ни был тип тахогенератора, каждый из них имеет свои плюсы и недостатки. Поэтому, выбирая оборудование, исходят из определенных условий его функционирования, а также требований со стороны предназначаемого для него автомат-устройства.
Для чего нужен тахогенератор? Мы выяснили, что агрегаты нашли применение в автомат-устройствах, а также – в системах управления в виде безынерционного элемента. Для систем, где величина выхода является углом поворота, такое оборудование выступает «в роли» абсолютного дифференциатора. В электроцепи, к которой оно присоединяется, инерция принимается как дополнительное апериодическое звено.
Тахогенератор
Тахогенера́тор (от др.-греч. τάχος — быстрота, скорость и генератор) — измерительный генератор постоянного или переменного тока, предназначенный для преобразования мгновенного значения частоты (угловой скорости) вращения вала в пропорциональный электрический сигнал.
Величина сигнала (ЭДС) прямо пропорциональна частоте вращения.
Сгенерированный сигнал подаётся для непосредственного отображения на специально проградуированный вольтметр (тахометр) либо на вход автоматических устройств, отслеживающих частоту вращения.
Содержание
Принцип действия
Действие тахогенератора основано на пропорциональности угловой частоты вращения ротора генератора его ЭДС при постоянном значении потока возбуждения.
Различают тахогенераторы переменного тока (синхронные и асинхронные) и постоянного тока.
- Тахогенераторы постоянного тока — небольшие коллекторные машины, поток возбуждения в которых создаётся постоянным магнитом или независимой обмоткой.
- Тахогенераторы синхронного типа представляют собой небольшие синхронные машины с постоянным магнитом в качестве ротора.
- Асинхронные тахогенераторы (получили наибольшее распространение) по конструкции подобны асинхронным электродвигателям с полым короткозамкнутым ротором. На статоре такого тахогенератора расположены под углом 90° две обмотки, одна из которых (обмотка возбуждения) питается переменным током постоянной частоты и постоянного напряжения, а вторая является выходной, и к ней может быть подсоединён измерительный прибор (вольтметр, отградуированный, например, в об/мин).
Достоинства
- Пара тахогенератор — тахометр не требует дополнительных источников питания, проста и достаточно надёжна в работе.
Недостатки
- Тахогенераторы не могут измерять очень медленное вращение — получающийся сигнал чересчур мал.
- Тахогенератор создаёт дополнительную нагрузку на вращающийся вал и содержит трущиеся детали, требующие регулярного ухода. (С развитием электроники тахогенераторы заменяются на схемы с оптронами открытого типа, реагирующими на отражение света от меток на вале или на прерывания луча света крыльчаткой, размещённой на валу — датчики угла поворота (энкодеры)).
См. также
Литература
- Арменский Е. В., Фалк Г. Б. Электрические микромашины: Учебное пособие для студ. электротехнических специальностей вузов. — 3-е, перераб и доп. — М .: Высшая школа, 1985. — 231 с. — 22 000 экз.
Ссылки
| Это заготовка статьи о технике. Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив её. Это примечание по возможности следует заменить более точным. |