Из полученного для V выражения можно заключить, что:
—генератор имеет «мертвую зону», а напряжение возникает только при скоростях выше еь1ке\ щетки должны быть установлены таким образом, чтобы минимизировать контактную разность потенциалов eyt напряжение 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 UM, 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 лс<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 Вг и коэрцитивного поля Не. Твердые ферриты из смеси металлических оксидов: Вг— =0,2-5-0,4 Тл; Яс= 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): Br=0,7-f--т-0,8 Тл; #с=120-г160 кА/м; кобальт—самарий (редкоземельный элемент): Вг=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 ve с амплитудой Ve и стабильной частотой). б)измерительную обмотку, в которой наводится э.д.с. Последняя Фоомипует- тахиметрический сигнал £ — постоянная данного прибора.
Разность фаз <р меняется на несколько градусов во всем диапазоне изменения скоростей генератора, но испытывает скачок на я при смене направления вращения. При нулевой скорости на клеммах измерительной обмотки возникает небольшое остаточное напряжение; оно вызвано несовершенством конструкции — асимметрией ротора, неоднородностью магнитного контура, неточной установкой обмоток по углу.
Порядок величин метрологических параметров прибора следующий: диапазон измерений от 10 об/мин до 2-10* об/мин; измеряемое напряжение при 1000 об/мин —от 1 до 10 В; отклонение от линейности — от 0,1% до 0,2% диапазона измерений; остаточное напряжение — от 10 до 100 мВ; момент инерции ротора— несколько г-см2. За исключением очень малого момента инерции, характеристики генераторов этого типа не слишком примечательны; кроме того, их использование требует очень стабильного возбуждающего источника. Однако такие генераторы представляют интерес, поскольку легко могут быть включены в регулирующие или командные комплексы, в которых информация передается амплитудой синусоидальных токов фиксированной частоты, содержащие, к примеру, такие приборы, как двухфазный мотор с управляющей обмоткой, синхродетек-гор, резольвер, индуктивный потенциометр.
Электромагнитные тахометры линейной скорости
Когда перемещение изучаемой детали значительно (свыше иетра), ее линейную скорость можно определить путем измерения угловой скорости, например, с помощью ролика либо иной вращающейся детали, являющейся частью того же устройства, скорость вращения которой пропорциональна линейной скорости перемещения; так, скорость стального листа на выходе прокатного стана определяется скоростью вращения валков.
В случае малых перемещений датчик скорости изготавливается из магнита и катушки. Поскольку один из этих элементов фиксирован, а другой связан с движущейся деталью, их относительное перемещение наводит в катушке э.д.с, пропорциональную скорости. Когда подвижна катушка, она перемещается в радиальном поле индукции тороидального возникающая в ней э.д.с. описывается выражением
где г и л — соответственно радиус витков и их число, f—2ягп— длина проволоки катушки, В — величина индукции, v — скорость перемещения.
Максимальное перемещение для таких конструкций составляет несколько миллиметров, чувствительность — порядка одного вольта на метр и секунду, а отклонение от линейности — около ±10%.
Для перемещений более значительных (достигающих 0,5 м) используют магнит, укрепленный на движущейся детали, который перемещается вдоль оси тандема из двух катушек.
