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.

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎