«Синхронные тахогенераторы, особенности работы и области применения»

Введение
Несомненно, развитие человечества в последние столетия неразрывно связано с освоением источников энергии и их эффективным применением. Первым источником энергии, совершившим промышленную революцию, стал пар, но вскоре его гегемония сменилась на власть электрических машин. Применение пара, а в последние 100 лет электричества, совершило техническую революцию в промышленности и оказало решающее влияние на развитие социальных отношений. Электрические машины малой мощности, применяются в системах и устройствах автоматики и вычислительной техники в качестве функциональных элементов. Все электромашинные элементы автоматики разделяются на три группы: исполнительные двигатели, электромашинные усилители и информационные машины. Исполнительные двигатели осуществляют преобразование электрического сигнала в механическое перемещение, они могут быть асинхронными, постоянного тока и шаговыми. Электромашинные усилители служат для усиления мощности электрических сигналов. Информационные машины включают в себя тахогенераторы, сельсины, магнесины и вращающиеся трансформаторы. Эти машины служат для преобразования механических величин в электрический сигнал или для передачи механического перемещения на расстояние. В данной работе мы хотим сфокусировать наше внимание на особенностях работы синхронных тахогенераторов — устройств, которые внесли огромную лепту в прогресс человечества.Цель: выявить особенности работы и области применения синхронных тахогенераторов.Задачи:1. Дать общую характеристику тахогенераторам2. Определить особенности работы синхронных тахогенераторов3. Предоставить информацию об области применения синхронных тахогенераторов.Глава 1. ТахогенераторыТахогенератор - электрическая машина, преобразующая угловую скорость (частоту вращения) ротора в электрический сигнал – выходное напряжение, пропорциональное преобразуемой величине. Основные требования, предъявляемые к тахогенераторам: линейность и высокая крутизна выходной характеристики; стабильность выходной характеристики при изменении условий окружающей среды; максимальная выходная мощность при минимальной мощности потребления; минимальная пульсация выходного напряжения (для тахогенераторов постоянного тока); минимальный момент инерции ротора; малые габаритные размеры и масса. Применяются в системах автоматического управления для измерения частоты вращения (угловой скорости); создания обратной связи в следящих системах; электрического дифференцирования угла поворота ротора α (выходное напряжение U=k·dα/dt, где k – коэффициент пропорциональности); электрического интегрирования выходного напряжения U (α=1/kʃUdt). Тахогенераторы применяются для контроля измерения скорости вала исполнительного устройства в электромеханических счетно-решающих устройствах, а также в устройствах автоматической обработки генерируемых ускоряющих и успокаивающих сигналов. Мощность тахогенераторов – от долей до нескольких сотен Вт.Различают тахогенераторы переменного и постоянного тока. Тахогенераторы постоянного тока могут быть с постоянными магнитами или с независимым (электромагнитным) возбуждением, переменного тока -синхронными и асинхронными. Глава 2. Синхронные тахогенераторы: особенности работыСинхронный тахогенератор представляет синхронную машину малой мощности. Возбуждение его осуществляется от постоянного магнита, расположенного на роторе. Выходные обмотки выполнены по однофазной или трёхфазной схемам и расположены на статоре. Отсутствие щёточного контакта обеспечивает высокую надёжность работы. Недостаток синхронных тахогенераторов – зависимость частоты выходного напряжения от скорости вращения. Синхронный тахогенератор является простейшим тахогенератором переменного тока. Конструктивно он подобен однофазному синхронному генератору небольшой мощности с ротором в виде постоянного магнита-звёздочки (рис. 1).Рис. 1 Синхронный тахогенераторСинхронный тахогенератор переменного тока - небольшая бесколекторная синхронная электрическая машина, в которой ротор 1 (см. рис.2) представляет собой постоянный магнит с несколькими полюсами, а в пазах статора 2 размещена выходная обмотка 3. Рисунок 2. Синхронный тахогенератор (конструкция, зависимость выходногонапряжения Uвых от частоты вращения ротора)При вращении ротора от постороннего механизма в выходной обмотке тахогенератора индуктируется переменное напряжение Uвых (см. рис.2) амплитуда и частота которого зависят от скорости вращения ротора. Так как ротор синхронного тахогенератора обычно изготавливают из многополюсного постоянного магнита, то на один оборот приходится не один, а несколько периодов выходного сигнала.Существенным минусом синхронного тахогенератора может быть невозможность определения направления вращения ротора по выходному сигналу, это является одной из основных причин его ограниченного применения. К плюсам можно отнести довольно большой срок службы и повышенную надёжность, по сравнению с другими типами тахогенераторов, прежде всего из-за отсутствия щёточно-коллекторного узла, а также сравнительно большую мощность выходного сигнала.Для определения частоты вращения ротора СТГ применяют два метода, частотный или(и) амплитудный.Частотный метод для синхронного тахогенератора является самым точным так как на частоту выходного сигнала не оказывают влияния такие факторы как, изменения температуры, величина зазора между статором и ротором, уменьшение магнитного потока, вызванное старением магнитов.Но, к сожалению, при определении скорости вращения частотным способом требуется время для определения частоты выходного сигнала Uвых путём накопления импульсов, что не даёт возможности получать мгновенно информацию об изменениях скорости.После определения частоты Fout выходного сигнала Uвых , скорость вращения ротора вычисляют по формуле:где Frot — частота вращения ротора в Гц;  Fout — частота сигнала Uвых на выходе тахогенератора Гц;  p — число пар полюсов ротора тахогенератора.Для более точного определения частоты вращения ротора необходимо большее количество времени, в течении которого частота может изменяться. А изменение частоты во время накопления импульсов для её определения вносит погрешность в измерения. Это плохо сказывается на динамичности системы управления в целом, т.к. её схема управления, в таких случаях, более медленно компенсирует уменьшение или увеличение скорости вращения. Чтобы как-то уменьшить вышеуказанный недостаток, используют синхронные тахогенераторы с большим количеством полюсов. Это даёт возможность сократить время для определения выходной частоты, что в свою очередь позволяет сократить время реакции схемы управления.Частоту выходного сигнала можно определять по формуле, приведенной ниже, но при этом усложняется электрическая схема, что не всегда приемлемо.где Fout – расчётное значение выходной частоты тахогенератора; N – число накопленных импульсов; Т – длина каждого периода;Амплитудный способ выгодно отличается от частотного простотой схемы управления, но не очень точен из-за: температурных колебаний; зазоров между статором и ротором; старения магнитов ротора, влияющее на величину магнитного потока; частотной модуляции, оказывающей воздействие на реактивные элементы электрической цепи. Как и в других типах тахогенераторов, при увеличении скорости вращения ротора возрастает и генерируемая в обмотке статора ЭДС. Для “считывания” значений этой ЭДС обычно используют выпрямитель (одно- или двухполупериодный) и НЧ фильтр, назначение которого сглаживать пульсации.Зная параметр “крутизны выходного напряжения”, представляемый обычно размерностью в мВ/мин-¹ (милливольт на оборот в минуту), и величину генерируемого выходного напряжения, можно сравнительно легко вычислить частоту вращения ротора:       где Frot — частота вращения ротора в Гц; Uout — величина генерируемого выходного напряжения в мВ; St- “крутизна выходного напряжения” в мВ/мин-¹. Из преимуществ синхронных тахогенераторов можно отметить:Устойчивость к вибрациямЗащита от пыли и влагиВзрывобезопасносная конструкция.Основное достоинство синхронных тахогенераторов - простота конструкции и высокая надежность в работе. Глава 3. Синхронные тахогенераторы: области примененияТахогенераторы должны быть прочными, надежными, точными, чувствительными и стабильными. Эти приборы (тахогенераторы постоянного тока, тахогенераторы переменного тока, бесщеточные тахогенераторы постоянного тока) адаптированы для любой отрасли:станки;системы дозирования;подъемно-транспортные системы;подъемники;оборудование для производства бумаги;текстильные машины;линии по производству стекла;прокатные станы;железнодорожная промышленность.Из-за механической стойкости синхронные тахогенераторы используют в наземном и подземном транспорте, на машинах в шахтах, и других агрегатах, которые подвергаются постоянной встряске.
Заключение
Синхронные тахогенераторы по внешнему виду похожи на маломощный синхронный электродвигатель с магнитным и электрическим возбуждением, имеющие маленький ротор, играющий роль магнита. Для выравнивания частоты и амплитуды, зависящей напрямую от оборотов вращения, применяются выпрямители на основе полупроводниковых приборов. Такой вид тахогенератора работает с переменной частотой, что затрудняет его использование в простых схемах. Он имеет низкую чувствительность к возможности изменения направления крутящего момента вала электродвигателя. В устройствах тахогенераторов синхронного типа выполняют значительное число пар полюсов, поэтому они используются для приводов механизмов с малой скоростью вращения.Причины погрешности: выходное напряжение имеет зависимость от величины сопротивления цепи; несимметричность воздушного зазора обуславливает появление пульсаций низкой частоты; в магнитном потоке присутствуют пульсации от зубьев; изменение температуры влияет на параметры машины.Для нормального функционирования синхронных тахогенераторов подойдут такие же меры и условия, как для электрических устройств постоянного тока. Импульсы напряжения уравниваются путем использования устройства ротора со специальными полюсами, обеспечивающими необходимую ЭДС. Чтобы уменьшить зубцовые пульсации, применяют сглаживающий фильтр.Из преимуществ синхронных тахогенераторов можно отметить: устойчивость к вибрациям; защита от пыли и влаги; взрывобезопасносная конструкция; простота конструкции и высокая надежность в работе. Синхронные тахогенераторы используют в наземном и подземном транспорте, на машинах в шахтах, и других агрегатах, которые подвергаются постоянной встряске.
Список литературы
Асинхронный тахогенератор // URL: https://www.skachatreferat.ru/referaty/Асинхронный-Тахогенертор/85188678.html (дата обращения: 12.01.2021).Назначение тахогенераторов // URL: https://otherreferats.allbest.ru/physics/d00780700.html (дата обращения: 12.01.2021).Синхронные тахогенераторы переменного тока // URL: https://lux-stahl.ru/podklyuchenie/tahogenerator-eto.html (дата обращения: 12.01.2021).Тахогенератор // URL: https://bigenc.ru/technology_and_technique/text/4184143 (дата обращения: 12.01.2021). Тахогенераторы // URL: https://stpi.ru/promyshlennye-avtomatizatsii-i-elektronnye-komponenty-takhogeneratory.html (дата обращения: 12.01.2021).Тахогенераторы. Виды и устройство. Работа и применение // URL: https://electrosam.ru/glavnaja/jelektrooborudovanie/ustrojstva/takhogeneratory/ (дата обращения: 12.01.2021).Устройство и принцип действия тахогенераторов переменного тока // URL: https://elenergi.ru/ustrojstvo-i-princip-dejstviya-taxogeneratorov-peremennogo-toka.html (дата обращения: 12.01.2021).Электрические тахогенераторы постоянного тока. // URL: https://nicespb.ru/elektroshkola/tahogeneratory-peremennogo-toka.html (дата обращения: 12.01.2021).