ИНФОРМАЦИОННЫЕ МИКРОМАШИНЫ АВТОМАТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

4. ТАХОГЕНЕРАТОРЫ

§ 4.1. Общие сведения

Тахогенераторами (ТГ) называются электрические машины небольшой мощности, преобразующие механическое вращение в электрический сигнал.

Главное требование, предъявляемое к тахогенераторам, заключается в линейности выходной характеристики - пропорциональной зависимости между выходным напряжением U и угловой скоростью вращения n:

(4.1)

где: k, k’ - коэффициенты пропорциональности; j - угол поворота.

Из уравнения (4.1) видно, что тахогенеpатоpы можно использовать для измерения скорости вращения и для электромеханического дифференцирования, если за входной сигнал принять угол поворота ротора.

По роду тока тахогенераторы можно разделить на ТГ переменного и ТГ постоянного тока.

§ 4.2. Асинхронный тахогенератор

Конструкция асинхронного тахогенератора ничем не отличается от асинхронного исполнительного двигателя с полым немагнитным ротором. Как и в ИД, одна из обмоток статора подключается к сети переменного тока и называется обмоткой возбуждения (ОВ), с другой - генераторной обмотки (ГО) снимается выходное напряжение (рис. 4.1).

Рис. 4.1. К вопросу о принципе действия асинхронного тахогенератора

Принцип действия асинхронного тахогенератора заключается в следующем. (Для упрощения качественного анализа примем полый ротор состоящим из конечного числа витков, замкнутых на торцах).

При питании обмотки возбуждения переменным током частоты f_В возникает пульсирующий магнитный поток Ф_В, который во вращающемся роторе индуцирует два вида ЭДС: трансформаторную ЭДС - Е_Т (показана внутри ротора) и ЭДС вращения - Е_ВР(показана снаружи ротора).

В контурах, перпендикулярных оси обмотки возбуждения, под действием трансформаторной ЭДС протекают токи и возникает поток Ф_ТР, который в соответствии с принципом Ленца направлен встречно потоку обмотки возбуждения, однако его действие компенсируется увеличением тока возбуждения. Так как ось генераторной обмотки перпендикулярна потоку Ф_ТР, он не будет индуцировать в ней никакой ЭДС.

В контурах, параллельных оси обмотки возбуждения, но теперь уже под действием ЭДС вращения тоже протекают токи, которые создают свой поток Ф_ВР. Он, пульсируя по оси генераторной обмотки, и наводит в ней выходную ЭДС.

Если принять, что магнитный поток возбуждения является гармонической функцией времени ф = Ф_msin(w₁t), то мгновенное значение ЭДС вращения будет е_вр = с_еФ_msin(w₁t)n. Ток, созданный этой ЭДС, i = e_вр/r_р = c_е/r_р*Ф_msin(w₁t)n. (Индуктивным сопротивление ротора можно пренебречь, поскольку он немагнитный, да к тому же выполнен из материала с высоким удельным сопротивлением). При отсутствии насыщения магнитный поток пропорционален току ф_вр = k_фi = k_фc_е/r_р*Ф_msin(w₁t)n. Тогда мгновенное значение выходной ЭДС будет е = -W_Гdф_вр/dt = -W_Гk_фc_е/r_р*Ф_mw₁cos(w₁t)n = Е_msin(w₁t - 90⁰). Угловая частота сети w₁ = 2pf. Так как ЭДС изменяется по гармоническому закону, ее действующее значение будет

Таким образом, величина выходной ЭДС асинхронного тохогенератора пропорциональна угловой скорости вращения, а ее частота равна частоте сети возбуждения.

При подключении нагрузки выходное напряжение U_Г станет меньше ЭДС Е_Г на величину внутреннего падения напряжения I_ГZ_Г

В общем случае асинхронный тахогенератор (АТГ) представляет несимметричную двухфазную машину, которую можно исследовать методом симметричных составляющих, что приводит к следующему выражению выходной характеристики [1]

(4.2)

где: k = W_ЭГ/W_ЭВ - коэффициент трансформации АТГ; - напряжение возбуждения; n = n/n₁ - относительная частота вращения; - комплексные коэффициенты, зависящие от величины и характера нагрузки Z_Н, от параметров схемы замещения АТГ.

Как следует из выражения (4.2), выходное напряжение U_Г не является линейной функцией относительной угловой скорости вращения n. Нелинейность создает квадратичная зависимость Вn². Если Вn² = 0, то U_Г становится пропорциональным n, а тахогенератор считается идеальным. При проектировании АТГ выражение Вn²стремятся уменьшить как за счет уменьшения n так и за счет уменьшения В.

Так как n₁ = 60f/р, то с целью уменьшения n тахогенераторы проектируют на большую частоту f. Правда при этом не уменьшают р, поскольку при р > 1, слабее проявляется магнитная несимметрия машины. Обычно р = 2.

Комплексный коэффициент В [1]:

где Z_CB - полное сопротивление обмотки возбуждения статора АТГ. Ясно, что с увеличением r_P, коэффициент В будет уменьшаться. Вот почему ротор АТГ выполняют из материала с высоким удельным сопротивлением (фосфористой или марганцевой бронзы, манганина и др.)! Повышению линейности выходной характеристики способствует и работа при больших сопротивлениях нагрузки Z_H. К уменьшению k и Z_CB обычно не прибегают т.к. первое снижает крутизну выходной характеристики, а второе - увеличивает габариты АТГ.

§ 4.3. Погрешности асинхронного тахогенератора

Выражение (4.2) свидетельствует о том, что выходное напряжение является комплексной величиной, поэтому можно говорить об амплитудной и фазовой погрешностях АТГ.

Амплитудной погрешностью называется отклонение реальной характеристики U = f (n) от идеальной (рис. 4.2). Ее определяют как выраженное в процентах отношение разницы напряжений идеального (прямая 1) и реального (кривая 2) тахогенераторов к номинальному напряжению идеального АТГDU_% = (U_ГИ - U_Г) /U_ГИ.НОМ*100.

Уменьшению амплитудной погрешности способствует правильная калибровка АТГ, т.е. настройка схемы, в которой работает АТГ, на оптимальный наклон идеальной выходной характеристики АТГ. Так, если диапазон измеряемых частот вращения невелик, настройку лучше выполнить в соответствии с рис.4.2, а. Если же диапазон достаточно широк, целесообразно откалибровать АТГ по рис. 4.2, б.

Рис. 4.2. К вопросу о калибровке асинхронного тахогенератора при малом диапазоне скоростей вращения а) и широком б)

В этом случае [3].

Физическая природа амплитудной погрешности обуславливается рядом факторов. Во-первых, падением напряжения в генераторной обмотке I_гZ_г

во-вторых, изменением тока возбуждения, а следовательно, и магнитного потока Ф_в в результате размагничивающего действия трансформаторной ЭДС ротора. Поток генераторной обмотки Ф_г направлен встречно потоку Ф_вр и немного уменьшает его - этотретья причина амплитудной погрешности (рис. 4.3, а). Ротор хотя и обладает большим активным сопротивление, все же имеет некоторое индуктивное сопротивление, в следствие чего поток Ф_вр содержит продольно-размагничивающую составляющую Ф_d, которая немного размагничивает АТГ, что является четвертой причиной амплитудной погрешности (рис. 4.3, б). И, наконец, от потока Ф_вр в роторе индуцируется ЭДС вращения, создающая ток и дополнительный магнитный поток, действующий на встречу потоку возбуждения (рис. 4.3, в). Поскольку эта дополнительная ЭДС пропорциональна угловой скорости вращения, ток возбуждения с увеличением n вынужден возрастать, что приводит к увеличению падения напряжения в обмотке возбужденияи уменьшению потока Ф_В.В этом заключается пятая причина амплитудной погрешности АТГ.

Рис. 4.3. К вопросу о причинах амплитудной погрешности асинхронного тахогенератора

Фазовая погрешность - отклонение фазы выходного напряжения от фазы напряжения, принятого за базовое. Чаще всего в качестве последнего берут напряжение возбуждения.

Физическая природа фазовой погрешности в основном определяется индуктивными сопротивлениями статора и особенно ротора. Ее, как и амплитудную, можно уменьшить путем соответствующего выбора характера нагрузки (рис. 4.4).

Рис.4.4. Зависимость амплитудной и фазовой погрешностей АТГ от скорости вращения при различном характере нагрузки

На рис. 4.4 построены зависимости амплитудной и фазовой погрешностей в функции частоты вращения при разном характере нагрузки (R - чисто активная, L - чисто индуктивная, C - чисто емкостная) для АТГ откалиброванного согласно рис. 4.2, а.

Из рис. 4.4 видно, что нельзя одновременно понизить и амплитудную, и фазовую погрешности. В тоже время видно, что, подключая параллельно генераторной обмотке различные сопротивления (осуществляя компаундирование), можно существенно уменьшить одну из них. Обычно ту, которая наиболее существенна для конкретной схемы работы АТГ.

На рис. 4.5 построены упрощенные векторные диаграммы асинхронного тахогенератора, иллюстрирующие влияние характера нагрузки на величину фазовой погрешности. Вектор тока возбуждения показан без основной и компенсирующей составляющих. Угол j_р обусловлен соотношением активного и реактивного сопротивления ротора.

Опыт и рис. 4.4 показывают, что амплитудная и фазовая погрешности сравнительно невелики при малых n. Поэтому целесообразно ограничить диапазоны измеряемых относительных угловых скоростей вращения значениями 0÷0,25 для АТГ высокого класса точности и 0÷0,7 для остальных АТГ.

Рис. 4.5. Упрощенные векторные диаграммы АТГ при разных нагрузках: а) ZH = R б) ZH = jωL в) ZH = -j1/ωC

Нулевойсигнал - напряжение на генераторной обмотке при неподвижном роторе. Нулевой сигнал U₀ не остается постоянным при повороте ротора. Он содержит две составляющие: постоянную и переменную (рис. 4.6)

Постоянная составляющая обуславливается: а) неточным сдвигом обмоток на 9О эл. град; б) наличием короткозамкнутых контуров в сердечниках и обмотках; в) неодинаковой магнитной проводимостью вдоль и поперек проката; г) неравномерным воздушным зазором; д) наличием потоков рассеяния и другими причинами, проводящими к магнитной связи двух, казалось бы, перпендикулярных обмоток. У большинства АТГ она достигает 25÷100 мВ.

Переменная составляющая обуславливается неодинаковой толщиной стенок в различных частях полого ротора, что приводит к разности активных сопротивлений элементарных контуров, к разности токов и потоков этих контуров. Она составляет 3÷7 мВ.

Для борьбы с постоянной составляющей нулевого сигнала, обмотки часто размещают на разных статорах: одну на внутреннем, другую на внешнем, а затем при сборке АТГ внутренний статор поворачивают до тех пор, пока нулевой сигнал не станет минимальным. В этом положении статор фиксируют.

Для борьбы с переменной составляющей ротор калибруют, т.е. удаляют часть металла, добиваясь его максимальной электрической симметрии.

Рис. 4.7. К вопросу об асимметрии выходного напряжения АТГ

Асимметрия выходного напряжения - неравенство напряжений АТГ при вращении с одинаковой угловой скоростью в противоположных направлениях: U_+n # U_-n. Особенно ярко она проявляется на малых частотах вращения. Главная причина несимметрии заключается в наличии остаточной ЭДС (нулевого сигнала). Действительно, при смене направления вращения фаза основной ЭДС генераторной обмотки Е_г изменяется на 180^о, тогда как фаза нулевого сигнала U_o остается постоянной (рис. 4.7). В результате результирующая ЭДС выходной обмотки изменяется по величине: Е_г.р(+n)# E_г.р(-n). Самый эффективный способ борьбы с асимметрий выходного напряжения является уменьшение нулевого сигнала.

Температурная погрешность. При изменении температуры окружающей среды, при нагревании АТГ в процессе работы изменяются активные сопротивления обмоток статора и ротора. Это приводит к дополнительному отклонению выходной характеристики от идеальной, к появлению дополнительных амплитудных и фазовых погрешностей. Наибольшее влияние в этом отношении оказывает изменение сопротивления обмотки возбуждения. Поэтому часто последовательно с ней включают терморезисторы, стабилизирующие полное сопротивление этой цепи.

С целью уменьшения влияния температуры на сопротивление ротора, его изготавливают из материала с низким температурным коэффициентом (манганина константана и др.)

Далее...