Проектування асинхронного тахогенератора (АТГ).

В схемах автоматики асинхронні тахогенератори виконують такі ж функції, як і тахогенератори постійного струму. Вони також діляться на точні, призначені для роботи в диференційних і інтегруючих схемах, і менш точні, призначені для слідкуючих систем в колах зворотнього зв’язку за швидкістю.

На відміну від тахогенераторів постійного струму асинхронні тахогенератори являються безконтактними (не мають ковзаючих контактів), а тому, вони більш надійні.

Принцип дії асинхронного тахогенератора

Принцип дії асинхронного тахогенератора полягає в слідуючому. Змінний струм збудження створює пульсуючий потік Ф_d1, який, пронизуючи порожнистий ротор, наводить в ньому ЕРС трансформації. Контури струмів ротора від ЕРС трансформації розташовуються в площинах, перпендикулярних потоку збудження (рис. 16.1, а). Вони створюють потік ротора Ф_тр2, який напрямлений назустріч потоку збудження і компенсується підвищуючим струмом обмотки збудження.

При обертанні ротора його “волокна” перетинають потік збудження і в них, крім ЕРС трансформації, наводяться ще ЕРС обертання (різання). Під дією ЕРС обертання по ротору протікають струми, контури яких при великому активному опорі ротора практично співпадають з віссю потоку збудження Ф_d1 (рис.16.1, б). Ці струми створюють магнітний потік ротора Ф_q2, який напрямлений по поперечній вісі тахогенератора. Потік Ф_q2 зчіплюється з витками генераторної обмотки ОГ і наводить в них ЕРС Е_тг — вихідну ЕРС тахогенератора. Так як потік Ф_q2 змінюється з частотою мережі, то і частота вихідної ЕРС рівна частоті мережі і не залежить від частоти обертання ротора.

ЕРС ротора, а тому, потік Ф_q2 і вихідна ЕРС пропорційні частоті обертання ротора:

Е_тт º Ф_q2 º n.

Вихідна напруга тахогенератора менша ЕРС на величину падіння напруги в генераторній обмотці з опором Z_г:

. (35)

Головними вимогами, що пред’являються до вихідної характеристики асинхронного тахогенератора U_тг=f(n), являється:

лінійність U_тгºn;

постійніть фази при зміні n;

найбільша крутизна - велике DU_тг при малих Dn;

симетрія — постійність | | при обертанні ротора в різних напрямках з однаковими частотами обертання;

стабільність - незалежність вихідної характеристики від температури, умов експлуатації, часу і т.п.

Особливо жорсткі вимоги пред’євляються до вихідної характеристики тахогенераторів, що працюють в пристроях, що роблять розрахунки (в диференціюючих і інтегруючих схемах).

Теоретично вихідну напругу тахогенератора може бути досліджено шляхом аналізу виразу вихідної характеристики:

(36)

де k=k_гw_г/(k_зw_з) — коефіцієнт трансформації, тобто відношення ефективних чисел витків генераторноїk_г w_г і збуджуючої k_з w_з обмоток (k_г, k_з - обмоточні коефіцієнти генераторної обмотки і обмотки збудження); - напруга збудження; n=n/n₁ — відносна частота обертання — відношення дійсної частоти обертання n до синхронної n₁; — комплексні коефіцієнти, що залежать від параметрів тахогенератора — його активних і індуктивних опорів.

Лінійність вихідної характеристики — амплітудна похибка. Як видно з виразу (3.6), вихідна напруга U_тг не являється лінійною функцією частоти обертання n. Нелінійність з’являється за рахунок члену . Якби він був рівний нулю, то U_тг була б пропорційна n і тахогенератор був би ідеальним.

При проектуванні тахогенераторів член Вn² намагаються зменшити. Останнє досягається за рахунок зниження як n, та і В.

Щоб зменшити відносну частоту обертання n=n/n₁=pn/(60f₁), тахогенератори проектують на велику частоту f₁ з найменшим числом пар полюсів р. Як правило, р³2. Тахогенератори з р=1 намагаються не проектувати, так як при цьому важко боротися з виникаючою магнітною і електричною асиметрією.

Коефіцієнт можна записати як

(37)

де Z_н — опір навантаження тахогенератора; Z_sз і r_rз — повний опір обмотки збудження і активний опір ротора, приведений до обмотки збудження.

Щоб зменшити , працюють при великих опорах навантаження Z_н, а ротор тахогенератора (для збільшення r_rз) виконують з матеріалів з великим питомим опором — фосфористої або марганцової бронзи або із сплавів типу манганин, нейзильбер.

Рис.16.1. Реальна і ідеальна вихідні характеристики асинхронного тахогенератора

До зменшення коефіцієнту трансформації k=k_гw_г/(k_зw_з) і опору , як правило, не удаються, так як перше веде до зниження крутизни вихідної характеристики (так як Е_тгºw_г), а друге — до збільшення габаритів тахогенератора.

Відхилення реальної 1 вихідної характеристики U_тг=f(n) від ідеальної 2 (прямолінійної) називається амплітудною похибкою тахогенератора DU (рис.16.1). Амплітудна похибка визначається як відношення (виражене в процентах) величини відхилення реальної вихідної характеристики від ідеальної (DU_max) до максимальної ЕРС генераторної обмотки Е_{тг max}. При налагодженні схеми тахогенератор потрібно відкалібрувати (встановити нахил ідеальної характеристики) таким чином, щоб амплітудна похибка була мінімальною. На рис.16.1, а і б приведені характеристики відповідно при неправильній і правильній калібровці.

Рис.16.2. До питання про розмагнічуючу дію генераторної обмотки

Рис. 16.3. До питання про напрямок потоку ротора в залежності від ЕРС обертання

Фізично наявність амплітудної похибки можна пояснити цілим рядом факторів: 1) падінням напруги в генераторній обмотці ; 2) зменшенням потоку внаслідок розмагнічуючої дії магнітного потоку реакції генераторної обмотки (рис.3.15) відхиленням потоку ротора від поперечної вісі (рис.3.16, а) через зміну індуктивного опору розсіювання ротора х₂ (потік ротора напрямлений чітко по поперечній вісі тільки тоді, коли індуктивний опір розсіювання ротора х₂=0, рис.16.3, б); 4) зміною струму збудження І_з, а тому, і магнітного потоку Ф_d1 в результаті дії додаткової ЕРС, наведеної в обмотці збудження потоком ротора Ф_d2; цей потік створюється струмами ротора, що виникають в результаті перетину поперечними “волокнами” ротора магнітного потоку Ф_q2 (рис. 16.4).

Рис.16.4. До питання про повздовжній потік ротора Ф_d2.

Для отримання мінімальної амплітудної похибки намагаються працювати при малих відносних частотах обертання n — зменшують діапазон робочих частот обертання до n=0,2¸0,25 в тахогенераторах слідкуючих систем і тахогенераторах для вимірювання частоти обертання. В перших з них DU=0,05¸0,1%, в других DU=0,2¸2,5%. Амплітудна похибка тахогенератора може бути значно зменшена у випадку використання визначеної за величиною активно-ємнісного навантаження (компаундування).

Фазова похибка. Вихідна напруга асинхронного тахогенератора U_тг не співпадає по фазі з напругою збудження і не залишається постійною по фазі при зміні частоти обертання. Відхилення вихідної напруги U_тг по фазі від вихідної, виміряної в кутових градусах або хвилинах, називається фазовою похибкою тахогенератора Dj. Фазова похибка в основному визначається індуктивними опорами ротора і обмоток статора. Величина її, так же як і величина амплітудної похибки, може бути значно знижена за рахунок правильного вибору характера навантаження. Фазову похибку можна усунути, використавши деяке активно-індуктивне навантаження, але, як слідує з вищевказаного, при цьому зростає амплітудна похибка.

Величина фазової похибки у сучасних тахогенераторів високої точності складає декілька хвилин, а у звичайних тахогенераторів — декілька градусів.

Слід відмітити, що як амплітудна, так і фазова похибки змінюються з зміною частоти обертання (рис. 16.5).

Крутизна вихідної характеристики. Чим більша крутизна вихідної характеристики

k_тг = DЕ_тг/Dn,

тим більша чутливість тахогенератора і всієї автоматичної системи, в якій він працює.

Крутизна залежить від величини магнітного потоку збудження Ф_d1, опору ротора Z₂, кількості витків генераторної обмотки w_г. Чим більший потік обмотки збудження Ф_d1, тим більша ЕРС, струм ротора, потік Ф_q2, а тому, і вихідна напруга U_г. Чим менший Z₂ і більша кількість витків генераторної обмотки w_г, тим більший струм ротора і вихідна напруга тахогенератора U_тг, а значить, і його крутизна k_тг.

Рис. 16.5. Залежності DU=f(n) i Dj=f(n).

Збільшення крутизни вихідної характеристики тахогенератора майже завжди веде до збільшення його амплітудної і фазової похибок. Дійсно, підвищення крутизни потребує зменшення опору ротора Z₂ (а він в основному активний), в той же час зниження r₂ веде до зниження лінійності вихідної характеристики і до збільшення фазової похибки. Те ж саме можна сказати і про вплив w_г. Тому при проектуванні тахогенераторів завжди виходять з того, що від нього потребується — або велика крутизна k_тг, або менші похибки DU і Dj.

Крутизна сучасних тахогенераторів досить різноманітна і визначається призначенням тахогенератора. У точних тахогенераторів k_тг=1¸3, а у тахогенераторів стежущих систем k_тг=6¸10 мВ×хв/об.

Несиметрія вихідної характеристики. В схемах автоматики дуже важливо, щоб вихідна напруга U_тг тахогенератора за величиною не залежала від напрямку обертання. При зміні напрямку обертання тільки фаза вихідної напруги повинна змінюватися на зворотню (на 180⁰).

Практично у всіх тахогенераторів вихідна характеристика несиметрична — напруга U_тг=f(n) при обертанні ротора в різних напрямках має різну крутизну, особливо в початковій частині вихідної характеристики (при малих n).

Великий вплив на несиметрію спричиняє нульова (кінцева) ЕРС Е_тг0, тобто ЕРС, що наводиться в генераторній обмотці при нерухомому роторі. Теоретично при n=0 в генераторній обмотці не повинно наводитися ніяких ЕРС, так як обмотки w_з і w_г повинні мати просторовий зсув на 90 ел.град. Але зсув обмоток відрізняється від вказаного значення. Крім того, в тахогенераторах має місце: несиметрія магнітного кола (нерівність магнітних провідностей в різних радіальних напрямках), нерівномірність повітряного проміжку, неоднакова товщина стінок стакану ротора, наявність магнітних потоків розсіювання і ємнісних зв’язків між обмотками. В результаті в генераторній обмотці тахогенератора навіть при n=0 наводиться деяка Е₀.

Величина кінцевої ЕРС змінюється за величиною при зміні положення ротора. Кінцеву ЕРС можна розділити на змінну (Е_0var) і постійну (Е_0const) складові. Постійна складова обумовлюється неточним зміщенням обмоток, магнітною несиметрією сталі і повітряного проміжку, наявністю потоків розсіювання і ємнісних зв’язків. У більшості тахогенераторів вона складає 25¸100 мВ. Змінна складова Е_0var обумовлюється в основному неоднаковою товщиною (електричною провідністю) стінок стакана ротора і складає 3¸7 мВ.

Рис.16.6. Асинхронний тахогенератор з порожнистим немагнітним ротором.

Для зниження постійної складової Е_0const часто обмотки збудження і генераторну розташовують на різних статорах (рис.16.6) — одну 4 на внутрішньому статорі 3, другу 2 на зовнішньому статорі 1. При збірці тахогенератора внутрішній статор повертають, знаходять положення, що відповідає мінімальному значенню нульової ЕРС, і в цьому положенні закріплюють. Крім того, листи пакетів сталі статорів старанно ізолюють, а пакети добре обробляють.

Для зменшення змінної складової Е_0var старанно обробляють (калібрують) ротор. В особливо точних тахогенераторах використовують додаткові компенсаційні обмотки, що вмикаються за спеціальними схемами.

Вихідна ЕРС тахогенератора фактично являє собою головну генераторну ЕРС і кінцеву

(37)

Так як при зміні напрямку обертання залишається постійною, а змінює фазу на 180⁰, то, як видно з діаграми (рис.16.7), ЕРС змінюється по величині ). Тому, важливим способом зниження несиметрії вихідної характеристики є зменшення нульової (кінцевої) ЕРС.

Стабільність вихідної характеристики. Дуже важливо, щоб вихідна характеристика тахогенератора була стабільною, тобто не залежала від зміни температури, навантаження, умов експлуатації, часу роботи і т.п.

В реальних тахогенераторах при зміні температури змінюються активні опори обмотки збудження, ротора, генераторної обмотки. В результаті вихідна характеристика дещо спотворюється.

Рис.16.7. Вплив залишкової ЕРС на асиметрію вихідної напруги асинхронного тахагенератора

Характеристика тахогенератора видозмінюється внаслідок зміни насичення, наявності непостійного за величиною залишкового магнетизму, зміни величини і характеру навантаження і т.п. Нестабільність вихідної характеристики приводить до додаткових похибок, які називаються в залежності від фактора, що їх викликає: температурною, залишкового магнетизму, навантажувальною, частотною і т.п.

Методи боротьби з додатковими похибками тахогенератора самі різноманітні. Але більшість з них зводяться до стабілізації навантаження, частоти, вхідної напруги і т.п.

Позитивні якості розглядаючого тахогенератора — безконтактність, мала інерційність, висока надійність, малий момент опору.

Його недоліки – нелінійність вихідної характеристики, фазова похибка і нульова напруга, мала вихідна потужність при значних габаритах і вазі.