15.8. Погрішності асинхронного тахогенератора та способи їх зменшення

В реальних умовах точність асинхронного тахогенератора оцінюють за погрішностями, які в основному визначаються лінійністю вихідної характеристики. Основними величинами, які характеризують погрішності асинхронних тахогенераторів, є такі:

1. Відносна амплітудна похибка ЕРС генераторної обмотки від зміни швидкості, температури, напруги й частоти. Вона визначається як відношення максимальної різниці напруг ∆U_і реального й ідеалізованого асинхронного тахогенератора до номінального значення напруги генераторної обмотки:

; (15.51)

; (15.52)

; (15.53)

. (15.54)

2. Фазова похибка – це максимальне відхилення фази ЕРС генераторної обмотки ∆φ від її номінального значення при зміні швидкості, температури, напруги, частоти.

3. Залишкова ЕРС (ЕРС завад), яка виникає на затискачах генераторної обмотки при нерухомому роторі.

За своєю фізичною природою погрішності асинхронних тахогенераторів можливо розділити на чотири вида.

1. Погрішності, які витікають з принципу дії й визначаються нелінійністю вихідної характеристики (∆ , ∆φ_ω).

2. Погрішності від конструктивних обмежень (наявність вищих гармонік в кривій просторового розподілу МРС, нелінійність кривої намагнічування і т. д.). Ці погрішності порівняно малі й для тахогенераторів з погрішностями більшими, ніж 0,05% можуть не враховуватись.

3. Технологічні погрішності (неточності у виготовленні магнітного ланцюга, ротора і т. д.). Вони виникають в основному при малих швидкостях обертання й кількісно визначаються залишковою ЕРС, яка складається з постійної (електрична й магнітна асиметрія) та змінної (електрична асиметрія ротора) складових.

4. Погрішності, які визначаються умовами експлуатації (зміни температури, частоти мережі, характеру навантаження і т. д.).

Розглянемо ці погрішності докладніше.

Якщо не враховувати впливів насичення й нагріву, то при Z_н=const коефіцієнти А, В, які входять до формули (15.45), можливо вважати постійними.

Якби асинхронний тахогенератор мав абсолютно лінійну вихідну характеристику (ідеалізований випадок), то вона визначалась би формулою (15.50). Відносна погрішність за амплітудою може бути подана, як

. (15.55)

Вираз (15.55) є комплексним числом, оскільки у вирази (15.46), (15.47) входять повні опори Z_і. З тих же причин комплексними числами є (15.45), (15.50).

Користуючись цими виразами, визначимо фазову погрішність як кут між векторами U_гі та U_г:

∆ψ= ψ_і-ψ . (15.56)

Кути ψ_к для цих векторів підраховуються як і для будь-якого комплексного числа:

, (15.57)

де I_m – уявна частина комплексного числа (франц. – imaginaire – уявний); R_e – дійсна частина комплексного числа (франц. – reel – дійсний).

З урахуванням (15.57) зі співвідношень (15.45), (15.50) одержимо:

; (15.58)

. (15.59)

З формули (15.56) з урахуванням (15.58), (15.59):

. (15.60)

Якщо фазову погрішність необхідно виразити у відносних одиницях, то

. (15.61)

У зв’язку з малістю допустимих погрішностей тахогенераторів (частини відсотка) визначення ∆u й ∆ψ можливо спростити. Геометрична різниця ∆ є вектором (рис. 15.9.):

Рис. 15.9. Векторна діаграма до визначення погрішностей асинхронного тахогенератора

. (15.62)

Оскільки ν²В<<А, то

. (15.63)

Доведемо, що з достатньою для практики точністю

R_e(∆ )=∆u; I_m(∆ )=∆ψ.

За формулою (15.55) та рис 15.9:

.

При малих ∆ψ можливо вважати ов≈ос. Тому:

∆u≈оа-ос=ас= R_e(∆ ). (15.64)

З рис. 15.9.:

.

При малих ∆u можливо вважати ов≈оа=1. Тоді

. (15.65)

Отже, спрощення полягає в тому, що при визначенні ∆u вважається ∆ψ≈0, а при визначенні ∆ψ вважається ∆u≈0.

На величини фазових та амплітудних погрішностей значно впливає низка факторів. Одним з них є зміна величин активних опорів машини при її нагріві під час роботи. Цей вплив обумовлений нагрівом як ротора, так і статорних обмоток. Ротор, який має значно більший опір, ніж статорні обмотки, виконується з матеріалів, які мають великий питомий опір та малий у порівнянні з міддю (на 2÷3 порядки) температурний коефіцієнт опору.

Для зменшення температурних погрішностей асинхронного тахогенератора застосовують такі заходи:

1. В ланцюг збудження вмикають терморезистори, які підбираються таким чином, щоб результуючий температурний коефіцієнт опору був близький до нуля. Застосування цього заходу збільшує фазові погрішності від зміни швидкості.

2. Якщо асинхронний тахогенератор працює в інтегруючому приводі, то можливо відрегулювати схему таким чином, щоб додаткова ЕРС генераторної обмотки від температурного впливу не викликала додаткового обертаючого моменту двигуна.

3. Застосовується автоматичне термостатування асинхронного тахогенератора для підтримки його температури на верхній межі робочого температурного діапазону незалежно від оточуючого середовища. Для цього в пазах обмотки збудження встановлюють терморезистори, які з’єднуються за мостовою схемою й слугують для вимірювання температури, та підігрівні елементи. Живлення підігрівних елементів здійснюється від автоматично регульованого джерела (напівпровідникового, на магнітному підсилювачі і т. д.), яке керується сигналом від терморезисторів.

4. В ланцюзі компенсації застосовується фазозсуваючий контур RC з відповідним чином підібраними параметрами.

Наведеними способами вдається знизити температурні погрішності асинхронних тахогенераторів до 0,1%.

Іншим фактором, який впливає на амплітудну й фазову погрішність є зміна частоти мережі. Ці погрішності дуже значні, але при роботі асинхронного тахогенератора в компенсаційних схемах вони не виявляються.

Погрішності виникають також від зміни напруги. Ці погрішності обумовлені нелінійністю кривої намагнічування. Оскільки в асинхронному тахогенераторі повітряний зазор має відносно велике значення, похибки від зміни напруги малі. Для їхнього зменшення магнітний ланцюг виготовляють з матеріалів із високою магнітною проникністю (наприклад, пермалой).

З формули (15.45) видно, що зі зменшенням вихідна характеристика асинхронного тахогенератора стає ближчою до лінійної, тому погрішності зменшуються. У відповідності з цим тахогенератори виконують з живленням від мереж підвищеної частоти. При цьому не перевищує 0,2÷0,3.

Амплітудна й фазова погрішність залежать від характеру навантаження. Найменша амплітудна погрішність виникає при чисто ємнісному навантаженні, а найменша фазова – при чисто індуктивному навантаженні. При активно-ємному компаундуванні навантаження зростає фазова погрішність, а при активно-індуктивному – амплітудна. Тому необхідне таке компаундування, яке зменшує найбільш значущу для схеми погрішність.

Погрішності в асинхронному тахогенераторі створюються й залишковою ЕРС (нулевим сигналом), яка виникає при нерухомому роторі. Виникнення залишкової ЕРС пояснюється неточністю зсуву осей обмоток на 90⁰, неоднорідністю магнітних властивостей магнітного ланцюга статора, електричною асиметрією ротора й ексцентриситетом його розточки. Залишкова ЕРС Е_гз має дві складові: постійну за діючим значенням, яка не залежить від кутового положення ротора, та змінну, діюче значення якої змінюється з подвоєною просторовою періодичністю в залежності від кута повороту ротора.

Причинами виникнення постійної складової Е_гз, як уже говорилось, є неточність квадратури статорних обмоток, яка створює трансформаторний зв'язок між ними. Іншою причиною є неоднорідність магнітного ланцюга, яка, не дивлячись на віялове складання, частково залишається й призводить до виникнення обертової складової магнітного потоку. Цей потік наводить ЕРС в генераторній обмотці.

Змінна складова Е_гз створюється в основному електричною асиметрією ротора, тобто змінною товщиною його стінок та не циліндричною формою. Це створює в тілі ротора в різних місцях вихрові струми різної величини та, відповідно, різні магнітні потоки. Тому з'являється пульсуючий еквівалентний потік ротора, який наводить в генераторній обмотці ЕРС.

Умовно асиметричний ротор іноді розглядають як сукупність симетричного ротора й короткозамкненого витка, розташованого на ньому. Величина змінної складової Е_гз залежить від швидкості обертання, оскільки від неї залежить величина пульсуючого потоку ротора.

Залишкова ЕРС зсовує вихідну характеристику з початку координат і створює додаткові змінні амплітудні й фазові погрішності, які виявляються особливо в зоні малих швидкостей обертання; обмежує точність та чутливість привода слідкуючих систем, надмірно нагріває підсилювачі й обмотки виконавчих двигунів.

Для зменшення Е_гз застосовуються такі заходи:

1. Послідовно з генераторною обмоткою вмикається компенсуючий пристрій з додатковою ЕРС, яка є у протифазі до Е_гз.

2. Розміщення обмоток асинхронного тахогенератора на внутрішньому й зовнішньому статорі. Внаслідок цього регулюється взаємоіндуктивний зв'язок між обмотками поворотом внутрішнього статора до такого положення, коли Е_гз буде мінімальною. При цьому намагаються одержати мінімальний нульовий сигнал при різних положеннях ротора.

3. Виготовлення по осі генераторної обмотки компенсуючих обмоток І, ІІ (рис. 15.10.).

Рис. 15.10. Схема тахогенератора з компенсуючими обмотками

Такою схемою зі спеціально підібраними опорами перемиканням кінців обмоток можливо створити МРС, яка має довільну змінну фазу, і таким чином зкомпенсувати будь-яку постійну складову Е_гз.

4. Зменшення змінної складової електричним симетруванням ротора, тобто механічним усуванням нециліндричності ротора та його різностінності.

5. Якщо статор має місткову обмотку, то між затискачами обмоток збудження та генераторної вмикають компенсуючий пристрій RC (рис. 15.11.).

Рис. 15.11. Місткова обмотка асинхронного тахогенератора

Підбором R та C вдається знизити ∆U до кількох мілівольт.

В багатополюсних машинах асиметрії ротора й статора впливають менше. Тому асинхронні тахогенератори виконують з числом пар полюсів на менше двох при частотах 400÷1200 Гц.

В точних асинхронних тахогенераторах величина залишкової ЕРС не перевищує 0,1% від U_гmax й обмежена величиною 50 мВ.

З інших способів підвищення точності асинхронних тахогенераторів необхідно зазначити збільшення опору Z_н (звичайно Z_н=2000÷4000 Ом) і активного опору ротора, для чого ротор виготовляють з фосфористої або марганцевистої бронзи, марганцевистого алюмінію, константана, кейзільбера і т. д. При цьому, поряд зі зменшенням погрішностей, зменшується й крутість вихідної характеристики.

Крім того, для цього збільшують площу перерізу пазів і таким чином зменшують опір обмоток статора. Але це пов’язане з деяким збільшенням об’єму машини.

Іноді в якості тахогенераторів застосовують асинхронні виконавчі двигуни з порожнистим ротором. При цьому необхідно при нерухомому роторі попередньо виміряти залишкову напругу за допомогою вольтметра з великим внутрішнім опором. Якщо Е_гз перевищує 50 мВ, то без компенсації погрішностей застосовувати такий тахогенератор недоцільно.