Схема асинхронного тахогенератора.
На статоре в пазах уложены две обмотки, сдвинутые в пространстве на 90°.
По обмотке возбуждения проходит переменный ток, создавая магнитный поток Фd, пульсирующий с частотой сети f. Этот поток распределен в пространстве практически синусоидально, и ось его совпадает с осью обмотки возбуждения (рис. 5.28a), называемой продольной осью. Поэтому поток, создаваемый обмоткой возбуждения, называется продольным.
При неподвижном роторе магнитный поток Фd индуктирует в обмотке возбуждения ЭДС.
Пренебрегая активным сопротивлением обмотки возбуждения и индуктивным сопротивлением рассеяния можно записать:
Выходная обмотка расположена под углом 90° по отношению к обмотке возбуждения ЭДС в выходной обмотке, а значит и напряжение на нагрузке равно нулю. Часть потока в виду неидеальности симметрии наводит в выходной обмотке Г ЭДС называемую остаточной.
В каждом элементарном проводнике полого ротора пульсирующий поток индуктирует ЭДС
Рис. 5.28. Распределение ЭДС и токов в роторе при неподвижном (а) и вращающемся (б) роторе.
Как и в трансформаторе, появление МДС ротора приводит к появлению компенсирующего тока в обмотке возбуждения. При вращении ротора в элементарных проводниках помимо трансформаторной ЭДС
где
Вх – индукция в воздушном зазоре в рассматриваемой точке в данное мгновение;
Lv – длина ротора в магнитном поле;
V2 – окружная скорость ротора.
Поскольку поток Фd пульсирует с частотой f сети, то и индуктируемые им ЭДС
При синусоидальном законе распределения индукции Вх вдоль окружности ротора максимальное значение ЭДС
где
Очевидно, что частота ЭДС в выходной обмотке не зависит от скорости вращения ротора и при любых условиях равна частоте сети f.
Согласно закону Ома:
В асинхронной машине с полным немагнитным ротором воздушный зазор очень велик, магнитное сопротивление
Выходная характеристика асинхронного тахогенератора имеет вид (рис. 5.29):
Рис. 5.29. Выходные характеристики асинхронного тахогенератора при различных величинах нагрузки.
Причинами, вызывающими отклонение выходной характеристики от линейной зависимости являются:
а) технологические неточности при изготовлении;
б) электромагнитная реакция ротора, изменяющая величины потоков
в) изменение некоторых параметров тахогенератора при изменении скорости вращения (например, например сопротивление полого ротора);
г) изменение сопротивления обмоток и магнитного сопротивления машины по различным осям под влиянием температуры, насыщения и др.
Из-за технологических неточностей при изготовлении тахогенератора (отклонение обмоток В и Г от взаимного перпендикулярного положения, технологические неточности в величине воздушного зазора и толщине полого ротора) в выходной обмотке при скорости ротора, равной нулю, индуктируется некоторая остаточная ЭДС, называемая нулевым сигналом. Нулевой сигнал, обусловленный неточностью взаимного расположения обмоток В и Г, может быть уменьшен, если расположить обмотку возбуждения на внешнем статоре, а выходную обмотку – на внутреннем. Это дает возможность настроить тахогенератор на минимальный нулевой сигнал путем поворота внутреннего статора и установки его в такое положение, при котором остаточная ЭДС выходной обмотки будет минимальной. Другим способом уменьшения нулевого сигнала является включение обмоток статора по мостовой схеме (рис. 5.30).
Рис. 5.30. Мостовая схема включения обмоток асинхронного тахогенератора с компенсирующими элементами.
В этом случае между зажимами В и Г включают компенсирующее устройство, состоящее из емкости C и активного сопротивления R, величины которых подбирают так, чтобы в выходной обмотке индуктировалась минимальная остаточная ЭДС. При настройке тахогенератора стремятся получить минимальный нулевой сигнал при различных положениях ротора.
В идеальном тахогенераторе величина продольного магнитного потока Фd остается неизменной во всех режимах работы машины. В действительности этот поток изменяется при изменении, как скорости вращения, так и тока нагрузки в выходной обмотке. Это происходит по следующим причинам. Под действием потока Фq в элементах полого ротора индуктируется ЭДС вращения
При этом в машине появляется добавочная продольная составляющая намагничивающей силы ротора Fd2 , изменяющая ток в обмотке возбуждения
продольный поток
и ЭДС Е2 в выходной обмотке. Так как Фq пропорционален скорости вращения ротора, то ЭДС
При протекании тока нагрузки создается НС Fгq (рис. 5.31а).
В этом случае результирующая НС по поперечной оси
Рис. 5.31. Диаграмма пространственных векторов НС и потоков в асинхронном
тахогенераторе (а) и векторная диаграмма ЭДС, индуктированных в выходной
обмотке (б).
Из выражения для
Уравнение выходной характеристики тахогенератора Uвых = f (n) может быть получено путем разложения пульсирующего поля обмотки возбуждения на вращающиеся поля обратной и прямой последовательности:
где
n - относительная скорость вращения ротора;
Из этого выражения следует, что для уменьшения погрешности тахогенератора нужно уменьшать Вn2. С этой же целью тахогенераторы выбирают с большой синхронной скоростью, чтобы значение измеряемой скорости не превышало n=0,2….0,3; в связи, с чем они обычно выполняются на повышенную частоту питающей сети (400…500) Гц и с малым числом пар полюсов р.
Величина комплекса
где
r2 – активное сопротивление ротора;
Следовательно, при заданной нагрузке
Тахогенераторы большой точности работают при
Следовательно, амплитудная погрешность
а ее относительное значение
Фазовая погрешность:
где
Yвых.U и Yвых – фазы выходного напряжения, имеющие место при отсутствии и наличии комплекса В.
Обычно ЭДС EГq , индуктируемая в выходной обмотке поперечным потоком Фq , изменяется приблизительно пропорционально скорости вращения n; ЭДС ЕГd , индуктируемая продольным потоком
Наименьшая амплитудная погрешность имеет место при емкостной нагрузке, наименьшая фазовая – при индуктивной нагрузке.
Для устранения температурной погрешности в тахогенераторах большой точности ротор выполняют из материалов с весьма низким температурным коэффициентом сопротивления или применяют специальную температурную компенсацию.
