Погрішності тахогенераторів постійного струму та способи їх зменшення

Основними причинами погрішностей, які виникають у тахогенераторах постійного струму, є такі.

1. Коливання напруги на обмотці збудження.
2. Коливання температури обмоток якоря й збудження.
3. Змінення величини опору навантаження.
4. Спад напруги в обмотці якоря й ковзному контакті.
5. Реакція якоря.
6. Точність розташування щіток на нейтралі й характер комутації.
7. Асиметрія вихідної напруги.
8. Старіння постійних магнітів.
9. Гістерезис в магнітному ланцюзі.
10. Завантаження тахогенератором осі, швидкість якої вимірюється.
11. Пульсації якірної напруги, які спотворюють вихідний сигнал і створюють радіозавади та додаткові втрати потужності.

Розглянемо більш докладно кожну з цих причин.

В тахогенераторах з незалежним електромагнітним збудженням значний вплив на величину вихідної напруги створюють коливання напруги, яка живить полюсну обмотку, оскільки при цьому втрачається постійність потоку збудження. До цього ж веде й старіння постійних магнітів від різких поштовхів, ударів, тривалих вібрацій. Потік збудження зменшується й при зміні опору обмотки збудження при її нагріві.

Для стабілізації величини струму збудження застосовують стабілізацію напруги, яка подається на обмотку збудження, вмикання додаткового опору r_д послідовно з обмоткою збудження, причому r_д>> r_зб (опір обмотки збудження) виконується з матеріалу з малим температурним коефіцієнтом опору. Щоб зміна струму збудження мало впливала на величину магнітного потоку, тахогенератори часто виконують із сильно насиченою магнітною системою.

Рис. 15.2. Крива намагнічування тахогенератора

При цьому (рис. 15.2) невеликі відхилення струму збудження від номінального значення практично не впливають на магнітний потік (∆ _зб≈0).

В машині з сильно насиченим магнітним ланцюгом зменшується розмагнічуюча дія реакції якоря. Але збільшення насичення магнітного ланцюга призводить до збільшення габаритів обмотки збудження й маси машини. Крім того, в деяких схемах автоматики необхідна пропорційна зміна вихідної напруги при зміні струму збудження. Цієї властивості не мають тахогенератори з насиченою магнітною системою. Тому в таких випадках температурну стабілізацію магнітного потоку виконують таким чином.

Магнітний ланцюг машини виконують ненасиченим, а для компенсації температурного впливу застосовують теплочутливі магнітні шунти, виготовлені із стопу, який змінює свою магнітну провідність при нагріві (рис. 15.3).

Рис. 15.3. Тахогенератор з теплочутливими шунтами

 

При нагріванні обмотки збудження її опір збільшується, а потік збудження _зб зменшується. Але магнітна провідність шунтів при цьому також зменшується, що призводить до зменшення потоку розсіювання _б, який проходить через шунти, та збільшення потоку , який проходить через якір. Тому вихідна напруга тахогенератора змінюється незначно.

Аналізуючи формулу (15.9), приходимо до висновку, що для підвищення точності тахогенераторів постійного струму необхідно підвищувати опір навантаження, зменшувати швидкість обертання й опір якірного ланцюга. При цьому зменшуються якірні струми й розмагнічуюча дія реакції якоря.

Зі співвідношення (15.9) випливає, що джерелом погрішностей є наявність ковзного контакту, оскільки в цьому разі з'являється зона нечутливості (рис. 15.1). Поява цієї зони є результатом зсуву вихідної характеристики тахогенератора вниз на величину ∆U_щ. Для зменшення спаду напруги в щітковому контакті вибирають м'які щітки з найменшим перехідним опором. В деяких випадках застосовують металічні щітки зі срібними напайками в місцях стикання з колектором. Цим досягається нехтовно малий спад напруги ∆U_щ та, відповідно, різке зменшення зсуву вихідної характеристики.

На лінійність характеристики впливає гістерезис в магнітному ланцюзі тахогенератора зі звичайним якорем. Тому в таких тахогенераторах магнітний ланцюг намагаються виконати із спеціальних сталей з вузькою петлею гістерезису.

В малопотужних слідкуючих системах та системах з невеликою потужністю приводного електродвигуна погрішності можуть зростати в результаті завантаження тахогенератором осі двигуна. Тому в таких системах слід або застосовувати тахогенератори з мінімальним статичним моментом, або використовувати інші засоби вимірювання швидкості, які не завантажують вісь двигуна (наприклад, стробоскопічний).

В тахогенераторах постійного струму виникає ще один вид погрішностей – асиметрія вихідної напруги. Вона полягає в тому, що при обертанні навантаженого якоря тахогенератора в різних напрямах вихідна напруга при однакових швидкостях обертання виявляється різною. Ця погрішність є в основному результатом не точного встановлення щіток на геометричній нейтралі. При цьому потік реакції якоря в одному напрямі обертання складається з основним потоком якоря, а в іншому віднімається від нього. В результаті цього вихідні напруги будуть різними. Величина асиметрії визначається як

, (15.10)

де U₁ та U₂ – вихідні напруги відповідно для одного й іншого напрямів обертання. Допустима величина А знаходиться в межах 0,3÷1%. Для зменшення радіозавад, спотворень вихідної напруги й додаткових втрат пульсації вихідної напруги повинні бути мінімально можливими. При цьому розрізняють якірні, зубцеві й колекторні пульсації вихідної напруги.

Основними причинами якірних пульсацій є такі:

а) періодичні зміни довжини повітряного зазору внаслідок ексцентриситету якоря або нециліндричності його поверхні;

б) нерівномірна швидкість обертання якоря;

в) залишковий магнетизм якоря (при слабкому збудженні машини);

г) періодичні зміни магнітної провідності сталі якоря при обертанні його внаслідок різних властивостей магнітного матеріалу листів якоря в різних напрямах.

Чистота якірних пульсацій:

, (15.11)

де =2 для двополюсної машини.

Амплітуду якірних пульсацій визначимо таким чином.

Відомо, що ЕРС якоря

. (15.12)

Якщо в формулі (15.12) врахувати, що

,

то , (15.13)

де

, (15.14)

– коефіцієнт повітряного зазору;

– площа повітряного зазору під полюсом;

– МРС повітряного зазору.

З формули (15.13)

,

(15.15)

Зі співвідношення (15.15) можливо зробити висновок, що амплітуда якірних пульсацій залежить зворотнопропорційно від квадрату довжини повітряного зазору. Тому для зменшення якірних пульсацій напруги раціонально дещо збільшувати повітряний зазор. Крім того, забезпечується точна циліндричність поверхні якоря; усувається ексцентриситет якоря; застосовується спеціальне "віялоподібне" складання пакету якоря з штампованих листів зі зсувом кожного листа відносно попереднього на один зубцевий крок.

Основною причиною зубцевих пульсацій вихідної напруги є поперечна та подовжня зубцеві пульсації магнітного потоку.

Частота цих пульсацій

. (15.16)

Амплітуда цих пульсацій може бути зменшена такими заходами:

а) збільшення довжини повітряного зазору;

б) застосування магнітних клинів для закривання пазів якоря;

в) cкіс пазів якоря або полюсного наконечника на одну зубцеву поділку;

г) вибір відповідних конструктивних співвідношень: z/p – ціле непарне число; b_о/t₁ – ціле число (z – число зубців якоря, b_о – розрахункова полюсна дуга, t₁ – зубцевий крок);

д) виготовлення демпфуючої обмотки на осердях полюсів у вигляді короткозамкнених витків.

Основні причини колекторних пульсацій вихідної напруги тахогенератора полягають у такому:

а) вібрації щіток на колекторі у зв’язку з дефектами струмознімального механізму й колектора;

б) періодичні зміни числа секцій в одній паралельній гілці внаслідок комутації;

в) вплив струмів у комутуючій секції на опір щіткового контакту та, відповідно, на ∆U_щ.

Частота колекторних пульсацій:

. (15.17)

Зменшення колекторних пульсацій вихідної напруги тахогенератора може бути досягнуте такими заходами:

а) збільшення числа колекторних пластин;

б) забезпечення точно циліндричної та відшліфованої поверхні колектора;

в) справність та надійність струмознімального механізму та якісне притирання щіток;

г) відповідними заходами догляду за колектором та щітками.

З викладеного про пульсації й асиметрію вихідної напруги випливає роль правильного конструювання, якості застосовуваних матеріалів, догляду в експлуатації й технології виготовлення тахогенераторів постійного струму.

Оскільки в наш час досить часто застосовують тахогенератори з немагнітним якорем, в цих випадках актуальними залишаються лише заходи для боротьби з колекторними пульсаціями вихідної напруги.

На сам кінець відмітимо, що погрішності в магнітоелектричних тахогенераторах у % допустимі такі:

а) внаслідок відхилення від лінійності вихідної напруги І клас - ±0,5; ІІ клас - ±0,8;

б) середня температурна погрішність при номінальному навантаженні І клас – 0,08; ІІ клас – 0,1.