Синтез структуры схемы для обеспечения работоспособности датчика тока ротора возбудителя

Для измерения тока вращающегося якоря в полюсном наконечнике полюсов КВ размещены катушки ДТР, которые выполняются взаимоиндуктивными обмотке якоря по третьей гармонике поля, созданного МДС обмотки якоря. Шаг катушек ДТР выполняется таким образом, чтобы исключить влияние наиболее сильных гармоник результирующего магнитного поля СМЕВ. К таким гармоникам в первую очередь следует отнести основную зубцовую составляющую результирующего поля. В связи с этим шаг катушки в соответствии с известным подходом принимают равным периоду основной зубцовой гармоники

Ткдт ⁼ 2т_и. (17.4)

На рис. 17.1 приведена схема ДТР, реализованная в промышленных образцах СМЕВ по патенту [22]. При принятом на схеме размещении катушек ДТР и источника питания АРВ и выбранном соотношении шага укпв ⁼ Ъ_т12 катушка источника питания АРВ является не взаимоиндуктивной с катушкой ДТР. Катушки ДТР размещаются на диаметрально расположенных полюсах КВ и соединены последовательно с целью уменьшения влияния изменения зазоров под полюсами в процессе эксплуатации возбудителей.

Рис. 17.1. Схема включения датчика тока ротора в промышленных образцах СМБВ

Однако, приведенная на рис. 17.1 схема ДТР имеет ряд недостатков, обусловленных следующими обстоятельствами.

Во-первых, при такой схеме соединения катушек асинхронная составляющая ЭДС катушек ДТР определяется не только третьей, но и парной ей пятой гармоникой поля реакции якоря возбудителя. В результате при изменении характера нагрузки меняется крутизна характеристики ДТР Е_й =У(/ф). В [88,104] были выполнены исследования зависимостей асинхронной и индукторной составляющих ЭДС катушек ДТР при разном характере нагрузки 4-фазной обмотки якоря. Как показал анализ результатов расчета, одному и тому же значению тока фазы обмотки якоря соответствуют разные значения указанных составляющих ЭДС катушек ДТР. Указанная закономерность влияния характера нагрузки сохраняется как при наличии, так и при отсутствии потока возбуждения (без постоянных магнитов).

Во-вторых, в указанной на рис. 17.1 схеме на асинхронную составляющую ЭДС влияют также трансформаторные составляющие, обусловленные пульсациями продольных составляющих 3-й и 5-й гармоник поля реакции якоря (п. 3.4.2).

В-третьих, гармоники поля реакции якоря зубцового порядка (7-я и 9-я) наводят в катушках ДТР составляющие ЭДС; частота в два раза превышает частоту Е_а и равна частоте индукторной ЭДС. Собственно индукторная ЭДС от основной зубцовой гармоники результирующего поля в рассматриваемом случае практически должна быть равна нулю, что обусловлено выбором шага катушки. Необходимо отметить, что ЭДС ?_и зависит от характера нагрузки так же как и основная асинхронная составляющая ЭДС Е_а, что определяется изменением фазового угла сдвига между 7-й и 9-й гармониками поля реакции якоря.

при отсутствии потока возбуждения (а)

Рис. 17.2. Зависимости асинхронной Е_я и индукторной Е_н составляющих ЭДС обмотки датчика тока ротора от тока фазы /_ф для ВБМ-59/7-10 при различном характере нагрузки

В-четвертых, при явнополюсной конструкции появляется пульсационная составляющая ЭДС в катушках ДТР, обусловленная изменением результирующей проводимости зазора под полюсным наконечником. Частота этой составляющей ЭДС также равна частоте ЭДС от основной зубцовой гармоники. В связи с указанными особенностями линейная зависимость ЭДС ДТР от тока якоря сохраняется только для заданного угла нагрузки |/ (рис. 17.2). В результате схема на рис. 17.1 может быть использована для контроля величины тока якоря только в установившихся статических режимах работы возбудителя. В динамических режимах, когда меняется угол нагрузки |/, будет изменяться нагрузка характеристики E._d = и информация о величине тока якоря будет искажена (рис. 17.2). Качество диагностики величины тока якоря можно существенно улучшить, исключив влияние пятой парной гармоники и трансформаторных составляющих ЭДС. Однако с помощью одной катушки на полюсе можно исключить влияние только одной из нежелательных гармоник. Исключение влияния двух и более гармоник возможно лишь при большем числе катушек. Указанная задача может быть решена с использованием двух катушек ДТР на полюсе с соответствующим выбором шага их смещения в пространстве и схемы их соединения.

Рис. 17.3. Схемы ДТР с компенсацией пятой парной гармоники и асинхронной ЭДС

Как было выяснено выше, трансформаторные составляющие ЭДС, обусловленные продольными пульсациями высших гармоник поля реакции якоря, имеют одинаковую временную фазу независимо от места размещения катушки на полюсном наконечнике. В связи с этим для компенсации этих составляющих достаточно встречное последовательное включение катушек на полюсном наконечнике, как это показано на рис. 17.3.

При равномерном зазоре трансформаторные составляющие будут компенсированы при любом пространственном сдвиге осей катушек. Кроме того, схема включения на рис. 17.3 позволяет исключить влияние парной пятой гармоники поля реакции якоря, если оси катушек сдвинуть в пространстве на расстояние 2т₅ (или на 72 эл. град, по основной гармонике поля в воздушном зазоре).

При отсутствии дефицита мощности совмещенного ПВ, катушки которого, как известно, размещены на полюсах электромагнитного возбуждения, под катушки ДТР можно отвести два полюса электромагнитного возбуждения, сохранив на полюсах КВ обмотку источника питания АРВ. При наличии дефицита мощности совмещенного ПВ обмотку источника питания АРВ можно включить последовательно в цепь якорной обмотки совмещенного ПВ, сделав обмотку для питания АРВ. Возможен вариант размещения катушек ДТР при конструктивном совмещении с обмоткой источника питания АРВ на полюсах КВ, как это показано пунктиром на рис. 17.3, а.

Таблица 17.1 К оценке влияния зубчатости индуктора на величину шага катушки ДТР, соответствующего минимальному значению индукторной ЭДС от основной зубцовой гармоники поля в воздушном зазоре (режим холостого хода)

Во всех рассмотренных вариантах шаг катушки ДТР принят равным 2т_и для исключения влияния основной зубцовой гармоники результирующего поля в воздушном зазоре. Однако, как показали исследования, выбор этого шага зависит от структуры зубцового слоя индуктора.

В табл. 17.1 приведены результаты расчета по оценке влияния зубчатости индуктора на величину шага катушки ДТР, соответствующего минимальному значению индукторной ЭДС от основной зубцовой гармоники поля в воздушном зазоре [88].

Расчеты выполнены в режиме холостого хода СМБВ как для гладкого, так и для зубчатого индуктора. Как и следовало ожидать, при гладком индукторе индукторная ЭДС практически становится равной нулю при у_кдт = 2т_и = 0,046339 м, что соответствует зубцовому шагу якоря СМБВ типа ВБМ-59/7-10, равному t = 0,0463385 м. Практически аналогичный результат достигается при зубчатости индуктора, соответствующей схеме на рис. 17.1. Индукторная ЭДС становится равной нулю при шаге, равном двойному полюсному делению зубцовой гармоники Укдт = 0,0465 м.

при отсутствии потока возбуждения (а)

Рис. 17.4. Зависимость асинхронной Е_а и индукторной Е_и составляющих ЭДС обмотки датчика тока ротора от тока фазы /_ф при различном характере нагрузки при у_к = 2т_и

Характерной особенностью данного варианта является наличие промежуточного паза по оси катушки ДТР (см. рис. 17.1). Катушка ДТР охватывает два зубца индуктора, магнитные оси которых строго смещены относительно друг друга на т_и. Причем это смещение не зависит от ширины пазов индуктора. Если паз по оси катушки ДТР отсутствует (на рис. 17.3, б при наличии только две катушки ДТР на полюсном наконечнике - катушка источника питания АРВ отсутствует), картина меняется. В указанном случае один большой зуб, охваченный катушкой ДТР, условно можно разделить на две равные части.

Рис. 17.5. Зависимость асинхронной Е_а и индукторной Е_и составляющих ЭДС обмотки датчика тока ротора от тока фазы /_ф при различном характере нагрузки при у_к = 2т_и + Дт_и

При отсутствии промежуточного паза магнитные оси этих частей смещены в пространстве на величину меньше т_и и, в результате, индукторная ЭДС в катушке ДТР не равна нулю приу_Кдт ⁼ 0,0463385 м. Индукторная ЭДС становится равной нулю при шаге катушки Ткдт ^> 0, 0463385 м, т. е. при у_Кдт ⁼ 0,0501 м, на 8 % превышающим предыдущее значение шага. Причем дополнительное увеличение шага зависит от ширины пазов индуктора, в которых размещена катушка ДТР, и составляет величину, примерно равную половине ширины паза индуктора. Данное обстоятельство должно учитываться при выборе шага катушки в тех схемах датчика тока ротора, когда по магнитной оси катушки отсутствует промежуточный паз, или его размер отличается от размеров пазов, в которых размещена катушка ДТР.

На рис. 17.4 и 17.5 приведены результаты расчетов характеристик ДТР Е_а и Е_н при разном характере нагрузки возбудителя для схемы, приведенной на рис. 17.3, б (при отсутствии промежуточного паза). Принятые меры по оптимизации параметров схемы ДТР позволили получить характеристики ДТР Е_а практически не зависящие от характера нагрузки возбудителя. При этом существенно уменьшился уровень индукторной составляющей ЭДС, частота которой больше в два раза частоты асинхронной составляющей ЭДСУи = Это обстоятельство позволяет использовать в качестве «фильтра» однофазный мостовой выпрямитель: при соотношении ЭДС К_т = Е_а/Е_и > 2 среднее выпрямленное напряжение в такой схеме ДТР будет пропорционально амплитуде асинхронной составляющей ЭДС, т. е. амплитуде ЭДС более низкой частоты.

Таким образом, выполненный анализ позволяет рекомендовать как наиболее рациональную приведенную на рис. 17.3 схему ДТР.