2.6. Электромагнитные преобразователи - Основы управления и технические средства автоматизации текстильных производств... индуктивным магнитомодуляционными магнитоупругим
Учебные материалы


2.6. Электромагнитные преобразователи - Основы управления и технические средства автоматизации текстильных производств...



^

2.6. Электромагнитные преобразователи


Электромагнитный преобразователь

(ЭМ) представляет собой один или несколько контуров, находящихся в магнитном поле, которое может быть создано как токами, протекающими по контурам, так и внешними источником. Одноконтурный ЭМ преобразователь характеризуется током i через контур, потокосцеплением = Li, противо-ЭДС e = – d/dt, энергией электромагнитного поля Wм = i/2, индуктивностью L. Выходной величиной одноконтурного ЭМ преобразователя может быть: индуктивность L, электромагнитная сила Fэм и индуцируемая в контуре ЭДС еинд.
У ЭМ преобразователя с ферромагнитным сердечником изменение индуктивности происходит при изменении положения сердечника. Здесь входной величиной является перемещение, такой преобразователь называется

индуктивным

. Индуктивность L может зависеть от тока, протекающего через преобразователь и создающего собственное магнитное поле, и от параметров внешнего магнитного поля.
Преобразователи, принцип действия которых основан на использовании зависимости L = f(B), называются

магнитомодуляционными

. При деформации ферромагнетиков также меняется их магнитная проницаемость. Этот эффект называется

магнитоупругим

, используется в

магнитоупругих преобразователях

для измерения сил и давления.
Электромагнитная сила ^ Fэм действует на контур с током, находящийся во внешнем магнитном поле (пропорциональное току i и индукции B), стремясь сместить или развернуть его так, чтобы суммарная индукция магнитного поля была минимальной. Если поддерживать ток постоянным, то по значению электромагнитной силы можно определить индукцию магнитного поля B. И наоборот, поддерживая B постоянным (постоянный магнит) по величине силы можно судить о величине тока i. Такие преобразователи называются

магнитоэлектрическими

.
Ферромагнитный сердечник втягивается в контур с током так, чтобы индуктивность контура была максимальной. В этом случае электромагнитная сила пропорциональна квадрату тока. Такие преобразователи называются

электромагнитными

и используются в измерительных механизмах электромеханических приборов.
Индуцированная ЭДС eинд возникает в контуре, находящимся во внешнем магнитном поле, при изменении потокосцепления. Преобразователь, представляющий собой неподвижную катушку, может быть использован для измерения переменной магнитной индукции.
В постоянном магнитном поле ЭДС индуцируется только в движущемся контуре и для измерения индукции B контуру задают движение, например, вращение с постоянной скоростью. Возможно использовать преобразователь для решения обратной задачи определения по значению выходной ЭДС скорости при движении контура в поле с известной индукцией B. Преобразователи, выходной величиной которых является ЭДС eинд, называются

индукционными

. Преобразователи, содержащие два или несколько контуров, называют

трансформаторными

или

взаимоиндуктивными

.
^ 2.6.1. Индуктивные датчики
Индуктивные датчики служат для преобразования углового или линейного механического перемещения в электрическое напряжение переменного тока [11]. Принцип действия таких датчиков основан на изменении индуктивности катушки с ферромагнитным сердечником (собственно индуктивные датчики) или взаимоиндуктивности системы таких катушек (трансформаторные индуктивные датчики) при изменении величины измеряемого перемещения. Индуктивные датчики относятся к числу параметрических преобразователей сигнала и по принципу действия требуют питания от источника переменного тока.

^ Простейший индуктивный датчик с переменными величинами воздушного зазора

(рис. 2.24, а) представляет собой катушку 1, размещенную на сердечнике 2 из ферромагнитного материала и включенную в цепь переменного тока последовательно с сопротивлением нагрузки Rн. Якорь датчика 3 связан с источником измеряемого перемещения и может поступательно перемещаться относительно сердечника 2.

а б в
Рис. 2.24. Простейший индуктивный датчик:
а – принципиальная схема; б – зависимость индуктивности
обмотки датчика от величины воздушного зазора;
в – статическая характеристика датчика (1 – идеальная; ^ 2 – реальная)
Индуктивность L катушки 1 с магнитопроводом 2 при наличии воздушного зазора δ равна:

, (2.29)
где w – число витков катушки; Rм.ст = lм / (μSм), R = 2δ / (μ0S) –магнитные сопротивления стального магнитопровода и воздушного зазора, Гн-1; lм – средняя длина стального магнитопровода, м;  – длина воздушного зазора, м; μ, μ0 – магнитные проницаемости стального магнитопровода и воздуха, Гн/м;
Sм, S – площади поперечного сечения стального магнитопровода и воздушного зазора, м2.
Магнитное сопротивление ^ Rм цепи определяется сопротивлениями стального магнитопровода (сердечника и якоря) Rм.ст и двух воздушных зазоров R, т. е. Rм = Rм.ст + R. Так как
R >> Rм.ст, то индуктивность катушки (рис. 2.24, б)

.
Таким образом, индуктивность катушки обратно пропорциональна величине воздушного зазора. При этом напряжение на выходе датчика

(2.30)
где Rк и ωL – активное и индуктивное сопротивления катушки; Rн  – активное сопротивления нагрузки.
Обычно L >> Rк. Тогда при условии, что сопротивление нагрузки мало по сравнению с сопротивлением катушки, выражение (2.30) можно представить в виде:

или Uвых = k, (2.31)
где – коэффициент передачи (чувствительность) индуктивного датчика.
Таким образом, при принятых допущениях статическая характеристика Uвых = φ(δ) индуктивного датчика будет линейной (прямая 1, рис. 2.24, в). Реальная же характеристика будет иметь нелинейные участки при малых и больших зазорах  (кривая 2, рис. 2.24, в). При малых δ сказывается сопротивление Rм.ст, а при больших  возрастают потоки рассеяния, которые не учитываются в выражении (2.31).
Индуктивные датчики с переменной величиной воздушного зазора применяют для измерений перемещений в диапазоне 0,01  1 мм. При больших величинах статическая характеристика датчика становится нелинейной.
Так как индуктивный датчик представляет собой амплитудный модулятор, то частота питающего напряжения выбирается, исходя из соотношения , в котором mах обозначает максимально возможную частоту изменения измеряемого перемещения. В системах автоматического регулирования максимальная частота изменения входного сигнала
Гц. (2.32)
Поэтому для питания индуктивных датчиков обычно используют источники напряжения повышенной частоты (400, 500, 1000 Гц), что позволяет также значительно уменьшить габариты датчиков.
К недостаткам простейших индуктивных датчиков относятся наличие тока холостого хода и, следовательно, напряжения Uост на выходе при  = 0, а также низкая чувствительность при малых перемещениях. Кроме того, эти датчики являются однотактными и поэтому не реагируют на изменение знака входной величины.
Отмеченные недостатки отсутствуют у двухтактных (реверсивных) индуктивных датчиков, обычно включаемых по дифференциальной или мостовой схемам.
На одну диагональ моста подается питающее напряжение Uпит, а в другую диагональ включено сопротивление нагрузки. Параметры схемы выбираются таким образом, что при среднем положении якоря мост сбалансирован и выходное напряжение датчика Uвых = 0. Это положение якоря датчика принимается за нуль отсчета величины измеряемого перемещения (рис. 2.25, а). При отклонении якоря от среднего положения равновесие моста нарушается и на сопротивлении нагрузки появляется напряжение, величина которого зависит от величины измеряемого перемещения lх, а фаза изменяется на 180° при изменении знака lх.
Достоинством дифференциальных датчиков является также меньшая (по сравнению с однотактными схемами) чувствительность датчика к колебаниям окружающей температуры вследствие того, что изменение сопротивления обмоток, расположенных в двух соседних плечах моста, не вызывает его разбаланса.

а б
Рис. 2.25. Дифференциальный индуктивный датчик:
а – принципиальная схема; б – статическая характеристика
Отметим, что при lх = 0 выходное напряжение дифференциального датчика равно нулю только в идеальном случае, при наличии полной электрической и магнитной симметрии обоих плеч датчика. Реальные датчики, вследствие неидентичности параметров магнитных сердечников и обмоток, всегда имеют некоторое остаточное напряжение (порядка единиц и десятков милливольт).
Для измерения больших перемещений (единицы и десятки миллиметров) используются дифференциальные индуктивные датчики соленоидного типа (рис. 2.26). Эти датчики состоят из двух катушек 1 и 2, заключенных в общий кожух и включенных в мостовую схему.
Измеряемой величиной является перемещение ферромагнитного сердечника 3, общего для обеих катушек. Принцип действия датчика аналогичен принципу действия датчика, изображенного на рис. 2.25, а, и не требует пояснений.
^ 2.6.2. Трансформаторные датчики
В системах электроавтоматики в качестве датчиков угла поворота наряду с резисторными, индуктивными и емкостными датчиками применяют измерительные устройства на сельсинах и вращающихся трансформаторах.
Схема трансформаторного датчика, показанная на рис. 2.27, содержит ротор Р, сердечник С с катушками w1 и w2. Такой датчик часто называют также «следящим» или дифференциальным трансформатором.
Он широко используется в различных автоматических системах для измерения угловых перемещений, имеет секторный якорь, угол поворота которого  является измеряемой величиной, и трехстержневой сердечник, на центральном стержне которого намотана обмотка возбуждения (первичная обмотка), подключенная к источнику питающего напряжения Uпит.
Существуют конструктивные модификации рассмотренного датчика, позволяющие измерять перемещения якоря по двум взаимно перпендикулярным направлениям х и у. Один из таких датчиков называется вращающимся трансформатором.

^ Вращающийся трансформатор

(ВТ), представляющий собой электрическую машину

индукционного типа

, применяют для функционального преобразования угла поворота в электрический сигнал. ВТ состоит из статора и ротора, на которых размещаются по две взаимно перпендикулярные однофазные обмотки (рис. 2.28, а). Токосъем с обмоток ротора осуществляется с помощью контактных колец и щеток или с помощью спиральных пружин при ограниченных углах поворота. При включении обмотки возбуждения wв в сеть переменного тока напряжением U возникающий в обмотке ток Iв создает пульсирующий магнитный поток, который наводит в обмотках ротора ЭДС. Величина ЭДС при отсчете угла поворота ротора θ от нейтрального положения против часовой стрелки пропорциональна синусу этого угла, поэтому обмотку wсин называют

синусной обмоткой

ВТ.
Рис. 2.26. Дифференциальный
индуктивный датчик
соленоидного типа
Рис. 2.27. Трансформаторный
датчик с перемещающимся якорем

а б
Рис. 2.28. Вращающиеся трансформаторы:
СКВТ (а) и линейный вращающийся трансформатор (б)

Если пренебречь падением напряжения в обмотках, то выходное напряжение синусной обмотки

Uсин = kU sin , (2.33)
где k = wсин/wв = wкос/wв   максимальный коэффициент трансформации ВТ.
Во второй обмотке ротора wкос, называемой

косинусной

, будет индуктироваться ЭДС, пропорциональная косинусу угла поворота θ, так как эта обмотка смещена на 90° относительно синусной обмотки ВТ.
Выходное напряжение косинусной обмотки
Uкос = kU cos . (2.34)
В схеме, представленную на рис. 2.28, а синусную и косинусную обмотки ВТ включают на одинаковые сопротивления Zн.син = Zн.кос, что дает наилучшие результаты по компенсации поперечной составляющей магнитного потока (симметрированию) выходной обмотки и, следовательно, по уменьшению погрешностей к улучшению характеристик ВТ.
У линейного вращающегося трансформатора (ЛВТ)
(рис. 2.28, б) выходное напряжение Uвых является линейной функцией угла поворота (при  = ±60°). ЭДС, наводимая в синусной обмотке в результате сцепления с магнитным потоком обмотки возбуждения:

В синусной обмотке со стороны квадратурной наводится также ЭДС пропорциональная потоку и, следовательно, току ^ Iсин, протекающему по этой обмотке, и суммарной ЭДС контура Eвых:

Учитывая встречное включение синусной wсин и квадратурной wкв обмоток, а также применение симметрирования, запишем выходную ЭДС:

(2.35)
Если пренебречь падением напряжения в обмотках ВТ, считая Eвых = Uвых, то согласно (2.35) напряжение на выходе ЛВТ можно представить выражением

(2.36)
где k1, k2 – коэффициенты трансформации.
При k1 = k2 = 0,5 функция (2.36) принимает максимальное значение при θ = 120°. Линейность статической характеристики с точностью до 1% обеспечивается при изменении θ в пределах ±60°.
Вращающиеся трансформаторы, являющиеся высокоточными устройствами, можно использовать в системах автоматики вместо трансформаторных сельсинов. В зависимости от величины погрешности ВТ подразделяют на четыре класса точности. ВТ, как и сельсины, являются безынерционными элементами автоматики.
^ 2.6.3. Сельсинные датчики
Сельсины представляют собой малогабаритные самосинхронизирующиеся электрические машины переменного тока, сходные по конструкции с синхронными машинами. Сельсины бывают контактными и бесконтактными. В

контактных

сельсинах на статоре размещают однофазную, а на роторе – трехфазную обмотки или наоборот. В

бесконтактных

сельсинах на статоре размещают обе об мотки, а ротор выполняют специальной конструкции с немагнитной прослойкой.
Основными режимами работы сельсинов являются

индикаторный

и

трансформаторный

. В обоих режимах одновременно используют два сельсина – сельсин-датчик (СД) и сельсин-приемник (СП). Индикаторный режим применяют для контроля и дистанционной передачи угла поворота и различных величин (уровня, давления, толщины материала, натяжения и т. д.), преобразованных предварительно в угловое перемещение, в тех случаях, когда на выходе не требуется значительного вращающего момента. Трансформаторный режим применяют для преобразования угла рассогласования двух механических не связанных осей в выходное напряжение.
В индикаторном режиме однофазные обмотки возбуждения (ОВ) СД и СП включают в общую однофазную цепь переменного тока, а трехфазные обмотки синхронизации соединяют между собой одноименными зажимами (рис. 2.29, а). Между СД и СП имеются только электрические связи.
Переменный ток, протекающий по однофазным ^ ОВ, создает в обоих сельсинах пульсирующие магнитные потоки Ф. Эти потоки индуктируют ЭДС в обмотках синхронизации СД и СП, действующие значения которых определяются по формулам:

(2.37)

а б
Рис. 2.29. Схемы включения сельсинов в индикаторном (а)
и трансформаторном (б) режимах
При согласованном положении роторов обоих сельсинов (θд = θп) в одинаковых фазах СД и СП будут индуктироваться равные по величине ЭДС. Эти ЭДС уравновешивают друг друга, так как обмотки синхронизации включены встречно. Следовательно, тока в обмотках синхронизации сельсинов при θд = θп не будет и роторы обоих сельсинов будут неподвижны.
При повороте ротора ^ СД на угол θд > θп в обмотках синхронизации сельсинов возникнут токи

I = ΔE / (2Ζф),
где Е = Еп  Ед – результирующая ЭДС; Ζф – сопротивление одной фазы.
Эти токи, взаимодействуя с магнитным потоком ^ ОВ, обусловят возникновение вращающего синхронизирующего момента Мс, который повернет ротор СП на угол θп. Величина момента

Мс = Mmax(). (2.38)
где Мmах – максимальный момент сельсина, определяемый его параметрами;  = θд – θп – угол рассогласования.
Моментно-угловая зависимость Мс = () является статической характеристикой сельсинной пары, работающей в индикаторном режиме (рис. 2.29, а). При малых углах рассогласования (θ < 30°) статическая характеристика линейна:

Mc = k,
где k = Mc /  – коэффициент передачи, Нм / град.
В случае, когда командная ось вращается с постоянной угловой скоростью, говорят о динамическом режиме работы системы синхронной передачи угла. При этом исполнительная ось вращается с той же скоростью и в том же направлении, что и командная ось. Синхронизирующий момент в динамическом режиме определяется согласно выражению

,
где n – частота вращения ротора сельсина-датчика в об/мин;
р – число пар полюсов машины (обычно р = 1);
f – частота питающего напряжения в Гц.
Точность дистанционной передачи сельсинными измерительными устройствами зависит от момента трения и нагрузки на валу. В зависимости от величины погрешности Δθ сельсины делят на три класса точности: Ι – Δθ = ±0,75°, II – Δθ = ±1,5°; III – Δθ = ±2,5.
В трансформаторном режиме работы сельсинов (рис. 2.29, б) угловое рассогласование между сельсинами ( = θд – θп) преобразуется в выходное напряжение. К сети переменного тока подключают только однофазную обмотку возбуждения СД, а однофазная обмотка СП, называемого сельсином-трансформатором (СТ), является выходной, с которой снимается напряжение Uвых. Пульсирующий магнитный поток Ф, создаваемый током ОВ сельсина-датчика, по-прежнему индуктирует Ε1д, Е2д, Е3д в трехфазной обмотке, под действием которых в обмотках сельсинов возникают токи

I1 = Ε1д / 2Z; I2 = Е2д / 2Z; I3 = Е3д / 2Z. (2.39)
Эти токи создают в СТ магнитный поток Фт, направленный в зависимости от угла рассогласования под углом  = θд – θп к продольной оси выходной однофазной обмотки. В выходной обмотке наводится ЭДС Eвых  Uвых, являющаяся выходным сигналом: Uвых = Umax cos .
Так как нулевой отсчет соответствует сдвигу роторов СД и СП на 90°, то
Uвых = Umax cos ( + 90) = Umax sin . (2.40)
Зависимость Uвых = φ(θ) является статической характеристикой сельсинов в трансформаторном режиме. При малых углах рассогласования (sin   ) выходное напряжение Uвых = k, где k = Uвых/ – коэффициент передачи, В/град. Обычно для сельсинов Uвых mах = 50 – 100 В, k = 0,55 – 1,10 В/град. При повороте ротора СД в обратном направлении от согласованного (–д) фаза выходного напряжения изменяется на 180°.
Сельсины, наряду с использованием в устройствах для преобразования и передачи угла поворота или вращения, применяются также в следящих системах.
В трансформаторном режиме (рис. 2.29, б) роторы сельсинов-трансформаторов СТГО и СТТО соединяют между собой так же, как и сельсины-приемники. Если ротор СДГО повернуть на угол θвх, то ротор СДТО повернется на угол iθвх, где i = 30 – 40 – передаточное число механического редуктора (обычно выбирают нечетное число i).
В динамическом отношении сельсины являются безынерционными элементами.
2.6.4. Тахогенераторы
В качестве датчиков частоты вращения в системах электроавтоматики наибольшее применение находят тахометрические генераторы (тахогенераторы), представляющие собой небольшие электрические машины постоянного и переменного тока.

^ Тахогенераторы постоянного тока

. Тахогенераторы (ТГ) постоянного тока в зависимости от способа возбуждения выполняют двух типов:

магнитоэлектрические

(возбуждение от постоянных магнитов) и

электромагнитные

(возбуждение от специальной обмотки на статоре) (рис. 2.30, а, б). Уравнение электрического равновесия для ТГ имеет вид:

Uвых = E – IRн. (2.41)
Напряжение на выходе тахогенератора при постоянном потоке возбуждения

Uвых = E – IRн = Ce – IRн. (2.42)
Для уменьшения искажения статических характеристик тахогенераторы используют при небольших нагрузках (Iн = 0,01  0,02 А). Ток в цепи якоря I = E/(Rя – Rн), а выходное напряжение в соответствий с (2.42)

(2.43)
Коэффициент передачи тахогенератора
(2.44)
В динамическом отношении при работе на активную нагрузку ТГ рассматривают как безынерционные звенья; при работе на активно-индуктивную нагрузку (Lн, Rн) – как апериодические звенья первого порядка с передаточной функцией

Wтг(p) = kтг / (Tp + 1), (2.45)
где ΤΣ = (Lя + Lн)/(Rя + Rн) – постоянная времени ТГ.
Так как тахогенератор постоянного тока является малоинерционным элементом, то его применяют для получения на выходе сигнала, пропорционального производной угла поворота:

Uвых = kтг = kтг d / dt. (2.46)
В операторной форме уравнение (2.46) запишется так:
Uвых(p) = kтг p(p).
Следовательно, передаточная функция ТГ в этом случае будет иметь вид
Wтг(p) = Uвых(p) / (р) = kтг p. (2.47)
В соответствии с (2.47) ТГ, как преобразователь угла поворота, является дифференцирующим звеном.
Тахогенераторы постоянного тока широко применяют в САУ электроприводов различных машин [12]. Их достоинствами являются хорошая линейность характеристик, малая инерционность, высокая точность, малые габариты и масса, а для магнитоэлектрических ТГ еще и отсутствие источника питания. Недостаток – наличие коллектора со щетками.

^ Синхронный тахогенератор переменного тока

(СТГ) – однофазная синхронная машина с ротором в виде постоянного магнита (рис. 2.30, в). У СТГ с изменением скорости ω вместе с амплитудой изменяется и частота выходного напряжения. Статические характеристики нелинейны. В динамическом отношении СТГ являются безынерционными элементами.

^ Асинхронный тахогенератор переменного тока

(АТГ) – это двухфазная асинхронная машина с полым немагнитным ротором (рис. 2.30, г). На статоре АТГ размещаются две сдвинутые на 90° обмотки (возбуждения и генераторная). Обмотка возбуждения ОВ подключается к источнику переменного тока. В генераторной обмотке ГО, являющейся выходной, при вращении ротора наводятся ЭДС трансформации и вращения. Под действием ЭДС вращения на выходе АТГ возникает напряжение Uвых. Статическая характеристика АТГ Uвых = φ(ω) нелинейна. При изменении направления вращения ротора фаза выходного напряжения изменяется на 180°.
Асинхронные тахогенераторы используются как датчики угловой скорости, частоты вращения и ускорений. В последнем случае обмотка возбуждения АТГ подключается к источнику постоянного тока.
Достоинствами асинхронных тахогенераторов являются надежность, малая инерционность. К недостаткам относятся нелинейность статических характеристик, наличие на выходе остаточной ЭДС при неподвижном роторе, малая выходная мощность, сравнительно большие габариты.

а б в г
Рис. 2.30. Тахометрические генераторы (ТГ):
а – ТГ постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов;
б – с электромагнитным возбуждением;
в – синхронный ТГ; г – асинхронный ТГ
1 ... 5 6 7 8 9 10 11 12 ... 18
Карта сайта

Последнее изменение этой страницы: 2018-09-09;



2010-05-02 19:40
author-karamzin.ru 2018 год. Все права принадлежат их авторам! Главная