Лабораторна робота № 8
Тема: дослідження індукційних перетворювачів
Мета: Ознайомитись з роботою індукційних перетворювачів
Технічне забезпечення пеом
Короткі теоретичні відомості
Індукційним перетворювачем називається перетворювач, принцип дії якого грунтується на законі електромагнітної індукції. Перетворювач має котушку. При дії вхідної величини на перетворювач змінюється потокощеплення ψ котушки з зовнішнім щодо котушки магнітним полем. При цьому в котушці виникає ЕРС
.
Потокощеплення при цьому визначається таким співвідношеннями
,
де w – число витків котушки; Ф – потік, що проходить через неї; Q – площа, через яку проходить цей потік; В – індукція магнітного поля.
ЕРС в котушці може виникати при зміні в часі будь-якої з перелічених величин w, B, Q .
Як
приклад розглянемо перетворювач, який
являє собою магнітну систему з постійним
магнітом, у
повітряному зазорі якої переміщується
котушка (рис.
8.1). При
русі котушки із зміною х
змінюється площа котушки, яка перебуває
в магнітному полі,
.
Це приводить до зміни потокощеплення
,
і в котушці виникає ЕРС
Індукційні
перетворювачі служать для перетворення
лінійної
чи
кутової
швидкості переміщення котушки відносно
магнітного поля в ЕРС. Вони є генераторними
перетворювачами і перетворюють механічну
енергію в електричну.
Розрізняють ряд типів перетворювачів.
Рисунок 81 – Схема роботи індукційного перетворювача
Індукційні перетворювачі генерують ЕРС тільки при переміщенні котушки в магнітному полі. З цієї причини перетворювачі цього типу можуть служити для перетворення лінійної швидкості в ЕРС на невеликих довжинах шляху. Зазвичай їх використовують для вимірювання швидкості вібрації, коли її амплітуда не перевищує декількох сантиметрів. Одну з конструктивних схем показано на рис. 8.2 а. Перетворювач має кільцевий магніт 1, вставлений у сталеве ярмо 2. Магнітний потік від постійного магніту проходить по центральному циліндричному осердю через повітряний зазор і кільцевий полюсний наконечник 3. У циліндричному повітряному зазорі знаходиться намотана на каркас котушка 4. Магнітний потік, що пронизує витки цієї частини котушки, не змінюється в часі, число витків також залишається постійним. У цій частині котушки ЕРС не виникає. Частина ІІІ котушки міститься поза повітряним зазором, але всередині магнітної системи. Магнітний потік, що проходить через витки цієї котушки, також постійний, але при вібрації котушки змінюється кількість витків. Зміна кількості витків приводить до зміни потокощеплення і виникненню ЕРС. Витки котушки зазвичай намотуються рівномірно. При цьому ЕРС перетворювача пропорційна швидкості вібрації.
|
|
а) |
б) |
Рисунок 8.2 – Схема перетворювача вібрації та кутових переміщень
Індукційні перетворювачі можна використовувати і для вимірювання кутової швидкості. Схему такого перетворювача наведена на рис. 8.2 б. Він складається з постійного магніту 1, полюсних наконечників 2, циліндричного стального сердечника3 і котушки 4. Принцип роботи перетворювача аналогічний принципу роботи магнітоелектричного вимірювального механізму. При повороті котушки навколо осі осердя її потокощеплення змінюється і в ній індукується ЕРС, пропорційна кутовій швидкості.
Тахометричні
перетворювачі являють собою електромашинні
генератори. Як
приклад,
розглянемо синхронний перетворювач з
постійним магнітом, що оберається (рис.
8.3
а): він
складається з статора 1, на якому поміщена
обмотка, і ротора 2 з закріпленим на
ньому постійним магнітом. При обертанні
магніту змінюється потік, який проходить
через обмотку, і в ній індукується змінна
ЕРС. Амплітуда і частота ЕРС пропорційні
частоті обертання ротора. частота ЕРС
визначається відношенням
,
де п
– частота обертання, об/хв; р
– число пар полюсів.
Рисуок 8.3 – Схема тахометричного перетворювача
На рис. 8.3 б наведено схему тахометричного перетворювача постійного струму зі збудженням від постійного магніту, який розміщений на статорі 1. Вимірююча обмотка розміщена на роторі 2, і при його обертанні в ній иникає змінна ЕРС, яка знімається з ротора, що обертається, і подається на статор з допомогою колектора 3 і щіток, що по ньому ковзають. При цьому змінна ЕРС стає постійною.
Якщо через навантаження перетворювача протікає струм, то перетворювач віддає в вимірювальний ланцюг деяку електричну потужність. Ця енергія утворена з механічної. Механічна потужність
,
де - кутова частота обертання ротора; М - необхідний для цього момент, він пов’язаний з електричною потужністю співвідношенням
,
де – ККД.
Із наведених співвідношень видно, що із збільшенням струму, що генерується перетворювачем, збільшується момент на його валу.
Перетворювач цього типу (рис. 8.4) являє собою котушку 1 з розімкнутим феромагнітним осердям, яка встановлена біля валу 2, частота обертання якого вимірюється; на валу монтується один чи декілька феромагнітних зубців 3. Осердя катушки попередньо намагнічується. При обертанні вала зубець проходить поблизу котушки і зменшує магнітний опір RМ осердя, як показано на графіку. Відповідно до цього змінюється магнітний потік, що проходить через котушку, і в ній індукується ЕРС е. З виводів котушки знімається послідовність двополярних імпульсів, частота яких рівна частоті проходження зубців поблизу котушки, тобто пропорційна частоті обертання вала.
Вторинним перетворювачем імпульсного індукційного перетворювача являється частотомір, проградуйований в одиницях частоти обертання.
ЕРС індукційних перетворювачів пропорційна швидкості переміщення котушки лише за умови, що індукція В постійна протягом всього шляху її переміщення. Непостійність індукції викликає виникнення похибки.
Похибка індукційних перетворювачів також залежить від струму, який споживає вторинний перетворювач. Протікаючи по вимірювальній обмотці індукційного перетворювача, цей струм створює магнітне поле, яке згідно з правилом Ленца направлено на зустріч напряму основного поля і створює розмагнічуючу дію. Внаслідок цього сумарна індукція зменшується, зменшується і ЕРС перетворювача. Це явище, яке має місце в електричних машинах і, зокрема, в тахометричних перетворювачах називається реакцією якоря. Внаслідок реакції якоря зменшується чутливість тахометричного перетворювача і його функція перетворення стає нелінійною, що приводить до похибок. Для зменшення похибки слід зменшити струм перетворювача. Є також конструктивні методи зменшення цієї похибки.
Описаний вид похибки властивий тахометричним перетворювачам, оскільки їх вторинними пристроями служать електромеханічні пристрої з великим споживанням потужності.
Вплив струму навантаження на функцію перетворення перетворювачів вібрації менше, ніж на функцію перетворення тахометричних перетворювачів. Навантаженням перетворювачів вібрації зазвичай являються електронні підсилювачі. Вони мають великий вхідний опір, який обмежує струм перетворювача і тим самим зменшує похибку.
Якщо навантаження індукційного перетворювача споживає значний струм, то може виникнути похибка внаслідок зміни внутрішнього опору перетворювача, оскільки змінюється спад напруги на його внутрішньому опорі. Зміна внутрішнього опору може бути обумовлена температурними змінами опору вимірювальної обмотки і опору лінії зв’язку з вторинним пристроєм. Внутрішній опір тахометричного перетворювача постійного струму нестабільний також внаслідок зміни опору колектора.
При зміні частоти обертання синхронного тахометричного перетворювача змінюється як ЕРС, так і її частота. При зміні частоти змінюються його вхідний опір і вхідний опір його навантаження. Зміни опорів можуть привести до нелінійної функції перетворення пристрою в цілому, навіть якщо ЕРС тахометричного перетворювача лінійно залежить від вимірюваної швидкості.
Вихідною величиною тахометричних перетворювачів є або значення ЕРС, що генерується, або її частота. В останньому випадку як вторинний перетворювач використовують частотомір. Стрілкові частотоміри, що використовуються, не повинні змінювати свої покази при зміні напруги.
Таким чином, похибка індукційних перетворювачів у значній мірі залежить від режиму, в якому вони працюють. Максимальна похибка виникає в режимі, за якого через навантаження протікає значний струм. Однак для роботи в такому режимі використовують найбільш простий вторинний перетворювач. Менші похибки бувають у режимі холостого ходу, коли струм в вимірювальній котушці практично відсутній. При роботі в такому режимі потрібна більш складна і дорога аппаратура, повинні використовуватись вимірювальні механізми підвищенної чутливості або підсилюючі пристрої.
При вимірюванні частоти обертання вала мінімальну похибку можна отримати, якщо в якості вихідної величини тахометричного перетворювача використовується частота зміни ЕРС, а в якості вторинного перетворювача – цифровий частотомір. При цьому виключається вплив нестабільності величини вихідної напруги перетворювача і використовується висока точність цифрового частотоміра. однак в цьому випадку потрібна найбільш складна і дорога апаратура.
Хід роботи
Запустити схему дослідження (рисунок 8.4). Зарисувати вихідні сигнали. Змінити швидкість обертання валу. Повторити дослідження.
Підготувати звіт.
Рисунок 8.4 – Схема дослідження індукційного переторювача
Контрольні питання
1 Загальний принцип дії індукційного перетворювача
2 Перетворювачі швидкості вібрації та тахометричні перетворювачі
3 Імпульсні перетворювачі
4 Похибки індукційних перетворювачів
5 Способи збудження частотних перетворювачів
6 Застосування індукційних перетворювачів