ИЭРЭТУ_3

достигает 1 ...2 % из-за отклонения его характеристики от линейной вследствие размагничивающего действия реакции якоря. В тех случаях,

когда недопустимы коллекторные пульсации напряжения, в качестве та-

ходатчика может применяться униполярный генератор, имеющий чув-

ствительность до 10 мкВ на 1 об/мин по сравнению с 3... 100 мВ на 1

об/мин для коллекторных таходатчиков постоянного тока.

Тахометр, формирующий напряжение переменного тока, состоит из тахогенератора переменного тока (синхронного или асинхронного), ли-

нии связи и измерительного прибора. Следует отметить, что у синхронно-

го тахогенератора переменного тока при изменении частоты вращения изменяется как напряжение, так и частота, что приводит к необходимости коррекции индуктивного сопротивления измерительного прибора.

Асинхронные тахогенераторы с полым немагнитным ротором обес-

печивают постоянство частоты напряжения при изменении его величины,

но имеют значительные погрешность и нелинейность выходной характе-

ристики.

В центробежном тахометре реализуется квадратичная зависимость центробежной силы от частоты вращения.

Гидравлический тахометр состоит из диска с радиальными и осевы-

ми каналами, заключенного в герметичную камеру, заполненную жидко-

стью. При вращении диска давление в камере повышается пропорцио-

нально частоте вращения. Величина давления регистрируется маномет-

ром.

Пневматический тахометр состоит из центробежного вентилятора,

вращающегося в конусе с кольцевой перегородкой. В кольцевой перего-

родке сделано окно, в котором установлена либо пластина, связанная со

стрелкой и спиральной пружиной, либо манометр. Угол отклонения пла-

стины пропорционален давлению воздушного потока, т.е. угловой скоро-

сти вентилятора.

К недостаткам механических тахометров (центробежные, гид-

равлические, пневматические) следует отнести нелинейность шкалы, что увеличивает погрешность при их градуировке.

Метод сравнения основан на сопоставлении измеряемой частоты вращения с эталонной и позволяет получить более высокую точность из-

мерения, чем метод прямого преобразования. При использовании этого метода применяют фрикционные, стробоскопические и вибрационные та-

хометры.

Во фрикционных тахометрах сравнение измеряемой и эталонной частоты вращения осуществляется путем изменения передаточного от-

ношения встроенного вариатора. Погрешность фрикционных тахометров определяется в основном стабильностью частоты вращения эталонного двигателя и обычно не превышает 0,5%.

Стробоскопические тахометры состоят из лампы-вспышки, питаю-

щейся от регулируемого источника стабилизированной частоты, и изме-

рительного устройства. Эти тахометры позволяют проводить измерения бесконтактным способом, но дистанционное измерение частоты враще-

ния затруднительно. Определение частоты вращения испытуемой маши-

ны следует начинать с заведомо более высокой частоты вращения по сравнению с измеряемой вниз. Если же производить измерения в обрат-

ном порядке, то возможна ошибка, поскольку стробоскопический эффект получается как при истинной пи, так и при кратной ей частоте вращения:

= и⁄ , где k – целое число.

Частотный метод основан на измерении частоты электрических импульсов, получаемых от таходатчиков. Частотный метод измерения ис-

ключает возможность внесения дополнительных погрешностей датчиком или линией передачи (при дистанционном измерении), связанных с изме-

нением температуры, давления, влажности и пр.

Одним из достоинств частотного метода является возможность с помощью датчика существенно увеличить частоту импульсов, не допус-

кая при этом дополнительной погрешности. Это особенно важно при из-

мерении низкой частоты вращения, когда прямые методы преобразования дают значительные погрешности.

При использовании частотного метода измерения частоты вращения машины применяют следующие типы таходатчиков: индукционные, ин-

дуктивные, емкостные и фотоэлектрические.

Индукционные таходатчики бывают двух типов – с активным и пас-

сивным ротором. В первом случае в качестве ротора используется посто-

янный магнит с числом полюсов, определяемым необходимым количест-

вом импульсов на один оборот вала электрической машины. В качестве такого таходатчика может быть использован синхронный тахогенератор с возбуждением от постоянных магнитов.

Во втором случае ротор изготовляется из стали в виде звездочки, а

на статоре датчика располагаются две обмотки, одна из которых (обмотка возбуждения) подключается к источнику постоянного тока, а другая (ге-

нераторная обмотка) – к частотомеру. При вращении ротора магнитный поток из-за изменения магнитной проводимости пульсирует с частотой,

пропорциональной произведению скорости электрической машины на число зубцов ротора. В генераторной обмотке наводится переменная ЭДС

с частотой пульсаций магнитного потока.

Емкостной таходатчик состоит из двух неподвижных обкладок и диска, вращающегося между ними и жестко связанного с валом испытуе-

мой машины, по окружности диска распложены чередующиеся секторы с различной диэлектрической проницаемостью. При прохождении этих секторов между обкладками конденсатора емкость последнего меняется,

что приводит к изменению тока в цепи конденсатора, подключенного че-

рез балластный резистор к источнику постоянного тока. Частота пульса-

ций тока пропорциональна произведению частоты вращения испытуемой электрической машины на количество секторов диска. Измерение часто-

ты пульсаций осуществляется, как и в предыдущем случае, с помощью частотомера.

Фотоэлектрический таходатчик является бесконтактным. Его прин-

цип действия основан на изменении освещенности рабочей поверхности фотоприемников с частотой, пропорциональной частоте вращения испы-

туемой электрической машины. Для этого на доступной части ротора на-

носят (или наклеивают) светоотражающие полосы. Фотоприемники изго-

товляют, как правило, на базе фоторезисторов, фотодиодов или фототран-

зисторов.

3.3 Измерение скольжения машин переменного тока

Под скольжением (s) понимается относительная разность между частотой вращения магнитного поля статора (п1) и механической часто-

той вращения ротора (п) машины, выраженная в относительных единицах или процентах:

= ( − )⁄ = ( − )⁄ .

Поскольку величина скольжения в номинальном режиме для асин-

хронных двигателей общепромышленного применения составляет от не-

скольких сотых до тысячных долей единицы, то метод непосредственного измерения п для последующих расчетов s приведет к весьма большим ошибкам, поэтому при определении скольжения необходимо измерять разность величин п1 - п непосредственно.

В соответствии с ГОСТ 7217 – 87* для измерения скольжения при-

меняются методы амперметра постоянного тока, индуктивной катушки и стробоскопический. С развитием цифровой измерительной техники на-

шли применение частотные методы измерения скольжения.

Метод амперметра постоянного тока применяется для асинх-

ронных двигателей с фазовым ротором. В цепь ротора включается магни-

тоэлектрический амперметр с нулем в середине шкалы. Поскольку часто-

та токов в обмотке ротора равна , то измерив число N полных кача-

ний стрелки амперметра за время Т, можем вычислить частоту токов ро-

тора n2, а по ней и величину скольжения:

= ⁄ ; = ⁄ = ⁄( ).

Метод индуктивной катушки основан на измерении частоты токов ротора асинхронной машины. Поскольку непосредственно включить при-

бор в цепь ротора не всегда удается, многовитковую катушку располага-

ют вблизи от лобовой части обмотки ротора так, чтобы потоки рассеяния ротора наводили в ней ЭДС (с частотой f2).

Стробоскопический метод основан на измерении разности частот вращения ротора и магнитного поля машины с использованием стробо-

скопических дисков. В качестве источника излучения применяют безы-

нерционные лампы (неоновые или люминесцентные) или лампу-

вспышку. Питание лампы производится с частотой сети, от которой пита-

ется асинхронный двигатель. При питании синусоидальным напряжением продолжительность горения лампы в течение полупериода относительно велика и изображение получается расплывчатым. Поэтому следует пода-

вать на лампу импульсное напряжение, для чего в простейшем случае можно последовательно с лампой включить катушку с насыщенным сер-

дечником и токоограничивающий резистор.

На торце вала устанавливают диск с чередующимися темными и светлыми секторами. При этом число темных секторов равно числу свет-

лых и соответствует числу полюсов машины 2р. Если освещать диск лам-

пой, то при синхронной скорости вращения (п = п1) ротора диск (звезда секторов) будет казаться неподвижным в пространстве. При п < п1 диск будет вращаться с разностью скоростей п1 - п против направления враще-

ния ротора, а при п > п1 – по направлению вращения ротора.

Для крупных электрических машин вместо диска с секторами обыч-

но используют либо сам торец вала, либо доступную для наблюдений ци-

линдрическую часть вала. В последнем случае чередующиеся секторы заменяют чередующимися полосами разной яркости, число которых так-

же равно 2р.

Скольжение определяется по формуле

= ⁄( ),

где р – число пар полюсов исследуемой машины; k – число полных обо-

ротов звезды секторов за время измерений t, с.

При весьма малых скольжениях целесообразно определять не число полных оборотов звезды секторов за время измерений Т, а число К тем-

ных (светлых) сегментов, прошедших мимо неподвижной точки за время t1. Тогда скольжение будет определяться по формуле

= ⁄( )

где N – число темных (светлых) сегментов на диске.

Таким образом, при неизменном времени можно получить оди-

наковую точность измерений скольжения при изменении его в широких пределах. При использовании цилиндрической части вала расчеты произ-

водят по той же формуле.

При частотном методе измерения скольжения на валу ротора ус-

танавливается диск с отверстиями, а на статоре – связанное с диском фо-

тоэлектрическое устройство (аналогично фотоэлектрическому таходатчи-

ку). Количество отверстий К в диске делается таким, чтобы за один обо-

рот ротора можно было получить 100 и более импульсов.

При вращении ротора со скоростью п (об/с) импульсы от фо-

тодатчика суммируются, умножаются на число пар полюсов р и поступа-

ют на первый счетчик (число импульсов = ). В свою очередь пи-

тающее электрическую машину напряжение поступает на формирователь

импульсов (один импульс за один период питающего напряжения), затем импульсы суммируются и умножаются на число отверстий в диске К во

втором счетчике (число импульсов = ).

Суммирование импульсов по двум каналам – статора и ротора идет одновременно и через определенное время Т (обычно несколько секунд)

проводится расчет скольжения по формуле

= ( − )⁄ = ( −

)⁄( ) = ( − )⁄ .

Увеличивая число импульсов за один оборот ротора, можно увели-

чить точность определения скольжения при непосредственном измерении частоты вращения ротора.

3.4 Измерение угла нагрузки синхронных машин

Угол между векторами ЭДС холостого хода Еq (или направлением поперечной оси q) и напряжения сети Uc называется углом нагрузки син-

хронной машины.

Векторная диаграмма явнополюсного синхронного генератора

Для определения величины этого угла можно использовать углоиз-

мерительную машину, измерительную обмотку, датчик Холла, механиче-

ский прерыватель или датчик углового положения.

Углоизмерительная машина представляет собой работающий в ре-

жиме холостого хода синхронный генератор, геометрические размеры ко-

торого подобны испытуемой синхронной машине. Обе машины соединя-

ются механически так, чтобы их геометрические оси совпадали, для чего в соединительной муфте предусмотрены отверстия соответствующей конфигурации. При вращении в обмотке якоря углоизмерительной маши-

ны наводится ЭДС, совпадающая в пространстве с вектором ЭДС холо-

стого хода испытуемой синхронной машины.

Углоизмерительная машина является датчиком поперечной оси син-

хронной машины. Линейное напряжение сети и соответствующая линей-

ная ЭДС углоизмерительной машины подаются на фазометр, по которому определяются значения угла нагрузки.

Измерительная обмотка укладывается в пазы якоря под пазовый клин. Она выполняется из тонкого провода с диаметральным шагом и ее ось совпадает с осью одной из фазных обмоток якоря испытуемой син-

хронной машины. Угол нагрузки, как и в предыдущем случае, может из-

меряться с помощью фазометра. Поскольку с измерительной обмотки снимается фазное напряжение, для получения правильных результатов линейное напряжение сети должно быть повернуто на угол 30 электриче-

ских градусов. Указанный поворот может быть осуществлен за счет со-

гласующего трансформатора с первой или одиннадцатой группой соеди-

нения обмоток, а также с помощью электронных схем задержки сигнала.

Датчик Холла наклеивается на зубец магнитопровода якоря в сере-

дине пакета и его выходной сигнал пропорционален индукции магнитно-

го поля в месте его установки, т. е. максимальный сигнал совпадает с мо-

ментом прохождения продольной оси d, нулевой – оси q.

Механический прерыватель представляет собой закрепленный на валу диск или цилиндр с равным числом чередующихся проводящих и непроводящих сегментов (проводящие сегменты электрически соединены между собой). Электрическая связь с неподвижным источником питания осуществляется с помощью скользящего контакта.

В настоящее время разработано большое количество контактных и бесконтактных датчиков углового положения, в частности с использова-

нием сельсинов в трансформаторном режиме работы, тахометров, реали-

зующих частотные методы измерения, и фотоэлектрических датчиков.

3.5 Измерение механического момента на валу

Методы измерения. Вращающий момент может быть определен непосредственным или косвенным методом. Непосредственное из-

мерение момента осуществляется следующими способами: статическим,

измерением суммарного момента и динамическим.

При использовании статического способа момент определяют с помощью моментомеров при установившейся частоте вращения ротора.

Сняв семейство точек механического момента при различной частоте вращения, получают статическую механическую характеристику. К не-

достаткам этого способа следует отнести большой нагрев двигателей при определении момента вне рабочей зоны механической характеристики двигателя, что удлиняет время испытаний, ведет к нестабильности изме-