Измерение угловой скорости (частоты вращения)

При автоматизации различных технологических процессов требуется измерение числа оборотов частей машин и механизмов в единицу времени и выдачу в систему контроля или управления информации о достижении заданного числа оборотов. Диапазон измеряемых скоростей вращения элементов механических устройств достигает 90000 об/мин. По принципу действия датчики скорости вращения разделяют на механические, индукционные, частотные и стробоскопические.

Электрические датчики скорости вращения можно подразделить на индукционные и частотные. Индукционные датчики – это тахогенераторы постоянного и переменного тока.

Тахогенераторы постоянного тока

Тахогенератор – микромашина постоянного тока. Тахогенераторы постоянного тока (ТГП) строятся с независимым возбуждением. ТГП состоит из якоря и статора, в котором закреплены постоянные магниты или электромагниты постоянного тока.

Рис. 3.41а, б. Устройство ТГП с постоянными магнитами

На рис. 3.41а схематично показано устройство ТГП с постоянными магнитами. Якорь 1 набран из электротехнической стали с равномерными пазами. В пазы укладывается обмотка, концы которой припаиваются к пластинам коллектора 2. Две щетки 3, контактируя с коллектором, снимают ЭДС, наводимую в обмотках якоря. Знак и величина ЭДС определяют направление и скорость вращения якоря.

Е = С₁Фn,

где С₁ – конструктивный коэффициент ТГП, n – скорость вращения якоря, Ф – магнитный поток.

Ф = В S;

где B – индукция постоянного магнита, S – сечение магнитопровода.

Если у тахогенератора с постоянными магнитами индукция B постоянна, то у тахогенератора с независимым возбуждением (рис. 3.41б) она зависит от состояния сердечника после включения тока возбуждения. Общим недостатком ТГП является наличие коллектора и щеточного механизма.

Тахогенераторы переменного тока

Тахогенераторы переменного тока имеют большое разнообразие конструкций как ротора, так и статора. В настоящее время разработан целый ряд типов тахогенераторов.

– Тахогенератор переменного тока с вращающимся постоянным магнитом в виде цилиндра, стержня или звездочки с числом полюсов 2р. На статоре размещено 2р обмоток, соединенных последовательно, как показано на рис. 3.42.

Рис. 3.42. Тахогенератор с вращающимся магнитом:

1 – постоянный магнит, 2 – катушка, 3 – ярмо (магнитопровод)

Выходная ЭДС изменяется по синусоидальному закону и не зависит от направления вращения.

У тахогенератора переменного тока с неподвижным постоянным магнитом, ярмом и обмотками изменение магнитного потока создается вращением несимметричного ферромагнитного якоря в виде стержня или цилиндра с прорезями (рис. 3.43).

Рис. 3.43. Тахогенератор с вращающимся ферромагнитным якорем

Вид и величина выходного сигнала не зависят от направления вращения.

У тахогенератора переменного тока с посторонним возбуждением и вращающимся ферромагнитным якорем, показанного на рис. 3.44, выходная ЭДС наводится в измерительной обмотке за счет модуляции потока с частотой . Возможно возбуждение переменным током повышенной частоты. При этом амплитуда выходного сигнала не зависит от скорости вращения.

Рис. 3.44. Тахогенератор с посторонним возбуждением и вращающимся ферромагнитным якорем

Т ахогенератор переменного тока с короткозамкнутым ротором (асинхронный тахогенератор) представляет собой электрическую машину с полым ротором в виде алюминиевого цилиндра, вращающегося в зазоре между полюсами статора и неподвижным стальным керном (рис. 3.45).

Рис. 3.45. Тахогенератор с короткозамкнутым ротором

На статоре расположены два пары обмоток, сдвинутые на геометрический угол 90°. Одна из них подсоединена к сети переменного тока и создает пульсирующий магнитный поток, другая – измерительная. Наличие алюминиевого стакана (ротора) в пульсирующем магнитном поле приводит к появлению реакции якоря (появлению в теле ротора токов Фуко, пропорциональных частоте пульсирующего магнитного потока, которые искажают симметрично относительно измерительных обмоток пульсирующий магнитной поток. При отсутствии вращения ротора пульсирующее магнитное поле наводит в выходных обмотках равные ЭДС и выходное напряжение тахогенератора равно нулю. При вращении алюминиевого стакана создается вращающееся магнитное поле, которое в зависимости от направления вращения алюминиевого стакана будет изменять индукцию в зазорах между алюминиевым стаканом и поперечными отливами магнитопровода. При этом наводимые ЭДС в катушках будут не равными. Разность этих ЭДС есть выходной сигнал асинхронного тахогенератора. Частота выходного сигнала равна частоте питания. Фаза выходного напряжения при изменении направления вращения меняется на 180°. Линейность характеристики может быть обеспечена с погрешностью не более 0,1%.