Электрическое измерение неэлектрических

Величин

При решении многих практических задач измерения и контроля различных физических величин – температуры, давления, линейных и угловых перемещений, влажности материалов, уровня и др., широко используются электрические методы измерения. Структура процесса измерения в этом случае предусматривает два этапа (Рис. 1.17). Первоначально измеряемая физическая величина Х преобразуется в электрическую величину А – напряжение или ток. Такое преобразование осуществляется с помощью устройства-преобразователя измеряемой неэлектрической величины. Закон преобразования описывается статической характеристикой преобразователя:

А = f (X).

После преобразования электрическая величина А, несущая в себе информацию о физической величине Х, измеряется электроизмерительным прибором. По измеренному значению А_ИЗМ электрической величины делается заключение о значении измеряемой физической величины Х.

Преобразователи неэлектрических величин в электрические делятся на два класса: параметрические и генераторные.

В параметрических преобразователях изменяющаяся неэлектрическая величина Х вызывает изменение одного из электрических параметров - активного сопротивления (проводимости), индуктивности или емкости. В генераторных преобразователях неэлектрическая величина Х преобразуется в ЭДС.

Примерами параметрических преобразователей являются: терморезисторы; термисторы; фоторезисторы; гигристоры и др. Генераторными преобразователями являются: полупроводниковый фотоэлемент; термопара; тахогенератор и др.

Рис. 1.17 – Структурная схемаизмерения неэлектрической величины

Устройство и принцип действия машин

Постоянного тока

Под электрическими машинами понимают устройства, преобразующие механическую энергию в электрическую (генераторы) или наоборот – электрическую энергию в механическую (двигатели).

Электрические машины постоянного тока применяются в различных областях техники. Генераторы постоянного тока входят в состав систем электропитания специального оборудования, например, в качестве источников постоянного тока возбуждения в генераторах переменного тока, при зарядке аккумуляторов, для питания электролитических ванн, в качестве сварочных генераторов и так далее. Электрические машины постоянного тока малой мощности применяются в системах автоматического регулирования как для привода исполнительных механизмов, так и в качестве тахогенераторов – датчиков частоты вращения подвижных частей регулируемых систем.

Основное достоинство двигателей постоянного тока заключается в возможности плавного регулирования частоты вращения и получения больших пусковых моментов, что очень важно для тяговых двигателей на электрическом транспорте, а также для привода различного технологического оборудования. Недостатком двигателей постоянного тока является необходимость предварительного преобразования для них переменного тока в постоянный ток.

Машина постоянного тока (генератор, двигатель) состоит из трех основных частей (Рис. 1.18): неподвижного статора, выполненного в виде электромагнита или постоянного магнита, создающего основное магнитное поле машины; якоря - вращающейся части машины, в обмотках которой возникает электродвижущая сила (ЭДС); щеточно-коллекторного аппарата (на Рис. 1.18 не показан).

Статор состоит из станины и главных полюсов. Обмотка возбуждения 1 расположена на сердечниках 2 главных (основных) полюсов, закрепленных на станине 3. Полюс заканчивается полюсным наконечником 4, распределяющим магнитный поток в воздушном зазоре 6. На обмотку возбуждения подают постоянное напряжение, вызывающее ток возбуждения I_B. Возникающий магнитный поток идет через сердечник северного полюса N, воздушный зазор, сердечник якоря, воздушный зазор к сердечнику южного полюса S и через ярмо статора (станину) возвращается к северному полюсу.

Вращающаяся часть машины - якорь (Рис. 1.18) включает сердечник, обмотки якоря 5 и коллектор. Сердечник якоря набирают из тонких пластин электротехнической стали толщиной, обычно, не более 0,5 мм (для уменьшения потерь на вихревые токи). В пазах сердечника уложены проводники изолированной обмотки якоря.

Рис. 1.18 – Машина постоянного тока: 1- обмотка возбуждения; 2 - полюсы; 3– станина (ярмо); 4-полюсный наконечник; 5- проводники якорной обмотки; 6- воздушный зазор машины

Рис. 1.19 - Якорь машины постоянного тока

Коллектор (Рис. 1.20) - это полый цилиндр, набранный из отдельных медных пластин (ламелей), изолированных друг от друга и от вала. К пластинам коллектора припаяны проводники обмотки якоря. По пластинам коллектора скользят медно-графитовые щетки, закрепленные в щеткодержателях.

Рис. 1.20 - Элементы узла коллектора машины постоянного тока

Машина постоянного тока может работать в двух режимах - в генераторном и в двигательном. Рассмотрим генераторный режим. При вращении якоря проводники якорной обмотки пересекают магнитные силовые линии и в них, по закону электромагнитной индукции, наводится ЭДС е_Я (Рис. 1.18). Направление ЭДС определяется по правилу правой руки.

На рисунке, для упрощения, показаны только два проводника якорной обмотки. Несложно представить, что если якорь повернется на угол 180 градусов, токи в проводниках поменяют направление.

По существу в одном витке якорной обмотки при вращении якоря будет индуктироваться переменная ЭДС. Коллектор играет роль механического переключателя. Он переключает витки обмотки якоря в процессе его вращения по отношению к нагрузке таким образом, что на неподвижных щетках формируется напряжение одного знака.

Если якорь вращать за счет некоторого внешнего источника механической энергии, то в каждом к-ом проводнике его обмотки будет индуктироваться ЭДС е_К, определяемая выражением:

(1.24)

где Ф – магнитный поток; В – магнитная индукция; l – активная длина проводника; v – окружная (линейная) скорость движения проводника относительно магнитного поля статора.

Режим двигателя получим, подав на якорь напряжение U (Рис. 1.21). При этом для создания магнитного поля статора необходимо подать напряжение питания U_B на обмотку возбуждения статора. На каждый проводник якорной обмотки будет действовать сила

F = B I_Я l .(1.25)

Направление действия этой силы можно определить по правилу левой руки. При указанных на рис.12.3 направлениях тока якоря I и тока возбуждения I_B действие сил взаимодействия проводников с током якорной обмотки с магнитным полем статора вызовет вращение якоря против часовой стрелки. Однако при вращении якоря, согласно закону электромагнитной индукции, в проводниках его обмотки будет возникать ЭДС (см. выражение 1.25), направленная противоположно току I_Я. В этом легко убедиться, воспользовавшись правилом правой руки. Приложенное напряжение U уравновешивает эту ЭДС и падение напряжения на сопротивление обмоток якоря.

Рис. 1.21 – Двигатель постоянного тока

Свойство электрических машин работать как в генераторном, так и в двигательном режимах называется обратимостью. Оно характерно для всех электрических машин. Общим недостатком электрических машин постоянного тока является сложность их конструкции, связанная, главным образом, со щеточно-коллекторным аппаратом. Кроме того, в щеточно-коллекторном аппарате, осуществляющем постоянное переключение цепей электрической машины, возникает искрение. Это снижает надежность машин и ограничивает область их применения.

Если частота вращения якоря п об/мин, D – диаметр якоря (м), то входящая в формулу (1.24) окружная скорость движения проводника относительно магнитного поля статора м/с. Однако полюсные наконечники статора не полностью охватывают окружность якоря, равную πD (Рис. 1.18). Если дуга охвата одного полюсного наконечника равна τ, то окружная скорость м/с, где р – число пар полюсов магнитной системы статора. Произведение lτ равно площади одногополюсного наконечника. С учетом приведенных уточнений выражение (1.24) примет вид: . Необходимо также учесть, что обмотка ротора содержит N проводников. Щетки делят всю обмотку якоря на 2а параллельных ветвей. Произведение Blτ = Ф. Тогда генерируемая ЭДС

(1.26)

где - постоянный для данной машины коэффициент.

При работе электрической машины в режиме двигателя взаимодействие тока якоря с главным магнитным полем создает механический вращающий момент М_ВР. Учитывая, что сила, действующая на отдельный проводник с током I обмотки якоря согласно (1.25), определяется как F_К = B I_Я l, то вращающий момент якоря М_ВР будет складываться из частных моментов всех N активных проводников обмотки, М_К = F_К D/2 (D – диаметр якоря) или М_К = B I l D/2. Приняв π D ≈ 2рτ, можно записать, что D/2= рτ / π. Тогда М_ВР = N М_К = B I l рτ / π. Учитывая, что l τ – площадь одного полюсного наконечника, а в двигателе их имеется 2р, то произведение B l р τ = Ф/2. Кроме того, 2а I = I_Я , так как количество параллельных ветвейобмотки якоря равно 2а, то есть I_Я - общий ток якоря.

Вращающий момент двигателя

(1.27)

где - коэффициент, постоянный для данной машины.

При холостом ходе в обмотке якоря тока нет, машина имеет только основной магнитный поток от обмотки возбуждения. При нагрузке ток якоря также создает магнитное поле (Рис. 1.22,а). Магнитные силовые линии замыкаются вокруг проводников обмотки через сталь якоря и полюсов. При вращении якоря направление токов в проводниках между щетками не изменяется и поле якоря оказывается неподвижным относительно щеток и полюсов возбуждения. Сам якорь становится электромагнитом. Линия N_Я - S_Я совпадает с физической нейтралью (линия n - n′ на рис. 1.22, а), где индукция магнитного потока статора равна нулю. Именно на этой линии в машинах постоянного тока устанавливают щетки коллектора. Магнитный поток якоря накладывается на основной магнитный поток. В результате наложения магнитных потоков, статора (Ф_С)и якоря (Ф_Я), создается суммарный магнитный поток Ф_∑ (Рис. 1.21, б).

Рис. 1.22 – Реакция якоря

Физическая нейтраль смещается на некоторый угол и занимает новое положение (на рис. 1.22, а линия m - m′). У генераторов она смещается в направлении вращения якоря, у двигателей - против направления вращения якоря. Величина угла смещения нейтрали зависит от нагрузки.

Влияние тока якоря на основной магнитный поток называют реакцией якоря. Реакция якоря нарушает симметрию магнитного поля в воздушном зазоре и уменьшает магнитный поток. Вследствие этого в генераторе уменьшается ЭДС (напряжение на щетках). В двигателе уменьшается вращающий момент и изменяется частота вращения.

Для ослабления реакции якоря увеличивают воздушный зазор между якорем и полюсами. В машинах большой мощности применяют специальную компенсационную обмотку. Ее закладывают в пазы в полюсных наконечниках и включают последовательно с якорем. Магнитный поток компенсационной обмотки равен потоку якоря в зоне полюсов и направлен ему навстречу.

В современных машинах постоянного тока также используют дополнительные полюса, которые устанавливаются на станине по линии геометрической нейтрали. Обмотки этих полюсов соединяются через щетки коллектора последовательно с обмоткой якоря так, чтобы создаваемый ими магнитный поток был направлен навстречу магнитному потоку якоря и компенсировал бы этот поток.