Датчики

Для целей комплексной автоматизации технологических процессов разработано большое количество датчиков, преобразующих неэлектрические параметры в электрические сигналы [2]. Номенклатура датчиков, применяемых в системах электропривода, весьма ограничена. Сюда относятся лишь те датчики, которые измеряют текущие координаты самого электропривода (напряжение, ток, поток, скорость, положение). Как уже отмечалось, регулирование момента является одной из основных задач электропривода. Однако, датчика момента, обеспечивающего прямое измерение момента двигателя и пригодного для применения в приводах производственных механизмов, не разработано и до этого времени. В ряде случаев приходится контролировать некоторые координаты электропривода, например, поток двигателя, не с помощью измерения соответствующим датчиком, а применяя косвенные методы, так как такие датчики конструктивно отсутствуют.

Датчики электромагнитных переменных электропривода:

– датчики тока;

– датчики напряжения;

– датчики ЭДС двигателя постоянного тока;

– датчики потока.

В качестве первичных преобразователей используются:

– при измерении тока – трансформаторы тока, шунты и преобразователи, основанные на эффекте Холла (датчик Холла);

– при измерении напряжения – делители напряжения;

– при измерении потока – датчики Холла.

Трансформатор тока – измерительный трансформатор, первичная обмотка которого имеет мало витков (например, один виток), а вторичная – много. Номинальный режим такого трансформатора – режим короткого замыкания. Работа трансформатора тока с разомкнутой цепью вторичной обмотки недопустима. Шунт – резистор с калиброванным сопротивлением, обеспечивающий при номинальном токе шунта нормированное значение падения напряжения, например 75 мВ.

При использовании шунтов и делителей напряжения датчики должны иметь гальваническое разделение силовых цепей и цепей управления, а с шунтами и датчиками Холла требуется усиление сигналов.

На рис. 2.6 и 2.7 приведены электрические схемы датчиков тока для систем электропривода. Для измерения мгновенных значений переменного тока применяются датчики тока с трансформаторами тока (рис. 2.6, а), шунтами (рис. 2.7, а) и датчиками Холла (рис. 2.8). Для измерения постоянного тока применяются датчики тока с трансформаторами тока, включенными со стороны переменного тока тиристорных преобразователей (рис. 2.6, б), шунтами (рис. 2.7, б) и датчиками Холла (рис. 2.8). Схемы датчика напряжения и датчика ЭДС двигателя постоянного тока приведены, соответственно, на рис. 2.9 и 2.10.

Рис. 2.6. Датчики тока с трансформатором тока в качестве первичного преобразователя: а – переменного тока; б – выпрямленного постоянного тока

Рис. 2.7. Датчики тока с шунтом в качестве первичного преобразователя: а – переменного тока; б – постоянного тока

Ячейки датчиков тока и напряжения могут быть типовыми и в общем случае содержат электрическую развязку и усилитель сигналов. Усилители постоянного тока характеризуются существенным недостатков в виде дрейфа нуля усилителя – однажды установленное нулевое значение выходного сигнала при нулевом значении входного не остается постоянным, а зависит, в первую очередь, от температуры и других факторов. Поэтому в аналоговых системах управления комплектных электроприводов постоянного тока ячейки датчиков выполнялись по схеме: модулятор входного сигнала – трансформатор – усилитель переменного тока – демодулятор с фильтром.

Датчики тока, использующие преобразователи, основанные на эффекте Холла, представляют собой магнитопровод с зазором и обмоткой – по обмотке протекает измеряемый ток, а в зазоре устанавливается датчик Холла. Принцип работы преобразователя, основанного на эффекте Холла, и датчика тока с его использованием поясняет рис. 2.8.

При измерении магнитного потока электрических машин датчики Холла конструктивно размещаются в зазоре машины.

Рис. 2.8. Датчик тока с датчиком Холла в качестве первичного преобразователя: 1 – сердечник (магнитопровод) с зазором; 2 – обмотка; 3 – преобразователь на основе эффекта Холла

Рис. 2.9. Датчик напряжения

В общем случае датчики должны обеспечивать гальваническую развязку между цепями измерения и выходной при напряжениях до одного и более киловольт, иметь линейную характеристику и малую погрешность порядка 1%, широкую полосу пропускания, независимость технических характеристик от изменения условий эксплуатации. Особенно жесткие требования предъявляются к датчикам тока электроприводов в отношении полосы пропускания (быстродействия). Это объясняется тем, что они используются во внутреннем самом быстродействующем контуре регулирования многоконтурной системы управления электропривода и однозначно определяют его быстродействие в целом. Шунт как измерительный преобразователь является безынерционным звеном. Датчик Холла обеспечивает полосу пропускания до 1 кГц, что может оказаться недостаточным для реализации быстродействующих электроприводов, например с вентильными двигателями. Недостатками шунта и датчика Холла как первичных преобразователей является большая зависимость, соответственно, сопротивления и постоянной Холла от температуры.

Рис. 2.10. Датчик ЭДС двигателя постоянного тока: а – при непосредственном измерении; б – при наличии датчиков напряжения и тока

Ячейки датчиков универсальной блочной системы регуляторов (УБСР) для комплектных электроприводов постоянного тока имели унифицированный выходной сигнал 10 В, обеспечивали погрешность 1% и полосу пропускания в зависимости от элементной базы от 30 до 1000 Гц.

Значительные пульсации тока двигателя, имеющие место в современных системах электропривода как постоянного, так и переменного тока, обуславливают необходимость применения сглаживающих фильтров на выходе датчиков тока. Такие фильтры, с одной стороны, уменьшают полосу пропускания датчика, а, с другой стороны, вносят дополнительно запаздывание сигнала обратной связи в контуре тока.