Описание лабораторной установки

Устройство и принцип действия датчика тока

Датчик тока предназначен для того, чтобы передать в систему автоматического управления сигнал, пропорциональный току тяго­вого двигателя. По условиям электробезопасности система управ­ления должна быть изолирована от силовой цепи электровоза. Поэ­тому в качестве датчика тока используют трансформатор постоян­ного тока (ТПТ), который состоит из двух ферромагнитных сердеч­ников сечением S с одинаковыми обмотками, называемыми рабо­чими (рис.1). Число витков каждой рабочей обмотки обозначено w _р, а ее сопротивление – r_p . К обмоткам подведено пере­менное синусоидальное напряжение U, создающее переменный рабочий ток i_р. Последовательно с обмотками, через выпрями­тельный мост включен резис-тор r. Падение напряжения u_r = r · i_р на этом резисторе является выходным сигналом датчика тока.

В отверстия сердечников пропущен силовой кабель, который образует входную обмотку датчика с числом витков w. По этой обмотке протекает ток I силовой цепи, называемый входным током.

Рис.1.

На рис.1 показана также обмотка смещения с числом витков w _см, охватывающая оба сердечника.

Сердечники датчика выполнены из пермаллоя, или высокотекстурованной электротехнической стали. Характеристика перемагничивания этих материалов близка к прямоугольной; в упрощенном ви­де она показана на рис.2. Действующее значение синусоидального напряжения U, от которого питаются рабочие обмотки, выбирают так, чтобы при токе силовой цепи I = 0 амплитуда магнитной индукции в сердечниках В _max была немного меньше индукции насыщения В_н.

U = 2 · 4,44 · f · w _р · В _max · S .               (1)

Рис.2.

При этом сердечники находятся в состоянии перемагничивания, соответствующем вертикальному участку кривой намагничивания (см. рис.2), магнитная проницаемость сердечников очень высока, а напряженность магнитного поля Н в сердечниках и ток на­магничивания пренебрежимо малы. Условно можно принять положительным то направление индукции В, которое соответ­ствует показанному на рис.1 направлению тока в рабочей обмот­ке i_р. Поскольку рабочие обмотки обоих сердечников вклю­чены встречно, то положительные направления индукции в сердеч­никах будут противоположны; это показано на рис.1 стрелками.

При одновременном протекании переменного тока i_р по рабочей обмотке и постоянного тока I по входной обмотке возможны два случая:

1. Намагничивающие силы входной и рабочей обмоток одного из сердечников направлены встречно.

Сердечник остается в состо­янии перемагничивания. Напряжение на рабочей обмотке перемагничивающегося сердечника

u _рп = r_p · i _р + w _р · S · dB/dt.

Поскольку магнитная проницаемость сердечника при этом очень велика, то ЭДС­­ – w _р · S · dB/dt , индуктируемая в рабочей обмотке, имеет достаточную величину, чтобы поддержать в рабочей обмотке такое значение тока i_р, при котором алгебраическая сумма намагничивающих сил входной и рабочей обмоток равна нулю:

∫ H · dl = i_р · w _р – I · w = 0.            (2)

Отсюда следует, что в процессе перемагничивания сердечника мгновенное значение рабочего тока остается неизменным и равным

i _р = I · w/w _р = const.                           (3)

2. Намагничивающие силы входной и рабочей обмоток складываются. Сердечник переходит в состояние насыщения, соответству­ющее одному из горизонтальных участков кривой намагничивания (см. рис.2). При этом магнитная индукция в сердечнике B = B _н остается постоянной независимо от величины токов i _р и I в обмотках этого сердечника. Напряжение на рабочей обмо^тке насы­щенного сердечника

u _рн = r_p · i _р + L_s · di _р/dt ,

где L _s – индуктивность рассеяния рабочей обмотки.

Поскольку рабочие обмотки двух сердечников соединены между собой встречно, то при I = 0 в каждый момент времени намаг­ничивающие силы обмоток у одного из сердечников вычитаются, а у другого­ – суммиру-ются. Следовательно, когда один из сердечников перемагничивается, другой в это время находится в состоянии на­сыщения.

Рассмотрим процесс изменения магнитного состояния сердечни­ков при работе датчика тока.

На рис.3,а показано синусоидальное напряжение, приложенное к цепи рабочей обмотки.

Рис.3

 

Пусть в некоторый момент времени ω · t = α первый сердечник начинает перемагничиваться, второй находится в состоянии насыщения. При этом ток в цепи рабочих обмоток, определяемый формулой (3), остается постоянным в тече­ние всего процесса перемагничивания (рис. 3,б).

Напряжение u, приложенное к рабочей цепи, уравновешивается напряжениями на рабочих обмотках первого и второго сердечников и на резисторе r  :

u = u _рп + u _рн + u_r = (2 r_p + r ) · i _р + w _р · S · dB ’/dt + L _s · di _р/dt .      (4)

Падение напряжения на активных сопротивлениях рабочей цепи  (2 r_p + r ) · i _р показано на рис.3,а. Ординаты заштрихованной площади соглас-но уравнению (4) равны w _р · S · dB ’/dt поскольку di _р/dt = 0. В момент време-ни ω · t = α      u > (2 r_p + r ) · i _р     и dB ’/dt > 0. Магнитная индукция в сердечнике начинает изменяться от величи­ны –В_н в сторону положительных значений (рис.3,в). Такое из­менение B ’ продолжается до момента времени t ₁, когда бу­дет выполнено условие  u = (2 r_p + r ) · i _р. Величина изменения индук-ции ∆B пропорциональна вертикально заштрихованной площади на интервале от α до ω · t ₁ (рис.3,а).

При t > t ₁ мгновенное значение напряжения продолжает сни­жаться к  u < (2 r_p + r ) · i _р. Поскольку w _р · S · dB ’/dt < 0, индукция В’ начинает изме-няться в сторону отрицательных значений В. В конце перемагничивания индукция в сердечнике достигает величи­ны –В_н. Это произойдет, когда отрицательная наклонно заштрихованная площадь будет равна положитель-ной вертикально заштрихованной площади, соответствующей интервалу     ( ω · t ₁ – α).

В момент времени t ₂ оба сердечника будут насыщены, и уравнение равновесия напряжений в рабочей цепи приобретет вид

u = 2 u _рн + u_r = (2 r_p + r ) · i _р + 2 L _s · di _р/dt .            (5)

В этот момент времени мгновенное значение напряжения имеет противоположную полярность по сравнению с моментом времени α. Поэтому ток рабочей обмотки быстро изменяет свое направление в соответствии с полярностью напряжения u.

Согласно равенству (4) скорость изменения тока ограничива­ется достаточно малой индуктивностью рассеяния обмоток L_s. Изменение тока заканчивается в момент времени t ₃ , когда ток достигает величины I · w / w _р , при которой начинает перемагничиваться второй сердечник (рис.3,г). Далее процесс повторяется.

Кривая изменения рабочего тока (рис.3,б) близка по форме к прямо-угольной и отстает по фазе от питающего напряжения на угол α. С увеличением входного тока согласно формуле (3) возрастает рабочий ток. При этом уменьшается величина заштрихованных площадей и, следова-тельно, уменьшается глубина размагни­чивания сердечников ∆В (см. рис.3,в). Зависимость угла α от величины входного тока можно получить из условия равенства положительных и отрицательных заштрихованных площадей за полупериод (рис.3,а):

∫ w _р · S · dB = ∫ [ u – (2r_p + r) · i _р ] · dωt = 0.

Полагая, что промежуток времени (t ₃ – t ₂), когда оба сердечника насыщены, достаточно мал, можно принять  ω · t ₂ = ω · t ₃ = α +π . Взяв интег-рал и используя формулу (3), по­лучим

α = arccos([π · (2r_p + r) · I · w]/[2  · U · w _р ]).               (6)

Отсюда следует, что наибольшее значение  α = π /2соответствует I = 0. По мере увеличения входного тока угол αуменьшается.

Выходным сигналом тока является выпрямленное падение напря­жения на резисторе:

U _д = r · i _р = r · I · w/w _р .            (7)

При изменении направления рабочего тока входное напряжение имеет провалы, показанные на рис.3,д штриховой линией. Для сглаживания этих провалов используют выходной фильтр (рис.5), состоящий из конденсатора С_ф   и резистора r _ф.

2. Статическая характеристика датчика тока

Статической характеристикой датчика тока называется зависи­мость между выходным и входным сигналами в установившемся режи­ме.

Согласно формуле (7) зависимость U _д(I) имеет вид пря­мой, проходя-щей через начало координат, как это показано на рис.4 штрихпунктирной линией.

  

 

Рис.4

Характеристика реально­го датчика имеет ряд отличий от идеальной.

1. Выходной сигнал датчика не может неограниченно возрастать. Наибольшее среднее значение выходного сигнала зависит от напря­жения питания цепи рабочей обмотки:

U _д.нб = 0,9 U · r / (2 r_p + r ).                          (8)

2. Предельное значение, при котором сохраняется линейная за­висимость между входным и выходным сигналами, определяется усло­вием, чтобы в момент начала перемагничивания сердечника падение напряжения на активных сопротивлениях цепи рабочих обмоток не превосходило мгновенного значения напряжения:

 · U · sin α_п = (2r_p + r) · i _р ;                    (9)

здесь α_п – наименьшее значение угла α, при котором сохраняется линейная зависимость U _д(I).

Величину α_п можно определить, используя формулы (6) и (9):

α_п = arctg ( sin α_п/ cos α_п) = arctg (2/π) = 32º30’.

Предельная величина выходного сигнала

U _{д . п} = r · I · w/w _р = r · [U · cos α_п /(2r_p + r)] · [2 /π].   

U _{д . п} = U _{д . нб} · cos(32º30’) == 0,844 · U _{д . нб} .                 (10)

Предельная величина входного сигнала

I _п = [ w / w _р ] · [ U _д.п / r ] = [2 / π ] · cos α_п · [ w / w _р ] · [ U /(2 r_p + r )].

I _п = = 0,758 · [ w / w _р ] · [ U /(2 r_p + r )] .               (11)

3. Минимальное значение выходного сигнала U _д.о при I = 0 определя-ется током намагничивания датчика.

Характеристика реального датчика тока показана на рис.4 (кривая 1). Поскольку датчик тока состоит из двух сердечников с одинаковыми рабочими обмотками, включенными встречно, то ха­рактеристика датчика симметрична относительно оси ординат. Ко­эффициент преобразования датчика тока:

k _д = ∆U _д /∆ I = r · ∆ I _р /∆ I = r · w / w _р .                     (12)

Рассмотрим, как зависит характеристика датчика тока от его парамет-ров. Предел линейной зависимости можно расширить в со­ответствии с формулой (11) уменьшением числа витков входной обмотки w, или сопротивления цепи рабочих обмоток r. При этом наклон характеристики относительно оси абсцисс и соответ­ственно коэффициент преобразования датчика уменьшаются (кри­вая 2).

Расширение предела линейной зависимости ограничено мини­мальным числом витков входной обмотки w= 1. С уменьшением сопротивления рабочей цепи возрастает величина рабочего тока, увеличивая нагревание обмоток, что также ограничивает расшире­ние предела линейности характе-ристики датчика.

Изменение величины питающего напряжения не оказывает вли­яния на наклон характеристик датчика, поскольку коэффициент преобразования не зависит от величины U. Это свойство ха­рактеризует хорошую помехоустойчивость датчика при колебаниях питающего напряжения.

Увеличение напряжения питания приводит к расширению предела пропорционального преобразования входного тока (кривая 3). Од­нако в этом случае происходит насыщение сердечников при I = 0, что приводит к увеличению тока намагничивания датчика и напря­жения U^’_д.о, как это показано на рис.4 штриховыми линиями.

Характеристику датчика тока можно сместить вправо или влево, используя обмотку смещения. Если намагничивающая си­ла обмотки смещения совпадает по направлению с намагничивающей силой входной обмотки, характеристика управления смещается влево (положительное смещение) на величину ∆I_с (см. кривую 4).

∆I_с = I_см · w _см / w .                       (13)

При встречном направлении намагничивающих сил характеристи­ки смещаются вправо (отрицательное смещение). Возможность смеще­ния характеристик позволяет использовать датчик тока в качество устройства сравнения (сумматора намагничивающих сил обмоток входной и смещения), а также для изменения знака коэффициента преобразования датчика. Обмотка смещения в этом случае выполня­ет функции задающего устройства.

Описание лабораторной установки

Рабочие обмотки датчика постоянного тока имеют по 1250 витков с общим сопротивлением 32 Ом и рассчитаны на ток 0,2 А. Входная обмотка имеет 50 витков с выводом от 30-го витка и рассчитана на ток 5 А. Обмотка смещения имеет 1300 витков и рассчитана на ток 0,05 А.

Принципиальная схема исследования характеристик датчика то­ка показана на рис.5. Регулирование величины силового тока осуществляют реостатом, включенным на напряжение 50 В по схеме потенциометра. Дроссель в цепи силовой обмотки служит для сгла­живания пульсаций силового тока, обусловленных источником пита­ния. Рабочие обмотки питаются напряжением 36 В от лабораторного автотрансформатора.

 

Рис.5

 

Для варьирования сопротивления нагрузки име­ются два резистора сопротивлением 200 и 300 Ом. Питание обмоток смещения осуществляется постоянным напряжением 50 В через высокоомный потенциометр.

Для исследования формы кривой изменения рабочего тока надо подключить к резисторному шунту r_ш в рабочей цепи элект­ронный осциллограф.

Осциллограммы изменения магнитной индукции сердечников дат­чика тока можно получить путем интегрирования напряжения на од­ной из рабочих обмоток. С этой целью параллельно рабочей обмот­ке BУ датчика подключено интегрирующее звено   r_и · С_и.  По­средством этого звена произ-водится аналоговое интегрирование напряжения рабочей обмотки при условии r_и >> 1/( ω · С_и). Напряжение на конденсаторе в определенном масш-табе пропорционально измене­нию магнитной индукции сердечника B ’( ωt ):

u _си ( ωt ) = [ w _р · S /( ω · r_и · С_и)] · B ’( ωt ).

Программа работы

Экспериментальная часть

1. Собрать схему, показанную на рис.5. В рабочую цепь вклю­чить резистор r сопротивлением 300 Ом.

2. Снять характеристики датчика постоянного тока при U=36 В и диапазоне изменения входного тока от 0 до 5 А с интервалом 0,5 А. Результаты занести в таблицу.

3. Изменить направление тока во входной обмотке и повторить опыт по п.2.

4. Включить обмотку смещения, установить ток смещения 50 мА Повторить опыты по пп. 2 и 3.

5. Выключить обмотку смещения. Снять характеристи­ки датчика тока при измененных значениях: числа витков входной обмотки, выходного сопротивления, напряжения питания в соответ­ствии с таблицей.

Характеристики снимать только при положительных значениях входного тока.

6. Изучить и зарисовать на кальку осциллограммы рабочего тока i _р ( ωt ), падения напряжения u_r ( ωt ) на выходном рези­сторе, выходного напряжения датчика u _д ( ωt ), питающего на­пряжения u ( ωt ), магнитной индукции B ’( ωt ) при напряжении питания 36 В и входных токах 0; 1; 3 А. Осциллограммы надо зари­совать при одинаковой настройке осциллографа для каждого вида кривых при всех заданных значениях входного тока.

7. Определить посредством осциллографа и измерительных при­боров предельные величины входного тока и выходного напряжения датчика, при которых сохраняется линейность характеристики дат­чика.

 

 

Таблица опытных и рас­четных величин

Номер опыта	1		2		3	4	5
U, В	36		36		36	36	45
r,Ом	300		300		300	200	300
w , витков	50		50		30	50	50
Iсм , мА	0		50		0	0	0
	Uд, В
направление тока I, А	+	–	+	–	+	+	+
0
0,5
…..
5
Кд опытн.
Кд расчетн.
U д.п , В
U д.нб , В
Iп, А

 

Расчетная часть

1. Построить графики характеристик датчика посто­янного тока на миллиметровой бумаге. Определить из графиков и рассчитать по формуле (12) коэффициенты преобразования для всех кривых. Результаты занести в таблицу.

2. Рассчитать по формулам (8), (10), (11) величины токов и напряже-ний датчика для всех опытов. По полученным данным постро­ить расчетные графики характеристик датчика.

3. Сравнить расчетные и опытные величины токов I_п (см. 4.1, п.7).

4. Вычислить по формуле (13) величину смещения характеристики датчика и сравнить с опытом (см. 4.1, п.4).

5. Построить совмещенные диаграммы изменения напряжений, рабо-чего тока, индукции при входном токе 1 и 3 А на миллимет­ровой бумаге.

Содержание отчета

Отчет должен содержать:

· принципиальную схему исследования датчика тока;

· таблицу экспериментальных и расчетных данных;

· графики характеристик датчика, полученные экспе­риментальным и расчетным путем;

· осциллограммы и построенные по ним совмещенные диаграммы изменения напряжения, рабочего тока, магнитной индукции для входного тока 1 и 3 А.

К отчету надо приложить черновик, подписанный преподавате­лем.

Контрольные вопросы

1. Как включают обмотки: рабочие, входные, смещения, между собой и относительно других обмоток?

2. Каково назначение резисторов и конденсаторов, включаемых в цепи рабочих обмоток?

3. Какая существует связь между направлением токов в обмот­ках датчика и состоянием намагниченности сердечников?

4. Как влияет состояние намагниченности сердечников на рабо­чий ток датчика?

5. Какую форму имеют кривые изменения во времени напряжения питания, тока рабочих обмоток, магнитной индукции сердечников и выход-ного напряжения датчика тока?

6. Напишите формулы, определявшие связь величин токов рабо­чего, входного и смещения с числом витков обмоток, напряжением питания, сопротивлением выходного резистора.

7. Как влияет на коэффициент преобразования и выходную ха­рактеристику датчика тока изменение числа витков входной обмотки сопротивления выходного резистора, питающего напряжения, тока смещения?

Литература

1. Электровоз BЛ-80T. Руководство по эксплуатации. Под ред. Б.Р. Бондаренко. М., Транспорт, 1977, с.105-106, 281-282.

2. Пассажирский электровоз ЧС-2^Т. Под ред. А. Л. Лисицина. М., Транспорт, 1979, с. 158-160.

3. Капустин Л.Д., Копанев А.С., Лозановский А.Л. Особенности уст-ройства и эксплуатации электровоза ВЛ-80Р. М., Транспорт, 1979, с.125-126.

 

___________________________________________________________

Редактор Т.Л. Корняну

Подписано к печати 12.01 1982 г,  Усл. печ.л. 0,8 Уч-изд. л. 0,5

Бумага для множ.апп.            Формат бумаги 60х84/16.

Заказ №59.            Тираж 300 экз.       Бесплатно.

РТП ЛИИЖТа. Ленинград, Московский пр., 9

---

Дата добавления: 2021-01-21; просмотров: 48; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!