§ 13. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ И КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА
Многие судовые устройства (главные и вспомогательные двигатели, различные приводы, гребной вал и т. д.) имеют вращающиеся части. Контроль за их работой осуществляется с помощью приборов, в состав которых входят преобразователи частоты вращения и крутящего (вращающего) момента.
Приборы, служащие для измерения частоты вращения различных валов, называются тахометрами. Различают тахометры, имеющие следующие преобразователи частоты вращения: механические центробежные, гидравлические центробежные, магнитоиндукционные, тахогенераторные и стробоскопические. Тахометры, которые имеют три последних вида преобразователей, называются электрическими. В отличие от механических, они позволяют не только измерять частоту вращения, но и передавать результаты измерения в различные точки судна. В этом отношении большую роль играют электрические тахометры гребных валов и главных двигателей. Точные показания этих приборов особенно важны в маневренных режимах судна.
В электрических тахометрах частота вращения преобразуется в электрическую величину, которая затем измеряется прибором, отградуированным в оборотах в минуту.
Кроме измерительных целей, электрические тахометры широко используют в системах автоматического управления гребными электрическими установками, в авторулевых и т. д.
Тахометры с магнитоиндукционными преобразователями (рис. 39).
Рис. 39. Тахометр с магнитоиндукционным преобразователем
Постоянный магнит 2 с магнитопроводом 4 закреплен на валу 1, частота вращения которого измеряется. Магнитный поток постоянного магнита при его вращении пересекает стенки медного стакана 3, закрепленного на выходном валу 5. В стакане индуцируется э. д. с., создающая вихревые токи. Взаимодействие магнитных полей вихревых токов с вращающимся полем магнита создает момент, величина которого зависит от частоты вращения и который стремится повернуть стакан и выходной вал в направлении вала 1. Действие этого момента уравновешивается противодействующим моментом спиральной пружины 6. При определенном угле поворота вала 5, отмечаемом на шкале 7, в зависимости от частоты вращения устанавливается равновесное
Рис. 40. Трехфазный индукционный тахометр
Рис. 41. Схема измерения частоты вращения с помощью электрического тахометра вольтметрового типа
положение. Шкала отградуирована в оборотах в минуту. Угол поворота выходного вала может быть передан в любую точку судна с помощью сельсинной пары.
На судах применяют тахометры с магнитоиндукционными преобразователями типов ТКМ и ТКМС, а также ТЭ-204 и ЭТМ, имеющие, кроме того, дистанционную передачу (рис. 40) — синхронный трехфазный генератор 1, насаженный на вал, частота вращения которого измеряется, и синхронный двигатель 2, на валу которого размещен непосредственно тахометр 3. Частота выходного напряжения генератора пропорциональна измеряемой частоте вращения,, поэтому частота вращения ротора двигателя, электрически соединенного с генератором, также пропорциональна частоте вращения вала. Тахометры с магнитоиндукционными преобразователями надежны и имеют равномерную шкалу.
Тахометры с тахогенераторными преобразователями.
Тахогенератор представляет собой миниатюрный генератор постоянного или переменного тока, приводимый во вращение от вала, частота вращения которого измеряется. Выходной величиной тахогенератора является э. д. с., пропорциональная частоте вращения. В тахогенераторах постоянного тока обмотка, в которой индуктируется э.д.с., выводится через коллектор, в тахогенераторах переменного тока — через контактные кольца.
Для измерения частоты вращения гребных валов, паровых турбин наиболее распространены тахогенераторы постоянного тока вольтметрового типа.
В качестве датчика Д тахометра вольтметрового типа (рис. 41) используется генератор постоянного тока, в обмотке якоря которого, как известно, индуктируется э. д. с., определяемая по формуле
(21)
При постоянном потоке возбуждения Ф э. д. с. будет пропорциональна частоте вращения п якоря.
Измерительным прибором (указателем) У служит вольтметр магнитоэлектрического типа со шкалой, градуированной в оборотах в минуту. К одному датчику могут одновременно подключаться несколько указателей.
Строго говоря, приборы измеряют не э.д. с. якоря, а напряжение, определяемое по формуле
При отключении какого-либо измерительного прибора вместо него рекомендуется включать равнозначный резистор.
Поток возбуждения Ф в таходатчиках обычно создается постоянными магнитами, хотя встречаются датчики и с обмоткой возбуждения. Постоянные магниты из никель-алюминиевых сплавов обеспечивают постоянство индукции при изменении температуры окружающей среды.
Для того чтобы исключить влияние реакции якоря на поток возбуждения, таходатчик рассчитывают так, чтобы ток, потребляемый всеми измерительными приборами, был значительно меньше номинального тока датчика. Для регулирования потока возбуждения в таходатчиках применяют магнитный шунт-кольцо, охватывающее полюсные наконечники. При изменении зазора между кольцом и полюсными наконечниками изменяется поток, проходящий через магнитный шунт, а значит, и полезный поток, проходящий через якорь.
На отечественных судах применяют тахогенераторы типов МЭТ7/110, МЭТ8/55. Для Измерения частоты вращения гребных валов применяют электрические тахометры типа К16 с тахогенераторами типа МЭТ8/30. Тахогенераторы рассчитаны, как правило, на большую частоту вращения (до 2000 об/мин) и с контролируемым валом соединены через шестеренчатые или цепные повышающие передачи.
Рис. 42. Торсиометры с индуктивным и фотоэлектрическим преобразователями
Для измерения очень больших частот вращения (более 4000 об/мин), например у воздуходувок, применяют электроимпульсный тахометр. В состав его входит синхронный генератор, включенный в схему с электронным управлением. Суть работы тахометра заключается в подсчете числа импульсов, зависящего от измеряемой частоты вращения. В конечном каскаде схемы управления имеется калиброванный эталонный конденсатор, управление зарядом которого от источника связано с контролируемым валом. Число циклов заряд-разряд конденсатора пропорционально частоте вращения.
Крутящий момент Мкр(Н-м) и частота вращения n (об/мин) однозначно определяют мощность N(Н-м/с), передаваемую вращающимся валом,
(24)
О значении крутящего момента, передаваемого, например, от главного двигателя СЭУ к гребному валу, можно судить по напряжениям в материале вала или по величине угла скручивания φ между его сечениями, расположенными на расстоянии l одно от другого. Этот угол пропорционален крутящему моменту:
(25) где k — коэффициент, зависящий от материала и сечения вала, рад/Н-м2.
Приборы для измерения крутящего момента называются торсиометрами. В качестве преобразователей в торсиометрах могут быть использованы тензометрические, индуктивные, фотоэлектрические и магнитоупругие датчики.
Торсиометр с тензометрическим преобразователем.
Зигзагообразный тензодатчик наклеивают на вал, причем прямолинейные участки проволоки размещают по направлению измеряемой деформации, т. е. перпендикулярно плоскости продольной оси вала. Скручивание вала вызывает растяжение проволочного тензодатчика, поэтому поперечное сечение проволоки уменьшается, а электрическое сопротивление возрастает. Приборы с такими датчиками установлены на некоторых судах, однако тензодатчики подвержены старению, приборы на их основе имеют трущиеся контакты, требуют усиления сигнала и температурной компенсации. Погрешность измерений приборов относительно валика (2—10%).
Торсиометр с индуктивным преобразователем (рис. 42, а).
На вращающемся валу 3 закреплены магнитопроводы 4, а на неподвижном сердечнике 2 — индуктивные катушки 1, питаемые переменным током. При неподвижном вале зазоры δ1 и δ2 в парах магнитопроводов одинаковы и индуктивности катушек L1 и L2 равны. При вращении вал скручивается, зазор δ2 становится, например, больше зазора δ1, поэтому индуктивность L2 становится меньше индуктивности Разность L1—L2, являющаяся функцией крутящего момента Mкр вала, служит выходным сигналом преобразователя. Погрешность измерений таких торсиометров невелика (0,5—1%).
Торсиометр с фотоэлектрическим преобразователем (рис. 42, б).
Датчик торсиометра имеет диски 5 с отверстиями. Диски насажены на вал 3 на расстоянии I один от другого. Через отверстия в дисках от электролампы 7 к фотоэлементу 6 проходит световой поток. Когда под действием крутящего момента вал скручивается, отверстия в дисках взаимно смещаются и интенсивность светового потока, падающего на фотоэлемент, изменяется. Фототок является функцией крутящего момента и служит выходным сигналом датчика. Прибор требует усиления сигнала.
Торсиометр с магнитоупругим преобразователем.
Данные преобразователи (бесконтактные торсиометры) более перспективны для судовых условий. Действие их основано на изменении магнитной проницаемости стали при деформации. Принципиально магнитоупругий преобразователь (рис. 43, а) может быть представлен в виде двух П-образных ферромагнитных сердечников с одной общей первичной обмоткой 1, к которой подводится питание от сети переменного тока, и двумя раздельными вторичными обмотками 2 и 3, включенными последовательно, но встречно.
Рис. 43. Торсиометр с магнитоупругим преобразователем
Сердечники устанавливают в соответствии с направлением действующих напряжений на растяжение и сжатие, возникающих во вращающемся валу под действием крутящего момента (рис. 43, б), и закрепляют неподвижно над валом (рис. 43, б). Магнитная проницаемость стали, из которой изготовлен вал, по направлению сжатия увеличивается, а по направлению растяжения — уменьшается. Поэтому магнитные потоки, созданные первичной обмоткой в сердечниках, а соответственно и э.д.с., индуктированные во вторичных обмотках, будут различными по значению. Электроизмерительный прибор, включенный в цепь вторичных обмоток, отметит это различие.
Выпускаемые магнитоупругие датчики конструктивно несколько отличаются от описанного и имеют погрешности при измерениях не более 1,5%.
