Измерение частоты вращения электрических машин

Для измерения частоты вращения электрических машин при испытаниях используют следующие основные методы: прямого преобразования, сравнения и частотный.
Метод прямого преобразования основан на преобразовании частоты вращения машины в электрический сигнал, давление, центробежную силу и др. Используемые в этом случае магнитные, магнитоэлектрические, центробежные, гидравлические и пневматические тахометры, как правило, просты по конструкции, но имеют невысокий класс точности. Поскольку они нагружают испытуемую электрическую машину добавочным тормозным моментом, для испытания микромашин их применять не рекомендуется.
Магнитный тахометр состоит из постоянного магнита, вращающегося с валом испытуемой машины, и чувствительного элемента в виде немагнитного поворотного статора, соединенного с пружиной и стрелкой. При вращении магнита в обмотке статора наводится ЭДС и протекает ток, пропорциональный частоте вращения. Взаимодействие тока статора с полем постоянного магнита приводит к появлению пропорционального частоте вращения вращающего момента, под действием которого закручивается пружина и отклоняется стрелка указателя тахометра. В качестве модификации магнитных тахометров применяются дистанционные магнитные тахометры.
Магнитоэлектрический тахометр состоит из тахогенератора постоянного тока (таходатчика), линии связи и вольтметра, отградуированного в единицах измерения частоты вращения. Погрешность этого тахометра достигает I...2 % из-за отклонения его характеристики от линейной вследствие размагничивающего действия реакции якоря. В тех случаях, когда недопустимы коллекторные пульсации напряжения, в качестве таходатчика может применяться униполярный генератор, имеющий чувствительность до 10 мкВ на 1 об/мин по сравнению с 3... 100 мВ на 1 об/мин для коллекторных таходатчиков постоянного тока.
Тахометр, формирующий напряжение переменного тока, состоит из тахогенератора переменного тока (синхронного или асинхронного), линии связи и измерительного прибора. Следует отметить, что у синхронного тахогенератора переменного тока при изменении частоты вращения изменяется как напряжение, так и частота, что приводит к необходимости коррекции индуктивного сопротивления измерительного прибора.
Асинхронные тахогенераторы с полым немагнитным ротором обеспечивают постоянство частоты напряжения при изменении его величины, но имеют значительные погрешность и нелинейность выходной характеристики.
В центробежном тахометре реализуется квадратичная зависимость центробежной силы от частоты вращения. Примером такого тахометра является маятник Уатта.
Гидравлический тахометр состоит из диска с радиальными и осевыми каналами, заключенного в герметичную камеру, заполненную жидкостью. При вращении диска давление в камере повышается пропорционально частоте вращения. Величина давления регистрируется манометром.
Пневматический тахометр состоит из центробежного вентилятора, вращающегося в конусе с кольцевой перегородкой. В кольцевой перегородке сделано окно, в котором установлена либо пластина, связанная со стрелкой и спиральной пружиной, либо манометр. Угол отклонения пластины пропорционален давлению воздушного потока, т.е. угловой скорости вентилятора.
К недостаткам механических тахометров (центробежные, гидравлические, пневматические) следует отнести нелинейность шкалы, что увеличивает погрешность при их градуировке.
Метод сравнения основан на сопоставлении измеряемой частоты вращения с эталонной и позволяет получить более высокую точность измерения, чем метод прямого преобразования. При использовании этого метода применяют фрикционные, стробоскопические и вибрационные тахометры.
Во фрикционных тахометрах сравнение измеряемой и эталонной частоты вращения осуществляется путем изменения передаточного отношения встроенного вариатора. Погрешность фрикционных тахометров определяется в основном стабильностью частоты вращения эталонного двигателя и обычно не превышает 0,5%.
Стробоскопические тахометры состоят из лампы- вспышки, питающейся от регулируемого источника стабилизированной частоты, и измерительного устройства. Эти тахометры позволяют проводить измерения бесконтактным способом, но дистанционное измерение частоты вращения затруднительно. Определение частоты вращения испытуемой машины следует начинать с заведомо более высокой частоты вращения по сравнению с измеряемой вниз. Если же производить измерения в обратном порядке, то возможна ошибка, поскольку стробоскопический эффект получается как при истинной так и при кратной ей частоте вращения: л - «„//г, где к —- целое число.
Частотный метод основан на измерении частоты электрических импульсов, получаемых от таходатчиков. Частотный метод измерения исключает возможность внесения дополнительных погрешностсй датчиком или линией передачи (при дистанционном измерении), связанных с изменением температуры, давления, влажности и пр.
Одним из достоинств частотного метода является возможность с помощью датчика существенно увеличить частоту импульсов, не допуская при этом дополнительной погрешности. Это особенно важно при измерении низкой частоты вращения, когда прямые методы преобразования дают значительные погрешности.
При использовании частотного метода измерения частоты вращения машины применяют следующие типы таходатчиков: индукционные, индуктивные, емкостные и фотоэлектрические.
Индукционные таходатчики бывают двух типов — с активным и пассивным ротором. В первом случае в качестве ротора используется постоянный магнит с числом полюсов, определяемым необходимым количеством импульсов на один оборот вала электрической машины. В качестве такого таходатчика может быть использован синхронный тахогенератор с возбуждением от постоянных магнитов.
Во втором случае ротор изготовляется из стали в виде звездочки, а на статоре датчика располагаются две обмотки, одна из которых (обмотка возбуждения) подключается к источнику постоянного тока, а другая (генераторная обмотка) — к частотомеру. При вращении ротора магнитный поток из-за изменения магнитной проводимости пульсирует с частотой, пропорциональной произведению скорости электрической машины на число зубцов ротора. В генераторной обмотке наводится переменная ЭДС с частотой пульсаций магнитного потока.
Емкостной таходатчик состоит из двух неподвижных обкладок и диска, вращающегося между ними и жестко связанного с валом испытуемой машины, по окружности диска расположены чередующиеся секторы с различной диэлектрической проницаемостью. При прохождении этих секторов между обкладками конденсатора емкость последнего меняется, что приводит к изменению тока в цепи конденсатора, подключенного через балластный резистор к источнику постоянного тока. Частота пульсаций тока пропорциональна произведению частоты вращения испытуемой электрической машины на количество секторов диска. Измерение частоты пульсаций осуществляется, как и в предыдущем случае, с помощью частотомера.
Фотоэлектрический таходатчик является бесконтактным. Его принцип действия основан на изменении освещенности рабочей поверхности фотоприемников с частотой, пропорциональной частоте вращения испытуемой электрической машины. Для этого на доступной части ротора наносят (или наклеивают) светоотражающие полосы. Фотоприемники изготовляют, как правило, на базе фоторезисторов, фотодиодов или фототранзисторов. Источники излучения применяют в основном тепловые или люминесцентные. Промышленность выпускает разнообразные ручные фотоэлектрические тахометры, обладающие высокой точностью и малыми габаритами.