Кунинин П.Н. Датчики. Материалы к курсовому и дипломному проектированию - файл n1.doc

Кунинин П.Н. Датчики. Материалы к курсовому и дипломному проектированию
скачать (670.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc671kb.23.11.2012 21:36скачать

n1.doc

  1   2   3   4   5


УДК 62-83:681.51:382.3

Датчики. Материалы к курсовому и дипломному проектированию. / Сост.: П.Н. Кунинин: СибГИУ;. - Новокузнецк, 2005.- 42с.
Приведены сведения об основных датчиках, применяемых в микроконтроллерных и микропроцессорных системах управления электрическими двигателями.

Предназначено для студентов специальностей "Промышленная электроника" (210106) и "Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов" (149604).
Рецензент - зав. кафедрой электротехники и электрооборудования Сибирского государственного индустриального университета к.т.н., доцент М.В. Кипервассер


Печатается по решению редакционно-издательского совета университета.


Цель работы


В работе дано краткое описание принципа действия и данные современных датчиков для измерения тока, напряжения, перемещения и скорости вращения. Рассматриваются следующие группы датчиков:

- датчики тока и напряжения прямого усиления, основанные на эффекте Холла,

- компенсационные датчики тока и напряжения, основанные на эффекте Холла,

- компенсационные датчики тока и напряжения, типа С;

- фотоимпульсные датчики скорости вращения и положения.

Датчики тока и напряжения, в наименовании которых присутствует индекс SP, предназначены для применения в системах контроля и управления приводами электропоездов, железнодорожных локомотивов, вагонов метро, трамваев, троллейбусов, в силовых агрегатах ветроэнергетических установок, миниГЭС и т.д., поскольку приспособлены к жестким условиям эксплуатации по температурному и механическому воздействию.

В таблице 1 приведены основные справочные сведения по датчикам тока, а в таблице 2 по датчикам напряжения системы LEM. Таблицы 1 и 2 предназначены для предварительного выбора типа датчика. Затем данные уточняются по более детальным таблицам. Оптимизация настройки датчиков осуществляется по их паспортным данным.


1. Эффект холла



Эффект Холла был обнаружен в 1879 году американским физиком Э. Г. Холлом. На основании эффекта Холла создан элемент Холла, который представляет собой полупроводниковый тонкопленочный четырехполюсник, изображенный на рисунке 1.



Рисунок 1. Элемент Холла

Элемент Холла обладает следующим свойством: если через одну пару полюсов пропустить ток Iс, а элемент поместить в магнитное поле с индукцией В, то на второй паре полюсов появится напряжение [1,2]:

Uн = (K/d)*Iс*B*sin ?, (1)

где К - константа Холла для полупроводника, из которого изготовлена пластина,

d - толщина пластины, составляющая доли миллиметра,

? – угол между вектором индукции B и вектором тока Ic.

Из соотношения (1) следует, что напряжение Uн на выходе элемента Холла пропорционально произведению вектора тока Iс на вектор индукции B магнитного поля и sin ?. Это дает возможность на основе элемента Холла строить датчики различного назначения.

2. Датчики тока прямого усиления на основе элемента Холла



Датчики тока на основе элемента Холла могут измерять постоянный, переменный и произвольной формы ток, обеспечивая при этом гальваническую развязку силовой цепи от цепей контроля. Эти датчики подразделяются на датчики тока с прямым усилением и компенсационные. Компенсационные датчики имеют улучшенные характеристики по сравнению с датчиками прямого усиления, но стоят дороже.

Функциональная схема датчика тока прямого усиления приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. Датчик тока прямого усиления на элементе Холла:

ДТ-датчик тока, ИП - двухполярный источник напряжения питания датчика, +U– выводы положительной и -U – отрицательной полярности, 0U – общая точка источника питания, Ic – источник тока
Основу датчика тока ДТ прямого усиления составляет магнитопровод М из магнитномягкого материала, в воздушном зазоре которого размещается элемент Холла X, причем, конструктивно (рисунок 1) ?=90°. На магнитопроводе М размещена первичная обмотка Lт, соединенная с шиной Ш, по которой протекает измеряемый ток Iвх. В общем случае первичная обмотка Lт содержит несколько витков, но шина может непосредственно проходит через отверстие в магнитопроводе и в этом случае первичная обмотка Lт состоит из одного витка.

При протекании тока Iвх по первичной обмотке Lт в магнитопроводе М наводится магнитная индукция B. Элемент Холла реагирует на возникшее магнитное поле и вырабатывает напряжение Uн, пропорциональное произведению тока Iс на величину наведенной магнитной индукции. B в соответствии с уравнением (1):

Uн = (K/d)*Iс*B*Sin(?)= (K/d)*Iс*B, (2)

поскольку sin ?=sin90°=1. В пределах линейной области цикла гистерезиса (рисунок 3) магнитная индукция пропорциональна Iя, то-есть B=a*Iя, где a-константа. Подставляя B в уравнение (2) в соответствии с рисунком 2 получим:

Uдт = (K/d)*Iс*a*Iвх*Ку, (3)

где Ку – коэффициент передачи электронного усилителя мощности А.

Если ток Ic формировать с помощью стабилизированного источника тока, то все величины уравнения (3), за исключением Iвх, будут константами, поэтому соотношение (3) можно переписать в виде:

Uдт = b*Iвх, (4)

где b=(K/d)*Iс*a*Ку=const.

Рисунок 3. Кривая намагничивания сердечника М

2.1. Выбор датчиков тока прямого усиления



Датчики тока прямого усиления позволяют измерять постоянный и переменный ток, токи других форм от нескольких ампер до нескольких сотен ампер (таблица 3) с общей точностью в несколько процентов от номинального значения входного тока Iвхн, обеспечивая гальваническую изоляцию измерительных цепей от силовых. По отношению к другим датчикам эти датчики отличаются низкой потребляемой мощностью и меньшими геометрическими размерами, а также относительно небольшим весом, в особенности для диапазона больших токов, обеспечивают отсутствие внутренних потерь в измеряемой цепи и устойчивы к перегрузкам. Датчики прямого усиления сравнительно недороги и в основном применяются в промышленности для управления системами с точность порядка 1-5%.

Диапазон преобразования тока определяется линейной областью кривой намагничивания магнитной цепи (рисунок 3). Допустимый измеряемый диапазон в зависимости от типа датчика составляет от 1.5 до 3 величин номинального тока Iвхн. Выходное напряжение датчика Uдт прямо пропорционально измеряемому току Iвх.

Данные датчиков тока прямого усиления LEM приведены в таблице 3. Выбор датчика осуществляется по эффективному номинальному току Iвхн в измеряемой цепи, который не должен превышать Iвхн Аэф датчика. Кроме того, проверяют, чтобы максимальная амплитуда значения тока нагрузки не превышала максимального значения диапазона преобразования датчика, включая и в переходных режимах. При переменном напряжении датчик выбирают по эффективному току и выполняют проверку на максимальную амплитуду. Она не должна превышать допустимый диапазон измерения датчика.

Пример 1. Требуется выбрать датчик для измерения тока двигателя постоянного тока. Номинальный ток двигателя Iн=12А. Условия эксплуатации тяжелые. Кратность пускового тока Iп=4*Iн.

Из таблицы 3 выбираем датчик тока для тяжелых условий эксплуатации HX15P/SP2 на Iвхн=15А. Пусковой ток двигателя Iп=4*12=48А. Допустимый ток датчика Iмах=3*Iн=3*15=45А. Поскольку Iп>Iмах, условия выбора не выполняются. Следует выбрать датчик следующего типономинала HX 20P/SP2 на ток 20А.

Для нормальных условий эксплуатации при тех же остальных условиях следует выбрать датчик HX 20P.

  1   2   3   4   5


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации