Аналіз характеристик індуктивних перетворювачів в приладах для вимірювання обертальних моментів

Размещено на http://allbest.ru

АНАЛІЗ ХАРАКТЕРИСТИК ІНДУКТИВНИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ В ПРИЛАДАХ ДЛЯ ВИМІРЮВАННЯ ОБЕРТАЛЬНИХ МОМЕНТІВ

Тамара Олешко

доктор технічних наук, професор, професор кафедри бізнес-аналітики та цифрової економіки, НАУ

Дмитро Квашук

кандидат економічних наук, доцент, докторант кафедри комп'ютеризованих електротехнічних систем та технологій, НАУ

Катерина Троцюк

студентка кафедри бізнес-аналітики та цифрової економіки, НАУ

Анотація. У статті проведено аналіз вимірювальних засобів, які працюють на базі індуктивних перетворювачів. Досліджено переваги та недоліки таких засобів. Проведено аналіз моделей перетворення, які використовуються в індуктивних сенсорах. Розглянуто особливості застосування приладів для вимірювання обертальних моментів та їх характеристики.

вимірювальні засоби індуктивний перетворювач електрогенератор

Tamara Oleshko

Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of the Department of Business Analytics and Digital Economics of NAU

Dmytro Kvashuk

PhD in Economic, Associate Professor, Doctoral Student of the Department of Computerized Electrical Systems and Technologies of NAU

Kateryna Trotsyuk

Student of the Department of Business Analytics and Digital Economics of NAU

ANALYSIS OF THE CHARACTERISTICS OF INDUCTIVE TRANSDUCERS IN DEVICES FOR MEASURING TORQUES

Abstract. The article analyzes the measuring instruments that work on the basis of inductive transducers. The advantages and disadvantages of such tools have been studied. The analysis of transformation models used in inductive sensors is carried out. Features of application of devices for measurement of torques and their characteristics are considered.

Based on the existing methods of torque measurement and software, an automated system for measuring the torque of grid-type wind turbines is proposed.

Keywords: inductive converters, torque, measuring system, electric machines.

Постановка проблеми. Вимірювання обертальних моментів електричних машин ускладнюється рядом дестабілізуючих факторів, що потребує застосування інтелектуальних засобів для визначення відхилень та їх прогнозування. Разом з тим, висока вартість та вразливість до електромагнітних перешкод вимірювальних засобів спрямовує інженерів до застосування саме індуктивних сенсорів, які у порівняні з багатьма іншими, мають стійкість до таких впливів.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. На сьогоднішній день значну популярність набули сучасні системи вимірювання обертального моменту на базі індуктивних сенсорів. Це обумовлено значною захищеністю від електромагнітних перешкод, простотою виконання, дешевизною та швидкодією [1]. Вони широко застосовуються в автомобільному, залізничному, авіаційному та судновому транспорті, а також у металургійній промисловості.

Разом з тим, їх використання в складних метрологічних умовах, а також у агресивних середовищах потребує особливих підходів до контролю та подальшої експлуатації. Для вирішення таких проблем, існують різні інтелектуальні підходи. Так, завдяки інтелектуальним інформаційним e-технологіям, існує можливість збільшувати швидкодію вимірювальних пристроїв, стежити за їх роботою, поводити вчасну калібровку, що значною мірою підвищує комунікабельність автоматичних вимірювальних систем.

Існує ряд розроблених стандартів, наприклад IEEE 1451 для інтерфейсів інтелектуальних датчиків, які описують набір відкритих, загальних, незалежних від мережі комунікаційних інтерфейсів для підключення перетворювачів [2]. Відповідні стандарти інтегровані в сам пристрій у вигляді окремого модулю пам'яті, що дозволяє зберігати дані про ідентифікацію, калібрування, корекцію та інформацію про виробника. Так, завдяки даним стандартам існує можливість надання доступу до даних перетворювача через загальний набір інтерфейсів, незалежно від того, підключені вони до систем або мереж за допомогою дротових або бездротових засобів. Відповідні автоматизовані системи особливо необхідні в таких сферах, як, металургія, судноплавство, авіація та вітрова енергетика.

Остання, в умовах енергетичних криз та воєнних подій є найбільш актуальною. Це обумовлено потребою кількісних оцінок використання сили вітру. Проте не завжди вдається визначити наскільки точним є такі вимірювання з урахуванням дестабілізуючих факторів, таких як вібрація, температура та багато інших. Тому, для вирішення проблем невизначеності існує потреба у вдосконаленні вимірювальних засобів шляхом інтелектуальної обробки отриманих даних.

Індуктивні перетворювачі включають в себе котушку індуктивності, параметрами якої змінюються при механічному переміщенні елементів магнітопроводу. Повний опір будь-якої котушки індуктивності складається з активного та індуктивного опорів і може бути визначений за формулою [3]:

де: R - активний опір; f - частота; L - індуктивність.

Якщо датчик має незамкнений магнітопровід, то будь-яке переміщення елементів магнітопроводу викликає зміну параметрів магнітного та електричного ланцюгів, що, у свою чергу, викликає зміну вихідної величини - електричного струму чи напруги.

На рис. 1 зображено індуктивний перетворювач з індуктивністю, що змінюється, під впливом навантаження L, яке підключене до напруги живлення V.

Рис.1 Підключення індуктивного датчика

де: магнітопровід (1) - призначений передачі електромагнітного поля від генератора; котушка індуктивності (2) - створює змінне електромагнітне поле при протіканні електричного струму по витках; об'єкт вимірювання (3) - металевий якір, що вводиться, або переміщується в області чутливості; зазор між об'єктом вимірювання та основним магнітопроводом (4) - забезпечує міру взаємодії як магнітний діелектрик, залежно від моделі датчика і способу переміщення може залишатися незмінним, або коливатися в заданому діапазоні; генератор (5) -- призначений для генерації електричної напруги заданої частоти, яка створюватиме змінне магнітне поле в заданій області.

Індуктивність котушки з обмоткою визначається за формулою:

де: w - число витків котушки; Ф - магнітний потік, що пронизує котушку;

L - Струм, що проходить по котушці.

У свою чергу струм, що проходить по котушці, можна виразити як:

де: HI - магнітно-рушійна сила котушки

Під час вимірювання обертального моменту, саме переміщення феромагнітного стержня індуктивного датчика, у зв'язку із пружністю торсіонного валу створює лінійну залежність між навантаженням на вал та вихідною напругою, яка підсилюється для збільшення точності вихідних параметрів. (Рис. 2)

Рис. 2 Схема роботи індуктивного перетворювача обертального моменту, [4] де: 2 - диференціальна індуктивна вимірювальна система; 3 - вхідний трансформатор для безконтактної подачі живлення; 4 - вихідний трансформатор для безконтактного знімання сигналу

Отриманий сигнал в результаті зміни індуктивності підсилюється для подальшої обробки, наприклад із застосуванням схеми на операційних підсилювачах [5] (рис. 3)

Рис. 3 Електрична схема вимірювального каналу приладу індукційного типу на операційних підсилювачах для вимірювання обертального моменту

Диференціальний коефіцієнт підсилення можна виразити наступним виразом:

де: k_p - коефіцієнт підсилення операційного підсилювача.

Разом з тим, для вирішення проблеми впливу температурного фактору слід визначити градуювання системи вимірювання з урахуванням не лінійності, яка обумовлена зміною пружності обертального валу під дією температури.

Так, враховуючи лінійну залежність між пружністю валу та зміною вихідної напруги перетворювача, без урахування температурного фактору модель, такого перетворення при поступальному збільшенні навантаження на вал буде мати наступний вигляд (рис. 3).

Рис. 3 Часові характеристики залежності обертального моменту та вихідної напруги. Побудовано з використанням Matplotlib на основі джерела, [6]

Мета статті: Повести аналіз вимірювальних засобів на базі індуктивних перетворювачів. Розглянути переваги та недоліки таких засобів. Дослідити моделі перетворення, які використовуються в індуктивних сенсорах. Розробити концепцію автоматизованої системи вимірювання обертальних моментів вітрових турбін мережевого типу.

Виклад основного матеріалу. Передавальну функцію електричних машин постійного струму по керуючому впливу, з урахуванням перетворень, можна записати наступним чином:

Величину початкового пускового моменту можна отримати із формули 5, яка може бути інтегрована у вимірювальну систему [6]:

Де: Ri,2 - активний опір обмотки; x₁₂ - індуктивний опір; 6У₁- початкова

швидкість обертання; U₁ - напруга; m₁ - початковий пусковий момент. По мірі розгону ротора, ковзання зменшується і тому в кінці пуску струм значно зменшується, ніж у початковий момент пуску. В серійних електродвигунах, при прямому пуску кратність пускового струму до семи разів перевищує номінальний причому більше значення відноситься до двигунів більшої потужності.

Так, з урахуванням (4) та (5), перехідна характеристика для індуктивних сенсорів, які можуть бути використані під час вимірювання обертального моменту має наступний вигляд (рис. 4).

Рис. 5 Структурна схема передатної функції індуктивного сенсору

Для моделювання вимірювальної системи з урахуванням зазначених перехідних характеристик, було розроблено програмний код, який моделює роботу вітрових турбін вітроелектростанції.

В результаті тестування зазначеного додатку, вхідним параметром якого, було навантаження на вал електрогенераторів в рамках 1-50 Нм, отримано наступний результат для п'яти електрогенераторів (рис. 6).

Рис. 6 Результат моделювання вимірювальної системи на базі індуктивних сенсорів.

Побудовано з використанням Matplotlib

Висновки. Застосування індуктивних сенсорів в приладах для вимірювання обертальних моментів електричних машин має переваги не лише в точності та чуттєвості, але й економічні переваги, через низьку вартість сенсорів та простоту в експлуатації. Створення на основі таких сенсорів вимірювальних систем може бути реалізовано на базі операційних підсилювачів, що дозволить отримати вихідний сигнал високої точності у вигляді напруги.

Побудова моделі вимірювальної системи з використанням формул (4) та (5), дозволила отримати лінійну залежність між навантаженням на вал електрогенератора, зміною індуктивності сенсора та вихідним сигналом вимірювального перетворювача.

Література:

1. Раянов Т.А. Обзор новых типов датчиков крутящего момента / Т.А. Раянов // Транспортные системы и технологии. 2020. № 1. C. 5-14.

2. Da Rocha, Helbert, Reza Abrishambaf, Joao Pereira, and Antonio Espirito Santo. 2022. "Integrating the IEEE 1451 and IEC 61499 Standards with the Industrial Internet Reference Architecture" Sensors 22, no. 4: 1495. https://doi.org/10.3390/s22041495

3. Жадобин Н.Е. Магнитоупругие преобразователи в судовой автоматике. Л.: Судостроение, 1985, 36 с.

4. Профос П. (ред.) Измерения в промышленности. Справочник. Кн. 2. Способы измерения и аппаратура Пер. с нем. под ред. проф. Агейкина Д.И. -- 2-е изд., перераб. И доп. -- М .: Металлургия, 1990. -- 384 с.

5. Войтенко В. А. Метод измерения индуктивности обмотки статора явнополюсного синхронного двигателя по продольной и поперечной осям обмотки возбуждения. Электротехнические и компьютерные системы. 2012. № 6. С. 121-124.

6. Jian L. N., Chau K. T., Zhang D., Jiang J. Z. and Wang Z. A Magnetic-Geared OuterRotor Permanent-Magnet Brushless Machine for Wind. Power Generation. Proceedings of 2007 IEEE Industry Applications Annual Meeting, New Orleans, LA, 2007, pp. 573-580.

Размещено на Allbest.ru