Черно О.О. Методические указания к лабораторным работам по дисциплине Элементы и устройства автоматики и систем управления

Подождите немного. Документ загружается.

Лабораторная работа №2

Вращающиеся трансформаторы

Цель работы: определение статической характеристики синусно-

косинусного вращающегося трансформатора.

Краткие теоретические сведения

Вращающиеся трансформаторы используются как датчики угловых

перемещений. Принцип действия основан на следующем физическом явлении:

если повернуть вторичную обмотку в пространстве на угол α, то напряжение



cos

U 

, где w2, w1 – количество витков первичной и вторичной

обмоток. Вращающийся трансформатор – это электрическая машина

переменного тока с 2 перпендикулярными обмотками на статоре и 2

перпендикулярными обмотками на роторе.

В зависимости от схемы соединения обмоток различают синусно-

косинусные и линейные вращающиеся трансформаторы.

В синусно-косинусных вращающихся трансформаторах на обмотку

возбуждения подается переменное напряжение возбуждения, в результате чего

вдоль её оси возникает пульсирующий магнитный поток Ф

. При повороте

ротора на угол α потоки, пронизывающие синусную и косинусную обмотку,

определяются следующим выражением:



sin

âs

ÔÔ

;



sin

âc

ÔÔ

; эти потоки

наводят в разомкнутых обмотках ротора ЭДС взаимоиндукции



sin

âs

UkE

;



cos

âc

UkE

, где k – коэффициент трансформации.

Лабораторный стенд включает в себя синусно-косинусный вращающийся

трансформатор, фазочуствительный выпрямитель, вольтметр, источник питания

(рис.1).

Ход работы:

1. Собрать схему синусно-косинусного вращающегося трансформатора.

2. На вход датчика подать переменное напряжение U.

3. К выводу схемы подключить вольтметр.

4. Изменяя угол поворота движка, фиксировать напряжение U

изм

5. Результаты эксперимента занести в таблицу.

6. Произвести расчеты в соответствии с приведенными ниже формулами.

7. По полученным данным построить график статической характеристики

датчика.

табл. 1 (синусная обмотка)

α, град

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170

изм

, мВ

-9.1 -0.4 7 14.6 21.8 28 34 38 41 43.2 44.1 43.2 41.9 38.8 34.3 29.4 22.8 16.1

, В

-4.2 -0.2 3.2 6.7 10.1 13 15.7 17.6 19 20 20.4 20 19.4 18 16 13.6 10.6 7.5

α, град

180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350

изм

, мВ

8.3 0.5 -6.3 -13.7 -21.6 -27.7 -33 -37.8 -41.4 -43.3 -44 -43.4 -42 -39.2 -34.8 -29.7 -23.2 -17

, В

3.8 0.2 -2.9 -6.3 -10 -12.8 -15.3 -17.5 -19.2 -20 -20.4 -20.1 -19.4 -18.1 -16.1 -13.7 -10.7 -7.9

табл. 2 (косинусная обмотка)

α, град

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170

изм

, мВ

-42.7 -44 -43.2 -41.7 -38.3 -33.8 -28.6 -22.2 -15 -8.1 0.2 6.7 14.2 20.8 27 32.3 37.4 40.5

, В

-19.8 -20.4 -20 -19.3 -17.7 -15.6 -13.2 -10.3 -6.9 -3.7 0.1 3.1 6.6 9.6 12.5 14.9 17.3 18.7

α, град

180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350

изм

, мВ

41.2 43.2 42.8 40.8 37.4 33.5 28.6 22.5 15.4 8.6 0.4 -6.7 -14 -20.6 -27.2 -32.5 -37 -40.8

, В

19.1 20 19.8 18.9 17.3 15.5 13.2 10.4 7.1 4 0.2 -3.1 -6.5 -9.5 -12.6 -15 -17.1 -18.9

Текущие показания для синусной и косинусной обмоток были

рассчитаны по следующим формулам:

ñõåìû

èçì

U 

;

ñõåìû

èçì

U 

; K

схемы



1016.2





3935.20

16.22

1.88

1.4444

max













ñõåìû

В;

1852.20

16.22

2.87

2.4344

max













ñõåìû

В.

Коэффициент трансформации для синусной обмотки:

566.0

3935.20

max



âîçá

Запишем функцию U

(α):

)sin()(





âss

UKU

;

)11sin(3935.20)(





В.

Коэффициент трансформации для косинусной обмотки:

561.0

1852.20

max



âîçá

Запишем функцию U

(α):

)cos()(





âcc

UKU

;

)11cos(1852.20)(





В.

Вывод. В результате выполнения лабораторной работы был исследован

синусно-косинусный вращающийся трансформатор, построена статическая

характеристика датчика. Полученные данные занесены в табл. 1, 2. В

результате расчета были получены следующие основные характеристики

данного вида датчиков: коэффициент трансформации для синусной

обмотки:

566.0

; коэффициент трансформации для косинусной

обмотки:

561.0

3935.20

max



;

1852.20

max



;

α = 11

Лабораторная работа №3

Сельсины

Цель работы: экспериментальное исследование работы сельсинов в

индикаторном и трансформаторном режиме.

Краткие теоретические сведения

Сельсинами называют электрические индукционные микромашины

переменного тока, обладающие способностью самосинхронизации и

применяемые в синхронных системах дистанционной передачи угла в качестве

датчиков и приемников. При этом между датчиком и приемником существует

только электрическое соединение в виде линии связи.

Различают трехфазные и однофазные сельсины. Трехфазные сельсины

применяются в системах, где необходимо строгосинхронное и синфазное

вращение 2 двигателей, при этом каждый сельсин работает и как датчик и как

приемник. Однофазные сельсины могут работать в 2 основных режимах:

индикаторном и трансформаторном. В индикаторном режиме датчик

поворачивается принудительно, а приемник устанавливается в согласованное с

датчиком положение под действием собственного синхронизирующего момента.

В трансформаторном режиме датчик поворачивается принудительно, а

приемник вырабатывает напряжение, являющееся функцией рассогласования

между датчиком и приемником.

По конструктивному исполнению однофазные сельсины подразделяются на

контактные и бесконтактные. И те и другие имеют однофазную обмотку

возбуждения и 3-фазную обмотку синхронизации.

Лабораторный стенд включает в себя сельсинную пару, работающую в

линейном или трансформаторном режиме, фазочуствительный выпрямитель,

вольтметр, источник питания (рис.1).

Индикаторный режим

Ход работы:

1. Собрать схему сельсинной пары.

2. На вход датчика подать переменное напряжение U.

3. Изменяя угол поворота движка СД, фиксировать угол поворота СП.

4. Результаты эксперимента занести в таблицу.

5. Произвести расчет абсолютной погрешности датчика.

6. По полученным данным построить график зависимости α

СП

(α

СД

табл. 1 (индикаторный режим)

СД

, град

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340

СП

, град

0 20 40 60 80 102 122 146 166 184 205 225 246 267 287 305 324 342

Δ, град

0 0 0 0 0 2 2 6 6 4 5 5 6 7 7 5 4 2

= α

СПi

- α

СДi

; максимальная погрешность в индикаторном режиме

работы составила Δ

max

= 7°при α

СД

= 260-280°.

Трансформаторный режим

Ход работы:

1. Подключить однофазную обмотку СД на вход ФЧВ.

2. С помощью электромагнитного тормоза фиксировать вал СП при α

СП

3. Изменяя угол рассогласования путем поворота датчика, фиксировать

значение U

вых изм

ФЧВ.

4. Результаты эксперимента занести в таблицу.

5. Произвести расчет U

вых

по приведенным ниже формулам.

6. По полученным данным построить график зависимости U

вых

(ε).

табл. 2 (трансформаторный режим)

ε, град 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360

изм

, мВ -1.4 5.8 12.1 17 20.2 20.9 18.8 14.4 8.6 1.6 -5.5 -12 -17.1 -20.6 -21.3 -18.9 -14.4 -8.4 -1.3

вых

, В -0.65 2.68 5.6 7.87 9.35 9.68 8.7 6.67 3.98 0.74 -2.55 -5.55 -7.92 -9.54 -9.86 -8.75 -6.67 -3.89 -0.6

Выходное напряжение рассчитывается по формуле U

вых i

= U

изм i

/ k

схемы

, где

схемы

1016.2





вых

(ε) = U

вых max

sin(ε) = 9.86 sin(ε) В.

Вывод. При выполнении работы была исследована работа сельсинной пары в

индикаторном и трансформаторном режиме, рассчитаны зависимости и

построены графики α

СП

(α

СД

), U

вых

(ε). Максимальная абсолютная погрешность

в индикаторном режиме составила Δ

max

= 7°, обусловленная вращающимся

моментом, вызванным несбалансированностью диска со шкалой и силой

трения. Максимальное значение выходного напряжения в трансформаторном

режиме составила U

вых max

= 9.86 В

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №4

ДОСЛІДЖЕННЯ ДАТЧИКА ХОЛА В СИСТЕМІ

БЕЗКОНТАКТНОГО ВИМІРУ СТРУМУ

Мета роботи: вивчити конструкцію та принцип дії пристрою безконтактного

виміру сили струму на основі датчика Хола. Визначити статичну характеристику

датчика.

Теоретичні відомості

Принцип дії датчика Хола заснований на ефекті відхилення електронів, що

рухаються у магнітному полі (рис.1). При живленні датчика від джерела

стабілізованого струму напруга на його виході визначається миттєвим значенням

проекції вектора магнітної індукції на нормаль до площини датчика:

)()(

tBIkUtU

näæçñâèõ



(3.1)

де

- постійний коефіцієнт;

äæ

- струм джерела;

çñ

- напруга зсуву нуля.

Рис.1. Схема підключення та принцип дії датчика Хола

Для безконтактного виміру струму в силовому колі датчик Хола поміщають у

розріз феритового кільця, що охоплює струмоведучий провід (рис.2).

Рис.2. Пристрій безконтактного вимірення струму за допомогою датчика Хола:

1 - струмоведучий провід; 2 - феритове кільце; 3 - датчик Хола.

Миттєве значення магнітної індукції в повітряному зазорі визначається наступним

виразом:

)()(







(3.2)

де



104







Гн/м - магнітна проникність повітря; W- число витків силового

проводу, що проходять крізь феритове кільце;



- величина повітряного зазору; і -

миттєве значення струму. З огляду нате, що площина датчика розташована

перпендикулярно вектору магнітної індукції, підставляємо (3.2) в (3.1):

)()(

IkUtU

äæçñâèõ







(3.3)

Таким чином, датчик Хола дає можливість безконтактним способом визначати

миттєві значення струму в силовому колі.

Опис лабораторного стенду

Принципова електрична схема лабораторного стенду наведена на рис.3. Як

споживач електроенергії використовується нагрівальний елемент R5. Регулювання

потужності нагрівання здійснюється в такий спосіб. Поворотом ручки змінного

резистора R3, розташованого на лицьовій панелі стенда, задається необхідний рівень

подаваної на нагрівальний елемент середньої напруги, що у вигляді сигналу надходить

на аналоговий вхід мікроконтролера ATtini13 [2]. У результаті програмної обробки

даний сигнал виводиться на цифровий вихід мікроконтролера у вигляді широтно-

імпульсної модуляції, і потім подається на затвор польового транзистора IRL2505 [4],

який, працюючи в ключовому режимі, комутує коло нагрівача. Струм силового кола

контролюється за допомогою включеного послідовно з нагрівачем шунта R4 і

поміщеного в розріз феритового кільця (рис. 3.2) датчика Хола HW300A [3]. Датчик

Хола живиться від джерела стабілізованого струму, побудованого на базі інтегрального

стабілізатора напруги LM317L [5]. Контроль температури нагрівача здійснюється за

допомогою напівпровідникового термодатчика LM335, установленого на робочій

поверхні нагрівача.

На лицьову панель стенда виводяться 4 сигнали: напруга на нагрівальному елементі

(вихід 1), спадання напруги на шунті (вихід 2), напруга на виході датчика Хола (вихід 3)

і напруга на виході датчика температури (вихід 4).

Рис.3. Принципова електрична схема лабораторного стенду

Порядок виконання роботи

1. Включенням тумблера "мережа" на лицьовій панелі подати на стенд живлення.

2. Повернути ручку змінного резистора R3 у середнє положення.

3. За допомогою осцилографа перевірити наявність прямокутних імпульсів на шунті та

виході датчика Хола.

4. Повернути ручку змінного резистора R3 у крайнє ліве положення, що відповідає

нульовому рівню напруги.

5. Підключивши до виходу датчика Хола вольтметр постійного струму, зафіксувати

напругу зсуву нуля.

6. Установивши ручку змінного резистора R3 у положення, що відповідає 10%,

зафіксувати значення середньої напруги на шунті та на виході датчика Хола.

Зробити аналогічні виміри для інших значень середньої напруги із кроком 10%.

Результати звести в таблицю 1.

Таблиця.1.

сер

, % 0 10 20 30 40 50 60 70 80

ш сер

, мВ 0 1.6 4.0 6.2 8.8 11.2 14.9 18.3 22.1

д.х. сер

, мВ 10.3 12.3 15.4 18.1 21.4 24.7 29.1 33.2 37.0

сер

, А 0 0.213 0.533 0.827 1.173 1.493 1.987 2.44 2.947

Обробка результатів експерименту

1. Для кожного значення середньої напруги на шунті за допомогою закону Ома

визначити відповідні значення середнього струму І

сер

;

øñåð

ñåð



, R

= 7.5 мОм.

2. Побудувати експериментальну статичну характеристику U

д.х.сер

сер

Згідно з методом найменших квадратів, коефіцієнт нахилу апроксимованої прямої,

що проходить через початок координат, визначається за формулою:

31.9

2049.23

0309.216

)(











ñåð

ñåðçìñåðõä

iii

IUU

мВ/А, де U

зм

= 10.3 мВ

д.х.

(I)= U

зм

+ K

I мВ = 10.3 + 9.31*I мВ.

3. У тій же системі координат побудувати аналогічну теоретичну характеристику,

розраховану за формулою





IkUIU

BUòåîðçñòåîðõä

...

)( 

, де

òåîðçñ

= 8 мВ; k

= 10.5 В/Тл,



104







Гн/м,

W = 3,



= 4 мОм;

IIIU

òåîðõä











896.98

104

3104

5.10108)(



мВ, де K





= 9.896

мВ.

4. За експериментальною статичною характеристикою визначити коефіцієнт передачі

датчика за струмом та порівняти отримане значення з теоретичним, визначити

відносні похибки.

100





òåîð

ïðàêòòåîð



% =

100

896.9

31.9896.9





% = 5.92 %

100





òåîð

òåîðïðàêò

çì

çìçì



% =

100

83.10





% = 28.75 %.

Висновок. В результаті виконання роботи був досліджений датчик Хола в системі

безконтактного виміру струму, побудована статична характеристика датчика. Отримані

дані занесені в табл. 1. Коефіцієнт передачі датчика за струмом K

= 9.896 мВ/А, відносна

похибка коефіцієнта передачі



= 5.92 %, відносна похибка напруги зміщення



=28.75 %. Однією з основних переваг датчика Хола є те, що він дозволяє вимірювати

миттєві значення струму, а значить його робота не залежить від роду струму