Оптический сенсор параметров движения вала электродвигателя с.В. Чигвинцев, д. А. Альтеджани (маэ02-11-01)

(Уфимский государственный нефтяной технический университет, г.Уфа)

Для векторных систем управления частотно-регулируемым синхронным электроприводом магистральных насосов необходимы датчики таких параметров, как угол положения ротора θ и частота его вращения ω. Применение таких датчиков обеспечит работу синхронного электродвигателя в режиме вентильного. Новые вентильные электродвигатели, как правило, оснащены такими датчиками, а большой парк эксплуатируемых сегодня синхронных электродвигателей не имеют штатных датчиков параметров движения ротора (ДПДР). Кроме того, конструкция уже установленных синхронных электродвигателей серии СТД не предусматривает установку серийно выпускаемых датчиков.

Первое требование к ДПДР - возможность его установки на эксплуатируемые электродвигатели без изменения их конструкции и конструкции насосного агрегата.

Второе требование – отсутствие механического контакта чувствительного элемента датчика с валом.

Третье требование – нечувствительность к загрязнениям поверхности вала.

Четвертое требование – погрешность измерения положения вала и частоты его вращения – не более 3⁰. Абсолютная погрешность измерения положения вала вентильного электродвигателя в станках с числовым программным управлением с датчиками ВЕ-178А составляет от 0,144⁰ до 3,6⁰[1]. Поскольку насосный агрегат не относится к прецизионному оборудованию, то допустимой можно считать погрешность измерения положения вала электродвигателя в пределах 1-3⁰.

Наиболее полно изложенным требованиям отвечает датчик с матричным оптическим сенсором и цифровым сигнальным процессором, которые производятся фирмой Avago [2].Принцип действия такого датчика пояснен на рисунке 1

.

Рисунок 1 – Оптический сенсор параметров движения ротора

Оптический датчик работает следующим образом. Поверхность вала посредством системы линз облучается при помощи светоизлучающего (СИД) или лазерного (ЛД) диода. Отраженный от этой поверхности свет через собирающую линзу попадает на приемную оптическую матрицу микросхемы, которая делает последовательные снимки поверхности и передает их на обработку. В цифровом сигнальном процессоре каждый последующий снимок сравнивается с предыдущим, в результате чего определяется направление, величина перемещения вала и скорость вращения.

Основными показателями оптического сенсораявляются: частота кадров в секунду f_fps (fps – framepersecond), максимальная скорость перемещения v_ips (ips – inchespersecond) и разрешающая способностьΔn_cpi, выражающаяся в количестве отсчетов на дюйм (cpi – countsperinches). Эти показатели позволяют рассчитать точностные характеристики сенсора параметров движения ротора электродвигателя.

Разрешающая способность и погрешность датчика может быть определена через количество отсчетов на дюйм и частоту кадров. Синхронная частота вращения валаω₀ синхронного турбодвигателя серии СТД при частоте f=50 Гц составляет 50 об/с, или через угловые градусы в секунду

ω_0Г = 360f = 360*50 = 18000 ⁰/с.

Тогда разрешающая способность по углуΔθ для датчика ADNS-6000[2] Δθ = ω_0Г/f_fps = 18000/7080 = 2.54⁰.

Разрешающая способность оптического датчика через количество отсчетов на дюйм зависит от диаметра вала электродвигателяD.Диаметры валов турбодвигателей серии СТД мощностью от 630 до 12500 кВт составляют соответственно от 80 до 200 мм[3].Длина окружности вала в миллиметрах С_мм = πDпри этом будет в пределах 251 – 629 мм, а в дюймах С_i = 10″ – 25″. При этом количество отсчетов Nза один оборот вала можно определить по формуле N = Δn_cpiC_iи будет находиться в диапазоне от 3989 до 9973. Тогда разрешающая способность по углу через количество отсчетов Δθ_cpi = 360/N составит 0,090 – 0,036⁰.

Скорость перемещения поверхности вала v_i = fС_i/tи в зависимости от диаметра вала составит 498 – 1247 ″/c, что в 10 – 60 раз превышает максимальную скорость существующих датчиков (v_ips= 20 – 45 ″/c) [2].

Результаты вычислений показывают, что для реализации ДПДР на основе оптического сенсора потребует повышения их быстродействия, например за счет тактовой частоты.

Другой путь решения проблемы созданиедатчика в виде отдельной конструкции. Из соотношения v_ips>πdf диаметр вала dдля серийных оптических сенсоров Avagoне должен превышать 3,2 – 7,3 мм. Следует отметить невысокую стоимость оптических сенсоров и их доступность.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Преобразователи угловых перемещений [Электронный ресурс]. - Режим доступа: www.urma.com.ua.

2 Швечиков И. Оптические датчики. //Компоненты и технологии № 4, 2006 г.

3 Каталог электродвигателей [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.artr.ru/Motor/ArmaTrade_Motor_SinhVzr/ArmaTrade_Motor_SinhVzr_STD.htm.

УДК 681.568.5