18. Датчики угла розузгодження: сельсини, поворотні трансформатори.

Сельсины

Принцип действия, классификация, устройство. Сельсина­ми называются электрические машины переменного тока, облада­ющие способностью к самосинхронизации. Сельсины имеют две обмотки: возбуждения и синхронизации.

В зависимости от количества фаз обмотки возбуждения разли­чают сельсины трех- и однофазные. В судовых автоматических системах контроля и регулирования нашли применение однофазные сельсины.

Обмотка синхронизации выполняется по типу трехфазных обмоток, фазы которых сдвинуты в пространстве на 120° относительно друг друга и соединены между собой в звезду. Разомкнутые точки фаз обмотки будут называться началами, а замкнутые — концами обмотки.

Однофазные сельсины по конструкции подразделяют на кон­тактные и бесконтактные.

У контактных сельсинов обмотка возбуждения (ОВ) выпол­няется сосредоточенной и располагается на полюсах статора (рис. 12.1, а) или ротора (рис. 18.1 б)

Обмотка синхрони­зации (ОС) контактного сельсина выполняется распределенной и, в зависимости от располо­жения обмотки возбуж­дения, размещается на роторе или статоре.

Рис.18.1. Контактные сельсины: а- с обмоткой возбуждения на статоре; б – с обмоткой возбуждения на роторе.

Бесконтактный сельсин имеет также две обмотки: возбужде­ния и синхронизации. На рис. 18.2 показана магнитная цепь бескон­тактного сельсина. Трехфазная обмотка синхронизации 6 расположена в пазах ста­тора 4. Однофазная обмотка возбуждения состоит из двух кольце­образных катушек 2, охватывающих ротор 5. Катушки расположе­ны между статором 4 и кольцевыми сердечниками 1, к которым примыкают стержни внешнего магнитопровода 3. Катушки 2 сое­диняются между собой последовательно. Статор 4, кольцевые сер­дечники и стержни внешнего магнитопровода набираются из листовой электротехнической стали. Ротор 5 состоит из двух пакетов, набранных из листовой электротехнической стали и разделенных между собой немагнитным промежутком.

Рис 18.2. Бесконтактный сельсин.

Режимы работы. В автоматических системах сельсины обыч­но используются в паре: сельсин-датчик (СД) и сельсин-приемник (СП). Различают два основных режима работы сельсинов: индика­торный и трансформаторный. Для обоих режимов применяют сле­дующие схемы включения: парную (СД—СП) и многократную (СД—несколько СП).

Однофазные сельсины в обоих режимах работы могут исполь­зоваться как в качестве СД, так и в качестве СПР; однако с учетом специфических требований выпускаемые сельсины предназнача­ются для работы в качестве только одного из вариантов.

В судовых автоматических системах регулирования иногда встречается и одиночный режим работы.

Индикаторный режим. Этот режим работы сельсинов исполь­зуется для дистанционной передачи угловых перемещений при незначительной величине момента сопротивления. В судовых ав­томатических системах контроля индикаторный режим применя­ется в машинных телеграфах, указателях положения пера руля, указателях направления вращения и нагрузки главных судовых дизелей, репитерах гирокомпаса. На рис. 18.3. показана простейшая схема включения сельсинов в индикаторном режиме.

Схема состоит из двух одина­ковых сельсинов (приемника и датчика) и линии связи. Обмот­ки возбуждения приемника и датчика подключены к сети пе­ременного тока, а обмотки синхронизации соединены между собой линией связи.

При протекании переменного тока в обмотках возбуждения СД и СП в них создается переменный магнитный поток Фв. который наводит ЭДС взаимоиндукции в обмотках синхронизации сельси­нов. При равенстве углов поворота роторов СД (άд) и СП (άн) ЭДС в их обмотках синхронизации уравновешивают одна другую, и токи в линиях связи не протекают.

При наличии рассогласования роторов СД и СП (ά д ≠ ά п) в пиниях связи возникают уравнительные токи. Эти токи проходят по фазам обмоток синхронизации сельсинов и создают результи­рующие магнитодвижущие силы (МДС) и, следовательно, магнит­ные потоки. Взаимодействуя с потоками обмоток возбуждения, эти магнитные потоки вызывают появление вращающихся момен­тов, называемых синхронизирующими. Синхронизирующие мо­менты в СД и СП направлены в разные стороны, что связано с раз­личными направлениями уравнительных токов в одноименных фазах СД и СП. Если в фазе обмотки синхронизации СД ток проте­кает от начала к концу, то в тот же момент времени в фазе СП — от конца к началу.

Рис. 18.3. Схема включения однофазных сельсинов в индикаторном режиме.

Синхронизирующий момент СД стремится повернуть ротор СД п исходное положение, а синхронизирующий момент СП стремит­ся повернуть ротор СП в сторону поворота ротора СД. Ротор СД связан с задающей осью и после поворота остается в фиксирован­ном положении. Поэтому под действием синхронизирующего мо­мента будет поворачиваться ротор СП — до тех пор. пока не при­дет в согласованное положение с ротором СД.

Трансформаторный режим. Этот режим работы сельсинов применяется для дистанционной передачи угловых перемещений при значительном моменте сопротивления.

На рис. 18.4 представлена схема следящей системы с сельсинами, работающими в трансформаторном режиме.

Система состоит из сельсина-датчика (СД) и сельсина-приемника (СП), фазочувствительного усилителя (ФЧУ) и исполнительного двигателя (ИД), вал которого механически соединен с ротором СП. В трансформаторном режиме обмотка возбуждения датчика питается от сети переменного тока. Обмотки синхронизации приемника и датчика соединены линией связи.

Рис. 18.4. Схема следящей системы с однофазными сельсинами в трансформаторном режиме.

С обмотки возбуждения СП снимается выходной сигнал — ЭДС переменного тока, которая зависит от угла рассогласования (0 = άд - ά.п). Обмотка возбуждения СП является выходной об­моткой пары сельсинов. Под действием переменного магнитного потока в фазах обмотки синхронизации СД наводится ЭДС взаи­моиндукции. Обмотка синхронизации СП представляет собой симметричную пассивную нагрузку для обмотки синхронизации СД. Под действием ЭДС в фазах обмоток синхронизации сельси­нов будут протекать токи. В отличие от индикаторного, в транс­форматорном режиме по обмоткам синхронизации СД и СП токи протекают всегда.

Результирующая МДС обмотки синхронизации СП представляет собой пространственный вектор постоянной величи­ны , который поворачивается в пространстве на угол, равный углу рассогласования.

Обычно в автоматических системах регулирования согласован­ным положением сельсинов в трансформаторном режиме считают также положение, при котором ротор или статор СП смещен на 90° относительно ротора или статора СД. В этом случае в выход­ной обмотке СП наводится ЭДС, изменяющаяся по синусоидаль­ному закону:

Е вых = Е вых m Sin θ

Выходное напряжение подается на фазочувствительный усили­тель ФЧУ (см. рис. 18.4). Знак напряжения, снимаемого с выхода ФЧУ, зависит от фазы выходного напряжения сельсинной пары. Напряжение с ФЧУ поступает на исполнительный двигатель ИД. Исполнительный двигатель, воздействуя на объект регулирова­нии, поворачивая его, одновременно поворачивает ротор СП в со­ответствующую сторону. После поворота СП на угол ά п = ά д резу­льтирующий вектор магнитного потока обмотки синхронизации окажется перпендикулярным оси выходной обмотки СП, и выходное напряжение станет равным нулю.

По аналогичному принципу построены следящие автоматиче­ские системы управления судовых рулевых электроприводов.

Поворотные трансформаторы

Принцип действия, классификация, устройство. Поворот­ными трансформаторами (ПТ) называются микромашины пере­менного тока, служащие для преобразования угла поворота рото­ра а в напряжение, пропорциональное некоторым функциям угла или самому углу.

В зависимости от закона изменения выходного напряжения ПТ подразделяют на два типа:

синусно-косинусные. позволяют получить два выходных напря­жения, одно из которых изменяется пропорционально синусу угла поворота ротора, а второе — косинусу этого угла;

линейные: у них в определенном диапазоне изменения угла по­ворота ротора выходное напряжение изменяется по закону, близ­кому к линейному.

По конструкции ПТ подобны асинх­ронным машинам с фазным ротором. На статоре и роторе размещаются по две одинаковые однофазные распределен­ные обмотки, сдвинутые относительно друг друга в пространстве на 90 эл. град (рис. 18.5). Одна из статорных обмоток С1С2, подключаемая к сети переменного тока, называется обмоткой возбуждения, вторая — СЗС4 — компенсационной Одна из роторных обмоток Р1Р2 называ­ется синусной, вторая — РЗР4 — коси­нусной.

Статорные обмотки имеют одинако­вое число витков (W в = Wc =Wp ) и одинаковые активные и реактивные сопротивления. Роторные обмотки также выполняются одинаковыми (W s = Wc =Wp).

Магнитную систему ПТ набирают из листовой электротехни­ческой стали или пермаллоя Роторные обмотки подсоединяются к контактным кольцам. Для уменьшения количества контактных колец концы роторных обмоток присоединяются к одному обще­му кольцу. В некоторых случаях токосъем осуществляется по­средством спиральных пружин, но при этом ротор невозможно повернуть больше, чем на 1,8 оборота.

Получили распространение и бесконтактные ПТ, в которых пи­тание к обмотке ротора подается с помощью кольцевых трансфор­маторов, расположенных в торцевых частях.

Основное свойство ПТ заключается в следующем: при повороте ротора взаимная индуктивность между обмотками статора и ро­тора должна изменяться по строго гармоническому закону зависи­мости от угла ά. Угол ά отсчитывается от поперечной оси ПТ до оси синусной обмотки. Во многих случаях допустимые погрешно­сти не должны превышать 0,01%.

ПТ всех типов выполняются с номинальной частотой не ниже 400 Гц.

Синусно-косинусный поворотный трансформатор. Схема синусно-косинусного поворотного трансформатора (СКПТ) представлена на рис. 18.6. К роторным обмоткам подключена внешняя нагрузка.

Рис. 18.5. Схема поворотного трансформатора.

На выходе СКПТ выходное на­пряжение изменяется по синусоидальному и косинусоидальному зако­нам от угла а поворота ротора.

С небольшой погрешностью мож­но считать, что

Uвых = k Uв Sin ά , Uвых = k Uв Cos ά ,

Где k = Wрэ / Wэ -- коэффициент трансформации СКПТ; Uв — напря­жение возбуждения; Wрэ, Wсэ — эффективное число витков роторной и статорной обмоток, соответственно.

СКПТ в системах автоматического управления применяются в следящих системах.

Рис 18.6. Схема синусно-косинусного поворотного трансформатора.

Линейный поворотный трансформатор. Конструкция ли­нейного трансформатора (ЛПТ) в общем аналогична конструкции СКПТ. Однако за счет специфического соединения роторных и статорных обмоток, а также выбора значений коэффициента трансформации, выходное напряже­ние изменяется по линейному закону — в диапазоне изменения угла а от -55 до +55°.

Для получения такой зависимо­сти применяют две схемы ЛПТ: с первичным симметрированием и со вторичным симметрированием.

На судах нашли применение ЛПТ с первичным симметрированием. В схеме ЛПТ с первичным симметри­рованием (рис. 18.7) обмотка воз­буждения и косинусная обмотка сое­диняются последовательно и подключаются к сети с напряжением Uв. Компенсационная обмотка замыка­ется на резистор ZK. Выходной сиг­нал снимается с синусной обмотки.

ЛПТ изготавливают с коэффициентом трансформации k=0,565. Сопротивление нагрузки ZH не влияет на условие пер­вичного симметрирования, поэтому ЛПТ с первичным симметри­рованием может работать при переменной нагрузке без искажения линейности выходной характеристики

Линейные поворотные трансформаторы, так же как и сельси­ны, находят широкое применение в следящих системах автомати­ческого управления, в том числе и рулевых электроприводов.

Рис.18.7. Схема линейного поворотного трансформатора.