Литература / Фалк_Арменский_ЭлектромеханическиеУстройстваАвтоматики_2002

–121–

ГЛАВА 4.ЭЛЕКТРОМАШИННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

В данной главе рассматриваются электрические микромашины переменного тока, предназначенные для преобразования в электрический сигнал и передачи угловых перемещенийсельсины и вращающиеся трансформаторы. Эти микромашины осуществляют преобразование и передачу информации в системах автоматического управления и контроля, и одно из основных требований к ним – минимальная погрешность преобразования. Погрешности в зависимости от их физической природы условно подразделяют на четыре группы: принципиальные, т.е. вытекающие из принципа работы данной микромашины; конструктивные, т.е. определяемые конструкцией микромашины; технологические, т.е. определяемые технологией изготовления, и эксплуатационные, т.е. определяемые условиями эксплуатации. Уровень погрешностей определяет класс точности, который присваивается каждой информационной микромашине заводомизготовителем по результатам испытаний.

§4.1. Сельсины

Сельсинами называют электрические микромашины переменного тока, обладающие способностью самосинхронизации и применяемые в синхронных системах дистанционной передачи угла в качестве датчиков и приемников. Передача угловой величины в такой системе происходит синхронно, синфазно и плавно. При этом между устройством, задающим угол (датчиком), и устройством, принимающим передаваемую величину (приемником), существуют только электрические соединения в виде линии связи.

Сельсины бывают трехфазные силовые и однофазные, однако в системах управления практически используются только однофазные.

Однофазные сельсины работают в основном в двух режимах. В индикаторном режиме датчик поворачивается принудительно, а приемник устанавливается в согласованное с датчиком положение под воздействием собственного синхронизирующего момента. Этот режим используют в

–122–

системах контроля угла поворота объекта. Погрешность передачи порядка

0,50-1,50.

Втрансформаторном режиме датчик поворачивается принудительно,

априемник вырабатывает напряжение, являющееся функцией угла рассогласования. Этот режим наиболее часто используют в системах управления углом поворота объекта.

Для обоих режимов возможны следующие схемы: а) парная: датчик – приемник; б) многократная: датчик – несколько приемников;

в) дифференциальная: два датчикаприемник.

Однофазный сельсин может работать как в индикаторном, так и в трансформаторном режимах в качестве датчика и приемника. Однако ввиду специфичности предъявляемых требований выпускаемые сельсины предназначаются для конкретного режима работы.

Основные требования, предъявляемые к дистанционным передачам на сельсинах:

1)высокая статическая и динамическая точности. Статическая точность определяется погрешностью следования в режиме медленного поворота, а динамическая – в режиме вращения с меняющейся по заданному закону угловой скоростью. Погрешность следования дистанционной передачи – это отклонение угла поворота ротора сельсина -приемника от угла поворота сельсина-датчика в положении согласования;

2)способность к самосинхронизации в пределах одного оборота, т.е. свойство системы на сельсинах занимать только одно устойчивое согласованное положение в пределах оборота;

3)сохранение свойства самосинхронизации и заданной точности при высоких угловых скоростях и наличии в системе нескольких приемников.

Кроме этого, в зависимости от условий применения к сельсинам предъявляется ряд дополнительных требований (см. Введение).

Конструкция. Однофазные сельсины по конструкции и наличию скользящего контакта можно подразделить на контактные и бесконтактные.

–123–

Рис 4.1

Контактные сельсины состоят из двух частей: статора и ротора. На статоре (или роторе) располагают однофазную обмотку возбуждения В (рис. 4.1,а); на роторе (или статоре) – обмотку синхронизации С. Конструктивно они подобны синхронным машинам с электромагнитным возбуждением.

У однофазных сельсинов обмотку синхронизации выполняют по типу трехфазной, т.е. три отдельные обмотки смещены в пространстве на 1200 и соединены в звезду. Обмотка синхронизации всегда распределенная; обмотка возбуждения может быть и распределенной, и сосредоточенной.

Число пар полюсов в сельсине выбирают равным единице (рм=1), чтобы получить самосинхронизацию в пределах одного оборота.

Обмотка возбуждения сельсина создает пульсирующий магнитный поток. Этот поток, проходя по магнитопроводу сельсина, пересекает витки обмотки синхронизации и наводит в них трансформаторные ЭДС, зависящие от угла поворота ротора. Так как при повороте ротора взаимоиндуктивность между обмотками возбуждения и синхронизации плавно изменяется по закону косинуса, то в обмотке синхронизации наводятся фазные ЭДС, пропорциональные косинусу угла поворота ротора.

У некоторых сельсинов имеется короткозамкнутая демпферная обмотка Д, расположенная перпендикулярно обмотке В.

Принцип работы сельсина не зависит от места расположения каждой из обмоток: на статоре или на роторе. Однако наиболее распространены (рис. 4.1,б) сельсины с обмоткой возбуждения 4, расположенной на роторе 3, и обмоткой синхронизации 2 на статоре 1. У них меньше контактных колец 6 и щеток 7, что обеспечивает более высокую надежность, меньший момент трения и объем сельсина. В цепи передачи сигнала (линии связи обмоток синхронизации) отсутствуют скользящие контакты. При такой конструкции проще выполнить на роторе демпферную обмотку 5.

Наличие скользящих контактов значительно снижает надежность контактных сельсинов. Поэтому были разработаны также бесконтактные сельсины: с униполярным возбуждением ротора со стороны статора и с переходным кольцевым трансформатором.

Трансформаторный режим. Для передачи углового перемещения на расстояние с преодолением значительного момента сопротивления используются системы дистанционной передачи угла в виде следящих систем, частью которых являются сельсины, работающие в трансформаторном режиме. При этом по линии связи передается незначительный по мощности сигнал.

–124–

Рис 4.2а

Рис 4.2б

На рис. 4.2а приведена схема сельсинов в трансформаторном режиме. Обмотка возбуждения сельсина-датчика СД подключена к питающей сети и служит для создания в магнитной системе пульсирующего магнитного потока. Обмотки синхронизации датчика и приемника соединены между собой строго соответственно линией связи. Однофазная обмотка трансформаторного сельсина-приемника предназначена для выработки сигнала (напряжения), зависящего от угла рассогласования Θ=Θд-Θп, и называется обмоткой управления.

В трансформаторном режиме согласованным называют такое состояние схемы, когда ЭДС обмотки управления сельсина-приемника равна нулю. Взаимное расположение обмоток в датчике и приемнике для исходного согласования состояния схемы показано на рис. 4.2а.

Пульсирующий магнитный поток обмотки возбуждения датчика Фв индуктирует в обмотке синхронизации фазные ЭДС

ЕД1= Еmax cos ΘД

ЕД2= Еmax cos (ΘД -1200)

–125–

ЕД3= Еmax cos (ΘД -2400) , (4.1)

где Θд - угол поворота ротора сельсина-датчика от исходного положения (за исходное положение примем такое, когда обмотка, образующая первую фазу обмотки синхронизации, соосна с потоком возбуждения); Еmax– наибольшее действующее значение фазной ЭДС обмотки синхронизации, соответствующее совпадению оси фазы и потока возбуждения.

Токи, проходящие под действием этих ЭДС по фазам обмотки синхронизации приемника, создают пульсирующие ЭДС Fп1, Fп2 и Fп3. При повороте ротора датчика на угол Θд вектор результирующей ЭДС обмотки синхронизации приемника Fп поворачивается относительно этой обмотки на угол, равный Θд, но в противоположную сторону. Результирующая ЭДС создает пульсирующий поток Фп, который наводит в обмотках управления

сельсинаприемника выходную ЭДС Ey = Eymax sinΘд, где Eymax – максимальное значение выходной ЭДС, соответствующее совпадению

направления потока Фп с осью обмотки управления. Фаза выходной ЭДС меняется дискретно на 1800 через 1800 угла поворота ротора.

Нами были рассмотрены физические процессы при фиксированном угле поворота приемника Θп =0, т.е. при угле рассогласования Θ=Θд. В этом случае угол поворота потока Фп относительно оси d, перпендикулярной оси обмотки управления, получился равным углу поворота потока Фп относительно обмотки синхронизации приемника, т.е. углу Θд. При произвольном угле поворота ротора приемника Θп поток Фп окажется повернутым относительно оси d на угол Θ=Θд-Θп ,и выходная

связи, близком к нулю (Rл= 0), показан на рис. 4.2б сплошной линией. Важной характеристикой сельсинов при работе в трансформаторном

режиме является крутизна сельсина-приемника, т.е. приращение выходного напряжения Uy (ЭДС Еу при холостом ходе), приходящееся на единицу угла рассогласования. Крутизна определяется при Θ≤50 и характеризует угол наклона выходной характеристики в начале координат

У современных сельсинов при холостом ходе Sп= 0,5-2 В/град.

–126–

Рис 4.3

На рис. 4.3 изображена функциональная схема системы дистанционной передачи угла (следящей системы) с сельсинами в трансформаторном режиме. Выходное напряжение сельсина-приемника через усилитель мощности УМ поступает на исполнительный двигатель ИД, который через редуктор Ред. поворачивает объект управления ОУ, а вместе с ним и ротор сельсина -приемника на угол, заданный датчиком. После поворота ОУ и ротора приемника на угол Θп=Θд магнитный поток сельсина-приемника Фп вновь будет перпендикулярен к оси выходной обмотки, выходное напряжение станет равным нулю и система будет находиться в новом положении устойчивого равновесия.

Трансформаторные системы дистанционной передачи угла в зависимости от погрешности следования делятся на семь классов точности: в высшем классе точности статическая погрешность не превышает + 0,1’, в низшем классе статическая погрешность достигает + 30’. Трансформаторные сельсины позволяют, как правило, создавать системы с погрешностью от + 5’ до + 30’.

Погрешность определяется в основном конструктивными и технологическими факторами: асимметрией обмоток, неравномерностью магнитной проводимости вдоль окружности машины, разбросом параметров датчика и приемника и т.д. При прочих равных условиях погрешность следования тем меньше, чем больше крутизна Sc. Это можно объяснить следующим образом. Технологические погрешности и разброс параметров датчика и приемника приводят к тому, что в согласованном положении системы ( Θ=0) на выходе приемника появляется добавочная ЭДС Едоб. ЭДС Едоб имеет в общем случае две составляющие: ЭДС ошибки Еош, совпадающую по фазе с выходной ЭДС Еу, и остаточную ЭДС Еост, сдвинутую по фазе на 900. ЭДС ошибки может быть скомпенсирована выходной ЭДС Еу путем дополнительного поворота ротора приемника на угол, при котором Еу=-Еош. Это значит, что исполнительный двигатель следящей системы повернет объект управления и ротор приемника на угол ΘП≠ΘД, т.е. появится угловая ошибка (погрешность следования)

ΔΘт=Еош/Sп.