Описание схемы управления Основные элементы схемы ( рис. 275 )

1. ТV – промежуточный понижающий трансформатор;

2. ВС1 – сельсин-трансформатор поста управления;

3. ВС2 – сельсин-трансформатор руля;

4. UZ1, UZ2 – выпрямительные мостики;

5. МУ1, МУ2 – магнитные усилители;

6. КВ1, КВ2 – контакты конечных выключателей положения пера руля,

размыкаются при углах кладки пера 32-33º.

Промежуточный трансформатор TV

Трансформатор ТV имеет две обмотки: первичную напряжением 127 В и вторич-

ную напряжением 10…15 В.

Вторичная обмотка секционирована, т.е. состоит из двух одинаковых половин с выведенной средней точкой.

Полное напряжение 10…15 В вторичной обмотки подается на параллельно вклю-

ченные обмотки возбуждения 1 и 2 сельсинов-трансформаторов ВС1 и ВС2.

Половинное напряжение ( т.е. 10…15 / 2 = 5…7,5 В ) через выпрямительные мости-

ки UZ1 и UZ2 подается на обмотки управления L1…L4 магнитных усилителей МУ1 и МУ2.

Сельсины-трансформаторы ВС1, ВС2

Устройство

Сельсины-трансформаторы имеют статор и ротор.

На статоре ( рис. 275 ) находится однофазная обмотка возбуждения 1 ( 2 ), на рото-

ре - трехфазная обмотка, соединенная в звезду . Из трех фазных обмоток одна не исполь-

зуется, поэтому две другие по схеме соединены последовательно.

Ротор сельсина-трансформатора ВС1 поста управления механически соединен со

штурвалом.

Ротор сельсина-трансформатора ВС2 руля механически соединен с баллером руля.

Принцип действия

Сельсины могут работать в двух основных режимах:

1. индикаторный;

2. трансформаторный.

Индикаторный режим применяется в рулевых указателях и машинных телеграфах.

В данной схеме сельсины ВС1 и ВС2 работают а трансформаторном режиме и по-

этому называются сельсины-трансформаторы.

Сельсины трансформаторы предназначены для получения напряжения, пропорцио-

нального углу поворота ротора сельсина.

Принцип действия сельсинов такой же, как и трансформаторов. Он основан на явле

нии взаимоиндукции.

Разница между трансформатором и сельсином-трансформатором состоит в том, что у трансформатора вторичная обмотка неподвижна, а у сельсина-трансформатора трехфаз-

ная обмотка находится на роторе и, следовательно, может поворачиваться, меняя свое по-

ложение по отношению к магнитному потоку первичной обмотки ( у сельсинов-трансфор-

маторов она называется «обмотка возбуждения» ).

Объясним принцип действия сельсина на примере сельсина ВС1.

Обмотка возбуждения 1 ( первичная обмотка ) создает пульсирующий магнитный

поток, индуктирующий в фазных обмотках ротора три фазные ЭДС взаимоиндукции, сдви

нутые на 120 электрических градусов по отношению друг к другу, т.е. на 1/3 периода пере

менного тока. Верхняя обмотка в схеме не используется, поэтому оставшиеся две нижних – левая и правая, включены последовательно.

Если ротор сельсина ВС1 занимает исходное положение, при котором угол поворо

та ротора равен нулю, в левой и правой фазных обмотках индуктируются одинаковые по величине и фазе ЭДС. Эти ЭДС направлены навстречу друг другу и поэтому компенсиру-

ют одна другую.

В результате в исходном состоянии результирующая ( выходная ) ЭДС е₁, снимае-

мая между левым выводом левой фазной обмотки и правым выводом правой фазной об-

мотки сельсина ВС1 , равна нулю.

При повороте ротора сельсина ВС1 при помощи штурвала, ЭДС одной фазной об-

мотки возрастет, а другой – уменьшится. На выходе ВС1 появится результирующая ( вы-

ходная ) ЭДС, равная разности фазных, и имеющая фазу большей из этих двух ЭДС.

Эта выходная ЭДС изменяется по закону синуса:

Е_вых = Е_макс sinα,

где: Е_макс – максимальное значение выходной ЭДС;

α – угол поворота ротора сельсина.

График Е_вых (α) приведен на рис. 276.

Рис.276. Зависимость выходной ЭДС Е_вых сельсина от угла поворота ротора α

Из графика следуют два свойства сельсина-трансформатора:

1. при изменении угла α поворота ротора сельсина выходная ЭДС изменяется по

закону синуса, достигая максимума при угле α = 90º;

2. при изменении направления поворота ротора (α < 0 ) фаза переменной выход-

ной ЭДС изменяется на 180º ( участок характеристики в 3-м квадранте ).

Выходы сельсинов ВС1 и ВС2 включены по дифференциальной схеме , т.е. выход-

ные ЭДС е₁ и е₂ направлены встречно ( сдвинуты на 180º - противофаза ). Это показано на принципиальной схеме ( рис. 275 ) при помощи стрелок, обозначающих мгновенные на-

правления ЭДС е₁ и е_2.

Выпрямительные мостики UZ1, UZ2

Эти мостики построены по схеме мостика Гретца ( рис. 275 ) и предназначены для двухполупериодного выпрямления однофазного переменного тока .

На входы мостиков поступают переменные напряжения U₁ и U₂, которые выпрямля

ются мостиками, вследствие чего через обмотки управления магнитных усилителей L1…L4 протекают постоянные ( по направлению ) токи.

Магнитные усилители МУ1, МУ2

Предназначены для питания обмоток возбуждения 5 и 6 ( LG2 ) возбудителя гене-

ратора G2.

Иначе говоря, эти две обмотки являются нагрузкой для МУ1 и МУ2 – обмотка 5 для

МУ2, обмотка 6 – для МУ1.

Устройство

Оба усилителя одинаковы, рассмотрим устройство усилителя МУ1 ( рис. 275 ).

На сердечнике усилителя ( обозначен жирной вертикальной линией ) находятся 4 обмотки:

1. две обмотки управления L1 и L3;

2. две рабочие обмотки РО1 и РО2 ( на схеме ниже обмоток управления ).

Через обмотки управления протекают двухполупериодные постоянные токи,

выпрямленные мостиками UZ1, UZ2.

Через рабочие обмотки протекают однополупериодные токи ( см ниже ).

На них жирными точками на схеме ( * ) обозначены условные начала обмоток. Эти

точки позволяют определить, намагничивает или размагничивает данная обмотка сердеч-

ник усилителя.

Для этого существует правило: если ток в обмотке протекает от вывода с точ-

кой к выводу без точки, обмотка намагничивает сердечник, и наоборот.

Например, через последовательно соединенные обмотки управления L1 и L2 ток

протекает по цепи:

«плюс» на правом выводе UZ1 – обмотка L1 – обмотка L2 – «минус» на левом вы-

воде UZ1.

Проследив направление тока в этих обмотках, можно определить, что обмотка L1

намагничивает сердечник МУ1, а обмотка L2 размагничивает сердечник МУ2.

Аналогично, через последовательно соединенные обмотки управления L3 и L4 ток

протекает по цепи:

«плюс» на правом выводе UZ2 – обмотка L3 – обмотка L4 – «минус» на левом вы-

воде UZ2.

Видно, что обмотка L3 размагничивает сердечник МУ1, а обмотка L4 намагничива-

ет сердечник МУ2.

Таким образом, у каждого усилителя одна обмотка управления намагничивает сер-

дечник, а другая – размагничивает его. Такая схема включения обмоток называется диффе

ренциальной ( дифферент – разность осадки судна носом и кормой ).

В облщем случае дифференциальной называется схема, в кторой две однородные

величины, например, токи, магнитные потоки, напряжения и т.п. действуют встречно ( на переменном токе – в противофазе ).

Теперь проследим цепи токов в рабочих обмотках МУ1. Для этого зададимся мгно-

венной полярностью переменного напряжения 127 В на выводах «А» и «В»:

Пусть на левом выводе – «плюс», на правом – «минус».

При такой полярности образуется цепь тока через верхнюю рабочую обмотку:

«плюс» на выводе «А» - диод VD1 – рабочая обмотка РО1 – контакты конечного

ыключателя КВ1 – обмотка возбуждения LG2 – диод VD3– «минус» на выводе «В».

При этом ток в обмотке LG2 протекает в направлении снизу вверх.

Во вторую полуволну переменного напряжения образуется цепь тока через ниж-

нюю рабочую обмотку:

«плюс» на выводе «В» - диод VD2 - контакты конечного выключателя КВ1 – об

мотка возбуждения LG2 – рабочая обмотка РО2 - диод VD4 – «минус» на выводе «А».

Как видим, направление тока в обмотке LG2 не изменилось.

Таким образом, рабочие обмотки включаются поочередно – одна в положительную

полуволну переменного напряжения, вторая – в отрицательную. Это означает, что через рабочие обмотки протекает однополупериодный выпрямленный ток.

В то же время через обмотку возбуждения LG2 протекает двухполупериодный ток.

Как известно из курса «Электроники», однополупериодный ток имеет две состав-

ляющие: постоянную и переменную с частотой 50 Гц.

Постоянная составляющая тока рабочих обмоток, в дополнение к намагничиваю-

щим обмоткам управления, подмагничивает сердечник усилителя и тем самым увеличива

вает его коэффициент усиления по току. Поэтому масса и габариты таких МУ меньше,

чем у обычных магнитных усилителей без обратной связи.

Переменная составляющая позволяет рабочей обмотке сохранить индуктивное со-

противление, величина которого изменяется в зависимости от степени подмагничивания сердечника МУ – чем больше подмагничивание, тем индуктивное сопротивление меньше, и наоборот.

Принцип действия магнитного усилителя

Принцип действия магнитного усилителя состоит в следующем.

Если увеличивать ток в обмотке управления, то созданный ею постоянный ( по на-

правлению ) магнитный поток станет постепенно вытеснять переменный магнитный поток рабочей обмотки из сердечника усилителя в воздух.

При этом индуктивное сопротивление рабочей обмотки уменьшается, значит, ток в ней и в последовательно включенной с ней нагрузке ( на рис. 275 – обмотке возбуждения 6 или 5 ) увеличивается.

Иначе говоря, чем больше подмагничивание сердечника, тем больше ток в рабочей

обмотке, а значит, и в нагрузке.

Напомним, что в данной схеме в качестве нагрузки МУ1 служит обмотка возбужде

ния 6 LG2 ( для МУ2 – обмотка возбуждения 5 LG2 ).

Исходное состояние схемы

В рулевых электроприводах под исходным состоянием схемы понимают такое, при

отором штурвал находится в нулевом положении, а перо руля – в диаметральной плоско-

сти ( ДП ).

В этом исходном состоянии роторы обоих сельсинов ВС1 и ВС2 находятся в поло-

жении, при котором выходные ЭДС сельсинов е₁ и е₂ равны нулю.

На входы мостиков UZ1 и UZ2 со вторичных полуобмоток трансформатора ТV по

даются одинаковые по величине напряжения U₁ и U_2.

Поэтому выпрямленные мостиками напряжения одинаковы, и через четыре обмот-

ки управления L1…L4 протекают одинаковые токи.

Поскольку у каждого усилителя одна обмотка управления намагничивает сердеч-

ник, а вторая размагничивает его, результирующий магнитный поток этой пары обмоток равен нулю.

Значит, через обмотки возбуждения 5 и 6 протекают одинаковые токи холостого хода. Эти токи в обмотках 5 и 6 протекают в противоположных направлениях, поэтому их результирующий магнитный поток , т.е. магнитный поток возбуждения возбудителя гене

ратора G2 равен нулю.

Напряжение на последнем равно нулю, т.е. нет тока в обмотке возбуждения

LG1.1 генератора G1. Напряжение генератора G1 равно нулю, поэтому двигатель М2 не работает.

Работа схемы

При повороте штурвала на определенный угол, например, вправо, связанный меха

нически со штурвалом ротор ВС1 поворачивается, и на его выходной обмотке появляется ЭДС е₁. Величина этой ЭДС пропорциональна углу поворота штурвала, а фаза зависит от направления поворота штурвала ( при повороте штурвала влево фаза этой ЭДС изменится на 180º ).

В результате в нижнем контуре, состоящем из нижней полуобмотки трансформа-

тора ( с напряжением U2 ) , выходных обмоток сельсинов ВС1, ВС2 ( ЭДС е₂ = 0, т.к. перо руля пока в диаметрали ) и входа мостика UZ1, напряжение U₂ и ЭДС е₁ совпадают по фазе.

Это видно из того, что при обходе нижнего контура по часовой стрелке с направле-

нием обхода совпадают мгновенные направления напряжения U₂ и ЭДС е₁ ( обозначен-

ные стрелками ).

Поэтому на входе мостика UZ1 результирующее напряжение U₃ станет равным

( U₂ + е₁ ): U₃ = U₂ + е₁. Это приведет к увеличению тока в обмотках управления L1 и L2.

В то же время в верхнем контуре, состоящем из верхней полуобмотки трансформа-

тора ( с напряжением U₁ ), входа мостика UZ2, выходных обмоток сельсинов ВС2 ( ЭДС е₂ = 0, т.к. перо руля пока в диаметрали ), ВС1 с ЭДС е₁ , напряжение U₁ и ЭДС е₁ находят-

ся в противофазе.

Это видно из того, что при обходе нижнего контура по часовой стрелке, мгновен-

венное направление ЭДС е₁ противоположно направлению обхода.

Поэтому на входе мостика UZ2 результирующее напряжение U₄ станет равным

( U₁ - е₁ ): U₄ = U₁ - е₁. Это приведет к уменьшению тока в обмотках управления L3 и L4.

Таким образом, у магнитного усилителя МУ1 увеличился ток в намагничивающей

обмотке L1 и уменьшился ток в размагничивающей обмотке L3 ( последнее можно рас-

сматривать как подмагничивание ).

Поэтому ( см. принцип действия магнитного усилителя ), индуктивное сопротивле-

ние рабочих обмоток РО1 и РО2 уменьшится, а ток через них и обмотку возбуждения 5 , по закону Ома, увеличится.

В то же время у магнитного усилителя МУ2 увеличился ток в размагничивающей

бмотке L2 и уменьшился ток в подмагничивающей обмотке L4 ( что можно рассматривать как размагничивание ).

В результате индуктивное сопротивление рабочих обмоток МУ2 увеличится, а ток через них и обмотку возбуждения 6, по закону Ома, уменьшится.

Поскольку токи в обмотках 5 и 6 неодинаковы, так же неодинаковы их магнитные

потоки – магнитный поток обмотки 5 больше магнитного потока обмотки 6. В результате появится разностный магнитный поток ΔФ = Ф₆ – Ф₅, имеющий направление большего потока, т.е. Ф₆ .

Поток ΔФ возбудит возбудитель G2, на зажимах которого появится напряжение

( пропорциональное углу поворота штурвала ). Через независимую обмотку возбуждения LG1.1 генератора G1 потечет ток.

Генератор G1 также возбудится, включится двигатель М2, начнется перекладка пе-

ра руля.

При этом станет поворачиваться ротор сельсина-трансформатора руля ВС2, на вы-

ходе которого появится ЭДС е₂ , которая находится в противофазе с ЭДС е₁ .

По мере поворота пера руля эта ЭДС будет увеличиваться.

В результате напряжение U₃ = U₂ + e₁ – e₂↑ cтанет уменьшаться, а напряжение U₄ =

= U₁ – e₁ + e₂↑ - увеличиваться.

Это приведет к тому, что ток в обмотке 5 LG2 станет уменьшаться, а в обмотке 6

LG2 увеличиваться.

Поэтому разностный магнитный поток ΔФ = Ф₅ ↓– Ф₆↑ станет уменьшаться, так

же будет уменьшаться напряжение возбудителя G2, генератора G1 и скорость перекладки пера руля.

Когда перо руля повернется на угол, равный углу поворота штурвала, возраставшая

при повороте пера руля ЭДС е₂ сравняется с ЭДС е₁ и компенсирует ее.

В результате напряжения на входах мостиков выравняются, U₃ = U₂ и U₄ == U₁ .

А так как U₂ = U₁, значит U₃ = U₄.

Схема вернется к исходному состоянию, при котором токи обмоток 5 и 6 LG2 оди-

наковы, магнитный поток ΔФ = Ф₆ – Ф₅ =0, напряжение возбудителя G2 и генератора G1 равны нулю, двигатель М2 остановится.