5.3. Датчики кута розузгодження

Сельсини

Принцип дії і устрій сельсинів. Сельсинами називаються електричні машини змінного струму, які володіють здатністю самосинхронізації. Сельсини мають дві обмотки: обмотку збудження і обмотку синхронізації.

Залежно від числа фаз обмотки збудження розрізняють трифазні і однофазні сельсини. У суднових автоматичних системах контролю і регулювання знайшли застосування однофазні сельсини. Обмотка синхронізації виконується по типу трифазних обмоток, фази яких здвинуті в просторі на 120° і сполучені між собою в зірку. Розімкнені точки фаз обмотки синхронізації назвемо початками, а замкнуті — кінцями обмотки.

Однофазні сельсини по конструкції діляться на контактні і безконтактні. Контактні сельсини звичайно мають явнополюсну магнітну систему. Обмотка збудження сельсина ОВ виконується зосередженою і розташовується на полюсах статора або ротора (рис. 5.26). Обмотка синхронізації ОС виконується розподіленою і залежно від розташування обмотки збудження розміщується на роторі або статорі.

С ельсини мають ненасичену магнітну систему. Статор і ротор набираються з листової електротехнічної сталі. Можливість самосинхронізації сельсинів в межах одного обороту забезпечується двополюсною системою. При розташуванні обмотки збудження на статорі в ланцюзі обмотки синхронізації є три ковзаючі контакти (кільця з щітками), що підвищують момент тертя сельсина. У сельсинах з обмоткою збудження на роторі число ковзаючих контактів зменшується до двох, але при цьому через щітки і кільця безперервно проходить струм обмотки збудження, який може викликати підгоряння щіткових контактів. Принцип дії сельсина не залежить від місця розташування кожної обмотки. Проте частіше застосовують сельсини з обмоткою збудження на роторі і обмоткою синхронізації на статорі. Менше число ковзаючих контактів забезпечує вищу надійність, менший момент тертя і менший об'єм сельсина.

На мал. 5.27 показана електрична схема однофазного сельсина. Обмотка збудження сельсина живиться від мережі змінного струму з напругою.

Під дією прикладеної напруги обмотка збудження створює пульсуючий магнітний потік, який розподіляється в повітряному зазорі по косинусоідальному закону. Без урахування активного опору обмотки збудження (R ≈ 0) магнітний потік змінюватиметься по гармонійному закону із зсувом по фазі на 90° відносно напруги u_B:

Змінний магнітний потік обмотки збудження наводить ЕРС взаємоіндукції у фазах обмотки синхронізації. У початковому положенні при α = 0 вісь першої фази обмотки синхронізації співпадає з віссю обмотки збудження, тому в першій фазі наводитиметься найбільша ЕРС, діюче значення якої рівне

(5.8)

де Е_Н — найбільше діюче значення ЕРС; w_Э — ефективне число витків фази обмотки синхронізації; f — частота напруги обмотки збудження.

Враховуючи косинусоідальний розподіл магнітного потоку обмотки збудження, для ЕРС другої і третьої фаз обмотки синхронізації можна записати наступні вирази:

(5.9)

(5.10)

З (5.8), (5.9), (5.10) витікає, що ЕРС другої і третьої фаз здвинуті по фазі відносно ЕРС першої фази на 180°. Зсув по фазі пояснюється тим, що магнітний потік обмотки збудження пронизує першу фазу від початку до кінця, а другу і третю — від кінця до початку. При повороті ротора на довільний кут α_θ магнітний потік обмотки збудження пронизуватиме першу фазу під кутом α, а другу і третю — відповідно під кутами α + 120° і α + 240°. Тоді діючі значення ЕРС у фазах рівні

Одержані вирази дозволяють відзначити деякі особливості:

1. За один оборот ЕРС кожної фази обмотки синхронізації двічі обертається в нуль. Це пояснюється тим, що за один оборот ротора кожна фаза двічі розташовується під прямим кутом до обмотки збудження.

2. При вугіллі між обмоткою збудження і кожною фазою, рівному 90°, відбувається зміна Зсув відповідної ЕРС по фазі на 180°, що пов'язане із зміною напряму перетину магнітним потоком витків фаз обмотки синхронізації.

Істотним недоліком контактних сельсинів є наявність ковзаючих контактів. Тому в даний час широко застосовуються безконтактні сельсини.

На рис. 5.28 показаний магнітний ланцюг безконтактного сельсина. Безконтактний сельсин має дві обмотки: обмотку збудження і обмотку синхронізації. Трифазна обмотка синхронізації 6 розташована в пазах статора 4. Однофазна обмотка збудження складається з двох кільцеподібних котушок 2, які охоплюють ротор 5. Котушки розташовані між статором 4 і кільцевими осердями 1, до яких примикають стержні зовнішнього магнітопроводу 3. Котушки з'єднуються між собою послідовно згідно. Статор, кільцеві осердя і стержні зовнішнього магнітопроводу набираються з листової електротехнічної сталі. Ротор 5 складається з двох пакетів, набраних з листової електротехнічної сталі і розділених між собою немагнітним проміжком.

Змінний магнітний потік, створюваний обмоткою збудження, проходить по стержнях зовнішнього магнітопровода 3, кільцевим осердям 1 і пакетам ротора 5. Через наявність немагнітного проміжку, що має великий магнітний опір, магнітний потік проходить з одного пакету ротора в іншій через статор 4. Проходячи через статор, цей потік наводить ЕРС у фазах обмотки синхронізації.

Рис. 5.28. Безконтактний сельсин

Потокозчеплення між магнітним потоком і фазами обмотки синхронізації, а отже, і ЕРС залежать від положення ротора. Ротор безконтактного сельсина не має на собі ніяких обмоток, тому відпадає потреба в кільцях і щітках, що значно збільшує надійність роботи і підвищує стабільність характеристик безконтактного сельсина в порівнянні з контактним.

У автоматичних системах сельсини звичайно використовуються в парі: сельсин—датчик (СД) і сельсин—приймач (СП). Розрізняють два основні режими роботи сельсинів: індикаторний і трансформаторний. Для обох режимів роботи застосовують наступні схеми включення: парну (СД — СП) і багатократну (СД — декілька СП). Однофазні сельсини в обох режимах роботи можуть використовуватися в якості як СД, так і СП, але з урахуванням специфічних вимог що випускаються сельсини призначаються для роботи тільки як СД або СП. У суднових автоматичних системах регулювання зустрічається одиночний режим роботи сельсинів.

Індикаторний режим роботи. Індикаторний режим роботи сельсинів використовується для дистанційної передачі кутових переміщень при незначному моменті опору. У суднових автоматичних системах контролю індикаторний режим роботи застосовується в машинних телеграфах, покажчиках положення пера керма, покажчиках напряму обертання і навантаження головних суднових дизелів, репітерах гірокомпаса. На рис. 5.29 показана проста схема включення сельсинів в індикаторному режимі. Схема складається з двох однакових сельсинів (приймача і датчика) і лінії зв'язку. Обмотки збудження приймача і датчика підключені до мережі змінного струму, а обмотки синхронізації з'єднуються між собою лінією зв'язку. Під дією змінних магнітних потоків обмоток збудження в кожній фазі обмоток синхронізації наводитимуться ЕРС, діючі значення яких визначаються наступними виразами:

для датчика для приймача

(5.11)

Зважаючи на те що однойменні фази обмоток синхронізації приймача і датчика включені зустрічно, результуюча ЕРС однойменних фаз буде рівна різниці їх ЕРС:

Позначаючи α_Д — α_П через кут розузгодження θ, одержимо

Під дією різниці ЕРС в окремих фазах обмоток синхронізації і лінії зв'язку протікатимуть зрівняльні струми. Нехтуючи опором лінії зв'язку і позначаючи через Z опір кожної фази, знайдемо значення зрівняльних струмів

де I_Н = E_Н/Z — найбільше діюче значення струму.

Алгебраїчна сума струмів при будь-якому куті розузгодження рівна нулю:

тому відпадає необхідність у використовуванні нульового дроту, що сполучає середні точки обмоток синхронізації СД і СП. З одержаних виразів видно, що при θ = 0 зрівняльні струми рівні нулю. За наявності розузгодження роторів СД і СП (α_Д ≠α_П) виникають зрівняльні струми, які, проходячи по фазах обмоток синхронізації, створюють МРС, здвинуті в просторі на 120° відносно один одного. У обмотках синхронізації СД і СП створюються результуючі МРС, отже, і магнітні потоки, які, взаємодіючи з потоками обмоток збудження, спричиняє появу обертаючих моментів, званих синхронізуючими. Синхронізуючі моменти в СД і СП направлені в різні боки, що пов'язане з різним напрямом зрівняльних струмів в однойменних фазах СД і СП. Якщо у фазі обмотки синхронізації СД струм протікає від початку до кінця, то в той же момент часу у фазі СП — від кінця до початку. Синхронізуючий момент СД прагне повернути ротор СД в початкове положення, а синхронізуючий момент СП прагне повернути ротор СП у бік повороту ротора СД. Ротор СД пов'язаний із задаючою віссю і після повороту залишається у фіксованому положенні, тому під дією синхронізуючого моменту буде повертатися ротор СП до тих пір, поки не прийде в узгоджене положення з ротором СД. МРС кожної фази F_Ф можна визначити, користуючись наступним виразом:

(5.12)

де Iф — струм відповідної фази.

Підставляючи конкретне значення для зрівняльного струму, можна визначити МРС фаз СД і СП:

Оскільки в обмотках синхронізації СП і СД зрівняльні струми протікають в протилежних напрямах, то МРС фаз СП і СД розрізнятимуться тільки знаком:

Для визначення результуючої МРС спочатку знайдемо її подовжню і поперечну складові. Проектуючи МРС фаз на подовжню вісь СД (співпадаючу з віссю обмотки збудження) і складаючи одержані складові, можна знайти подовжню складову результуючої МРС

де F_H = 1,8w_ЭI_H — найбільше значення МРС фази обмотки синхронізації.

Проектуючи МРС фаз на поперечну вісь СД і складаючи одержані складові, знайдемо поперечну складову результуючої МРС

З урахуванням знаку МРС фаз СП можна аналогічно визначити подовжню і поперечну складові результуючої МРС приймача

Результуючі МРС обмоток синхронізації СП і СД однакові:

Подовжні складові результуючих МРС обмоток синхронізації СП і СД направлені зустрічно по відношенню до МРС відповідних обмоток збудження. Вони прагнуть зменшити потік збудження, але для малих кутів розузгодження θ, при яких звичайно працюють сельсини, впливом F_dД і F_dП можна нехтувати. Так, наприклад, при θ = 20°

Розмагнічуючий вплив подовжніх складових позначається на значенні струмів, споживаних обмотками збудження. Поперечна складова МРС F_qП, взаємодіючи з магнітним потоком обмотки збудження Ф_В, створює синхронізуючий момент, миттєве значення якого рівне

де с — конструктивна постійна; Ф_В, f_qп — миттєві значення потоку обмотки збудження і МРС F_qп;

Fm — амплітудне значення МРС; ψ — часовий кут зсуву між векторами потоку і МРС.

На рис. 5.30 приведена тимчасова векторна діаграма обмотки синхронізації. Поперечна складова МРС F_qп співпадає по фазі із струмом I_Н і відстає на кут ψ = 90° + φ від потоку Ф_В. Середнє значення синхронізуючого моменту рівне першому доданку виразу (5.13), оскільки середнє значення другого доданку за період рівне нулю:

де

На рис. 5.31 представлена залежність синхронізуючого моменту від кута розузгодження. Як випливає з малюнка, синхронізуючий момент рівний нулю при θ = 0 і θ = 180°.Точка θ = 0 називається істинним нулем і відповідає стійкій рівновазі ротора СП, а точка θ = 180" називається помилковим нулем і відповідає нестійкій рівновазі. Узгоджене положення СД і СП можливе тільки при θ = 0, оскільки при θ = 180° досить щонайменшого відхилення θ в ту чи іншу сторону, щоб ротор під дією виниклого

синхронізуючого моменту перейшов в стан стійкої рівноваги з θ = 0. Таким чином, сельсинна пара володіє самосинхронізацією в межах одного обороту.

У реальних сельсинах форма кривої Мс = f(θ) відрізняється від синусоїдальної, оскільки із зростанням кута розузгодження відбувається зміна Ф_m і ψ, яка пояснюється розмагнічуючим впливом подовжньої складової МРС і залежністю параметрів обмотки синхронізації від кута повороту.

Найважливішою характеристикою сельсина є питомий синхронізуючий момент, що характеризує крутизну початкової ділянки кривої синхронізуючого моменту:

Чим більше М_УД, тим при меншому вугіллі розузгодження буде здоланий момент тертя. При роботі без навантаження основна статична кутова погрішність сельсинної пари визначається моментом тертя СП і характеризує зону нечутливості, в межах якої ротор СП може займати будь-яке положення при одному і тому ж положенні ротора СД. Залежно від значення статичної погрішності сельсини ділиться на декілька класів точності. У сельсинів вищого класу точності статична погрішність не перевищує ±30º, у сельсинов нижчого класу досягає ±90º. Для сельсинов всіх класів точності погрішність СП більше погрішності СД. Погрішність СП визначається рядом чинників: питомим синхронізуючим моментом, моментом тертя, магнітною і електричною асиметрією. Погрішність СД обумовлена магнітною і електричною асиметрією. Різке зниження точності передачі сельсинної пари наступає при появі моменту навантаження на валу СП, оскільки по умові рівноваги момент навантаження долається статичним синхронізуючим моментом, що виникає тільки за наявності розузгодження. У деяких автоматичних системах СД обертається з постійною або змінною частотою обертання. Ротор СП при цьому слідує за ротором СД. Такий режим роботи сельсинної пари називається динамічним.

У динамічному режимі разом з трансформаторною ЕРС в обмотках синхронізації наводяться ЕРС обертання. Під дією цих ЕРС з'являються струми, які погіршують точність роботи сельсинів, зменшуючи їх синхронізуючі моменти. Динамічний синхронізуючий момент визначається по емпіричній формулі

де ω — кутова швидкість ротора приймача; р — число пар полюсів; f — частота живлячої мережі.

Ротор СП має певний момент інерції, тому при швидких змінах положення ротора СД виникають коливання ротора СП близько нового узгодженого положення. Для швидкого затухання виникаючих коливань всі індикаторні СП забезпечуються демпфуючими пристроями — електричними або механічними. Електричне демпфування здійснюється за допомогою короткозамкненого контуру на роторі або магнітоелектричного пристрою. Механічні демпфери бувають фрикційними або пружинними.

У більшості суднових автоматичних систем контролю (покажчиках положення пера керма, репітерах гірокомпаса і т.д.) застосовують багатократні схеми включення, коли до одного СД під’єднується n СП, обмотки синхронізації яких підключені паралельно обмотці синхронізації СД. При такому підключенні струм у фазі обмотки синхронізації СП рівний

(5.14)

де I_П, I_Д, Е_П, E_Д, Z_П, Z_Д — струм, ЕРС і опір фази обмотки СП і СД відповідно.

З (5.14) видно, що струм фази СП в n раз менше струму фази СД. Максимальний синхронізуючий момент СП пропорційний МРС і, отже, струму фази СП, тому зменшення струму фази СП призводить до зменшення максимального синхронізуючого моменту, що викликає зростання погрішності. Для збереження значення максимального синхронізуючого моменту СП необхідне, щоб СД був в n раз могутніше за кожне СП, тобто опір фази обмотки синхронізації СД повинен бути в n раз менше опору фази обмотки синхронізації кожного СП.

Трансформаторний режим роботи. Трансформаторний режим роботи сельсинів застосовується для дистанційної передачі кутових переміщень при значному моменті опору. На рис. 5.32 показана схема стежачої автоматичної системи з сельсинами, працюючими в трансформаторному режимі. Система складається з сельсина-датчика СД і сельсина-приймача СП, фазочутливого підсилювача ФЧУ і виконавчого двигуна ИД, вал якого механічно сполучений з ротором сельсина-приймача СП. У трансформаторному режимі обмотка збудження датчика живиться від мережі змінного струму і служить для створення пульсуючого магнітного потоку. Обмотки синхронізації приймача і датчика сполучені лінією зв'язку. З обмотки збудження приймача знімається вихідний сигнал — ЕРС змінного струму, яка залежить від кута розузгодження θ. Обмотка збудження приймача є вихідною обмоткою сельсинної пари. Під дією пульсуючого магнітного потоку у фазах обмотки синхронізації датчика наводяться ЕРС взаємоіндукції, які визначаються з виразу (5.11). Обмотка синхронізації приймача є симетричним пасивним навантаженням для обмотки синхронізації датчика. Під дією ЕРС у фазах обмоток синхронізації протікатимуть струми. Нехтуючи опором лінії зв'язку і позначивши через Z опір кожної фази, знайдемо значення струмів:

На відміну від індикаторного режиму роботи в трансформаторному режимі по обмотці синхронізації завжди проходять струми. Сума струмів, як і в індикаторному режимі, рівна нулю. Струми, проходячи по фазах обмоток синхронізації, створюють МРС, які визначаються з виразу (5.12). Для визначення результуючої МРС спочатку знайдемо її подовжню і поперечну складові. Проектуючи МДС фаз на подовжню і поперечну осі сельсина і складаючи одержані складові, знаходимо відповідно подовжню і поперечну складові результуючої МРС для датчика:

Таким чином, результуюча МРС датчика містить тільки подовжню складову, яка має постійне значення і не залежить від кута розузгодження.

Відповідні МРС фаз приймача і датчика розрізняються лише знаком. Для подовжньої і поперечної складових результуючої МРС приймача одержуємо вирази

Результуюча МРС

(5.17)

Як випливає з (5.15), (5.16), (5.17), результуюча МРС обмотки синхронізації є просторовим вектором постійної величини, який повертається в просторі на кут, рівний куту розузгодження. Різні знаки в правих частинах виразів (5.15), (5.16) свідчать про те, що вектор F_П обертається убік, протилежну обертанню ротора датчика. Якщо загальмувати ротор приймача і повернути ротор датчика на деякий кут, то результуюча МРС, залишаючись постійною по модулю, обернеться на той же кут в протилежну сторону. Якщо загальмувати ротор датчика, а повертати ротор приймача, то МРС F_П буде повертатися в просторі разом з обмоткою синхронізації.

Результуюча МРС і її складові створюють відповідні магнітні потоки. Якщо вихідна обмотка розташована по подовжній осі, то в ній наводитиме ЕРС подовжня складова магнітного потоку. Вихідна ЕРС змінюватиметься залежно від кута розузгодження по такому ж закону, як і подовжня складова потоку:

Подібна залежність вихідного сигналу від вхідного незручна для практичного використовування, оскільки максимальний вихідний сигнал відповідає нульовому значенню вхідного сигналу. Звичайно в автоматичних системах регулювання вимагається, щоб при нульовому значенні вхідного сигналу вихідний сигнал дорівнював нулю. Тому узгодженим положенням сельсинів в трансформаторному режимі вважають таке положення, при якому ротор або статор сельсина-приймача зміщений на 90° відносно ротора або статора сельсина-датчика. В цьому випадку у вихідній обмотці ЕРС наводиться поперечній складовій магнітного потоку і тому

Н а рис, 5.33 показана залежність вихідної напруги сельсинів в трансформаторному режимі від кута розузгодження. Зміна знаку кута розузгодження призводить до зміни фази вихідної напруги на 180". Вихідна напруга в стежачій системі подається на фазочутливий підсилювач ФЧУ (див. мал. 5.32). Знак напруги, що знімається з виходу ФЧУ, залежить від фази вихідної напруги сельсинної пари. Напруга з ФЧУ подається на виконавчий двигун ИД, який, впливаючи на об'єкт регулювання, одночасно повертає ротор сельсина-приймача у відповідну сторону. Після повороту сельсина-приймача на кут α_П = α_Д вектор магнітного потоку Ф_П буде перпендикулярний до осі вихідної обмотки і вихідна напруга стане рівною нулю. Для отримання строгої синусоїдальної залежності E_ВЫХ = f(θ) необхідне, щоб магнітний потік розподілявся уздовж повітряного зазору по синусоїдальному закону. Сельсини, працюючі в трансформаторному режимі, звичайно мають неявнополюсну магнітну систему. Залежно від значення статичної погрішності сельсини в трансформаторному режимі ділиться на декілька класів точність. У сельсинів вищого класу точності погрішність не перевищує ± 1', а у сельсинів нижчого класу досягає ±18'. Менша погрішність сельсинів в трансформаторному режимі в порівнянні з індикаторним пояснюється тим, що в трансформаторному режимі погрішність визначається тільки магнітною і електричною асиметрією сельсинів, а не значенням моменту тертя. Сельсин-приймач споживає енергію не від мережі (на відміну від індикаторного режиму роботи), а від сельсина-датчика, що призводить до обмеження кількості приймачів, яке може бути підключене до одного датчика. При збільшенні кількості приймачів відбувається перегрів датчика. Динамічні властивості сельсина-датчика відповідають властивостям безінерційної ланки.

У деяких суднових автоматичних системах регулювання сельсини використовуються як датчики кутових переміщень. На рис. 5.34 показана схема включення сельсина, службовця для управління рульовим електроприводом в простому режимі роботи авторульового. Якщо змінити початкове положення ротора сельсина на -60°, то для ЕДС фаз обмотки синхронізації можна написати наступні вирази:

Криві ЕДС E₁, Е₂, Е₃ показані на рис. 5.35.

Сельсин є джерелом змінної напруги, що змінюється у функції положення його ротора, який механічно пов'язаний з штурвалом управління рульовим електроприводом. Напруга з сельсина через випрямлячі VD1, VD2 (див. рис. 5.34) подається на резистори R1 і R2, де відбувається порівняння відповідних випрямлених напруг. Конденсатори С1 і С2 служать для згладжування пульсації цих напруг. Випрямлена вихідна напруга знімається з точок а, б і служить для живлення обмотки управління ОУ електромашинного підсилювача. За відсутності випрямлячів вихідна напруга була б рівна

Відповідно до (5.18) Uаб = 0 при φ = 0 (див. рис. 5.35).

З урахуванням дії випрямлячів вихідна напруга змінюватиметься по іншому закону. При зміні кута φ від 0 до ±30° Uaб змінюється відповідно до (5-18) (рис. 5.36). При зміні кута від 30 до 90º напруга Е₂, завдяки дії випрямляча BD1, не міняє свого знаку порівняно з попереднім діапазоном, тому для даної ділянки можна записати наступний вираз:

Аналогічно, завдяки дії випрямляча VD2, для ділянки від -30 до -90° справедливий вираз Uаб = — Eн cosφ.

П ідключення резисторів R1 і R2 призводить до зміни вихідної напруги, практично не міняючи функціональну залежність його від кута повороту. При φ = 0, 90, 180, 270 і 360° Uаб=0 (рис.5.36).

Ц им значенням кута повороту відповідають рівні падіння напруги на резисторах Rl, R2. Нульове положення сельсинів звичайно вибирають при куті, рівному 90% оскільки при даному значенні кута ЕРС третьої фази рівна нулю і схема працює з мінімальними втратами. Як видно з розглянутої схеми (див. рис. 5.34), третя фаза не робить впливу на вихідну напругу. Але через внутрішнє з'єднання фаз обмотки синхронізації сельсина використовується описана схема.

При розгляді роботи сельсинів не враховувався опір кабельної лінії, який в деяких випадках може привести до виникнення додаткової погрішності.

Різна довжина кабельних ліній від джерела живлення до обмоток збудження датчика і приймача може викликати появу зрівняльного струму між обмотками синхронізації в узгодженому положенні сельсинів, а збільшення довжини кабельної лінії між обмотками синхронізації призводить до зниження струму в обмотках і, отже, до зменшення точності передачі.

У трансформаторному режимі роботи сельсинів збільшення кабельної лінії між обмотками синхронізації призводить через зниження струму до зменшення вихідний ЕРС.