Индукционные машины систем синхронной связи - сельсины

Общие положения

В различных отраслях промышленности, в системах автоматики и контроля часто возникает необходимость синхронного и синфазного вращения или поворота двух и более осей, механически не связанных друг с другом. Такие задачи решаются с помощью систем синхронной связи.

Различают два вида систем синхронной связи: синхронного вращения ("электрический вал"); и синхронного поворота ("передача угла").

В простейшем случае "электрический вал" может быть реализован на двух одинаковых асинхронных двигателях с фазным ротором, обмотки статора которых питаются от одной и той же сети трехфазного тока, а обмотки ротора соединены друг с другом (рис.5.1).

Рис. 5.1. Схема "электрического вала"

Системы передачи угла осуществляются с помощью специальных индукционных микромашин - сельсинов. С е л ь с и н а м и (от английского слова "selfsinchroniring") называются электрические микромашины переменного тока, обладающие свойством самосинхронизации.

Сельсины бывают трехфазные и однофазные. Т р е х ф а з н ы е сельсины конструктивно ничем не отличаются от асинхронных двигателей с фазным ротором. Однако они не получили большого распространения главным образом из-за неравенства синхронизирующих моментов при повороте ротора по полю и против поля.

О д н о ф а з н ы е сельсины конструктивно похожи на синхронные машины малой мощности, обмотка возбуждения которых питаются переменным током.

В системах автоматики "передача угла" осуществляется по двум, принципиально разным схемам: индикаторной и трансформаторной.

И н д и к а т о р н а я схема используется там, где на приемной оси небольшой момент статического сопротивления (стрелка, шкала прибора и т.п.). В этих схемах сельсин-приемник самостоятельно отрабатывает угол, заданный датчиком.

Т р а н с ф о р м а т о р н а я схема применяется в тех случаях, когда на приемной оси имеется значительный момент сопротивления. В таких схемах сельсин-приемник лишь управляет мощным силовым двигателем, осуществляющим поворот какого-то механизма.

Строго говоря, в каждой схеме должны использоваться свои сельсины: индикаторные или трансформаторные, хотя один и тот же сельсин может работать в любой из них.

Устройство сельсинов

Сельсины состоят из статора и ротора. Они имеют одну обмотку возбуждения и три, сдвинутых в пространстве на 120⁰ и соединенных в звезду, обмотки синхронизации. Сельсины бывают контактные и бесконтактные.

Рис.5.2. Конструктивные схемы контактных сельсинов

Магнитная система к о н т а к т н ы х сельсинов может быть неявнополюсной (рис.5.2, а,) или явнополюсной (рис.5.2, б, в). Обмотка возбуждения может располагаться как на роторе, так и на статоре. Первая конструкция более предпочтительна, т.к. имеет только два кольца вместо трех.

Большим недостатком контактных сельсинов является наличие скользящего контакта, переходное сопротивление которого может изменяться в довольно широких пределах. Это снижает точность передачи угла и уменьшает надежность работы систем синхронной связи.

Широкое распространение получили бесконтактные сельсины, не имеющие указанного недостатка.

Рис. 5.3. Конструктивная схема и магнитная цепь бесконтактного сельсина

Ротор-Р бесконтактного сельсина (рис.5.3) имеет два стальных пакета, разделенных немагнитным материалом - НМ (обычно сплавом алюминия). Пакеты ротора шихтованы в продольном направлении. Статор состоит из сердечника - С и двух колец - К. В пазах статора уложена обмотка синхронизации - ОС, выполненная по типу трехфазной. К кольцам примыкают пакеты внешнего магнитопровода - ВМ, то же шихтованных в продольном направлении. Обмотка возбуждения - ОВ выполнена в виде двух кольцевых катушек.

Магнитный поток, созданный обмоткой возбуждения, замыкается по пути, показанному на рис.5.3. Из одного пакета ротора он проходит через небольшой воздушный зазор в статор - С. Затем по его спинке проходит половину окружности и выходит в другой пакет ротора. Отражаясь от косого зазора, он по кольцу - К и внешнему магнитопроводу - ВМ снова попадает в первый пакет ротора. При повороте ротора изменяется положение потока возбуждения относительно обмоток синхронизации, поэтому ЭДС, индуцируемые в них, будут зависеть от угла поворота ротора так же, как и в контактном сельсине.

Недостатком бесконтактных сельсинов является худшее использование активных материалов. Их масса примерно в 1, 5 раза больше, чем контактных. Объясняется это большими воздушными зазорами, вследствие чего сельсины имеют значительные потоки рассеяния и большие намагничивающие токи.

Работа сельсинов в индикаторном режиме

Схема индикаторной связи приведена на рис. 5.4. Будем считать, что оба сельсина совершенно одинаковы и от одного датчика питается только один приемник.

Рис. 5.4. Индикаторная схема «передачи угла»

При питании обмоток возбуждения датчика и приемника переменным током возникают пульсирующие потоки возбуждения Ф_вд и Ф_вп, которые индуцируют в обмотках синхронизации ЭДС (Е_д1,..., Е_п3). Величина каждой ЭДС зависит от углового положения соответствующей обмотки относительно оси поля возбуждения. Если принять гармонический закон распределения индукции магнитного поля, то:

Здесь Е_m-максимальное значение ЭДС, которое получается при соосном положении обмотки синхронизации и обмотки возбуждения. Из рис. 5.4 видно, что в любой момент времени ЭДС одноименных фаз датчика и приемника направлены встречно. Если сельсины находятся в согласованном положении, ЭДС одноименных фаз датчика и приемника равны по величине и уравновешивают друга.

При повороте датчика на угол a_д равенство ЭДС нарушается. По обмоткам синхронизации и линиям связи протекают токи, которые, взаимодействуя с потоками возбуждения, создают моменты, в равной мере действующие на вал датчика и приемника. Поскольку датчик обычно фиксируется, приемник будет поворачиваться в ту же сторону и на такой же угол, ибо только при согласованном положении ЭДС вновь будут уравновешивать друг друга.

Найдем выражение синхронизирующего момента сельсинов.

Так как одноименные фазы датчика и приемника соединены встречно, то проходящий по ним ток:

где Z_ф-полное сопротивление обмотки синхронизации одного из сельсинов плюс половина сопротивления линии связи.

Подставляя значения ЭДС, учитывая, что

и обозначая разность углов поворота датчика и приемника a_д-a_пчерез угол рассогласования q, получим

Если один из сельсинов зафиксировать, а другой поворачивать на угол от 0⁰ до 360⁰, то зависимость токов от угла рассогласования будет иметь вид, показанный на рис.5.5. Из формул токов и рис. 5.5 видно, что при любом угле рассогласования сельсинов сумма токов равна нулю. Поэтому в линиях связи отсутствует нулевой провод.

Рис.5.5. Зависимость токов в обмотках синхронизации в функции угла рассогласования