Глава №15: Электрические машины систем синхронной связи

Вопрос №1: Что называется электрической системой синхронной связи?

Синхронная связь – электрическая связь, которая обеспечивает одновременное вращение или одновременный поворот двух или нескольких механически не связанных, находящихся на расстоянии друг от друга осей механизмов. В технике основные виды систем синхронной связи: система синхронного вращения, система синхронного поворота. Система синхронного вращения – применяются там, где надо осуществить синхронное вращение двух или нескольких находящихся на расстоянии друг от друга осей механизмов, имеющих значительные моменты сопротивления. Осуществляются с помощью АД с фазным ротором. Обмотки роторов двигателей в этом случае соединяются друг с другом, обмотки статоров питаются от одной и той же сети трёхфазного тока. Система синхронного поворота – применяются для целей дистанционного управления, регулирования и контроля. Чаще всего они осуществляются с помощью небольших индукторных машин – трёхфазных или однофазных сельсинов. В автоматике используются две системы синхронной связи: индикаторная и трансформаторная. Индикаторная система синхронной связи – применяется там, где момент сопротивления на ведомой оси мал по величине или совсем отсутствует. В индикаторной системе сельсин-приёмник самостоятельно отрабатывает угол, задаваемый сельсином-датчиком. Трансформаторная система синхронной связи – применяется там, где на ведомой оси имеется значительный момент сопротивления. В трансформаторной системе принимающий сельсин отрабатывает задаваемый сельсином-датчиком угол не самостоятельно, а с помощью механически или электрически связанного исполнительного двигателя.

Вопрос №2: Опишите виды конструктивного исполнения сельсинов.

Трёхфазные сельсины – конструктивно не отличаются от обычных асинхронных машин с фазным ротором. Простейшая трёхфазная система синхронной связи представляет собой соединение двух одинаковых сельсинов: приёмника и датчика. Сельсины включаются в сеть переменного тока своими первичными обмотками, которыми могут быть как обмотки статора, так и обмотки ротора. Концы соответствующих фаз вторичных обмоток обоих сельсинов соединяются друг с другом.

В зависимости от порядка следования фаз приёмника и датчика сельсины в одном или разных направлениях. Системы передачи угла, осуществлённые с помощью трёхфазных сельсинов, не получили широкого распространения вследствие их недостатков – неравенства синхронизирующих моментов при вращении роторов по полю и против поля, малой динамической устойчивости и необходимости трёхфазной сети. Однофазные сельсины – это обычно небольшие индукционные машины, которые имеют однофазную обмотку возбуждения и трёхфазную обмотку синхронизации.

Однофазные сельсины делятся на индикаторные и трансформаторные в зависимости от систем, для работы в которых они предназначены, хотя принципиально любой сельсин может работать в обеих системах. Кроме обычных однофазных сельсинов в системах синхронной связи применяются ещё так называемые дифференциальные сельсины с трёхфазными обмотками на статоре и роторе. По конструкции сельсины делятся на контактные, имеющие скользящие контакты – кольца и щётки, и бесконтактные, не имеющие колец. Также используются магнитоэлектрические машины – магнесины, совмещённые сельсины – двигатели и поворотные трансформаторы. Сельсины делаются на 50, 400, 500 Гц.

Вопрос №3: Укажите дост-ва и недостатки бесконтактных сельсинов.

У контактных сельсинов основной недостаток – наличие кольцо - щёточного аппарата. Логично предположить, что бесконтактные сельсины лишены данных недостатков, а, следовательно, имеют большую надёжность и, производное от этого – большую долговечность в работе. К недостаткам можно отнести – более сложную конструкцию машины, не всякое предприятие или просто потребитель сможет заменить более дешёвые и простые в обслуживании контактные сельсины на бесконтактные. Также имеет место некоторая инерционность. Бесконтактные сельсины сложнее рассчитывать.

Вопрос №4: Каков принцип действия индикаторной системы синхронной связи?

Простейшая индикаторная система синхронной связи для дистанционной передачи угла состоит из двух одинаковых сельсинов и линии связи.

ОВ обоих сельсинов подключаются к однофазной сети переменного тока. Концы фаз обмотки синхронизации приёмника соединяются линией связи с концами фаз обмотки синхронизации датчика. Переменный ток ОВ сельсинов создаёт магнитный поток, который индуцирует в обмотках синхронизации сельсинов ЭДС. Значение ЭДС обмоток зависят от пространственного расположения относительно ОВ. Если фазы ОС датчика и приёмника расположены одинаково относительно соответствующих ОВ, то в соединённых между собой линией связи ОС индуцируются одинаковые и встречно направленные ЭДС. Эти ЭДС уравновешивают друг друга, и в цепи ОС ток отсутствует. Такое расположение роторов – согласованное. Если ротор датчика поворотом на некоторый угол вывести из согласованного положения, то равновесие ЭДС, индуцированных в одноимённых ОС, нарушится. В линии связи появится ток. В результате взаимодействия этих токов с магнитными потоками ОВ возникнут вращающие моменты как в датчике, так и в приёмнике, которые будут стремиться привести роторы сельсинов в согласованное положение. Вращающие моменты, приложенные к роторам датчика и приёмника, в случае их равенства, будут равны по величине и разнонаправлены. Так как ротор датчика после поворота затормаживается, то поворачиваться до согласованного положения будет ротор приёмника. Величина синхронизирующего момента зависит от угла рассогласования и от параметров сельсинов.

Вопрос №5: Что такое удельный синхронизирующий момент и от чего он зависит?

Удельный синхронизирующий момент – это момент, приходящийся на 1 градус угла рассоглосования. Удельный синхронизирующий момент является важным фактором, определяющим статическую точность работы индикаторных сельсин - приёмников. Выражение удельного синхронизирующего момента: M_уд=(с₁/f)*(E²_фm*x`<sub>q</sub>/(r`²_q+x`<sup>2</sup><sub>q</sub>))*sin1==(с<sub>2</sub>/f)*(E<sup>2</sup><sub>фm</sub>*x`_q/(r`<sup>2</sup><sub>q</sub>+x`²_q)). Чем больше удельный синхронизирующий момент, тем круче кривая синхронизирующего момента в начальной её части, следовательно – сельсин умеет маленькую погрешность.

Как видно из рисунка при одинаковом моменте сопротивления погрешность первого сельсина меньше чем второго, имеющего меньший удельный синхронизирующий момент. Из выражения момента видно, что M_уд прямо пропорционален E²_фm, а E_фm прямо пропорциональна Ф – потоку сельсина, а Ф прямо пропорционален U – напряжению питания. Это значит, что M_уд прямо пропорционален U². Также имеет влияние частота, влияние от неё в обратной пропорциональности. Удельный синхронизирующий момент уменьшается при увеличении числа приёмников примерно по гиперболическому закону. M_удN= M_уд1*2/(1+N).

M_удN – удельный момент каждого из приёмников, работающих от одного датчика; M_уд1 - удельный момент приёмника при работе от датчика тет-а-тет. На удельный момент большое влияние имеют параметры линии связи.

Вопрос №6: В каких режимах могут работать ДС?

Статический режим работы: Ротор отрабатывает некоторый угол, заданный датчиком.

Динамический режим работы. В целом ряде систем автоматики ротор сельсин - датчика не поворачивается на некоторый угол, как это происходит в статическом режиме работы, а непрерывно вращается с постоянной или переменной угловой скоростью. Ротор сельсин - приёмника при этом следует за ротором датчика.

Вопрос №7: Объясните принцип действия сельсинов в трансформаторном режиме.

Простейшая трансформаторная система состоит из двух сельсин - приёмников и датчика, соединённых линией связи, усилителя и исполнительного двигателя, вал которого механически соединён с валом сельсина-приёмника (обратная механическая связь). Принцип действия состоит в следующем. При выводе ротора сельсин - датчика из согласованного режима на выходной обмотке сельсин - приёмника появляется напряжение U_вых. Это напряжение подаётся на вход усилителя, и, после преобразования его усилителем, попадает на обмотку управления исполнительного двигателя. Ротор двигателя начинает вращаться, поворачивая при этом ротор сельсин - приёмника, с которым он механически связан. Вместе с ротором приёмника поворачивается в пространстве и его магнитный поток Ф_п; изменяется потокосцепление с выходной обмоткой и её ЭДС. Роторы двигателя и сельсин - приёмника поворачиваются до тех пор, пока ротор сельсин - приёмника не повернётся на заданный датчиком угол и сельсины не займут согласованного положения, в котором поток перпендикулярен оси выходной обмотки ОВ_п и выходное напряжение, а, следовательно, и напряжение на усилителе и на обмотке управления исполнительного двигателя, равны нулю. По проводам линии связи всегда протекают токи. Сельсин - приёмники питаются не от сети, а от обмотки синхронизации датчика.

Вопрос № 8: Что такое удельное выходное напряжение и от чего оно зависит?

Удельное выходное напряжение – напряжение при угле рассогласования в 1 градус. Данный параметр определяет качество работы сельсинов, в частности определяет чувствительность всей системы. Зависит от числа витков выходной обмотки прямо пропорционально, но этот способ увеличения U_уд не всегда рационален ибо увеличение числа витков ведёт на путь увеличения собственного сопротивления выходной обмотки, следовательно, к увеличению внутреннего падения напряжения на ней, к падению выходной мощности, что приводит к увеличению коэффициента усиления и в конечном итоге к увеличению габаритов и даже стоимости!

Вопрос №9: Назовите факторы, влияющие на точность работы сельсинов в индикаторном и трансформаторных режимах.

Индикаторный режим.

1. Удельный синхронизирующий момент М_уд – момент, приходящийся на 1⁰ рассогласования.

2. Момент сопротивления на валу приёмника М_с.

3. Добротность сельсина Д – отношение удельного синхронизирующего момента к моменту трения Д=М_уд/М_т.

4. Магнитная или электрическая нессиметрия.

5. Небаланс ротора.

6. Время успокоения – время, в течении которого успокаивается ротор приёмника после рассогласования на 179⁰.

7. Точность сельсин – датчиков, режим работы.

Трансформаторный режим.

1. Значение остаточного напряжения – напряжения на выходной обмотке сельсин – приёмника в согласованном положении, когда магнитный поток приёмника перпендикулярен оси выходной обмотки.

2. Удельное выходное напряжение – напряжение при угле рассогласования в 1 градус.

3. Удельная выходная мощность Р_уд – максимальная мощность, которую может отдать выходная обмотка приёмника при угле рассогласования в 1⁰.

4. Магнитная или электрическая нессиметрия.

5. Сопротивление линии связи.

6. Количество приёмников, работающих от одного датчика.

7. Частота вращения роторов.

Вопрос№10: Объясните принцип работы систем синхронной связи на магнесинах.

В тех случаях, когда датчик и приёмник находятся на небольшом расстоянии друг от друга и вал приёмника не нагружен, системы синхронной связи осуществляют с помощью бесконтактных электрических машин – магнесинов. Магнесин состоит из тороидального статора без пазов, набранного из листов электротехнической стали. На статоре располагается кольцевая однофазная обмотка, питающаяся от сети переменного тока. Обмотка имеет две отпайки. Углы между ними, а также между отпайками и концами обмоток равны 120⁰. Ротор – постоянный цилиндрический магнит.

В магнесине два потока. Ф₁ создаётся переменным током однофазной обмотки, поступающим из сети. Он замыкается по тороиду статора и изменяется с частотой сети. Ф₂ создаётся постоянным магнитом ротора и замыкается по ротору и тороиду статора. При питании статора тороид статора то насыщается, когда Ф₁ максимален, то ненасыщен, когда поток минимален. За один период статор дважды насыщается. Магнитное сопротивление статора пропорционально двойной частоте сети. При изменении магнитного сопротивления тороида Ф₂ тоже изменяется с той же двойной частотой. Ф₂ наводит в обмотках статора ЭДС, значение которых зависит от положения ротора. По обмоткам магнесина и проводам линии связи протекают токи двойной частоты. МДС обмоток, взаимодействуя с Ф₂ магнесинов, создают синхронизирующий момент. Токи, поступающие от источника питания и изменяющиеся с двойной частотой, в проводах линии связи отсутствуют. Объясняется тем, что одноимённые отпайки обмоток и концы обмоток по отношению к напряжению сети являются равнопотенциальными точками.