2.6.3. Сельсинные датчики

Сельсины представляют собой малогабаритные самосинхронизирующиеся электрические машины переменного тока, сходные по конструкции с синхронными машинами. Сельсины бывают контактными и бесконтактными. В контактных сельсинах на статоре размещают однофазную, а на роторе – трехфазную обмотки или наоборот. В бесконтактных сельсинах на статоре размещают обе об мотки, а ротор выполняют специальной конструкции с немагнитной прослойкой.

Основными режимами работы сельсинов являются индикаторный и трансформаторный. В обоих режимах одновременно используют два сельсина – сельсин-датчик (СД) и сельсин-приемник (СП). Индикаторный режим применяют для контроля и дистанционной передачи угла поворота и различных величин (уровня, давления, толщины материала, натяжения и т. д.), преобразованных предварительно в угловое перемещение, в тех случаях, когда на выходе не требуется значительного вращающего момента. Трансформаторный режим применяют для преобразования угла рассогласования двух механических не связанных осей в выходное напряжение.

В индикаторном режиме однофазные обмотки возбуждения (ОВ) СД и СП включают в общую однофазную цепь переменного тока, а трехфазные обмотки синхронизации соединяют между собой одноименными зажимами (рис. 2.29, а). Между СД и СП имеются только электрические связи.

Переменный ток, протекающий по однофазным ОВ, создает в обоих сельсинах пульсирующие магнитные потоки Ф. Эти потоки индуктируют ЭДС в обмотках синхронизации СД и СП, действующие значения которых определяются по формулам:

(2.37)

а б

Рис. 2.29. Схемы включения сельсинов в индикаторном (а) и трансформаторном (б) режимах

При согласованном положении роторов обоих сельсинов (θ_д = θ_п) в одинаковых фазах СД и СП будут индуктироваться равные по величине ЭДС. Эти ЭДС уравновешивают друг друга, так как обмотки синхронизации включены встречно. Следовательно, тока в обмотках синхронизации сельсинов при θ_д = θ_п не будет и роторы обоих сельсинов будут неподвижны.

При повороте ротора СД на угол θ_д > θ_п в обмотках синхронизации сельсинов возникнут токи

I = ΔE / (2Ζ_ф),

где Е = Е_п – Е_д – результирующая ЭДС; Ζ_ф – сопротивление одной фазы.

Эти токи, взаимодействуя с магнитным потоком ОВ, обусловят возникновение вращающего синхронизирующего момента М_с, который повернет ротор СП на угол θ_п. Величина момента

М_с = M_max(). (2.38)

где М_mах – максимальный момент сельсина, определяемый его параметрами;  = θ_д – θ_п – угол рассогласования.

Моментно-угловая зависимость М_с = () является статической характеристикой сельсинной пары, работающей в индикаторном режиме (рис. 2.29, а). При малых углах рассогласования (θ < 30°) статическая характеристика линейна:

M_c = k,

где k = M_c /  – коэффициент передачи, Нм / град.

В случае, когда командная ось вращается с постоянной угловой скоростью, говорят о динамическом режиме работы системы синхронной передачи угла. При этом исполнительная ось вращается с той же скоростью и в том же направлении, что и командная ось. Синхронизирующий момент в динамическом режиме определяется согласно выражению

,

где n – частота вращения ротора сельсина-датчика в об/мин;

р – число пар полюсов машины (обычно р = 1);

f – частота питающего напряжения в Гц.

Точность дистанционной передачи сельсинными измерительными устройствами зависит от момента трения и нагрузки на валу. В зависимости от величины погрешности Δθ сельсины делят на три класса точности: Ι – Δθ = ±0,75°, II – Δθ = ±1,5°; III – Δθ = ±2,5.

В трансформаторном режиме работы сельсинов (рис. 2.29, б) угловое рассогласование между сельсинами ( = θ_д – θ_п) преобразуется в выходное напряжение. К сети переменного тока подключают только однофазную обмотку возбуждения СД, а однофазная обмотка СП, называемого сельсином-трансформатором (СТ), является выходной, с которой снимается напряжение U_вых. Пульсирующий магнитный поток Ф, создаваемый током ОВ сельсина-датчика, по-прежнему индуктирует Ε_1д, Е_2д, Е_3д в трехфазной обмотке, под действием которых в обмотках сельсинов возникают токи

I₁ = Ε_1д / 2Z; I₂ = Е_2д / 2Z; I₃ = Е_3д / 2Z. (2.39)

Эти токи создают в СТ магнитный поток Ф_т, направленный в зависимости от угла рассогласования под углом  = θ_д – θ_п к продольной оси выходной однофазной обмотки. В выходной обмотке наводится ЭДС E_вых  U_вых, являющаяся выходным сигналом: U_вых = U_max cos .

Так как нулевой отсчет соответствует сдвигу роторов СД и СП на 90°, то

U_вых = U_max cos ( + 90) = U_max sin . (2.40)

Зависимость U_вых = φ(θ) является статической характеристикой сельсинов в трансформаторном режиме. При малых углах рассогласования (sin   ) выходное напряжение U_вых = k, где k = U_вых/ – коэффициент передачи, В/град. Обычно для сельсинов U_{вых mах} = 50 – 100 В, k = 0,55 – 1,10 В/град. При повороте ротора СД в обратном направлении от согласованного (–_д) фаза выходного напряжения изменяется на 180°.

Сельсины, наряду с использованием в устройствах для преобразования и передачи угла поворота или вращения, применяются также в следящих системах.

В трансформаторном режиме (рис. 2.29, б) роторы сельсинов-трансформаторов СТГО и СТТО соединяют между собой так же, как и сельсины-приемники. Если ротор СДГО повернуть на угол θ_вх, то ротор СДТО повернется на угол iθ_вх, где i = 30 – 40 – передаточное число механического редуктора (обычно выбирают нечетное число i).

В динамическом отношении сельсины являются безынерционными элементами.