3. Сельсины и вращающиеся трансформаторы как датчики угла и рассогласования

В автоматизированном электроприводе сельсины и вращающиеся трансформаторы используются как датчики угла и рассогласования. Датчик угла преобразует угловую координату в напряжение, которое определяет сигнал обратной связи по углу перемещения объекта или сигнал управления в задающих устройствах. Датчик угла рассогласования образуется двумя датчиками угла, один из которых является командным, а другой – исполнительным. Задание на движение системы может выполняться с помощью датчика угла рассогласования, угловой координатой которого является угол поворота командной оси. Разность сигналов между командной и исполнительной осью используется как сигнал управления системой.

Сельсин представляет собой маломощную машину переменного тока с однофазной обмоткой возбуждения и трехфазной обмоткой синхронизации. Конструктивно выделяются контактные и бесконтактные сельсины. Основное исполнение первых – обмотка возбуждения расположена на роторе, а обмотка синхронизации – на статоре. Этим достигается уменьшение числа контактных колец до двух и исключаются контакты на синхронизирующей связи. Бесконтактные сельсины реализуются двумя способами. При первом способе благодаря специальной конструкции магнитопровода ротора неподвижная кольцевая обмотка возбуждения создает в роторе поток, поворачивающийся вместе с ротором. При втором – обмотка ротора получает питание от вращающейся совместно с ротором вторичной обмотки кольцевого трансформатора возбуждения с неподвижной первичной обмоткой.

Рисунок 38 – Координаты (а) и схема (б) сельсина

В схемах датчиков угла входная координата сельсина – угол поворота его ротора , а выходная координата – амплитуда U_вых..m или фаза  выходного напряжения (рис.4) по отношению к опорному напряжению.

В амплитудном режиме U_вых..m = f() обмотка возбуждения получает питание от сети переменного тока. Тогда напряжение обмотки возбуждения U_в равно по отношению к амплитудному U_в..m:

. (38)

Магнитный поток, действующий по осевой линии обмотки возбуждения, наводит фазные ЭДС «е» в обмотке статора (рисунок 38б):

,

,

,

где k_т – коэффициент трансформации между фазной статорной и роторной обмотками при их соосном положении.

Характеристика управления сельсина в амплитудном режиме после преобразований и предварительном повороте сельсина на 90⁰ имеет вид:

, (39)

где E_у – ЭДС управления.

В режиме фазовращателя характеристика управления имеет вид:  = .

Основные характеристики сельсина как датчика и приемника:

; ; ; ; , (40)

где М_ст – статический вращающий момент сельсина; m_уд – удельный синхронизирующий момент; m_тр – момент трения; m_р – реактивный момент сельсина вследствие магнитной и электрической асимметрии сельсинов датчика и приемника; _ст – статическая ошибка; А – добротность сельсина.

При выборе параметров сельсинов важными факторами являются напряжение возбуждения (до 110 в), частота питающей сети, класс точности. Максимальная погрешность сельсинов-приемников составляет: в классе точности 1 -  0,75; в классе точности 2 - 0,75…1,5; в классе точности 3 - 1,5 …2,5. Для сельсинов-датчиков в этих же классах точности: 25; 25…0,5; 0,5…1,0.

Рисунок 39 – Схема (а) и векторная диаграмма (б) СКВТ

Для увеличения точности углового датчика на базе сельсина разработаны синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы (СКВТ). На статоре и роторе СКВТ расположены по две обмотки. На неявнополюсном статоре – обмотка возбуждения по продольной оси и квадратурная обмотка управления по поперечной оси. На роторе – синусная и косинусная обмотки. Обмотка возбуждения питается от однофазной сети и организует пульсирующий магнитный поток, пронизывающий обмотки ротора.

В амплитудном режиме для косинусной обмотки, расположенной по оси d, и синусной – по оси q имеем:

, , (41)

где E_m – амплитуда ЭДС.

В режиме фазовращателя обмотки статора получают питание от источника двухфазного напряжения. Образующееся при этом круговое поле наводит ЭДС в обмотке ротора, фаза которой линейно изменяется при повороте ротора. Характеристика управления в режиме фазовращателя имеет вид:  = ^, где ^ =  + /4. Максимальные угловые погрешности СКВТ от нулевого до третьего классов точности составляют от 4 до 22 минут.

Два сельсина или СКВТ образуют датчик угла рассогласования. При разных схемах соединения сельсинов или СКВТ можно получить индикаторный, трансформаторный или дифференциальный режим датчиков. Область использования – следящие системы.

В индикаторном режиме характеристика управления определяется разностью углов датчика и приемника с учетом статической ошибки сельсинов или СКВТ:

 =   _ст, где  = _дт - _пр.

Индексы «дт» и «пр» соответствуют датчику и приемнику.

В трансформаторном режиме:

, (42)

где k_дп – коэффициент, зависящий от параметров обмоток датчика и приемника; U_у – напряжение управления, полученное на выходе обмотки возбуждения сельсина-приемника или на квадратурной обмотке приемника СКВТ.

В дифференциальном режиме используются два датчика и один приемник. Приемник отрабатывает разность углов датчиков с учетом знака угла и организует угловую координату для функции управления:

 = _пр.д ; _пр.д = _сд1 - _сд2 , (43)

где _пр.д – угол поворота дифференциального приемника; _сд1 и _сд2 – углы поворота первого и второго датчиков.