2919

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» (ННГАСУ)

Кафедра технологии строительства

В. П. Костров

Приборы и устройства в системах автоматического управления

Учебно-методическое пособие к лабораторным работампо дисциплине «Теория автоматического управления» для обучающихся по направлению подготовки 13.03.01Теплоэнергетика и теплотехника, профиль – Промышленная теплоэнергетика

Нижний Новгород

2016

УДК 666.97.62

Костров В.П. Приборы и устройства в системах автоматического управления, [электронный ресурс]: учеб. – метод. пос. / [В. П. Костров]: Нижегор. гос. архитектур. – строит. ун-т – Н. Новгород: ННГАСУ, 2016 -22 с. электрон. опт. диск (CD – RW)

Дается краткое изложение конструкции устройств в системах автоматического управления и необходимые теоретические сведения, приводится порядок выполнения лабораторных работ и контрольные вопросы.

©В.П. Костров

©ННГАСУ, 2016

\

Лабораторная работа № 33

Исследование сельсинов в индикаторном и трансформаторном режимах Цель работы: ознакомление с устройством и принципом действия

сельсинов, изучение возможностей применения сельсинов в качестве элементов измерительных и следящих автоматических систем.

Назначение, устройство и принцип действия сельсинов

Сельсины - специальные маломощные электрические машины переменного тока, предназначенные для использования в качестве датчиков и приемников в системах синхронной передачи угла поворота на большие расстояния посредством электрической линии связи.

Такая передача бывает нужна для контроля и управления работой различных машин и механизмов, а также для дистанционного наблюдения за показаниями измерительных приборов.

Встроительной индустрии сельсины применяются, например, при автоматизации дозирования компонентов бетонкой смеси. В этом случае с помощью сельсинов определяется положение стрелки массоуказательного прибора дозатора; при достижении стрелкой отметки заданной массы компонента бетонной смеси вырабатывается команда на прекращение подачи материала в весовой бункер. Иногда в дозаторных установках сельсины применяются для дистанционной передачи показаний массоизмерительных приборов на пульт оператора.

Сельсины применяются также для определения уровня сыпучих материалов (песка, цемента) в силосах и бункерах. В этом случае ротор сельсина-датчика вращается от барабана. На барабан намотан трос, на конце которого укреплен груз (лот), опирающийся на поверхность материала. При

изменении уровня груз перемещается, через трос вращается барабан и соединенный с ним ротор сельсина-датчика. Сельсин-приемник служит устройством отсчета уровня.

Сельсины могут использоваться в системах автоматического регулирования соотношения газ/воздух в печах и котельных установках. В таких системах имеет место слежение с помощью сельсинов регулирующей заслонки расхода воздуха за заслонкой расхода газа.

В данной работе исследуются сельсины, имеющие однофазную статорную обмотку и трехфазную, состоящую из трех секций, или фаз, обмотку ротора. Отдельные фазы обмотки ротора расположены на роторе относительно друг друга под углом 120° и соединены звездой, причем начала фаз подключены к трем контактным кольцам, находящимся на валу ротора. При помощи неподвижных щеток, скользящих по кольцам, производится подключение подвижной обмотки ротора к неподвижной внешней цепи. Кроме такой контактной конструкции, широко распространены разработанные в СССР бесконтактные сельсины.

Если однофазную обмотку статора включить в сеть синусоидального переменного напряжения частоты ω =2πf(рис.1), то переменный ток в ней возбудит в магнитопроводе машины переменный магнитный поток. В фазах обмотки ротора под действием этого потока наводятся переменные э. д. с. Е1, Е2, Е3. Амплитуда э. д. с. каждой фазы (секции) обмотки ротора зависит от угла поворота оси этой секции по отношению к оси обмотки возбуждения (например, угла αД для 1-й фазы). Максимальная амплитуда э. д. с. будет при совпадении направлений этих осей, а если они находятся под углом 90° или 270°, то э. д. с. в данной фазе равна нулю. Фазовый сдвиг этой э. д. с.

Рис.1 Схема включения сельсина-датчика с однофазным статором и трехфазным ротором

относительно напряжения на обмотке статора при переходе через положения αД = 90° и αД = 270° изменяется на 180°. Таким образом, если

Е1=EmCosαД,

то, благодаря сдвигу осей секций обмотки ротора на120°,

Е2=EmCos(αД +120°) ;

Е3=EmCos(αД +240°) .

К примеру, для случая, показанного на рис.1(αД = 30°),

Е1=EmCos30° ;

Е2=EmCos150° =EmCos30° );

Е3=EmCos270° =0.

Сельсин, следовательно, можно рассматривать как трансформатор с трехсекционной поворотной вторичной обмоткой, амплитуды и фазы э. д. с. в секциях которой зависят от угла поворота ротора.

Система дистанционной передачи угловых перемещений состоит из сельсина-датчика (СД), линии связи и одного или нескольких сельсиновприемников (СП).

Сельсин-датчик преобразует неэлектрическую величину (угол поворота ротора) в электрическую (напряжение или ток).

Сельсин-приемник переданный по линии связи электрический сигнал от датчика в угловое перемещение ведомого вала или вырабатывает сигнал рассогласования положений ротора СП и ротора СД. В соответствии с этим различают два режима работы сельсинов: индикаторный режим и трансформаторный режим.

Работа сельсинов в индикаторном режиме

Такой режим используется в тех случаях, когда нужна синхронная передача лишь информации об угловых перемещениях, например, в системах дистанционного измерения и контроля.

Принципиальная схема соединения СД и СП в индикаторном режиме приведена на рис.2.

Статорные обмотки СД и СП включены в общую сеть переменного тока, а обмотки роторов соединены между собой встречно. Ротор СД связан с валом механизма М, информацию об угловых положениях которого требуется передать на расстояние, а на оси ротора СП укреплена стрелка показывающего прибора ПП. Линия связи позволяет удалить СП от СД на большие расстояния (до нескольких километров).

Рис.2 Схема соединения сельсинов в индикаторном режиме

Пусть в качестве СД и СП используются одинаковые машины, и токи возбуждения I в обмотках статоров этих машин одинаковы. Тогда, если фазные обмотки роторов СД и СП расположены одинаково по отношению к своим статорным обмоткам (αД = αП), то сумма э. д. с. в каждом из трех контуров, образованных фазными роторными обмотками и проводами линии связи, будет равна нулю, и токи в этих контурах отсутствуют. Такое состояние есть состояние устойчивого равновесия.

Если ротор СД повернуть на угол θД от положения равновесия и закрепить в новом положении (например, повернулся вал контролируемого механизма), то э. д. с. в одноименных фазных роторных обмотках СД и СП

не будут одинаковы, в контурах роторов возникнут токи, взаимодействие которых с потоками возбуждения приведет к появлению в обеих машинах вращающих моментов, стремящихся повернуть роторы СП и СД к положению равновесия. Закрепленный ротор СД останется неподвижным, зато малонагруженный ротор СП повернется на угол θП, близкий кθД.

Величина вращающего момента, действующего на ротор СП, пропорциональна квадрату тока возбуждения (поскольку от тока возбуждения зависит ток ротора и поток возбуждения) и зависит от угла рассогласования

θ=αП - αД :

М= К I2B Sinθ,

где К - постоянный коэффициент.

Точность индикаторной системы передачи угла поворота характеризуется

гдеΔθ1 и Δθ2-максимальные ошибки передачи при вращении датчика соответственно по часовой стрелке и против нее, обусловленные главным образом, ассиметрией электрических и магнитных цепей, эллиптичностью и несбалансированностью роторов, трением в подшипниках и контактных кольцах СП.

Для СП I класса погрешность передачи Δθ составляет не более ±0,75°, II

класса ±1,5°, III класса ±2,5°.

Работа сельсинов в трансформаторном режиме При дистанционном управлении в ряде случаев механическая нагрузка по

приведению в движение регулирующего органа или другого механизма велика по сравнению с моментом, развиваемым сельсином. В таких случаях СП лишь управляет следящим приводом, не имея на своем валу механической нагрузки и являясь датчиком угла рассогласования.

В отличие от индикаторного режима, в трансформаторном режиме статорная обмотка не подключается к сети, а является выходной обмоткой датчика угла рассогласования. Схема соединения сельсинов в трансформаторном режиме приведена на рис.3.

Рис.3 Схема соединения сельсинов в трансформаторном режиме для автоматического дистанционного управления поворотом вала механизма

Если угол рассогласования равен 90° или 270°, то магнитный поток, образованный токами обмоток ротора СП, перендикулярен к оси статорной обмотки СП,и э. д. с.вней не возникает.

Отклонение ротора СП (или ротора СД)от этого положения приводит к появлению э. д. с.ЕП,амплитудакоторой будет зависеть от величины

отклонения.Изменениенаправления поворота ротора СП (или СД) от положения θ = 90° ( или 270°) сопровождается изменением фазы э. д. с. 180°:

ЕП=EmпCosθ.

Это напряжение усиливается усилителем и может служить для управления приводом реверсивным двигателем, приводящим во вращение через редуктор вал ведомого механизма, сопряженный с ротором СП.

На рис.3 показанасхема дистанционной следящей системына сельсинах.

Задающий прибор ЗП связан с осью ротора СД. Реверсивный двигатель не работает, еслиθ = 90° .Всякое небольшое отклонение от этого взаимного положения (вызванное изменениемположения ЗП или изменением положения вала механизма) приведётк появлению напряжения на обмотке реверсивного двигателя, это вызовет вращение вала двигателя, направленное к восстановлению прежнего положения равновесия (θ = 90°). При достаточно медленном вращении вала ЗП синхронно и практически синфазно с ним будет вращаться и вал механизма.

В лабораторной работе исследуются сельсины: Сельсин-датчик СД типа ДИ-404: 1В = 0,42 А,

= 110 В, 50 Гц, I класса точности.

Сельсинприемник СП типа СС-404: 1В = 0,42 А, = 110 В, 50 Гц, II класса точности.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с конструкцией сельсинов.

Найти обмотки статора, ротора, контактные кольца, щетки. 2. Исследовать зависимость э. д. с. ротора от угла поворота.

Включить СД по схеме рис.1, установив переключатель в положение I. Включить автомат А4 на щите питания, установить резистором Rток возбуждения IВ = 0,4А. Снять показания вольтметров V1 ,V2, V3 в зависимости от угла αД поворота ротора СД и занести их в таблицу 1.