4 Курс / ЭФУСА / ЭФУСА. Авдеев

Рисунок 2.27 – Схема сельсинов при многократном приеме

Для того чтобы сохранить синхронизирующий момент приемников, выбирают сельсин-датчик в n раз мощнее сельсинов–приемников, т.е. сопротивление его обмотки синхронизации будет в n раз меньше сопротивления обмотки синхронизации каждого сельсина-приемника.

2.4.5 Дифференциальный режим включения

В системах дистанционной передачи угла применяются дифференциальные сельсины, назначение которых – воспроизводить угол поворота, равный сумме или разности углов, заданных двумя сельсинамидатчиками. Дифференциальный сельсин имеет две трехфазные обмотки, одна из которых расположена в пазах неявнополюсного статора, а другая – в пазах неявнополюсного ротора. Вывод обмотки ротора для подключения к внешней сети осуществлен посредством трех контактных колец и щеток. Рассмотрим принцип работы индикаторной системы дистанционной передачи угла, содержащей два сельсина-датчика СД1 и СД2, и один дифференциальный сельсин приемник СП–СД (рисунок 2.28). Допустим, что ротор дифференциального сельсина заторможен. При включении в сеть переменного тока обмоток возбуждения сельсинов-датчиков СД1 и СД2 создаются пульсирующие магнитные потоки ФВ1 и ФВ2. Поток ФВ1 наводит в обмотках фазы синхронизации датчика СД1 электродвижущие силы, под действием которых в цепи синхронизации этого сельсина появятся токи. Проходя по обмотке синхронизации дифференциального сельсина, эти токи создают МДС FДС1. При повороте ротора датчика СД1 на угол αД1 по часовой стрелке вектор МДС FДС1 повернется на такой же угол, но против часовой стрелки. Аналогичные процессы происходят и в цепи синхронизации обмоток датчика СД2 и дифференциального сельсина: при повороте ротора датчика СД2 на угол αД2 по часовой стрелке вектор МДС FДС2 обмотки ротора дифференциального сельсина также повернется на угол αД2, но против часовой стрелки. В итоге между векторами

61

МДС FДС1 и FДС2 дифференциального сельсина появится пространственный угол, равный разности углов, заданных датчиками СД1 и СД2.

~U

Рисунок 2.28 – Схема индикаторной системы дистанционной передачи с дифференциальным сельсином

В результате взаимодействия МДС FДС1 и FДС2 на роторе дифференциального сельсина возникает вращающий момент МД. Поэтому, если растормозить ротор дифференциального сельсина СП–ДС, то под действием момента МД ротор повернется на угол β так, чтобы векторы МДС FДС1 и FДС2 совпали по направлению и создали в магнитной системе дифференциального сельсина результирующий магнитный поток. Если роторы датчиков СД1 и СД2 повернуть на углы αД1 и αД2 в разные стороны, то ротором дифференциального сельсина будет воспроизведен угол поворота, равный разности заданных углов. Особенностью работы индикаторных систем с дифференциальными сельсинами является протекание токов в цепях синхронизации после отработки дифференциальным сельсином заданных углов, т.е. в согласованном состоянии.

2.5Вращающиеся трансформаторы

2.5.1Общие положения

Всистемах, где нужно точное измерение угловой координаты вместо сельсинов используют вращающие трансформаторы.

Вращающийся трансформатор (резольвер) – электрическая микромашина переменного тока, предназначенная для преобразования угла поворота в электрическое напряжение, амплитуда которого пропорциональна или является функцией (чаще всего, синус или косинус) угла или самому углу.

Взависимости от схемы включения вращающиеся трансформаторы могут использоваться в качестве:

62

–датчиков углового положения, реализующих синусную и/или косинусную зависимость от угла поворота ротора, а также, в ограниченных пределах, линейную зависимость;

–устройств масштабирования (согласования) напряжений;

–системах передачи угла высокой точности;

–фазовращателей;

–построителей, позволяющих производить преобразования систем координат (вращение и преобразование декартовой системы в полярную);

–аналого-цифровых преобразователях;

–датчиков обратной связи в следящих системах.

Вращающиеся трансформаторы являются двухполюсными (в основном) или многополюсными электрическими машинами. По конструкции аналогичны асинхронным электродвигателям с фазным ротором. Статор и ротор набираются из листов электротехнической стали. В пазы статора и ротора укладываются по две взаимно перпендикулярные обмотки.

Наибольшее применение получили двухполюсные вращающиеся трансформаторы с двумя парами одинаковых взаимно перпендикулярных обмоток: обмотки w1 и wK (C1–С2 и СЗ–С4) расположены на статоре; обмотки w2 и w3 (Р1 – Р2 и РЗ – Р4) – на роторе (рисунок 2.29).

Рисунок 2.29 – Принципиальные схемы вращающихся трансформаторов

Обмотка возбуждения (C1-С2) включается в сеть переменного тока, компенсационная обмотка С3-С4 замыкается накоротко или на резистор. Обмотки на роторе называют вторичными: синусная P1 - Р2 и косинусная Р3 - Р4. Электрический контакт с обмотками ротора осуществляется либо с помощью контактных колец и щеток (аналогично контактным сельсинам), либо посредством спиральных пружин. В последнем случае угол поворота ротора вращающегося трансформатора ограничивается максимальным углом закручивания спиральных пружин.

63

Принцип работы вращающихся трансформаторов основан на взаимной индуктивности между обмотками статора и ротора, которая изменяется в определенной функциональной зависимости от угла поворота ротора.

Если вращающийся трансформатор используется в качестве измерительного элемента, то поворот ротора осуществляется посредством редукторного механизма высокой точности, который либо встраивается в корпус вращающегося трансформатора, либо монтируется отдельно от вращающегося трансформатора и механически соединяется с его валом. Если вращающийся трансформатор предназначен для работы в режиме поворота ротора в пределах определенного угла, то в качестве обмоток возбуждения и компенсационной используются обмотки статора, а в качестве вторичных – обмотки ротора.

Если вращающийся трансформатор работает в режиме непрерывного вращения ротора, то обычно применяют «обратное» использование обмоток: обмотки ротора используют в качестве обмоток возбуждения и компенсационной, а обмотки статора – в качестве вторичных. Если компенсационная обмотка замыкается накоротко, то при «обратном» использовании обмоток на роторе применяют лишь два контактных кольца, что упрощает конструкцию, повышает надежность и точность вращающегося трансформатора.

Вращающиеся трансформаторы подразделяются на контактные и бесконтактные, с ограниченным и неограниченным углом поворота ротора.

В зависимости от схемы включения обмоток возможны следующие режимы работы:

–синус-косинусные (выходное напряжение одной из обмоток трансформатора пропорционально синусу угла поворота ротора, а другой – косинусу);

–линейные (выходное напряжение пропорционально углу поворота);

–масштабные (выходное напряжение пропорционально входному с коэффициентом пропорциональности (масштабом), определяемым углом поворота ротора);

–построитель (такие поворотные трансформаторы применяются в автоматических устройствах для решения геометрических или математических задач, в качестве преобразователя пространственных координат);

–датчики и приёмники систем передачи угла (выполняют функции, аналогичные трансформаторным сельсинам);

–первичные преобразователи для индукционных фазовращателей. Работа вращающихся трансформаторов в системах синхронной связи

аналогична работе сельсинов. Вращающиеся трансформаторы обеспечивают более высокую точность, но для их работы необходимы дополнительные усилительные устройства с большим коэффициентом усиления, так как их выходная мощность меньше, чем у сельсинов.

Важнейший показатель работы системы дистанционной передачи угла – точность отработки угла, заданного на датчике. Точность системы будет тем выше, чем меньше погрешность примененных в ней вращающихся трансформаторов. Показателем точности системы дистанционной передачи угла

64

является погрешность следования, представляющая собой разность угловых положений системы. В зависимости от погрешности следования трансформаторные системы с вращающимися трансформаторами делят на 11 классов точности в диапазоне от +0,1 до +30 мин.

В отличие от трансформаторной системы на сельсинах система на вращающемся трансформаторе обеспечивает более высокую точность, что объясняется большей точностью вращающихся трансформаторов по сравнению с сельсинами. Однако мощность на выходе ВТ-приемника меньше мощности на выходе сельсина-приемника, поэтому для трансформаторных систем на вращающемся трансформаторе требуются усилители мощности с более высоким коэффициентом усиления.

Промышленность изготовляет вращающиеся трансформаторы, предназначенные для включения в сеть переменного тока обычно частотой 400

и2 тыс. Гц.

2.5.2Синус–косинусные вращающиеся трансформаторы в синусном

режиме

В этом режиме синус-косинусные вращающиеся трансформаторы (СКВТ)

используется лишь одна (синусная) обмотка ротора w2 (рисунок 2.30 а). При включении в сеть обмотки возбуждения w1 в ней появляется ток I1, который наводит магнитный поток Ф1.

Рисунок 2.30 – Синусный вращающийся трансформатор

Сцепляясь с вторичной обмоткой, этот поток индуктирует в ней ЭДС E2, величина которой зависит от положения вторичной обмотки относительно обмотки возбуждения, т. е. от угла поворота ротора α. При холостом ходе на выходе ВТ появляется напряжение

65

U2 U2M sin ,

– наибольшее значение напряжения, соответствующее α=90°.

При подключении нагрузки ZH к зажимам вторичной обмотки P1 – Р2 в ее цепи появляется ток I2. Созданный этим током магнитный поток Ф2 можно разложить на две составляющие: составляющую Ф2d=Ф2sinα, направленную по продольной оси ВТ встречно магнитному потоку возбуждения, и составляющую Ф2q=Ф2sinα, направленную по поперечной оси ВТ, т. е. перпендикулярно обмотке возбуждения, и вызывающую искажение магнитного поля ВТ (рисунок

2.30 б).

Размагничивающее влияние составляющей Ф2d уравновешивается увеличением тока в обмотке возбуждения.

ЭДС самоиндукции, наводимая составляющей Ф2q в обмотке w2, нарушает синусоидальную зависимость напряжения U2 от угла α и вызывает значительную погрешность вращающегося трансформатора, которая возрастает с увеличением нагрузки (тока I2).

В синусном режиме СКВТ, когда включена только одна вторичная обмотка, применяется первичное симметрирование, основанное на использовании компенсационной обмотки wк. Если внутреннее сопротивление источника Zi, и соединительных проводов Zл мало (Zi+Zл≈0), то обмотка wк замыкается накоротко. Если же Zi достаточно велико, что имеет место при питании ВТ от источника небольшой мощности, то обмотка wк замыкается на резистор сопротивлением ZК.Н.=Zi+Zл.

Магнитный поток Ф2q, сцепляясь с компенсационной обмоткой, наводит в ней ЭДС EK. Так как обмотка замкнута накоротко, то в ней появляется ток IK, который создает в магнитной цепи машины магнитный поток компенсационной обмотки ФK. Этот поток в соответствии с правилом Ленца, направлен против потока Ф2q (поток Ф2q является причиной возникновения EK и потока ФK). В результате поток Ф2q окажется в значительной степени скомпенсированным потоком ФK, и погрешность ВТ, вызванная нагрузкой, значительно уменьшится.

2.5.3 Синус-косинусные вращающиеся трансформаторы в синуснокосинусном режиме

В этом режиме в схему СКВТ включают обе обмотки ротора – w2 и w3, смещенные в пространстве относительно друг друга на 90° (рисунок 2.31 а). Зависимость напряжения обмотки w2 от угла поворота ротора α определяется выражением:

U2 U2M sin ,

а напряжение на выходе обмотки w3.

U3=U3msin(π/2+α)=U3mcosα.

Из выражения видно, что напряжение U3 при повороте ротора на угол α изменяется пропорционально косинусу этого угла.

66

w1

Рисунок 2.31 – Синусно-косинусный вращающийся трансформатор

Таким образом, на выходе СКВТ получается два напряжения – U2 и U3: первое изменяется пропорционально sinα, а второе – пропорционально cosα (рисунок 2.31 б).

Обмотки w2 и w3 обычно имеют одинаковые параметры, а поэтому наибольшие значения напряжений U2m и U3m также одинаковы:

U2m=U3m=(w1/w2)U1,

где U1– напряжение на входе ВТ, т. е. на зажимах обмотки возбуждения w2. Таким образом, выражения напряжений на выходе СКВТ могут быть

записаны иначе:

U2=U1(w2/w1)sinα;

U3=U1(w3/w1)cosα.

Полная взаимная компенсация поперечных составляющих потоков обмоток ротора происходит при равенстве нагрузочных сопротивлений в синусной и косинусной цепях вращающегося трансформатора.

Если же нагрузочные сопротивления Z´H и Z´´H не равны, то вторичное симметрирование получается неполным, так как поперечные составляющие и Ф3q взаимно компенсируются лишь частично, и в магнитной цепи ВТ появляется магнитный поток, направленный по поперечной оси:

Фq=Ф2q+Ф3q.

Этот поток наводит в роторных обмотках ЭДС самоиндукции, что ведет к искажению заданных функциональных зависимостей выходных напряжений. Магнитный поток Фq при Z´H=Z´´H может быть скомпенсирован за счет первичного симметрирования, т. е. за счет потока ФК, создаваемого током IК короткозамкнутой компенсационной обмотки.

67

2.5.4 Линейные вращающиеся трансформаторы

При определённой схеме соединения обмоток и коэффициенте трансформации на выходе вращающегося трансформатора можно получить линейную зависимость амплитуды напряжения от угла поворота ротора.

Принцип работы вращающегося трансформатора в линейном режиме основан на том, что на его выходе можно получить функцию:

Данная функция при k = 0,54 даёт наилучшее приближение к линейной зависимости в пределах α от –60° до +60° (рисунок 32 в). Для получения зависимости выходного напряжения от угла поворота можно использовать две схемы включения вращающегося трансформатора (рисунок 32 а и б). Рассмотрим кратко первую схему. В ней обмотка возбуждения и косинусная обмотка соединены последовательно и подключены к источнику питания, а к синусной обмотке подключена нагрузка Zн. Поперечный поток компенсируется путём первичного симметрирования и при анализе может не учитываться.

U1 Es Es km cos Es (1 km cos ),

а для цепи нагрузки

U2 Es km sin .

Исключая Es, получим

U2 kmU1 1 km cos .

Это выражение не учитывает собственных сопротивлений обмоток, поэтому в реальных машинах коэффициент трансформации находится в пределах 0,56…0,58.

В схеме с вторичным симметрированием (рисунок 2.32 б) источник питания подключён к обмотке возбуждения, а к соединенным последовательно квадратурной и синусной обмоткам подключена нагрузка. Симметрирование выполнено путём замыкания косинусной обмотки на сопротивление Zb.

Выходное сопротивление линейного вращающегося трансформатора в схеме с вторичным симметрированием зависит от угла поворота ротора, что значительно ограничивает возможность её применения. Поэтому на практике главным образом используют схему включения с первичным симметрированием.

При полном вторичном симметрировании ВТ входное сопротивление ZВх не зависит от положения ротора (угла α). Поэтому ток и мощность, потребляемые ВТ, также не зависят от угла α. На этом основан метод подбора нагрузочных сопротивлений синусной Z´H и косинусной Z´´H обмоток для осуществления полного вторичного симметрирования, называемый методом амперметра (рисунок 2.33). Сущность метода состоит в том, что подбираются такие значения Z´H и Z´´H, при которых поворот ротора не вызывает изменения показаний амперметра А, включенного в цепь обмотки возбуждения.

68

Рисунок 2.32 – Схема включения линейного вращающегося трансформатора при первичном (а) и при вторичном симметрировании (б) и его выходной сигнал при k = 0,54 (в)

Более точным методом вторичного симметрирования является метод вольтметра. Так как при полном вторичном симметрировании поперечные составляющие потоков синусной и косинусной обмоток взаимно уравновешиваются, то в компенсационной обмотке ЭДС не наводится. Следовательно, сопротивления Z´H и Z´´H подбираются таким, чтобы показание вольтметра V, включенного в цепь компенсационной обмотки, было нулевым во всех положениях ротора.

α

w2 w3

Z´´H Z´H

Рисунок 2.33 – Схема настройки симметрирования СКВТ методами амперметра и вольтметра

69

2.6Концевые выключатели

2.6.1Общие сведения

Концевой выключатель – электрическое устройство, применяемое в системах управления в качестве датчика, формирующего сигнал при возникновении определенного события, как правило, механическом контакте пары подвижных механизмов. Используются также и бесконтактные концевые выключатели. Сам выключатель выполняет функции, аналогичные обычному выключателю.

Конструкция концевого выключателя оптимизирована для использования в системах управления: малогабаритный прочный корпус (обычно изготавливаемый из металла) имеет элементы конструкции, позволяющие легко закрепить и сориентировать в пространстве; индикация работы (поданного питания) и срабатывания датчика выполнены при помощи ярких разноцветных светодиодов; подключение производится при помощи миниатюрного разъёма общераспространённого промышленного интерфейса.

Часто концевой выключатель содержит две пары контактов, нормально разомкнутые и нормально замкнутые. Замкнутая пара позволяет контролировать состояние подключения концевого выключателя: если сигнал, переданный по этой паре, не возвращается, можно сделать вывод о повреждении кабеля к выключателю. Разомкнутая пара может использоваться для прохождения сигнала после срабатывания выключателя.

Все концевые выключатели можно разделить на три основные группы:

1.Механические. Срабатывают при механическом воздействии, при этом контакты выключателя размыкаются или замыкаются, подавая сигнализирующий (управляющий) сигнал.

2.Бесконтактные. Это бесконтактная разновидность концевого выключателя, который срабатывает при приближении любого металлического предмета или другого предмета, на который настроена его коммутация.

3.Магнитные. Как видно из названия – это устройство приводится в действие при приближении к нему на определённое расстояние магнита. Также их называют герконами.

2.6.2 Механические концевые выключатели

Механические концевые выключатели бывают разной конструкции, которая и определяет область их применения. Зачастую они оснащены резиновым уплотнителем и содержат группу контактов, в которые входят и замыкающие и размыкающие.

Основные виды механических концевых выключателей:

–кнопочные;

–роликовые;

–рычажные.

Модель с колесиком или кнопочные состоят из корпуса, в котором имеются электрические контакты (замыкающие или размыкающие); снаружи

70