2Специальные электромашинные устройства

2.1. Сельсины

В настоящее время в различных отраслях промышленности, в особенности в специальной технике, широко применяют электрические система синхронной передачи для цепей автоматического управления и регу­лирования. Под системой синхронной передачи понимают совокупность устройств, служащих для измерения или передачи на расстояние угловых перемещений или же для поддержания синхронного вращения двух или более осей, механически не связанных.

Система синхронной передачи состоит из командного, или ведущего, устройства, называемого датчиком, линии передачи и управляемого, или ведомого, устройства, называемого приемником.

Современные системы синхронной передачи состоят из электри­ческих машин в сочетании с различными реле. В системах малой мощности для этой цели применяют индукционные или асинхронные машины. Эти машины за свою способность при определенных соединениях самосинхронизироваться получили название сельсинов (сокращение от английского слова self—synchronizing).

Применяют два вида индукционных систем синхронной передачи: трёх- и однофазную. При этом в установках малой мощности используют главным образом однофазные системы синхронной передачи.

Трехфазные системы синхронной передачи применяют обычно для целей синхронизации вращения двух или более валов приводных двигате­лей, механически не связанных. Например, они находят применение в при­водах разводных мостов, затворов шлюзов и т. д. Индукционные системы синхронной передачи применяют для:

а) индикаторных целей — в этом случае на валу приемника находится только указательная стрелка;

б) целей управления, когда приемник системы воздействует, напри­мер, на движок реостата, контакты следящей системы;

в) целей дистанционного управления следящим приводом, когда приемник системы работает в трансформаторном режиме, воздействуя на усилительную схему следящего привода.

Следовательно, однофазная индукционная система синхронной пе­редачи может работать в двух основных режимах: индикаторном и транс­форматорном. При работе системы в индикаторном режиме основным дей­ствующим фактором в ней является электромагнитный момент, возни­кающий на валу сельсина-приемника и заставляющий его ротор следовать за ротором сельсина-датчика с некоторым углом рассогласования. Этот угол обусловлен наличием механического трения и нагрузки на валу приемника. При работе же системы в трансформаторном режиме главным фактором является выходное напряжение приемника, величина которого служит мерой угла рассогласования системы.

При повороте ротора датчика в разные положения ротор приемника также поворачивается и устанавливается в соответствующих положениях. Такой режим системы синхронной передачи называют режимом поворота, а угол рассогласования между осями роторов датчика и приемника в этом режиме - статической ошибкой системы.

При вращении ротора датчика с некоторой скоростью ротор при­емника вращается с той же скоростью. Такой режим работы системы назы­вают режимом вращения, или динамическим режимом синхронной передачи, а угол рассогласования между осями роторов машин в этом режиме — динамической ошибкой системы.

Качество или точность работы синхронной передачи в значительной мере определяется величиной удельного синхронизирующего момента на валу сельсина-приемника. Под удельным синхронизирующим моментом (Н • см/рад) понимают крутизну кривой электромагнитного момента при­емника в ее начальной части или величину отношения.

Из рис. 2.1 видно, что удельный синхронизирующий момент на валу приемника представляет собой тангенс угла наклона характеристики элек­тромагнитного момента М = f(Q) в ее начальной части.

Чем больше величина, тем меньше при заданной нагрузке на валу приемника угол рассогласования между осями роторов датчика и прием­ника и, следовательно, тем выше точность работы системы синхронной передачи.

Большое применение на практике нашли однофазные бесконтактные сельсины. В основу принципа устройства и работы такого сельсина поло­жена идея вынесения магнитного поля из воздушного зазора между стато­ром и ротором, с тем, чтобы выполнить обе обмотки машины - одно и трехфазную - неподвижными. Ротор сельсина выполнен из двух магнитопроводов в виде пакетов из листовой электротехнической стали, располо­женных вдоль оси вала диаметрально друг другу на немагнитной части ро­тора. Эти магнитопроводы образуют два полюсных выступа сельсина. Ста­тор сельсина выполнен с трехфазной обмоткой синхронизации. Однофаз­ная первичная обмотка окружает ротор; она является неподвижной и со­стоит из двух половин. Магнитное поле возбуждения замыкается через воздушный зазор между статором и ротором. Устранение контактов в этих сельсинах повышает точность передачи углов в индикаторных системах и увеличивает надежность их работы во взрывоопасных помещениях.

Индикаторная система синхронной передачи с однофазными сельсинами

Принцип действия индикаторной системы передачи основывается на изменении по величине вторичной ЭДС датчика по отношению к вторич­ной ЭДС приемника (рис. 2.1). В системах, работающих на однофазном переменном токе, применяют асинхронные машины или сельсины с одно­фазными первичными и трехфазными вторичными обмотками синхрони­зации. Однофазная обмотка контактных сельсинов может располагаться как на статоре, так и на роторе. Однако в целях уменьшения числа кон­тактных колец и по другим причинам обычно однофазную обмотку распо­лагают на роторе сельсина, а трехфазную — на статоре. В целях обеспече­ния самосинхронизации однофазные сельсины в индикаторной системе в пределах полного оборота ротора выполняют только двухполюсными.

Конструкция однофазного контактного сельсина должна обеспе­чивать наибольшую статическую и динамическую точность синхронной передачи. Для этого сельсины-приемники должны обладать, возможно, большим удельным синхронизирующим моментом на валу и малым мо­ментом (трения.

Из всех разновидностей конструкций однофазных контактных сель­синов наибольшим преимуществом обладает конструкция с расположени­ем первичной обмотки возбуждения на явнополюсном роторе и трехфаз­ной обмотки синхронизации — в пазах статора. В этом случае имеется только два контактных кольца и достигается простота устройства успокои­тельной обмотки на роторе в виде короткозамкнутого витка.

Эта система при правом и левом вращении ротора датчика имеет одинаковую точность передачи угла. Далее рассматривается работа систе­мы в индикаторном режиме.

Однофазный переменный ток в первичных обмотках создает в каж­дом сельсине пульсирующее однофазное поле, которое индуцирует во вто­ричных обмотках сельсинов три ЭДС, совпадающие по фазе, но отличаю­щиеся друг от друга по величине. Эта величина зависит от взаимного по­ложения указанных обмоток относительно первичной. При одинаковом положении роторов датчика и приемника относительно соответствующих обмоток статоров ЭДС последних взаимно уравновешиваются и ток в их цепи отсутствует. При повороте ротора датчика на угол, по отношению к ротору приемника ЭДС в их вторичных обмотках отличаются по величине, сохраняя одинаковую фазу. Вследствие этого в цепи этих обмоток возни­кают уравнительные токи, вызывающие электромагнитные вращающие моменты. Эти моменты стремятся принести роторы сельсинов и одинако­вое положение по отношению к обмоткам статоров. Но так как ротор дат­чика обычно связан с задающим механизмом и не обладает свободой вра­щения, то под влиянием указанного момента поворачивается всегда лишь ротор приемника в синхронное положение с ротором датчика с определен­ным углом рассогласования.

Работа сельсина в трансформаторном режиме

Трансформаторный режим работы сельсинов широко применяется в следящих системах, предназначенных для осуществления синхронного и синфазного вращения двух валов, механически между собой не связанных. Один из валов является входным и обычно требует для своего перемеще­ния небольших усилий, другой - выходным и, как правило, для его пере­мещения необходимо значительное усилие. В этом случае питающее на­пряжение подается только на один из роторов, обычно на ротор сельсина - датчика. С обмотки ротора сельсина - приемника снимается напряжение.

Выходное напряжение будет равно пулю при разности углов поворо­та 90⁰, так как результирующий поток в этом случае не будет пересекать витков обмотки ротора - приемника. Это положение принимается та пуле­вое. Любое рассогласование сопровождается появлением напряжения на выходе, которое отрабатывается исполнительным органом.

О точности работы системы синхронной передачи в индикаторном и трансформаторном режимах

Передача на расстояние угловых перемещений в системе синхронной передачи с однофазными сельсинами может производиться только с опре­деленной степенью точности, то есть с некоторыми ошибками различного происхождения.

Источниками ошибок при работе этой системы являются паразитные поперечные магнитные поля, направленные перпендикулярно оси обмотки возбуждения сельсина и возникающие вследствие ряда причин. Эти поля обусловливают асимметрию кривой пространственного распределения магнитного поля относительно оси обмотки возбуждения сельсина.

Дополнительными источниками ошибок в индикаторных сельсинах-приемниках являются момент трения в подшипниках и щетках и неточ­ность балансировки ротора.

Появление паразитных поперечных магнитных полей и связанных с ними ошибок при работе сельсинов связано с несовершенством техноло­гии и конструктивными ограничениями.

Несовершенство технологии может привести к неоднородности маг­нитных свойств пакета стали, в различных направлениях, к короткозамкнутым виткам в обмотках и пакете стали, неравенству чисел витков фаз и их активных и индуктивных сопротивлений, к неравномерности воздушно­го зазора вследствие эксцентричного положения ротора в статоре, а также эллипсоидальности окружности последнего.

Конструктивные ограничения проявляются в несинусоидальности кривой пространственного распределения МДС и поля вследствие несо­вершенства обмоток и зубчатого строения статора и ротора, а также насы­щения Магнитной цепи. Ошибки от несинусоидальности пространствен­ной кривой МДС в индикаторных сельсинах проявляются в меньшей сте­пени, чем у трансформаторных, так как индикаторные сельсины имеют двустороннее питание.

В динамическом режиме работы индикаторных сельсинов периодическое изменение момента сил тяжести при неточной балансировке ро­тора и паразитных поперечных магнитных полей приводит к вынужден­ным колебаниям ротора приемника. При некоторых критических скоро­стях вращения, когда частота вынужденных колебаний становится равной частоте: собственных колебаний, наступает явление резонанса и нормаль­ная работа системы становится невозможной.

Трансформаторные системы синхронной передачи обладают более высокой точностью работы, чем индикаторные, так как на них не про­являются ошибки, вызываемые механическими причинами: моментом тре­ния, инерцией и неуравновешенностью ротора. Эти ошибки пре­одолеваются исполнительным двигателем, связанным через редуктор с ва­лом трансформаторного сельсина. Повышения точности трансформатор­ных сельсинов можно достигнуть уменьшением ошибок, вызываемых тех­нологическими и конструктивными причинами. Это стремятся обеспечить соответствующими мерами при проектировании и изготовлении сельси­нов.

Магнесины

В некоторых однофазных индикаторных системах синхронной пере­ дачи угла на небольшие расстояния при очень малых мощностях приме­няют специальный тип бесконтактных сельсинов, получивших название магнесинов. На рис. 2.2 представлена схема однофазной системы синхрон­ной передачи с магнесинами.

Магнесин имеет статор в виде тороида, набранного из колец, вы­полненных из сплава пермоллой, и обвитого спиральной обмоткой, цилин­дрический ротор выполняется в виде постоянного магнита. Спиральная обмотка статора является разомкнутой. Она служит в магнесинах одно­временно и первичной и вторичной цепью. Своими концами эта обмотка присоединяется к однофазному источнику питания, а двумя отводами А) и В1 под углом 120° по отношению друг к другу и точке питания обмотки соединяется с аналогичными точками обмотки статора приемника. Магнесины являются бесконтактными устройствами.

Система однофазной синхронной передачи с магнесинами

Однофазный переменный ток создает в тороидах пульсирующий магнитный поток возбуждения, который индуцирует в обмотках магнеси­нов ЭДС частоты питания. Эти ЭДС между соответствующими точками А, В, С обмоток датчика и приемника одинаково зависимы от положения роторов. Поэтому уравнительные, токи основной частоты в линии связи и обмотках от этих ЭДС равны нулю. Однако в связи с нелинейностью кривой намагничивания пермаллоя тороида статора, подмагиичиваемого постоянным полем магнита, данная система работает частично как удвоитель час­тоты с индуцированием в обмотках соответствующих ЭДС.

Соотношение этих ЭДС между вторичными отводами обмоток ста­торов магнесинов зависит от положения роторов относительно обмоток. Если они занимают согласованное положение в пространстве, то ЭДС уд­военной частоты в частях обмоток между соединяемыми точками одина­ковы и направлены встречно, а уравнительные токи в линии связи отсутст­вуют. Во время поворота ротора датчика от согласованного положения равновесие указанных ЭДС нарушится, и в цепи обмоток возникнут урав­нительные токи двойной частоты. При взаимодействии их с результирую­щим полем ротора в приемнике образуется электромагнитный момент, ко­торый повернет его ротор в направлении поворота ротора датчика с неко­торый углом рассогласования. В случае нового согласованного положения роторов магнесинов уравнительные токи и моменты исчезают. Во время следующего поворота ротора датчика явления в магнесинах повторяются (рис. 2.2).

Применение сельсинов в металлургии для контроля положения

вращающегося распределителя шихты

В данной системе сельсин применяется для определения угла пово­рота вращающегося распределителя шихты в унифицированный токовый сигнал, который затем передаётся на контроллер и отображается на циф­ровом индикаторе в виде значения угла поворота в угловых градусах. Сельсин применяется в системах автоматического порционного распреде­ления сыпучих материалов, загружаемых в доменную печь.

Основные технические параметры
Название параметра	Значение
Отображения значений угловых градусов	0 – 359 (дискрет 1 градус)
Один оборот сельсина равен	3 градуса

Применение сельсинов в радиолюбительской практике

В радиолюбительской практике сельсины можно использовать в двух вариантах:

Индикаторное устройство азимутального положения антенны. Устройство управления положением антенны.

Индикаторное устройство азимутального положения антенны

Сельсины соединяются, как показано на рис. 2.3, и стрелка, закрепления на валу индикаторного сельсина, будет четко указывать положение антенны. Роторные обмотки сельсинов на схеме соединены последовательно. Если напряжение питания сельсинов 220В, роторные обмотки включаются параллельно.

Принцип работы такого устройства очень прост: магнитные потоки

сельсина-датчика и сельсина-индикатора, пытаясь скомпенсировать друг друга, заставят ротор сельсина-индикатора повернуться именно в то поло­жение, которое занимает ротор сельсина-датчика, установленного на ан­тенне. В этом случае один сельсин работает в трансформаторном режиме, другой - в режиме синхронного двигателя, положение оси ротора которого зависит от соотношения фаз питающего напряжения.

Точность показаний сельсина зависит от его конструкции, напряже­ния питания, коэффициента трения в подшипниках и, что немаловажно, от сбалансированности и массы стрелки указателя па валу конструкции. При номинальном напряжении питания и отсутствии заеданий оси сельси­на-индикатора чаще всего точность указания положения не хуже 3 - 5 гра­дусов, что для К В антенн более чем достаточно.

Достоинства конструкции: простота, возможность использования практически любых сельсином, даже с частотой питания 400 Гц (при пониженном в 6-8 раз напряжении питания).

Недостатки такой системы: сельсины при работе очень часто и назойливо “гудят”, чему виной является люфт в подшипниках и несколько большая, чем требуется для вращения стрелки, мощность сельсина. Смазка в подшипниках снижает гул, но вместе с тем и точность показаний.

Устройство управления положением антенны

Устройство представляет собой замкнутую одноканальную систему

управления непрерывного действия.

Этот вариант несколько сложнее, но зато удобнее в эксплуатации: управление вращением антенны осуществляется поворотом ручки-указателя, размещенного на рабочем месте оператора радиостанции. При этом можно не ждать, пока антенна займет нужное положение, как только это произойдет - питание с двигателя будет снято и антенна остановится на нужном азимуте, ожидая дальнейшего поворота ручки-указателя. Такие системы! используются в РЛС и принцип работы абсолютно одинаков. Ос­нову устройства составляют все те же сельсины, что и в первом случае. Только теперь датчиком становится сельсин, установленный в помещении, а приемником - сельсин, установленный на антенне. Ротор сельсина-датчика слегка затормаживается любым фрикционным устройством, а на оси ротора укрепляется ручка управления, совмещенная с указателем на­правления (стрелкой).

Теперь оба сельсина работают в трансформаторном режиме.

Напряжение, амплитуда и фаза которого пропорциональны разнице п положении роторов сельсинов (рассогласование), снимается с роторной обмотки сельсина-приемника и подается на один вход фазового дискрими­натора.

На второй вход фазового дискриминатора подается опорное напря­жение питающей сети. Разница фаз напряжения на роторе сельсина прием­ника и напряжения питающей сети, пропорциональная углу и знаку рассо­гласования, преобразуется в фазовом дискриминаторе в постоянное на­пряжение, величина которого пропорциональна величине рассогласования, а полярность напряжения - пропорциональна знаку рассогласования. Проще говоря - при вращении ручки управления вправо на выходе дис­криминатора появится напряжение одного знака, при вращении ручки вле­во - другого знака. Величина напряжения будет тем больше, чем на боль­ший угол будет повернута ручка управления.

Если это напряжение усилить и подать в соответствующей полярно­сти на Двигатель постоянного тока редуктора, то антенна придет во враще­ние, причем направление вращения будет соответствовать кратчайшему направлению до искомого азимута, и будет продолжаться до тех пор, пока антенна не займет положение, соответствующее углу поворота ручки управления. В этом случае рассогласование уменьшится, фазы напряжения

на входе фазового дискриминатора будут равны, а на выходе дискримина­тора потенциал будет равен «нулю».

В радиолокаторах для усиления сигнала находят применение раз­личные усилители: транзисторные, ламповые, магнитные, электрома­шинные, электрогидравлические и так далее, применение которых в люби­тельских условиях не оправдывается.

Поэтому есть два варианта дальнейшего построения схемы. При мощности двигателя постоянного тока до 50-100 Вт можно использовать транзисторный усилитель постоянного тока по дифференциальной или мостовой схеме с соответствующей выходной мощностью. Выход усили­теля соединяют с обмоткой управления двигателя. Обмотка возбуждения может быть запитана от отдельного источника.

Если в редукторе применяется двигатель переменного тока, или из­готовление усилителя сопряжено с определенными трудностями, выход фазового дискриминатора можно соединить с простейшим узлом реле.

Реле включены последовательно с токоограничительным резистором и диодом. Токоограничительный резистор служит для снижения тока через реле при максимальном выходном напряжении фазового дискриминатора, чтобы не превысить значение максимального допустимого тока для реле. Вместе с тем этот резистор не должен быть слишком большим. Диоды предназначены для того, чтобы каждое из двух реле срабатывало только при положительном или только отрицательном значении выходного на­пряжения фазового детектора. Стабилитрон, включенный параллельно ре­ле, защищает последнее от больших значений напряжения на выходе фазо­вого детектора. От тока срабатывания реле зависит чувствительность сис­темы управления вращением. Чем меньше ток и напряжение срабатывания реле, тем чувствительнее система. В данной схеме хорошо работают поля­ризованные реле. Достоинства устройства: удобное управление приводом антенны. Недостатки устройства: относительная сложность изготовления устройства. Отсутствие обратных связей по скорости и по ускорению мо­жет привести к колебательным движениям антенны вблизи установленною азимута.

ОАО «Ярославский электромашиностроительный завод»

Одним из новаторов в разработке и производстве сельсинов является ОАО «Ярославский электромашиностроительный завод» - уникальное электротехническое предприятие, рассчитанное на выпуск не только сель­синов, но и электрических машин общепромышленного и специального применения для всех отраслей промышленности, сельского хозяйства и

оборонного комплекса. За короткий срок - в течение 3 лет - была освоена новая серия специальных электрических машин, недостающей для России номенклатуры, что позволило полностью ликвидировать импортозависимость России в данном виде продукции.

Кроме того, данная серия пользуется большим спросом в развитых странах (осуществляются поставки в Германию, Францию, Италию, Ир­ландии, Австралию, Грецию и др.), поскольку ее показатели соответству­ют требованиям мирового рынка - это способствует притоку в страну ва­люты не за счет продажи сырья, а за счет продаж машиностроительной продукции. Приказом Министра МВЭС Российской Федерации от 30.04.98 г. № 194-Б завод удостоен звания «Лучший российский экспортер».

3 разработанной серии электрических машин полностью использу­ются материалы и комплектующие изделия отечественного производства, что позволяет увеличить загрузку мощностей отечественных производите­лей. Предприятие имеет высококвалифицированные кадры. При освоении новой серии решались первостепенные задачи, стоящие перед экономикой страны. Это в первую очередь ресурсо- и энергосбережение. Сельсины имеют высокие энергетические характеристики, а разработка комплектных приводов позволяет внедрять энергосберегающие технологии, обеспечи­вающие получение экономии энергоресурсов до 50 и более процентов. Кроме того, разработка специальных машин для регулируемого привода позволяет получить принципиально новые виды машин и технологических процессов как во всех отраслях промышленности и коммунального хозяй­ства, так и в оборонном комплексе.

Впервые в отечественной промышленности данные задачи решены комплексно (специальная электрическая машина и система электроники -выпускаются на одном предприятии). Решены задачи по освоению специ­альных электрических машин для взрывозащищенного оборудования, для привода лифтов, в том числе лифтов повышенной комфортности и высокоскоростных до 4 м/с, которые отечественной промышленностью не изго­тавливались. На основе разработанной серии выпускаются специальные электрические машины для атомных станций, приводы рольгангов для ме­таллургической промышленности, крановые и вентиляторные двигатели, двигатели для привода насосов. Серии присуждена Премия Правительства РФ в области науки и техники за 1997 год.

Впервые в истории машиностроительных предприятий СССР и Рос­сии в июне 1997 года завод сертифицировал у всемирно известной немец­кой фирмы DEUTSCHE GEESELLSCHAFT ZUR ZERTIFIZIERUNG VON MANAGEMETSYSTEMEN MBH (DQS) свою систему управления каче­ством в соответствии с Международным стандартом DIN EN ISO 9001 и получил сертификат DQS и грамоту Европейского союза EQNet. В 1998, 1999; и 2000 годах фирма успешно выдержала очередную аудиторскую немецкого органа по сертификации и продолжает активно рабо­тать над совершенствованием выпускаемой продукции.

Новшества в разработке и применении сельсинов

Последние достижения в разработке и производстве сельсинов принадле­жат ОАО «Ярославский электромашиностроительный завод». Одним из последних новшеств явилась разработка сельсинов марки ТЯз212 и ТК.5130, конструкция которых показана на рис.2.4.

Данные сельсины впервые в истории машиностроения были сертифицированы у всемирно известной немецкой фирмы DEUTSCHE GEESELLSCHAFT ZUR ZERTIFIZIERUNG VON MANAGEMETSYSTEMEN MBH (DQS) и получили сертификат DQS и грамоту Европейского союза EQNet.