В.А. Старовойтов Электрические синхронные системы дистанционного управления (Сельсины)

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«КУЗБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра электропривода и автоматизации

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СИНХРОННЫЕ СИСТЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ (СЕЛЬСИНЫ)

Методические указания к проведению лабораторной работы по дисциплинам "Управление техническими системами" и "Технические средства автоматизации" для студентов специальностей 170500, 250100, 250400, 170100

Составитель В.А. Старовойтов

Утверждены на заседании кафедры Протокол № 5 от 20.12.02

Рекомендованы к печати учебно-методической комиссией специальности 170500 Протокол № 6 от 20.04.02

Электронная копия хранится в библиотеке главного корпуса ГУ КузГТУ

Кемерово 2003

1

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Ознакомиться с принципом действия и устройством одной из аналоговых систем дистанционного контроля и управления – сельсинной. Получить экспериментально статические характеристики сельсинной передачи в различных режимах.

2.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1.Изучение настоящих методических указаний и размещенных на стенде технических средств.

2.Снятие статической характеристики сельсинной передачи в индикаторном режиме.

3.Снятие статической характеристики сельсинной передачи в трансформаторном режиме.

4.Составление отчета и подготовка к защите.

3.УКАЗАНИЯ К ОТЧЕТУ

Отчет составляется один для звена и должен содержать наименование работы, ФИО исполнителей, номер группы. В отчете должны быть представлены: две схемы сельсинной передачи, эксплуатируемые в индикаторном и трансформаторном режимах; таблица экспериментальных данных; характеристики, построенные на их основе.

Графики выполняются или на миллиметровой бумаге, или на развернутых листах в клеточку из ученической тетради.

4.ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Вустройствах автоматики нередко требуется дистанционное измерение углов поворота какого-либо механизма. Например, на электрической станции необходим дистанционный контроль положения различного рода задвижек и вентилей; на центральном посту управления шлюзом обязательно контролируют положение щитов, створок ворот, затворов наполнения камер; на щитке контрольных приборов самолета должны быть указатели положения рулей, шасси и др.; в следящих системах требуется измерение разности углов поворота двух осей – угла рассогласования.

2

Для дистанционного измерения угла применяют самосинхронизирующиеся синхронные передачи (сельсинные), работающие на однофазном токе [1, с. 34]. Под самосинхронизацией понимают способность приемного устройства при включении автоматически приходить из любого положения в согласованное, соответствующее углу поворота задающего устройства – датчика. Необходимость самосинхронизации обусловила использование именно однофазных машин, так как трехфазные указанным свойством в полной мере не обладают. Кроме того, из-за наличия вращающегося магнитного поля моменты в трехфазных машинах при смещении роторов по направлению вращения магнитного потока и против различны. Трехфазные машины используют лишь в системах синхронного вращения, называемых "электрическим валом", в которых для синхронизации вращения двух или более механизмов выравнивают нагрузки двигателей, создавая уравнительные моменты и передавая энергию с оси одного механизма на ось другого.

В устройствах измерения и передачи угла успешно используют индукционные однофазные машины – сельсины. Среди сельсинов различают сельсины-датчики, сельсины-приемники и дифференциальные сельсины [2, с. 58]. Первые два типа практически идентичны и отличаются лишь некоторыми конструктивными признаками. Сельсиндатчик и сельсин-приемник представляют собой электрические индукционные машины однофазного тока, у которых первичная обмотка – это обмотка возбуждения, а вторичных обмоток три, это обмотки синхронизации, расположенные в пространстве под углами 120°. Чтобы обеспечить самосинхронизацию, сельсины выполняют как двухполюСельсныеинымашиныпоконструктивному. исполнению разделяются на контактные и бесконтактные. Обмотка возбуждения может располагаться как на статоре, так и на роторе. Соответственно возможны две конструктивные формы контактных сельсинов (рис. 1). Обмотку возбуждения всегда выполняют сосредоточенной и располагают на явновыраженных полюсах, при размещении обмотки возбуждения на статоре (рис. 1, а) ротор сельсина имеет простую цилиндрическую форму, но снабжен тремя контактными кольцами, к которым подключены обмотки синхронизации. При возбуждении со стороны ротора (рис. 1, б) последний имеет более сложную форму. Питание обмотки возбуждения осуществляется через два кольца. В конструкции с явновыраженными полюсами на роторе легче разместить демпферную короткозамкнутую обмотку.

4

Возбуждение в бесконтактном сельсине обеспечивается со стороны ротора 1, но обмотка возбуждения 4 неподвижна. Две тороидальные катушки располагаются на торцах ротора; МДС этих катушек создает пульсирующий магнитный поток, который из-за немагнитной вставки 3, встроенной под некоторым углом в ротор, вынужден проходить через зазор и замыкаться через статор 2, как в контактном сельсине. В связи с большими воздушными зазорами габаритные размеры и масса бесконтактного сельсина больше, чем у контактного с тем же моментом. Сельсины обычно выполняют на частоту 50 и 400 Гц.

Основные режимы работы сельсинов – индикаторный и трансформаторный. В этих 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 нет значительного вращающегося момента. В этом режиме ротор сельсина-датчика СД связывается с осью механизма, угол поворота которой необходимо передать. На ось ротора сельсина-приемника СП закрепляется какая-либо деталь типа стрелки, позволяющая отсчитать угол поворота.

В индикаторном режиме однофазные обмотки возбуждения (OB) СД и СП включают в общую однофазную цепь переменного тока, а трехфазные обмотки синхронизации соединяют между собой одноименными выводами (рис. 3). Между СД и СП имеются только электрические связи.

Переменный ток, протекающий по однофазным ОВ, создает в СД и СП пульсирующие магнитные потоки Ф, индуцирующие ЭДС в обмотках синхронизации СД и СП, действующие значения которых определяются по формулам

Е1д = Еm cos θд; Е1п = Еm cos θп;

Е3д = Еm cos(θд −240о); Е3п = Еm cos(θп −240о),

где Ед, Еп – ЭДС датчика и приемника.

При согласованном положении роторов обоих сельсинов СД и СП (θд=θп) в одинаковых фазах будут индуцироваться равные ЭДС. Эти ЭДС уравновешивают друг друга, так как обмотки синхронизации включены встречно. Следовательно, тока в обмотках синхронизации

5

сельсинов при θд=θп не будет и роторы обоих сельсинов будут неподвижны.

Рис. 3. Схема включения сельсинов в индикаторном режиме

При повороте ротора сельсина СД на угол θд>θп в обмотках синхронизации сельсинов возникнут токи I=∆E/(2Zф), где ∆E = Еп – Ед – результирующая ЭДС; Zф – сопротивление одной фазы.

Эти токи, взаимодействуя с магнитным потоком ОВ, обусловят возникновение вращающего синхронизирующего момента Мс, который

где Мmax – максимальный момент сельсина, определяемый его параметрами; θ=θп–θд – yгол рассогласования.

Моментно-угловая зависимость Мс=φ(θ) является статической характеристикой сельсинной пары, работающей в индикаторном режиме (рис. 4, а). При малых углах рассогласования (θ<30°) статическая характеристика линейна: Мс=kθ, где k=Мс/θ – коэффициент передачи, Н·м/град.

Рассматривая сельсины, работающие в индикаторном режиме, в качестве системы, входной величиной которой является θд, а выходной

6

θп, в установившемся состоянии статической характеристикой можно считать и зависимость, изображенную графически на рис. 4, б.

Рис. 4. Статические характеристики сельсинной передачи в индикаторном режиме

Точность дистанционной передачи сельсинными измерительными устройствами зависит от момента трения и нагрузки на валу. В зависимости от значения погрешности ∆θ сельсины делят на три класса точно-

сти: I – ∆θ= ± 0,75°; II – ∆θ= ± 1,5°; III – ∆θ= ± 2,5°.

В трансформаторном режиме работы сельсинов (рис. 5, а) угло-

вое рассогласование (θ=θп–θд) между сельсинами преобразуется в выходное напряжение. К сети переменного тока подключают только однофазную обмотку возбуждения СД, а однофазная обмотка сельсина СП, иногда называемого сельсином-трансформатором, является выходной, с которой снимается напряжение Uвых. Пульсирующий магнитный поток Ф, создаваемый током ОВ сельсина-датчика, по-прежнему индуцирует Е1д, Е2д, Е3д в трехфазной обмотке (см. рис. 1), под действием которых в обмотках сельсинов возникают токи:

I1= Е1д/(2Z); I2= Е2д/(2Z); I3= Е3д/(2Z). (3)

Эти токи создают в СП магнитный поток Фт, направленный под углом к продольной оси выходной однофазной обмотки. В выходной обмотке наводится ЭДС Евых≈Uвых, являющаяся выходным сигналом: Uвых=Umaxcosθ. Так как нулевой отсчет соответствует сдвигу роторов СД и СП на 90°, то

7

Рис. 5. Схемы включения сельсинов в трансформаторном режиме (а) и их статические характеристики (б)

Зависимость Uвых=φ(θ) является статической характеристикой сельсинов в трансформаторном режиме (рис. 5, б). При малых углах рассогласования (sinθ≈θ) выходное напряжение Uвых=kθ, где k=Uвых/θ – коэффициент передачи, В/угл. град. Обычно для сельсинов Uвых max= =50÷100В, k=0,55÷1,10 В/угл. град. При повороте ротора СД в обратном направлении от согласованного (–θд) фаза выходного напряжения изменяется на 180°.

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

Для размножения входного сигнала θд можно использовать один СД, работающий на несколько параллельно включенных СП. Для повышения точности сельсинного устройства применяют двухканальную систему, состоящую из двух сельсинных пар грубого и точного отсчетов, работающих в индикаторном или трансформаторном режимах. В эту систему (рис. 6) входят сельсины-датчики СД1 и СД2, сельсиныприемники СП1 и СП2 и сельсины-трансформаторы СТ1 и СТ2 соответ-

8

ственно грубого и точного отсчетов. В индикаторном режиме (рис. 6, а) сельсины-датчики соединяют между собой механически через повышающий редуктор Ред, а на валах сельсинов-приемников укрепляют индикаторные стрелки. Передаточное число редуктора i выбирают таким, чтобы один полный оборот индикаторной стрелки СП2 соответствовал повороту стрелки СП1 на одно деление. Рассмотренная двухканальная индикаторная система передачи угла поворота θвх уменьшает ошибку в i раз.

Рис. 6. Двухканальные сельсинные системы

В трансформаторном режиме (рис. 6, б) роторы сельсиновтрансформаторов грубого СП1 и точного СП1 отсчетов соединяют между собой так же, как и сельсины-приемники. Если ротор СД1 повернуть на угол в θвх, то ротор СД2 повернется на угол iθвх, где i=30÷40–

9

передаточное число механического редуктора (обычно выбирают нечетное число i).

При отработке угла рассогласования, что имеет место в следящих системах, роторы СП1 и СП2 развернутся с помощью исполнительного двигателя, приводящего в движение рабочую машину РМ и управляемого сигналом Uвых, соответственно на углы θвых и iθвых, отличающиеся от входных на величину ошибки. Для канала грубого отсчета ошибка в передаче угла поворота (рассогласования) θ=θвых±θвх, откуда θвых=θвх±θ. Для канала точного отсчета iθвых=iθвх±θ, а абсолютная погрешность угла поворота θвых – θвх = ±θ/i. Таким образом, применяя повышающую механическую передачу, можно уменьшить погрешность сельсинной системы в i раз.

При малых углах рассогласования выходной сигнал снимается с канала точного отсчета, а при больших – с канала грубого отсчета. При больших углах рассогласования на выход системы с помощью устройства автоматического согласования (синхронизатора) подается сигнал грубого, а при малых – сигнал точного отсчета. Применение двухотсчетной системы позволяет уменьшить погрешность передачи угла поворота сельсинов первого класса точности до нескольких угловых минут.

На рис. 6, в, г приведены схемы автоматического согласования каналов грубого (ГО) и точного (ТО) отсчетов сельсинной системы (синхронизаторов) на полупроводниковых диодах. В схеме, изображенной на рис. 6, в, диоды VD1, VD2 включены параллельно выходной обмотке СП2 ТО, а диоды VD3, VD4 – последовательно с выходной обмоткой СП1 ГО. При больших углах рассогласования на выходе обоих каналов напряжения Uг.о и Uт.о сравнительно большие и через диоды текут значительные токи. При этом внутренние сопротивления диодов малы и почти все напряжение Uт.о канала ТО приложено к резистору R1, а напряжение Uг.о – к резистору R2. Выходное напряжение сельсинной пары Uвых равно сумме напряжений на диодах VD1, VD2 и резисторе R2. Следовательно, при больших углах рассогласования напряжение Uвых определяется в основном напряжением Uг.о канала ГО.

При малых углах рассогласования выходные напряжения обоих каналов уменьшаются, поэтому внутренние сопротивления диодов возрастают. При этом напряжения Uт.о и Uг.о приложены к соответствующим диодам. Следовательно, Uвых сельсинной пары определяется в основном напряжением Uт.о канала ТО. Недостатком схемы (рис. 6, в) яв-