6.2 Краткие сведения о сельсинах

Сельсином называется электромеханический индукционный прибор, предназначенный для передачи угла поворота оси на расстоянии и для преобразования угла рассогласования двух осей в напряжение переменного тока.

К ак функциональный элемент системы автоматического регулирования сельсин является датчиком угла поворота. Слово “сельсин” английского происхождения от термина self-synhronizing, что в переводе означает самосинхронизация.

По конструкции сельсин представляет собой малогабаритную машину переменного тока (рис.3), напоминающую синхронный генератор. Однако принцип действия сельсина ничего общего с синхронным генератором не имеет.

Конструктивно сельсины бывают двух основных видов: контактные и бесконтактные. В обоих случаях сельсин имеет две обмотки: обмотку возбуждения (однофазную) и обмотку синхронизации, выполненную по типу трехфазной. Обмотка синхро­низации состоит из трех фаз, соединенных в “звезду”, то есть магнитная ось каждой фазы сдвинута относительно другой на 120°. Величина и фазовый угол ЭДС, наводимой в обмотке синхронизации, определяются взаимным расположением магнитных осей обмотки возбуждения и фаз обмотки синхронизации. ЭДС, наводимая в каждой фазе при различных углах α между магнитными осями обмоток возбуждения и синхронизации, определяется следующими соотношениями:

Е ₁ = Е_МАКС · Cos 

Е₂ = Е_МАКС · Cos ( + 120^o) . (1)

Е₃ = Е_МАКС · Cos ( – 120^o)

Здесь Е_МАКС – наибольшее значение ЭДС в обмотке при совпадении по направлению (α = 0) магнитных осей указанных обмоток

При 0^о <  < 90^о и 240^о <  < 360^о магнитный поток пронизывает фазу 1 от конца к началу, а при 90^о <  < 270^о – от начала к концу, поэтому наводимые в этих случаях ЭДС будут находиться в противофазах.

Графики распределения фазовых напряжений, в зависимости от угла поворота магнитной оси обмотки синхронизации (ротора) относительно оси обмотки возбуждения (статора), приведены на рис. 4

Условные графические обозначения сельсинов на схемах изображены на рис. 5, а.

Схема подключения оди-ночного сельсина с векторными диаграммами потока возбуждения Ф_В, разложенного на продольную Ф_d и поперечную Ф_q составляющие относительно каждой фазы обмотки синхронизации, представлены на рис. 5, б. Величина и фазовый угол ЭДС каждой фазы зависят от длины и направления вектора Ф_d

Обычно сельсины применяются попарно. Один из них - сельсин-датчик (СД), размещается на поворачивающемся объекте, а другой - сельсин - приемник (СП), на пульте оператора Буквенное обозначение указанных сельсинов на схемах ВС и BE соответственно (см. рис. 6).

Известны два режима работы сельсинных пар: трансформаторный и. индикаторный

Трансформаторный режим работы сельсинов применяется для преобразования угла рассогласования двух осей в напряжение переменного тока.

6.3. Индикаторный режим работы сельсинов

Индикаторный режим работы используется для передачи угла поворота оси на расстояние в маломощных системах. В этом режиме обмотки возбуждения обоих сельсинов получают питание от одного источника переменного тока ~ U.

В лабораторной работе исследуется индикаторный режим работы сельсинов, поэтому остановимся на нём подробней. Схема включения сельсинов для работы в индикаторном режиме приведена на рис. 6.

Здесь одноименные фазы обмоток синхронизации СД и СП соединены встречно – начало фазы 1 с началом фазы 1' и т.п.

Для удобства анализа схемы соединим условно точки 0 и 0 ' проводником, благодаря которому в одном контуре находятся только одноименные фазы обмоток синхронизации СД и СП. Переменные токи обмоток возбуждения создают в сельсинах переменные магнитные потоки, которые будут индуцировать в обмотках синхронизации ЭДС. Величина ЭДС в фазах обмоток синхронизации зависит от угла между магнитными осями обмоток возбуждения и синхронизации (см. уравнения (1)). При одинаковом расположении роторов сельсинов по отношению к магнитной оси обмотки возбуждения, то есть при  = , ЭДС в соответствующих фазах обмоток будут одинаковы: Е₁ = Е₁, Е₂ = Е₂, Е₃ = Е₃. Поскольку обмотки синхронизации включены встречно, то рассматриваемые ЭДС находятся в противофазах. Поэтому токи в соединительных проводах обмоток синхронизации отсутствуют, так как они определяются разностью соответствующих ЭДС.

Е сли же ротор СД повернуть на некоторый угол относительно ротора СП (  ), то величины ЭДС в обмотках синхронизации будут различными. Разность этих ЭДС будет определять величину токов, протекающих по соединительным проводам:

где 2Z – полное сопротивление двух фаз обмоток синхронизации СД и СП и соединительных проводов.

Э





ти токи создадут в обмотках синхронизации СД и СП магнитные потоки. В результате взаимодействия магнитных потоков обмоток возбуждения и синхронизации на валах сельсинов возникнут вращающие моменты, которые будут стремиться уравнять величины углов  и , то есть свести угол рассогласования двух осей  =  –  к нулю.

Если ротор СД после разворота на заданный угол закрепить, то ротор СП под действием вращающего момента будет вращаться до тех пор, пока не станет в положение, при котором  = . Токи I₁, I₂, I₃ называют уравнительными, поскольку посредством их происходит выравнивание положения двух осей, а после этого токи будут равны нулю.

При непрерывном вращении ротора СД, например, открывающимся клапаном на трубопроводе, ротор СП будет вращаться с той же скоростью, то есть следить за положением ротора СД. Вращающий момент обеспечивает синхронность движения роторов, поэтому его называют синхронизирующим моментом.

Зависимость момента синхронизации М_СИН от угла рассогласования  двух осей сельсинов определяется следующим выражением:

М_СИН = М_МАХ Sin , (3)

где М_МАХ – наибольший синхронизирующий момент для данной конструкции сельсина.

График этой зависимости, при постоянном моменте сопротивления М_С на валу, представлен на рис. 7.

П ри изменении угла рассогласования осей  в пределах от 0 до 360° синхронизирующий момент М_СИН принимает нулевое значение два раза: при  = 0 и при  =180°. Это значит, что существует два положения ротора сельсина-приемника, при которых он будет оставаться неподвижным.

Первое из них, когда  = 0, будет согласованным с положением ротора СД, а второе положение будет отличаться от согласованного на угол 180°. На первый взгляд, это свой­ство находится в противоречии с утверждением, что вал СП сельсинной пары автоматически устанавливается в единственное в пределах полного оборота положение, соответствующее положению вала СД. Однако этого противоречия нет, так как положение ротора СП при  = 0 будет устойчивым, а при  =180° – неустойчивым.

Последнее положение определяется изменением направления синхронизирующего момента. Поэтому если нагруженный ротор СП при  = 180° предоставить самому себе, то он вернется в положение  = 0°, вращаясь до тех пор, пока угол рассогласования не станет равным нулю. Сторона вращения при этом может быть любой.

Угол рассогласования сельсинов зависит от величины момента сопротивления М_С на роторе СП.

В установившемся режиме справедливо равенство синхронизирую-щего (вращающего) момента и момента сопротивления (тормозящего)

М_СИН = М_С или М_МАХ Sin  = М_С. (4)

Из выражения (4) найдём угол рассогласования между осями сельсинов при данном моменте сопротивления:

 = arcsin М_C / М_МАХ (5)

Это минимально возможный передаваемый угол при данном М_С, то есть  = _МIN. Очевидно, что при меньшем угле  станет М_СИН < М_С и ротор СП прекратит движение за ротором СД

С



ледовательно, в пределах углов рассогласования  от 0 до _МIN, когда момент сопротивления М_С больше синхронизирующего момента М_СИН, ротор сельсина приемника неподвижен и не отслеживает положение ротора сельсина датчика.

Поскольку М_МАХ >> М_С, то угол рассогласования  мал. Графически величина угла рассогласования _МIN определяется точкой пересечения зависимостей М_СИН = М_МАХ Sin  при М_С = const, т.е. точкой А (см. рис. 7).

В



реальных условиях ротор СП всегда имеет на своем валу момент сопротивления М_С, обусловленный наличием трения в подшипниках и щеток о контактные кольца ротора. Кроме того, ротор несет на себе нагрузку в виде стрелки, шкалы или различных контактных устройств. Поэтому ротор СП точно в согласованное положение не устанавливается в принципе. Чем больше момент сопротивления и нагрузка, тем больше ошибка в передаче угла. Существенное влияние на точность передачи угла оказывают величина и равенство сопротивлений обмоток синхронизации и соединительных проводов, а также магнитная симметрия сельсинов.

Различают ошибки синхронной передачи угла поворота в статическом и динамическом режимах, называемые статическими и динамическими.

Статической ошибкой является разность углов поворота сельсинов, зафиксированная в их неподвижных состояниях.

Динамической ошибкой в каждый данный момент является разность углов поворота сельсинов, зафиксированная в процессе вращения.

П од максимальной статической ошибкой понимают полусумму абсолютных значений максимальной ошибки приемника, полученную при вращении датчика в двух направлениях в пределах одного оборота. Например, при наибольших ошибках по часовой стрелке  = 0,7°, а против часовой  = 0,8°, максимальная ошибка определяется из выражения

Достоинством индикаторного режима является простота конструкции, а недостатком – низкая точность передачи угла.

В зависимости от точности воспроизведения угла поворота сельсинов им присваивается один из трех классов точности:

первый – при погрешности до 0,5°;

второй – от 0,5 до 1,5°;

третий – от 1,5 до 2,5°.

В индикаторном режиме сельсины широко используются для указания положения блоков детектирования в аппаратуре контроля нейтронного потока и в указателях положения арматуры АСУ ТП.

Более глубоко изучить работу сельсинов поможет учебник [3].