Принцип действия системы синхронной связи и устройство сельсинов

Принцип действия. Электрические машины синхронной связи служат для синхронного и синфазного поворота или вращения двух или нескольких осей, механически не связанных между собой. В простейшем случае синхронную связь осуществляют с помощью двух одинаковых, электрически соединенных между собой индукционных машин, называемых сельсинами (от слов selfsinchroniring— самосинхронизирующийся). Одну из этих машин, механически соединенную с ведущей осью, называют датчиком, а другую, соединенную с ведомой осью (непосредственно или с помощью промежуточного исполнительного двигателя), — приемником.

Система синхронной связи работает так, что при повороте ротора сельсина-датчика на какой-либо угол θ _д ротор сельсина-приемника поворачивается на такой же угол θ _п. Следовательно, система стремится ликвидировать рассогласование между положениями роторов датчика и приемника, которое характеризуется углом рассогласования θ = θ _д - θ _п, и в идеальном случае свести угол θ к нулю.

Системы синхронной связи подразделяют на два основных вида: синхронного поворота (передачи угла) исинхронного вращения (электрического вала).

Режимы работы. Различают два основных режима работы сельсинов: индикаторный и трансформаторный.

При индикаторном режиме ротор сельсина-приемника соединяют непосредственно с ведомой осью. Его применяют при малом значении тормозного момента на ведомой оси, обычно в тех случаях, когда на оси укреплена хорошо уравновешенная стрелка индикатора (отсюда название — индикаторный).

При трансформаторном режиме сигнал о наличии рассогласования между положениями роторов датчика и приемника подается через усилитель на исполнительный двигатель, который поворачивает ведомую ось и ротор сельсина-приемника, ликвидируя рассогласование. При этом режиме выходной сигнал приемника пропорционален синусу угла рассогласования, аналогично тому, как во вращающемся трансформаторе, поэтому такой режим работы сельсина получил название трансформаторного. Трансформаторный режим применяют в тех случаях, когда к ведомой оси приложен значительный тормозной момент, т. е. когда приходится поворачивать какой-либо механизм.

Устройство сельсинов. Сельсины имеют две обмотки: первичную, или обмотку возбуждения, и вторичную, или обмотку сихронизации. В зависимости от числа фаз обмотки возбуждения различают одно- и трехфазные сельсины; обмотку синхронизации в обоих типах сельсинов обычно выполняют по типу трехфазной.
Трехфазные сельсины имеют такую же конструкцию, как трехфазные асинхронные двигатели с контактными кольцами на роторе; их применяют только в системах электрического вала. В системах автоматики используют однофазные контактные и бесконтактные сельсины.

Принцип действия сельсина не зависит от места расположения каждой из обмоток. Однако чаще всего в сельсинах обмотку синхронизации размещают на статоре, а обмотку возбуждения — на роторе (для уменьшения количества контактных колец и повышения надежности работы).

Однофазные контактные сельсины аналогичны асинхронным машинам малой мощности. Они могут быть явнополюсными (индикаторные) и неявнополюсными (трансформаторные). В явнополюсных сельсинах однофазная обмотка возбуждения сосредоточенная; она расположена на явно выраженных полюсах ротора (рис. 5.31, а) или статора (рис. 5.31, б). В неявнополюсных сельсинах однофазная обмотка возбуждения распределенная (рис. 5.31, в); она расположена в полузакрытых пазах ротора (или статора). Обмотку синхронизации всегда

Рис. 5.31. Схемы магнитной системы однофазных контактных сельсинов: 1 — статор; 2 — обмотка синхронизации; 3 — ротор; 4— обмотка возбуждения

Рис. 5.32. Устройство контактного сельсина: 1 — статор; 2 — ротор; 3 — контактные кольца

выполняют распределенной и размещают в пазах соответственно статора или ротора; фазы ее соединяют по схеме Y. Для приближения формы кривой поля к синусоиде воздушный зазор в явнополюсных сельсинах выполняют неравномерным — увеличенным на краях полюсного наконечника. Для ослабления зубцовых гармонических делают скос пазов статора или ротора на одно зубцовое деление.

Сельсины выполняют обычно двухполюсными. Так как магнитное поле в сельсинах переменное, то статор и ротор собирают из изолированных листов электротехнической стали (рис. 5.32). Для увеличения надежности контакта и уменьшения его переходного сопротивления кольца и щетки, к которым подключают обмотку ротора, выполняют обычно из сплавов серебра. Число контактных колец и щеток зависит от места расположения обмоток: сельсины с обмоткой возбуждения на роторе имеют два контактных кольца; с обмоткой возбуждения на статоре — три контактных кольца. В некоторых типах сельсинов-приемников на явнополюсном роторе по поперечной оси размещают короткозамкнутую демпферную обмотку, обеспечивающую быстрое затухание собственных колебаний ротора при переходе его из одного положения в другое. При отсутствии электрического демпфера на валу ротора сельсина-приемника устанавливают механические демпферы (фрикционные, пружинные или жидкостные — ртутные).

Рис. 5.33. Электромагнитная схема бесконтактного сельсина: 1 — тороиды; 2 — обмотка возбуждения; 3 — внешний магнитопровод; 4 — пакет статора; 5 — обмотка синхронизации; 6 — пакеты ротора; 7 — промежуток из немагнитного материала

Большим недостатком контактных сельсинов является наличие скользящих контактов, переходное сопротивление которых может изменяться. Это снижает надежность работы синхронной связи и приводит к увеличению погрешностей. В настоящее время широко применяют явнополюсные и неявнополюсные бесконтактные сельсины, не имеющие скользящих контактов.

В явнополюсном бесконтактном сельсине (рис. 5.33) на статоре расположены трехфазная распределенная обмотка синхронизации, два боковых кольца (тороиды), две тороидальные катушки однофазной обмотки возбуждения и внешний: магнитопровод. Стальной пакет, в котором размещена обмотка синхронизации и тороиды собраны из листов, расположенных перпендикулярно оси вала, а внешний магнитопровод — из листов, расположенных параллельно оси вала. На роторе имеются два стальных пакета, разделенных немагнитным материалом (обычно сплавом алюминия). Пакеты ротора соб-раны из стальных листов, размещенных в плоскости, параллельной оси вала. Следовательно, во всех элементах магнитной системы плоскость листов параллельна направлению силовых магнитных линий. Тороидальные катушки обмотки возбуждения включают так, чтобы направление тока в них в любой момент времени было согласованным.

Магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, замыкается в каждом элементе магнитной системы сельсина по пути, показанному на рис. 5.33 стрелками. Из первого пакета ротора он проходит через небольшой воздушный зазор, а затем по статору переходит во второй пакет, охватывая проводники обмотки синхронизации. Непосредствен­ному переходу потока из одного пакета ротора в другой препятствует косой промежуток, заполненный немагнитным материалом. Из второго пакета ротора поток через тороиды и внешний магнитопровод переходит в первый. При повороте ротора изменяется положение оси потока относительно обмоток синхронизации, поэтому ЭДС, индуцируемая в фазах обмотки синхронизации, зависит от угла поворота ротора, так же как и в контактных сельсинах, вследствие чего принцип действия этих видов сельсинов одинаков. Устройство бесконтактного сельсина показано на рис. 5.34, а.

Недостатком бесконтактных сельсинов является худшее использование материалов, чем в контактных, из-за больших потоков рассеяния и увеличенного тока холостого хода. При одинаковом удельном синхронизирующем моменте масса бесконтактного сельсина примерно в 1,5 раза больше, чем контактного.

В системах синхронной связи, работающих при повышенной частоте (400—1000 Гц), применяют неявнополюсные бесконтактные сельсины с кольцевым трансформатором (рис. 5.34, б). В этих сельсинах обмотка синхронизации расположена в пазах статора, а обмотка возбуждения - в пазах или на явно выраженных полюсах ротора. Питание к обмотке возбуждения подается посредством кольцевого трансформатора, смонтированного в общем корпусе с сельсином.

Такой сельсин по своей конструкции подобен контактному сельсину, но вместо колец и щеток в нем применен кольцевой трансформатор. Первичная обмотка трансформатора расположена на статоре, вторичная - на роторе, а магнитопровод состоит из торцовых колец, собранных из листов электротехнической стали, и внешнего и внутреннего колец, выполненных из металлокерамики.

Рис. 5.34. Устройство бесконтактных сельсинов: 1 - корпус; 2 и 9 - тороиды; 3, 7 -обмотка возбуждения; 4 -обмотка синхронизации; 5 - немагнитный промежуток; 6 - статор; 8 -ротор; 10 - кольцевой трансформатор

Принцип действия. Рассмотрим теорию однофазных сельсинов на примере контактных сельсинов с обмоткой возбуждения на статоре. Однако основные положения этой теории и полученные выводы в одинаковой мере можно распространить как на контактные сельсины с обмоткой возбуждения на роторе, так и на бесконтактные.

При работе сельсинов в трансформаторном режиме обмотка возбуждения В сельсина-датчика Д (рис. 5.35), механически связанного с ведущей осью О ₁, подключена к сети однофазного тока, а обмотка возбуждения В сельсина-приемника П — к усилителю У, подающему питание на обмотку управления исполнительного двигателя ИД. Обмотки синхронизации обоих сельсинов соединены между собой линией связи ЛС.

Переменный ток, проходящий по обмотке возбуждения датчика, создает в нем пульсирующий магнитный поток, который индуцирует ЭДС в трех фазах обмотки синхронизации. Так как обмотки синхронизации датчика и приемника соединены между собой линией связи, то по ним проходит ток, вследствие чего в сельсине-приемнике создается пульсирующий магнитный поток. Если возникает рассогласование положений роторов датчика и приемника, то этот поток индуцирует в обмотке возбуждения некоторую ЭДС, и на ее зажимах появляется выходное напряжение. Это напряжение через усилитель подается на обмотку управления исполнительного двигателя, который поворачивает ведомую ось О ₂ совместно с ротором приемника. При ликвидации рассогласования выходное напряжение становится равным нулю, и вращение ведомой оси прекращается.

Рис. 5.35. Схема включения сельсинов при работе в трансформаторном режиме

ЭДС и токи в обмотках синхронизации. Обмотка возбуждения датчика создает магнитный поток Ф_в, синусоидально распределенный по окружности статора и ротора и пульсирующий с частотой сети. Значение ЭДС, индуцируемой этим потоком в каждой фазе обмотки ротора датчика Д, зависит от ее положения относительно оси обмотки возбуждения (продольной оси d-d) (рис. 5.36). Если ось первой фазы ротора, расположенной в пазах ротора 1-1', совпадает с осью обмотки возбуждения, то действующее значение ЭДС, индуцируемой в этой фазе, максимальное:

(5.70)

E _1д = E _{2 max} = 4,44f ₁ w ₂ k _об2 Ф _вm,

а ЭДС, индуцируемые в других фазах, расположенных в пазах ротора 2-2' и 3-3', равны:
Е _2д = E _{2 max} cos l20°; Е _3д = Е _{2 maх} cos (-120°).

В общем случае, когда ось первой фазы ротора сдвинута относительно оси обмотки возбуждения на некоторый угол θ _д (рис. 5.36, а), получим

(5.71)

E 1д = E 2max cos θ д; E 2д = E 2max cos (θ д + 120˚); E 3д = E 2max cos (θ д - 120˚)	}
Рис. 5.36. Векторы МДС ротора в датчике (а) и приемнике (б) при повороте ротора датчика на угол θ = 60°

Так как одноименные фазы роторов датчика и приемника соединены последовательно, то проходящий по ним ток

(5.72)

I 1 = E 1д /Z 2 = (E 2max /Z 2 ) cos θ д = I 2max cos θ д; I 2 = I 2max cos (θ д + 120°); I 3 = I 2max cos (θ д - 120°),

}

где I _{2 max} = E _{2 max} / Z ₂ — наибольшее действующее значение тока в фазе обмотки ротора; Z ₂ — общее сопротивление последовательно включенных фаз датчика и приемника.

Из (5.72) следует, что алгебраическая сумма токов I ₁ + I ₂ + I ₃ = 0, вследствие чего линия связи может быть без нулевого провода.

МДС ротора в датчике и приемнике. Ток, проходящий по фазам обмотки ротора датчика, создает в нем соответствующие МДС. МДС отдельных фаз распределены в пространстве синусоидально, поэтому

(5.73)

F 1 д = F 2max cosθ д; F 1 д = F 2max cos (θ д + 120°); F 3 д = F 2max cos (θ д + 120°),

}

где F _{2 max} = 0,9 I _{2 max} w ₂ k _об2 — максимальное значение МДС, создаваемой одной фазой обмотки ротора.

Определим результирующую МДС всех фаз датчика, для чего сложим составляющие МДС F _дd и F _дq по продольной оси d-d (оси обмотки возбуждения) и поперечной оси q-q. При этом

F _дd = F _1д cos θ _д + F _2д cos (θ _д + 120°) + F _3д cos (θ _д- 120°) =

= F _{2 max} [cos ² θ _д + cos ² (θ _д + 120°) + cos ² (θ _д- 120°)] =

(5.73a)

= 1,5F _{2 max} - 0,5F _{2 max} [cos2θ _д + cos2(θ _д + 120°) +cos2(θ _д- 120°)] =1,5F _2max;

F _дq = F _1д sin θ _д + F _2д sin (θ _д + 120°) + F _3д sin (θ _д- 120°) =

= F _{2 max} [ cos θ _д sin θ _д + cos (θ _д + 120°) sin (θ _д + 120°) +

(5.73б)

+ cos(θ _д -120°)sin(θ _д -120°)] = 0,5F _2max [sin2θ _д + sin2(θ _д +120°) + sin2(θ _д -120°)] = 0.

Таким образом, результирующую МДС ротора датчика можно представить пространственным вектором F^→ _д, который при любом угле θ _д направлен по продольной оси и имеет постоянную величину, равную l,5 F _{2 max} (рис. 5.36, а).

МДС соответствующих фаз ротора приемника П (рис. 5.36,б) отличаются от МДС фаз ротора датчика только знаком, так как ток в фазах обмотки ротора приемника направлен противоположно току в фазах обмотки ротора датчика. Следовательно, результирующую МДС приемника также можно представить пространственным вектором F^→ _п, величина которого не зависит от угла поворота роторов датчика и приемника и всегда равна - l,5 F _{2 max}. Ее продольная и поперечная составляющие

(5.74)

F _пд = -F _1д cos θ _п- F _2д cos(θ _п + 120°) - F _3д cos(θ _п- 120°) = - 1,5F _{2 max} cosθ;

(5.75)

F _пq = -F _1д sin θ _п- F _2д sin(θ _п + 120°) - F _3д sin(θ _п- 120°) = - 1,5F _{2 max} sinθ;

Знак «-» в (5.74) и (5.75) показывает на то, что вектор результирующей МДС F^→ _д поворачивается в противоположную сторону относительно результирующей МДС F^→ _д. Так, например, если установить ротор приемника в положение θ _п = 0 и повернуть ротор датчика на угол θ _д = 60° по часовой стрелке (рис. 5.36, а), то вектор МДС F^→ _п повернется относительно ротора приемника на угол θ = θ _д - θ _п = 60°, но в противоположном направлении, т. е. против часовой стрелки (рис. 5.36,б).

Выходное напряжение сельсина-приемника. Продольная составляющая МДС ротора в датчике F _дd компенсируется МДС, создаваемой компенсационным током, который поступает из сети в обмотку возбуждения (аналогично трансформатору). В приемнике МДС ротора создает пульсирующий магнитный поток, продольная составляющая которого Ф_пdиндуцирует в выходной обмотке (обмотке возбуждения) ЭДС

(5.76)

Е _вых = 4,44f ₁ w ₁ k _об1 Ф _{п dm}cos θ = E _{1 max} cos θ,

где w ₁ и k _об1 — число витков и обмоточный коэффициент обмотки статора сельсина; E _{1 max} — действующее значение ЭДС в выходной обмотке в случае, когда МДС F _{2 max} совпадает с осью этой обмотки. При согласованном положении приемника и датчика на выходе целесообразно иметь нулевой сигнал. Поэтому ротор или статор приемника при согласованном положении ведущей и ведомой осей предварительно смещают на 90° относительно ротора или статора датчика. При этом выходной сигнал изменяется по закону

(5.77)

U _вых ≈ Е _вых = E _{1 max} cos (90° - θ) = E _{1 max} sin θ.

При выборе сельсина для определенного режима работы необходимо знать удельное выходное напряжение, т. е. значение U _вых, приходящееся на 1° угла рассогласования:

(5.78)

U _уд = E _{1 max} sin 1° = 0,0175 E _{1 max}.

Это значение обычно приводится в паспорте сельсина. Для того чтобы зависимость выходного сигнала U _вых от угла рассогласования была по возможности близкой к синусоидальной, сельсины, предназначенные для работы в трансформаторном режиме, выполняют с неявно выраженными полюсами. Этим достигаются существенное уменьшение высших гармонических в кривой ЭДС и повышение точности при передаче угла.

Точность. Точность сельсинов-датчиков, а также сельсинов-приемников, предназначенных для работы в трансформаторном режиме, определяют по ошибке асимметрии — отклонению фактических положений ротора, в которых ЭДС фаз обмотки синхронизации равны нулю, от теоретических (отстоящих друг от друга на 180°). Ошибки находят для каждой из трех фаз. Погрешность подсчитывают как полусумму максимальных положительных и отрицательных отклонений; в зависимости от класса точности она не должна превышать 1 — 30 угловых минут. Для работы сельсина-приемника в трансформатор­ном режиме большое значение имеет удельное выходное напряжение (напряжение при угле рассогласования, равном 1°); значение его составляет 0,5—2 В/град.

Принцип действия. При индикаторном режиме на валу сельсина-приемника имеется незначительный момент сопротивления, поэтому для поворота ротора приемника вслед за поворотом ротора датчика требуется небольшой вращающий момент, который можно получить от приемника без дополнительных усилительных устройств.

Рис. 5.37. Схема включения сельсинов при работе их в индикаторном режиме

При работе сельсинов в рассматриваемом режиме обмотки возбуждения В датчика Д и приемника П включены в общую сеть переменного тока (рис. 5.37), а обмотки синхронизации соединены между собой линией связи ЛС. Пульсирующие магнитные потоки, создаваемые обмотками возбуждения датчика и приемника, индуцируют ЭДС в трех фазах обмоток синхронизации. Если между роторами датчика и приемника имеется некоторый угол рассогласования θ, то по обмоткам синхронизации проходят токи, которые, взаимодействуя с потоком возбуждения, создают в датчике и приемнике синхронизирующие моменты. Эти моменты имеют противоположные направления и стремятся свести угол рассогласования к нулю. Обычно ротор датчика заторможен, поэтому его синхронизирующий момент воспринимается механизмом, поворачивающим ведущую ось О ₁; синхронизирующий же момент приемника поворачивает ротор в ту же сторону и на тот же угол, на который поворачивается ротор датчика.

ЭДС и токи в обмотках синхронизации. В трех фазах обмотки синхронизации датчика поток возбуждения Ф_в индуцирует ЭДС Е _1д, Е _2д и Е _3д, значения которых определяются углом θ _д [см. (5.71)]. Так как обмотка возбуждения приемника присоединена к сети однофазного тока, то в фазах его обмотки синхронизации индуцируются ЭДС Е _1п, Е _2п, Е _3п, которые определяются углом θ _п [зависимости их от θ _п аналогичны (5.71)]. ЭДС в одноименных фазах датчика и приемника направлены по контуру, образованному проводами линии связи, встречно, поэтому токи в фазах датчика и приемника соответственно равны:

(5.79)

I 1 = (Е 1д- Е 1п )/Z 2 = (E 2max /Z 2 )(cos θ д- cos θ п ) = I 2max (cos θ д- cos θ п ); I 2 = I 2max [cos(θ д + 120°) - cos(θ п + 120°)]; I 3 = I 2max [cos(θ д- 120°) - cos(θ п- 120°)].

}

МДС ротора. При рассмотрении теории работы сельсинов в индикаторном режиме целесообразно токи в фазах обмоток синхронизации представить в виде двух составляющих:

(5.80)

I ₁ = I _1д + I _1п; I ₂ = I _2д + I _2п; I ₃ = I _3д + I _3п,

где составляющие с индексом «д» обусловлены Наличием ЭДС Е _д в обмотках датчика, а с индексом «п» — ЭДС Е _п в обмотках приемника. Это позволяет при определении МДС в датчике и приемнике использовать результаты, полученные в § 5.12. Действительно, составляющие токов I _1д, I _2ди I _3д создают в датчике МДС F _д.д = F _д.дd = l,5F _2max, направленную по продольной оси, а в приемнике МДС F _п.д = - l,5F _2max, продольная и поперечная составляющие которой равны F _п.дd = - l,5F _2max cos θ и F _п.дq = - l,5F _2max sin θ. Составляющие токов I _1п, I _2п и I _3п создают в приемнике МДС F _п.п = F _п.пd = 1,5F _2max, направленную по продольной оси, а в датчике МДС F _д.п, продольная и поперечная составляющие которой равны F _д.пd = - l,5F _2max cos θ и F _д.пq = l,5F _2max sin θ. При этом результирующие МДС (рис. 5.38)

Рис. 5.38. Векторы МДС ротора в датчике F^→ д(а)и в приемнике F^→ п (б)

имеют следующие составляющие в датчике и приемнике соответственно:

(5.81)

F д d= F д.д d+ F д.п d= 1,5F 2max (1 - cos θ); F д .q= F д.п q= 1,5F 2max sin θ;

}

(5.82)

F п d= F п.п d+ F п.д d= 1,5F 2max (1 - cos θ); F п q= F п.д q= - 1,5F 2max sin θ.

}

При θ = 0 МДС в датчике и приемнике равны нулю, так как ЭДС в фазах обмоток синхронизации датчика и приемника взаимно компенсируются, и ток в этих фазах отсутствует. При наличии угла рассогласования появляются токи и МДС ротора, величины которых в датчике и приемнике одинаковы:

F _д = F _п = √ F_d² + F_q² = l,5F _2max √ (1 - cos θ)² + sin²θ =

(5.83)

= 1,5F _2max √ 2 - 2cosθ = 3F _2max sin(θ/2).

Рис. 5.39. Векторы МДС ротора в датчике F^→ д(а)и в приемнике F^→ п(б)при повороте ротора датчика

На рис. 5.39, а и б показаны пространственные векторы МДС датчика и приемника при θ _д = 60° и θ _п = 0. Вектор МДС ротора датчика F ^→_д смещается относительно поперечной оси в сторону поворота датчика на угол θ /2 = 30°. В приемнике МДС вектор F^→ _п смещается на такой же угол θ /2 = 30°, но в обратном направлении, и поперечная составляющая F _пq направлена противоположно поперечной составляющей МДС F _дq ротора датчика.

Синхронизирующий момент. Продольные составляющие МДС роторов датчика F _дd и приемника F _пd создают в обмотках возбуждения компенсационные токи (аналогично трансформатору), МДС которых компенсирует действие МДС F _дd и F _пd. Поперечные составляющие F _дq и F _пq, оставшиеся нескомпенсированными, взаимодействуют с потоком статора, создавая в датчике и приемнике синхронизирующие моменты, которые в датчике и приемнике направлены в различные стороны и стремятся повернуть оба ротора в согласованное положение.

Векторная диаграмма для ротора сельсина-приемника (рис. 5.40) подобна векторной диаграмме для ротора асинхронного двигателя. Поперечная составляющая МДС ротора F _q совпадает по фазе с током ротора I _2max и отстает от вектора потока возбуждения Ф_в на угол β = 90° + ψ₂. Величину и направление синхронизирующего момента можно определить так же, как в асинхронной машине нормального исполнения, считая, что момент создается активной составляющей тока ротора. Мгновенное значение синхронизирующего момента пропорционально произведению мгновенного значения потока возбуждения на мгновенное значение поперечной составляющей МДС F _q ротора:

m _сн = C ₁ Ф _вm sin ωtF _q sin (ωt - β),

или, учитывая, что F _q — l,5F _2max sinθ,

m _сн = С ₂ Ф _вm F _2max sin θ [cos β - cos(2ωt - β)],

Рис. 5.40. Векторная диаграмма для ротора сельсина-приемника

где C ₁ и С ₂ — постоянные. Следовательно, при заданном угле рассогласования в синхронизирующий момент изменяется в соответствии с изменением угла ωt. Среднее значение синхронизирующего момента

М _сн = C ₁ Ф _вm F _q cos β = C ₂ Ф _вm F _2max sin θ sinψ ₂.

Принимая sin ψ₂ = const и обозначая С ₂Ф_вm F _2max sin ψ₂ = M_max, получаем

(5.84)

М _сн = M _max sin θ.

Рис. 5.41. Зависимости синхронизирующего момента от угла рассогласования

Таким образом, среднее значение синхронизирующего момента пропорционально синусу угла рассогласования (рис. 5.41, а). Для того чтобы сельсины обладали свойствами самосинхронизации в пределах одного оборота, их обычно выполняют двухполюсными; при этом геометрический угол поворота ротора θ соответствует «электрическому» углу. Из рассмотрения рис. 5.41, а следует, что синхронизирующий момент равен нулю при углах рассогласования θ = 0 и θ = 180°, т. е. в рассматриваемой системе передачи угла при изменении угла рассогласования на 360° имеются две точки согласованного положения роторов датчика и приемника. Однако в действительности согласованное положение соответствует углу θ = 0, так как при θ = 180° наблюдается неустойчивое равновесие: при малейшем отклонении ротора в ту или иную сторону от этой точки возникает синхронизирующий момент, стремящийся ликвидировать угол рассогласования θ и сделать его равным нулю.

Как следует из (5.84), максимальный синхронизирующий момент M _maxзависит от произведения F _2max sin ψ₂. Так как = 0,9 E _2max w ₂ k _o62 / Z ₂, a sin ψ₂ = X ₂ /Z ₂, то момент

(5.85)

M _max = АФ _вm Е _2тах X ₂ /Z ₂² = BU _в² X ₂ /(R ₂² + Х ₂² ),

где А и В — постоянные; U _в — напряжение, подаваемое на обмотку возбуждения сельсинов; Z ₂, R ₂, X ₂ — суммарные полное, активное и индуктивное сопротивления последовательно включенных фаз датчика и приемника (для сельсинов с явно выраженными полюсами берутся значения Z ₂, R ₂ и Х ₂, приведенные к поперечной оси сельсина).

Взяв производную момента M _max по Х ₂ и приравняв ее нулю, можно определить, что при Х ₂ = R ₂ этот момент имеет наибольшую величину.

Синусоидальная зависимость синхронизирующего момента от угла рассогласования (рис. 5.41, а) наблюдается лишь в том случае, если индуктивные сопротивления обмоток ротора по продольной и поперечной осям равны: X _2d = X _2q, т. е. при наличии магнитной симметрии контура, по которому замыкается переменный поток ротора.

В сельсинах с неявновыраженными полюсами магнитная симметрия для переменного потока нарушается из-за того, что продольный поток сцеплен с обмоткой возбуждения, включенной в сеть с небольшим сопротивлением. Вследствие этого в сельсинах с неявновыраженными полюсами X _2d < X _2q, и кривая синхронизирующего момента несколько изменяется по сравнению с идеализированными условиями (рис. 5.41, б, кривая 1). Она имеет максимум при углах рассогласования, больших 90° (кривая 2). Чтобы увеличить синхронизирующий момент при малых углах рассогласования, сельсины, предназначенные для работы в индикаторном режиме, выполняют, как правило, с явно-выраженными полюсами, на которых располагают сосредоточенную обмотку возбуждения. В результате проводимость по продольной оси повышается, и максимум синхронизирующего момента достигается при угле, меньшем 90° (кривая 5), так как в этом случае X _2d > X _2q. Физически это объясняется тем, что в машине имеются дополнительные вращающие моменты, стремящиеся поставить ротор в положение, при котором его потокосцепления максимальны.

Важной характеристикой сельсина является удельный синхронизирующий момент (момент, приходящийся на 1° угла рассогласования):

(5.86)

М _сн.уд = M _max sin 1° = 0,0175M _max.

Момент М _сн.уд пропорционален тангенсу угла наклона β характеристики М _сн = f(θ) в ее начальной части (см. рис. 5.41, а). Чем больше значения М _сн.уд, тем меньший угол рассогласования требуется для преодоления момента, возникающего от сил сопротивления, действующих на ротор, и, следовательно, тем меньше статическая погрешность сельсина. На рис. 5.42, а показаны кривые 1 и 2 изменения синхронизирующего момента для двух сельсинов-приемников, имеющих различные удельные синхронизирующие моменты. При одинаковом моменте сопротивления М _с погрешность θ ₁сельсина с большим удельным синхронизирующим моментом М _сн.уд1 меньше погрешности θ ₂ сельсина с меньшим М _сн.уд2.

Рис. 5.42. Зависимости синхронизирующего момента от угла рассогласования при различных значениях М сн.уд и отношения М дин.уд / М сн.уд от относительной частоты вращения ротора

При работе сельсинов в режиме непрерывного вращения кроме рассмотренных трансформаторных ЭДС в фазах обмоток роторов датчика и приемника возникают ЭДС вращения, которые по мере роста частоты вращения n снижают синхронизирующий момент. Удельный динамический синхронизирующий момент М _дин.уд в режиме вращения можно определить, используя метод симметричных составляющих. Однако в практических расчетах при частотах вращения, не превышающих 20 % от синхронной частоты n ₁ = 60f ₁ /p, часто используют эмпирическую формулу

(5.87)

М _дин.уд = М _сн.уд cos (πv/2),

где v = n/n ₁ — относительная частота вращения ротора сельсина.

На рис. 5.42, б показана зависимость отношения М _дин.уд / М _сн.уд от относительной частоты вращения v. Обычно при v = 0,1 ÷ 0,2 динамический синхронизирующий момент М _дин ≈ М _сн. Поэтому если требуется осуществить синхронное вращение при больших абсолютных значениях частоты вращения, то обмотку возбуждения целесообразно питать от источника переменного тока повышенной частоты (чтобы относительная частота вращения v была небольшой).

Точность. Погрешности при работе сельсинов в индикаторном и трансформаторном режимах вызываются электрической, магнитной и механической асимметрией датчика и приемника, обусловленной технологическими причинами, влиянием высших гармонических в кривой МДС ротора, влиянием сопротивления линии связи, изменением напряжения питающей сети и др. Кроме того, при работе сельсинов в трансформаторном режиме на точность отработки угла значительно влияет ток нагрузки в выходной обмотке, а при работе в индикаторном режиме — тормозной момент на валу приемника.

Технологические причины погрешностей можно устранить при изготовлении сельсинов, обеспечив высокую точность штамповки листов ротора и статора, а также сборки их пакетов; строгую концентричность цилиндрических поверхностей ротора и статора (равномерность воздушного зазора), тщательную балансировку ротора и пр.

Высшие гармонические в кривой МДС ротора можно уменьшить путем применения синусных (точных) обмоток, делая скос пазов и выбирая благоприятные соотношения между полюсной дугой и зубцовым делением.

При работе сельсинов в трансформаторном режиме весьма важно, чтобы при θ = 0 остаточное напряжение в выходной обмотке (нулевой сигнал) было мало. В современных сельсинах благодаря высокому качеству изготовления и использованию точных обмоток нулевой сигнал уменьшают до 0,2—0,3%.

В индикаторном режиме точность сельсина-приемника характеризуется погрешностью Δ θ, которая определяется как полусумма максимального положительного Δ θ _max1 и отрицательного Δ θ _max2 отклонений ротора приемника от согласованного с ротором датчика положения за один оборот:

Δ θ = 0,5(Δ θ _max1 + Δ θ _max2).

Погрешность Δ θ определяется путем поворота ротора датчика на 360° сначала в направлении вращения часовой стрелки, а затем — в обратном направлении. В зависимости от класса точности сельсина-приемника погрешность не должна превышать 30—90 угловых минут.

Удельный синхронизирующий момент сельсинов-приемников, работающих в индикаторном режиме, для машин различных мощностей составляет (0,1—5)10^-3 Н∙м/град; момент сопротивления контактных сельсинов — (0,3 ÷ 10)10^-3 Н∙м; добротность, т. е. отношение удельного синхронизирующего момента к моменту сопротивления, — 0,3 —1,5; время успокоения, в течение которого останавливается ротор приемника после рассогласования на ±179°, —0,5—1,5 с. Точность сельсинов-датчиков определяют так же, как и при работе их в трансформаторном режиме.

Дата добавления: 2015-11-26