Сельсины: назначение, устройство, принцип действия

Бесконтактные сельсины. Принцип действия бесконтактного сельсина.

В настоящее время широкое применение находят бесконтактные сельсины. У них отсутствуют скользящие контакты, что повышает надежность и точность их работы. В таких сельсинах (рисунок, позиция а) обмотки синхронизации и возбуждения размещают на статоре, а ротор не имеет обмоток. Ротор состоит из двух пакетов 1 и 2, набранных из листовой стали, между которыми имеется косой промежуток 3, заполненный немагнитным материалом, вследствие этого полюсы ротора в магнитном отношении разделены. Листы пакетов ротора располагаются параллельно оси вала, как показано на рисунке, позиции б. Основной пакет статора 4 имеет обычную конструкцию и в его пазах 5 размещается обмотка синхронизации 6. Обмотка возбуждения 7 состоит из двух кольцевых катушек, оси которых совпадают с осью ротора.

Бесконтактный сельсин схема

Магнитный поток, созданный обмоткой возбуждения 7, из полюса П1 в полюс П2 замыкается через боковые кольца 8 и пакет внешнего магнитопровода 9, набранного из полос электротехнической стали, а затем через зубцы и ярмо пакета статора.

В зубцовом слое статора магнитный поток, созданный обмоткой возбуждения, как и в контактном сельсине, будет сцепляться с обмоткой синхронизации. В зависимости от назначения и режимов работы различают: сельсины, работающие в индикаторном режиме; сельсины, работающие в трансформаторном режиме, и дифференциальные сельсины.

Общее устройство сельсина

Данные системы способны синхронно и плавно передавать на расстояние необходимые угловые величины. Механическая связь между ними отсутствует, а все передачи выполняются за счет электрических соединений, выступающих в качестве линий связи. Мощность таких приборов находится в пределах от нескольких ватт до 1 кВт, поэтому они могут использоваться для решения многих технических задач.

  • Обмотка с одной катушкой на статоре и с тремя – на роторе.
  • Обмотка с тремя катушками на статоре и с одной – на роторе.
  • Обмотка с тремя катушками на статоре и с тремя – на роторе.

Как видно из представленной схемы, сельсины, задействованные в схемах автоматических регулировок, разделяются на следующие категории:

  • Сельсин-датчики.
  • Сельсин-приемники.
  • Дифференциальные сельсины.

Основной функцией этих устройств является синхронный поворот или вращение двух или нескольких осей, не имеющих между собой механической связи. Аппарат, механически связанный с ведущей осью, считается датчиком, а другой такой же прибор, соединенный с ведомой осью называется приемником. Когда ротор датчика поворачивается на какой-то угол, то ротор приемника синхронно выполняет поворот на такой же угол.

Каждый сельсин имеет обмотки, разделяющиеся на первичную – обмотку возбуждения и вторичную – обмотку синхронизации. В зависимости от количества фаз первичной обмотки, устройства могут быть одно- или трехфазными. Вторичная обмотка практически всегда выполняется в трехфазном варианте.

Расположение первичной и вторичной обмотки не влияет на принцип работы сельсин-устройств. Тем не менее, обмотку синхронизации принято устанавливать на статоре, а обмотку возбуждения на роторе. Такое размещение позволяет снизить количество контактных колец и повысить общую надежность устройства.

Схема и принцип действия

На предложенных схемах изображены различные варианты включения (как датчика, как приемника и в качестве дифференциального устройства).

После их анализа можно сделать следующие выводы:

  • Как датчики, так и приемники своими статорными обмотками напрямую подсоединяются к питающей сети.
  • Их 3-х катушечные роторные обмотки объединены линейными электрическими связями.
  • За счет такого включения при повороте первичного ротора на заданный угол аналогичный узел приемника повернется на тот же градус.
  • Если вращать подвижную часть датчика с фиксированной скоростью – с той же частотой будет крутиться соответствующий узел приемника.

В основу данного эффекта заложен принцип э/м индукции, суть которого состоит в способности обмотки с переменным током наводить поле в близко расположенной катушке (на схеме – вариант «а»).

Важно! Индуцировать стороннее поле способен только меняющийся по величине или фазе (то есть переменный) ток. Величина наводимого в катушке статора ЭДС зависят от ее удаления от роторных обмоток

В случае, когда вращающиеся части двух приборов (приемного и передающего) разнесены от своих статоров на равное расстояние – наблюдается интересный эффект. Он состоит в том, что в этой ситуации токи в роторных контурах равны и противоположны по направлению, что приводит к обнулению их результирующей. Следствием этого является пропадание вращающего момента на валах обоих сельсинов (они неподвижны)!

Величина наводимого в катушке статора ЭДС зависят от ее удаления от роторных обмоток. В случае, когда вращающиеся части двух приборов (приемного и передающего) разнесены от своих статоров на равное расстояние – наблюдается интересный эффект. Он состоит в том, что в этой ситуации токи в роторных контурах равны и противоположны по направлению, что приводит к обнулению их результирующей. Следствием этого является пропадание вращающего момента на валах обоих сельсинов (они неподвижны)!

Принцип действия различных схем

Принцип действия системы наглядно виден на схемах, представленных на рисунке. На схеме «а» датчик и приемник подключены через статорные однокатушечные обмотки к единой сети переменного тока, а обмотки ротора с тремя катушками соединяются друг с другом. Получается система «датчик-приемник». При повороте ротора сельсин-датчика на какую-либо величину угла, ротор приемника повернется на точно такой же угол.

READ  Обслуживание и ремонт магнитных пускателей (стр. 1 из 3)

Основой синхронной связи является электромагнитная индукция. Под действием переменного тока обмотки статора, в роторной обмотке индуктируются токи, на величину которых оказывает влияние расположение обмоток статора и ротора относительно друг друга.

Когда роторы в обоих сельсин-устройствах располагаются одинаково относительно статоров, токи в проводах, соединяющий роторы будут при общем равенстве противоположны между собой. Поэтому в каждой катушке ток будет равен нулю. Следовательно валы сельсинов находятся в состоянии покоя и их вращающий момент также равен нулю.

При повороте ротора сельсин-датчика на какой-то угол, данное равновесие токов нарушается и на валу приемника появится вращающий момент. Его ротор будет вращаться до полного исчезновения неравновесия токов. Это неравновесие исчезнет, когда ротор сельсин-приемника примет такое же положение, что и ротор датчика.

В автоматическом регулировочном режиме довольно часто требуется работа приемника в режиме трансформатора. На схеме «б» видно, что ротор приемника закреплен неподвижно, а обмотка статора отключена от сети. Далее в ней будет индуктироваться ЭДС под влиянием тока, протекающего по обмоткам ротора. Величина этого тока будет зависеть от положения ротора датчика. То есть величина ЭДС ротора приемника будет находиться в пропорции с углом поворота сельсин-датчика. В исходном положении оба ротора смещаются на 90 градусов между собой, поэтому ЭДС на роторе датчика будет равна нулю. Таким образом, поворот ротора датчика вызовет индукцию ЭДС на роторе приемника, пропорциональной углу рассогласования обоих роторов.

Схема «в» отображает работу дифференциального сельсина, который используется для контроля разницы углов поворота сразу двух осей. Два датчика располагаются на двух отдельных валах с одинаковыми скоростями вращения. Третий сельсин-датчик является дифференциальным, а его угол поворота представляет собой разницу между углами поворота датчиков.

Функция датчика положения

Если взять и каким-либо способом (вручную, например) провернуть ротор одного из приборов на некоторый угол – равновесие токов в его катушке нарушается. Из-за электрической связи в катушках второго устройства наблюдается аналогичное рассогласование баланса токов. Вследствие этого появляется результирующая, отличная от нуля, что приводить к образованию э/м поля и момента индукции (вращающей силы). Под ее воздействием подвижный узел исполнительной части будет проворачиваться до состояния, в котором равновесие токов полностью восстановится. Нетрудно понять, что это состояние будет соответствовать положению другого прибора.

Авторегулирование

При авторегулировании приемник работает в трансформаторном режиме (на схеме – «б»). Его ротор в данной схеме неподвижен, а обмотка статора полностью отключена от сети. В ней наводится ЭДС за счет токов, протекающих в собственной роторной обмотке (их величина задается состоянием первого устройства). Отсюда следует, что величина наводимой в статоре приемника ЭДС полностью зависит от угла поворота подвижной части датчика.

Дополнительная информация: Из-за того, что обмотка статора приемника не подключена к сети – фаза напряжения в нем смещена на 90° относительно статорной катушки датчика.

Это обстоятельство учитываются при вычислении выходной ЭДС (через поправочный коэффициент).

Дифференциальный прибор

Это вариант исполнения применяется в тех случаях, когда возникает потребность в определении разности угловых положений двух электрически связанных приборов (таким образом, выявляется степень их рассогласования). Другими словами размещаемые на различных валах сельсиновые датчики в этом случае сравниваются по скорости перемещения их подвижных узлов, после чего определяется их рассогласование.

В данной схеме три катушки от двух крайних приборов электрически соединены с соответствующими обмотками ротора и статора еще одного (третьего) сельсина, который называется дифференциальным (на схеме – «в»). Угол вращения этого третьего определяется как разность показаний для двух приборов-датчиков.

Общие сведения, классификация

Машины синхронной связи предназначены для осуществления синхронного или синфазного поворотов двух осей, механически между собой не связанных, или для их вращения.
Индукционные системы синхронной связи делятся на трехфазные и однофазные. Трехфазные системы применяются для синхронизации двух валов приводных двигателей, не связанных механически. Обычно это силовые системы относительно большой мощности, носящие название систем электрического вала. Их используют, например, в механизмах разводки мостов, ворот шлюзов, в установках бумажной промышленности и т. д.
Однофазные системы применяются в маломощных установках и широко используются в схемах автоматических устройств. Микромашины, применяемые в индукционных системах синхронной связи в качестве датчиков и приемников, получили название сельсинов, подчеркивающее их способность к самосинхронизации (self synchron означает самосинхронизирующийся).
В теории синхронной связи автоматических устройств различают два понятия: синхронную индикаторную передачу — индикаторный режим сельсинов и следящий привод — трансформаторный режим сельсинов. В первом случае требуется передать лишь незначительный момент, необходимый, например, для поворота стрелки прибора (индикатора) для указания на расстоянии положения какого-либо регулирующего органа — клапана, задвижки, заслонки, вентиля и т. д. Передача показаний на пульт управления особенно важна в случаях, когда по каким- либо причинам человек не может подойти к регулируемому органу. Схема синхронной индикаторной передачи дана на рисунке 347. Здесь сельсин-датчик Д (заводящее устройство) и сельсин-приемник П (отрабатывающее устройство) при угле заводки а отрабатывают пропорциональный угол са непосредственно, то есть стрелка индикатора находится на оси приемника П.
При необходимости передать угол поворота механизму, к валу которого приложен более или менее значительный момент сопротивления, использовать индикаторную схему можно лишь при мощных силовых сельсинах. Мощной должна быть и линия связи. Рациональнее и проще поступить иначе: от датчика к приемнику передать слабый по мощности сигнал, который затем, будучи усилен, воздействует на исполнительный двигатель, связанный с приводным механизмом. В такой системе следящего привода схема связи построена так, чтобы напряжение приемника П (сигнал) было функцией угла поворота ротора датчика Д. Кроме того, между приемником и исполнительным двигателем должна быть обратная связь, приводящая роторы датчика и приемника в согласованное положение (положение нулевого сигнала) по окончании отработки. Схема следящего привода дана на рисунке 348. На заводящем устройстве Д, возбуждаемом напряжением сети, осуществляется механический поворот на угол а (угол заводки). Сигнал, выработанный в отрабатывающем устройстве Я, после предварительного усиления в усилительном устройстве УУ в виде напряжения управления подается на исполнительный двигатель ИД, возбуждаемый напряжением сети. Исполнительный двигатель, будучи соединен механически с валом нагрузки, приводит его во вращение. Рис. 347. Схема синхронной индикаторной передачи.     
Рис. 348. Схема следящего привода.

READ  Размеры обозначений

Благодаря механической обратной связи исполнительного двигателя с отрабатывающим устройством П будет постепенно уменьшаться напряжение управления, и, когда отрабатывающее устройство П повернется на угол заводки a, Uy станет равным нулю и исполнительный двигатель остановится. В результате произойдет поворот вала нагрузки на угол а или пропорциональный ему са.
Индукционным системам синхронной связи присущ ряд положительных свойств: отсутствие искровой коммутации, то есть разрывов цепи питания датчиков при работе системы; высокая точность, обеспечивающая малые углы ошибки между положениями роторов датчика и приемника в согласованном режиме (не выше 2,5° для машин низшего класса); плавность отработки приемником поворота датчика; возможность иметь датчик и приемник бесконтактными; однотипность датчика и приемника.

Конструктивные особенности

Конструктивно синхронизирующие сельсины могут быть контактными и бесконтактными. В первом случае соединение роторной обмотки с внешней электрической цепью осуществляется с помощью щеток и контактных колец. Устройство контактных сельсинов напоминает асинхронный двигатель с маломощным фазным ротором.

Статоры и роторы таких сельсинов считаются неявнополюсными, а обмотки – распределенными. На роторе располагается обмотка возбуждения, к которой электрический ток подведен посредством двух контактных колец. Некоторые виды устройств имеют явно выраженные полюса статоров и роторов, что существенно повышает их синхронизирующий момент.

В процессе эксплуатации сельсинов контактные кольца постепенно изнашиваются и требуют замены. Этот фактор считается единственным серьезным недостатком данных устройств. Бесконтактные сельсины, назначение и конструкция которых предполагает отсутствие контактных элементов, имеют две обмотки, размещенные на статоре. Сам ротор представляет собой цилиндр, изготовленный из ферромагнитного материала. Специальная алюминиевая прослойка разделяет ротор на два полюса, изолированных друг от друга.

В торцах устройства установлены сердечники, для изготовления которых использовалась листовая электротехническая сталь. Поверхность этих сердечников со стороны внутренней части размещается над ротором. Наружная поверхность смыкается со стержнями внешнего магнитопровода.

Однофазная обмотка возбуждения представляет собой двухдисковые катушки, расположенные по обеим сторонам статора, между обмоткой синхронизации и сердечниками.

Во время работы бесконтактного сельсина происходит замыкание импульсного магнитного потока в магнитной системе. Одновременно он соединяется с трехфазной синхронизирующей статорной обмоткой. Весь путь замкнутого магнитного потока обозначен на рисунке прерывистой линией.

При повороте ротора ось магнитного потока изменяет свою позицию по отношению к синхронизирующим обмоткам. Поэтому ЭДС, возникающая в фазах синхронизирующей обмотки, находится в прямой зависимости от поворота ротора. В этом заключается принцип работы таких приборов.

Существенным недостатком бесконтактных сельсинов считается слабое и малоэффективное использование активных материалов. Масса таких моделей примерно в 1,5 раза превышает контактные конструкции, в основном из-за существенных воздушных зазоров. В результате, бесконтактные сельсины отличаются более высокими токами намагничивания и рассеивающими потоками.

Асинхронный двигатель

Трансформаторы тока назначение и принцип действия

УЗО: Назначение, причины срабатывания, подключение УЗО

Контактор КМИ: назначение и принцип работы

Высоковольтные разрядники: виды и назначение

Назначение промежуточного реле

Недостатки, решения

У сельсинов невысокая точность синхронизации, особенно когда на валу сельсина-приёмника присутствует существенная механическая нагрузка.

Для решения этой проблемы сельсинных связей, применяются следящие электромеханические комбинированные связи — приёмный вал вращают вспомогательным электродвигателем, который включается в контур авторегулирования, в этом случае сельсин-приемник выступает в роли датчика угла рассогласования поворотов ведущего и ведомого валов. Т.е. по сути, сельсин в данном случае передаёт только угол поворота, за синхронность вращения валов отвечает авторегулятор, который управляет вспомогательным электродвигателем.

Другой недостаток сельсинов — относительно невысокая точность передачи угла, обусловленная погрешностями изготовления магнитопровода сельсина. Для повышения точности применяют пару сельсинов — «грубый» и «точный» (последний установлен через редуктор и за один оборот основного вала делает несколько оборотов). Если сигнал с грубого сельсина слабее некоторого порога, автоматика передаёт в линию связи сигнал с точного сельсина. Так же, для обеспечения точности, оба сельсина (датчик и приёмник) подключаются через редуктор.

READ  Электрическое ограждение для животных

Не имеющий нагрузочного момента ротор сельсина колеблется с частотой питающего переменного тока, поэтому для подавления этих колебаний приходится использовать механические демпферы. Из-за этого, в помещениях, где установлены сельсины, наблюдается постоянный монотонный шум.

В современных устройствах сельсины всё чаще заменяются энкодерами. И только там, где простота, надёжность и ремонтопригодность важнее точности (например, в авиации), сельсины всё ещё находят широкое применение.

Контактные сельсины. Принцип действия контактного сельсина.

У контактного сельсина имеются явно выраженные полюсы, на которых размещается однофазная сосредоточенная обмотка, включаемая в сеть переменного тока. Эта обмотка является обмоткой возбуждения. В пазах ротора укладываются три распределенные обмотки, сдвинутые в пространстве на 120°. Эти обмотки соединяют звездой и три их вывода подсоединяют к контактным кольцам, по которым скользят неподвижные щетки, соединенные с внешней цепью. Эти обмотки называются обмотками синхронизации.

Пакеты статора и ротора собраны из листовой электротехнической стали, причем ротор выполнен со скошенными пазами для ослабления зубцовых гармоник в кривых ЭДС. Иногда находит применение обращенная конструкция сельсинов, когда явно выраженные полюсы с обмоткой возбуждения размещают на роторе, а обмотки синхронизации — в пазах статора.

§ 5.8. СИНУСНО-КОСИНУСНЫЙ ВРАЩАЮЩИЙСЯ ТРАНСФОРМАТОР

Выходные напряжения. На статоре этого трансформатора расположены обмотки В и К, а на роторе — обмотки S и С (см. рис. 5.24). При холостом ходе напряжения на синусной S и косинусной С обмотках ротора равны соответствующим ЭДС:

(5.49)
US0 = ES0 = kЕв sin θ; UC0 = EC0 = kЕв cos θ,

Рис.   5.26.   Векторная   диаграмма МДС при  подключении нагрузки  к  синусной обмотке

Если к синусной обмотке S подключить некоторую нагрузку Zн S , то по обмотке пойдет ток

(5.50)

ÍS = ÉS /(ZS + ZнS ),

ZSS

Ток IS создает МДС ротора FS . Как видно из рис. 5.26, ось этой МДС совпадает с осью фазы S , поэтому ее можно представить в виде суммы двух составляющих: продольной FSd = FS sin θ и поперечной FSq = FS cos θ. Продольная составляющая FSd создает в обмотке возбуждения В компенсирующий ток, МДС которого Fв , так же как и в двухобмоточном трансформаторе, компенсирует действие FSd .

Результирующий продольный поток Фd индуцирует ЭДС в обмотке S

(5.51)

ESd = kEв sinθ.

Поперечная составляющая FSq создает во вращающемся трансформаторе поперечный поток Фq .
Относительно поперечного потока Фq обмотка S является косинусной и, следовательно, в ней индуцируется ЭДС

(5.52)

ESq = 4,44f1 w2 ko62 Фqm cos θ = CFS cos2 θ,

С

Таким образом, при нагрузке в синусной обмотке кроме требуемой ЭДС, пропорциональной синусу угла поворота θ, индуцируется ЭДС, пропорциональная току нагрузки и квадрату косинуса θ. Эта добавочная составляющая ЭДС вызывает появление погрешностей. Аналогично в косинусной обмотке при нагрузке поперечным потоком Фq индуцируется добавочная ЭДС ECq , пропорциональная току нагрузки и квадрату синуса θ, которая также вызывает появление погрешностей.

Для устранения погрешности вращающегося трансформатора, обусловленной поперечным потоком Фq , применяют так называемое симметрирование трансформатора, т. е. компенсацию поперечного потока ротора. Существует два способа симметрирования: вторичное (со стороны ротора) и первичное (со стороны статора).

Рис. 5.27. Схема синусно-косинусного трансформатора со вторичным симметрированием и диаграмма МДС, создаваемых обмотками ротора

Вторичное симметрирование. Для уменьшения погрешности выходного напряжения, снимаемого с синусной обмотки, подключают к косинусной обмотке сопротивление ZнС (рис. 5.27, а). В этом случае ток, проходящий по обмотке С, создает МДС FС , которую можно представить, так же как и МДС FS , в виде векторной суммы двух составляющих (рис. 5.27,б): продольной FСd = FС cos θ и поперечной FCq = FС sin θ. Продольная составляющая FCd совпадает по направлению с FSd , a поперечная составляющая FCq направлена против FSq . При FCq = FSq поперечный поток Фq = 0. Следовательно, не возникает и погрешность, обусловленная этим потоком.
Сопротивление ZнС, при котором обеспечено полное симметрирование, можно определить из условия

(5.53)

FS cos θ = FC sin θ

FSFC
(5.54)
ZS + ZнS = ZC + ZнC ,

SСIвF́2d = F́Sd + F́CdIвθ

F́2d = F́S sin θ + F́C cos θ =
0,9kÉв w2 kоб2 sin θ
ZS + ZнC
sin θ +
0,9kÉв w2 kоб2 cos θ
ZC + ZнC
cos θ =
0,9kw2 kоб2
Z2 + Zн
Éв ,

Z2ZSZC ZнZнSZнC

В результате уменьшается погрешность поворотного трансформатора.

Рассмотренный метод симметрирования практически применим только при постоянном сопротивлении нагрузки, что является его недостатком.

Первичное симметрирование. Для уменьшения погрешности выходного напряжения снимаемого, например, с обмотки S (рис. 5.28, а), компенсационную обмотку К статора замыкают на какое-либо малое сопротивление ZK или накоротко. В этом случае по поперечной оси вращающегося трансформатора действует результирующая МДС

(5.55)

Fq = FSq + FK ,

FK

Так как обмотка К относительно поперечного потока Фq представляет собой замкнутую накоротко вторичную обмотку трансформатора, то ее МДС F́K направлена против МДС F́Sq «первичной» обмотки, и результирующая МДС Fq , так   же   как   и   в   трансформаторе   тока, значительно

Рис, 5.28. Схемы синусно-косинусных вращающихся трансформаторов

FSqqFKFSq θIвÚвÉвÚSÚCq

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: