Краткая теория

В системах контроля и управления в качестве датчиков угла поворота наряду с резисторными, индуктивными и емкостными датчиками применяют измерительные устройства на сельсинах и вращающихся трансформаторах.

Сельсины представляют собой малогабаритные самосинхронизирующиеся электрические машины переменного тока, сходные по конструкции с синхронными машинами. Сельсины бывают контактными (рис. 1.1) и бесконтактными (рис. 1.2). В контактных сельсинах на статоре размещают однофазную, а на роторе – трехфазную обмотки или наоборот. В бесконтактных сельсинах на статоре размещают обе обмотки, а ротор выполняют специальной конструкции с немагнитной прослойкой.

Ротор бесконтактного сельсина (рис. 1.2) выполнен из двух магнитопроводящих частей P₁ и P₂, разделенных немагнитным материалом K. Обмотка возбуждения ОВ неподвижна и выполнена в виде двух последовательно соединенных катушек f₁ и f₂. Внутри катушек свободно вращается ротор. Трехлучевая обмотка уложена в статоре, который представляет собой обычный статор электрической машины. Обмотки возбуждения, подключенные к источнику питания, создают магнитный поток, через ротор, статор и внешний магнитопровод проходящий по замкнутой цепи.

Основными режимами работы сельсинов являются индикаторный и трансформаторный. В обоих 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 не требуется значительного вращающего момента. Трансформаторный режим применяют для преобразования угла рассогласования двух механических не связанных осей в выходное напряжение.

В индикаторном режиме однофазные обмотки возбуждения (ОВ) СД и СП включают в общую однофазную цепь переменного тока, а трехфазные обмотки синхронизации соединяют между собой одноименными зажимами (рис. 1.3, а). Между СД и СП имеются только электрические связи.

Рис. 1.1. Конструктивные модификации контактных сельсинов

а – с однофазной явнополюсной обмоткой на статоре и трехфазной обмоткой на роторе;
б – с однофазной явнополюсной обмоткой на роторе и трехфазной обмоткой на статоре;
в – с однофазной неявнополюсной обмоткой на роторе и трехфазной обмоткой на статоре;
г – с трехфазными обмотками на роторе и на статоре; 1 – статор; 2 – ротор

Рис. 1.2. Конструкция бесконтактного сельсина

Рис. 1.3. Схемы включения сельсинов в индикаторном (а)
и трансформаторном (б) режимах и их статистические характеристики (в, г)

Переменный ток, протекающий по однофазным ОВ, создает в обоих сельсинах пульсирующие магнитные потоки Ф. Эти потоки индуктируют ЭДС в обмотках синхронизации СД и СП, действующие значения которых определяются по формулам:

 

 

При согласованном положении роторов обоих сельсинов (θ_д = θ_п) в одинаковых фазах СД и СП будут индуктироваться равные по величине ЭДС. Эти ЭДС уравновешивают друг друга, так как обмотки синхронизации включены встречно. Следовательно, тока в обмотках синхронизации сельсинов при θ_д = θ_п не будет и роторы обоих сельсинов будут неподвижны.

При повороте ротора СД на угол θ_д > θ_п в обмотках синхронизации сельсинов возникнут токи

I = ΔE/(2Ζ_ф),

где DЕ = E_п – E_д – результирующая ЭДС; Ζ_ф – сопротивление одной фазы.

Эти токи, взаимодействуя с магнитным потоком ОВ, обусловят возникновение вращающего синхронизирующего момента М_с, который повернет ротор СП на угол θ_п. Величина момента

 

M_с = M_maxj(q).

где M_mах – максимальный момент сельсина, определяемый его параметрами;
q = θ_д – θ_п – угол рассогласования.

Моментно-угловая зависимость M_с = j(q) является статической характеристикой сельсинной пары, работающей в индикаторном режиме (рис. 1.3, а). При малых углах рассогласования (θ < 30°) статическая характеристика линейна:

M_c = kq,

где k = M_c / q – коэффициент передачи, Н×м/град.

Точность дистанционной передачи сельсинными измерительными устройствами зависит от момента трения и нагрузки на валу. В зависимости от величины погрешности Δθ сельсины делят на три класса точности:

 

Ι – Δθ = ±0,75°, II – Δθ = ±1,5°; III – Δθ = ±2,5°.

В трансформаторном режиме работы сельсинов (рис. 1.3, б) угловое рассогласование между сельсинами (q = θ_д – θ_п) преобразуется в выходное напряжение. К сети переменного тока подключают только однофазную обмотку возбуждения СД, а однофазная обмотка СП, называемого сельсином-трансформатором (СТ), является выходной, с которой снимается напряжение U_вых. Пульсирующий магнитный поток Ф, создаваемый током ОВ сельсина-датчика, по-прежнему индуктирует Ε_1д, E_2д, E_3д в трехфазной обмотке, под действием которых в обмотках сельсинов возникают токи

 

I₁ = Ε_1д / 2Z; I₂ = E_2д / 2Z; I₃ = E_3д / 2Z.

Эти токи создают в СТ магнитный поток Ф_т, направленный в зависимости от угла рассогласования под углом q = θ_д – θ_п к продольной оси выходной однофазной обмотки. В выходной обмотке наводится ЭДС E_вых » U_вых, являющаяся выходным сигналом: U_вых = U_max cos q.

Так как нулевой отсчет соответствует сдвигу роторов СД и СП на 90°, то

U_вых = U_max cos (q + 90°) = U_max sin q.

Зависимость U_вых = φ(θ) является статической характеристикой сельсинов в трансформаторном режиме (рис. 1.3, б). При малых углах рассогласования (sin q » q) выходное напряжение U_вых = kq, где k = U_вых /q – коэффициент передачи, В/град. Обычно для сельсинов U_{вых mах} = 50 ¸ 100 В, k = 0,55 ¸ 1,10 В/град. При повороте ротора СД в обратном направлении от согласованного (–q_д) фаза выходного напряжения изменяется на 180°.

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