Сельсинные измерительные преобразователи. Исполнитель

Сельсинные измерительные преобразователи.

Цель: изучение сельсинных измерительных преобразователей и принцип их действия.

План:

1. Назначение, классификация и конструктивное исполнение сельсинов.

2. Принцип действия сельсина.

3. Индикаторный режим работы.

4. Трансформаторный режим работы.

5. Режим алгебраического суммирования угловых перемещений.

6.Погрешности сельсинов.

7.Методы повышения точности передачи и измерения угло­вых координат.

Вопрос: Назначение индуктивных измерительных преобразователей?

 {spoiler=Подробнее}

1. Назначение, классификация и конструктивное исполнение сельсинов.

Сельсинами называются индукционные электрические микромашины, обладающие способностью синхронизации. Особенностью применения сельсинов в автоматических системах является использование их в паре: сельсин-датчик (СД) и сельсин-приемник (СП). Сельсинная пара может работать в следующих режимах:

индикаторном, предназначенном для дистанционной передачи команд или управляю­щих сигналов;

трансформаторном, используемом при измерении разности между угловыми положе­ниями механически не связанных валов;

алгебраического суммирования угловых перемещений двух механически не связанных между собой валов.

В первых двух режимах сельсины работают в качестве измерительных преобразовате­лей, а в третьем режиме сельсины выполняют роль счетно-решающего устройства.

В соответствии с выбранными классификационными признаками сельсины можно подразделить на следующие виды:

по выполненным функциям в сельсинной паре- на сельсин- датчики и сельсин- прием­ники;

по числу фаз напряжения питания - на однофазные, применяемые для передачи на рас­стояние угловых перемещений и для измерения разности между угловыми положениями двух не связанных валов, и трехфазные, представляющие собой машины сравнительно большей мощности, используемые в качестве силовых синхронных передач;

по конструктивному исполнению однофазные сельсины - на машины с явно выражен­ными полюсами статора и явно выраженными полюсами ротора;

по точности на сельсины первого, второго и третьего классов точности;

по характеру токоподвода - на контактные и бесконтактные.

Рассмотрим конструктивное исполнение однофазных сельсинов. Если у контактного сельсина имеются явно выраженные полюса на статоре, то на них располагаются одно­фазная обмотка, а в пазах ротора укладывается трехлучевая (трехкатушечная) обмотка, соединенная звездой. Преимущество такой конструкции состоит в удобстве балансировки ротора.

Недостатками являются большие габариты и масса ротора, большое число токосъем-ных колец на валу ротора.

Если ротор машины имеет явно выраженные полюса, то однофазная обмотка размеща­ется на роторе, а трехфазная укладывается в пазы статора. При таком исполнении ротор значительно легче и имеет меньше число токоподводящих колец, что приводит к сниже­нию трения и позволяет применять сельсины данной конструкции в маломощных дистан­ционных передачах. Следует отметить, что при любом конструктивном исполнении на­пряжение питания подводится к однофазной обмотке.

Бесконтактный сельсин, как и контактный, имеет две обмотки: однофазную обмотку возбуждения и трехфазную обмотку синхронизации. Однофазную обмотку изготавлива­ют в виде двух кольцеобразных катушек, размещаемых между статором и торцевыми то­роидальными магнитопроводами. Катушки соединяют последовательно согласно. Трехфазную обмотку синхронизации укладывают в пазах статора, соединяя лучевые секции обмотки в звезду. Ротор бесконтактного сельсина набирается из листов электротехниче­ской стали, расположенных в аксиальном направлении. Немагнитный слой силумина, раз­деляющий ротор на два полюса, служит одновременно и элементом сочленения отдель­ных частей ротора. Внешней цилиндрический магнитопровод набирается также из листов электротехнической стали. Вопрос; Какие конструкции наиболее экономичные?

2.      Принцип действия сельсина.

В основу работу однофазного контактного сельсина положено свойство изменения взаимоиндукции между обмотками статора и ротора при повороте вала ротора относи­тельно исходного положения, которое соответствует совпадению осей обмотки возбужде­ния и первой катушки трехфазной обмотки.

На обмотку возбуждения подается синусоидальное напряжение U_Bb,x⁼U_m sin wt.

Отсутствие обмоток на роторе способствует значительному повышению надежности работы бесконтактного сельсина по сравнению с контактным, вследствие уравнения в машине скользящего контакта, являющегося часто причиной отказов.

Работа бесконтактных сельсинов в индикаторном и трансформаторном режимах по­добна работе контактных сельсинов, поэтому в дальнейшем будем рассматривать только контактные сельсины. Вопрос: Принцип действия сельсина?

3.      Индикаторный режим работы.

При работе сельсинов в индикаторном режиме трехфазные обмотки сельсин - прием­ника соединены трехпроводной линией. К однофазным обмоткам подводится напряжение от одного источника питания. Вал СД жестко соединяется с валом рабочего механизма. На вал СП устанавливается индикаторная стрелка, регулирующая положение вала рабоче­го механизма.

Сельсин - датчик преобразует угловое положение оси рабочего механизма в группу напряжений, которая в дальнейшем преобразуется сельсин — приемником в угловое поло­жение своего ротора.

Поскольку вал СД соединен с валом рабочего механизма, для приведения которого не­обходима большая мощность, то под действием синхронизирующего момента, имеющего малую мощность, он сохраняет неизменным свое угловое положение.

Вал СП будет поворачиваться под действием синхронизирующего момента до полной компенсации рассогласования валов Э = а - /3 . При достижении значения & - О , что со­ответствует одинаковому положению валов СД и СП, синхронизирующий момент станет равным нулю. Отсюда следует, что значение синхронизирующего момента зависит от ве­личины рассогласования 3 .

Мгновенное значение электромагнитного момента машины переменного тока

где с - конструктивная постоянная машины; aW_q - поперечные ампер - витки трех­фазной обмотки.

Здесь приняты во внимание только поперечные ампер - витки, определяемые посред­ством проекции общих ампер-витков [aW] на поперечную ось: [aW}^{aW] sin a,

т.к. продольные ампер - витки при взаимодействии с потоком возбуждения момента не создают.

Равенство моментов СД и СП позволяет ограничиваться определением синхронизи­рующего момента одного из сельсинов, например, сельсин - датчика, для другого сельси­на значение момента будет таким же, но противоположным по знаку.

Поперечные ампер - витки можно найти из выше указанного уравнения, принимая во внимание уравнение связи между общими ампер - витками каждой фазы луча и токами, протекающими во обмотках этих фаз:

aW j=k I; sin (cot-ip), где k - коэффициент пропорциональности, а индекс i обозначает номер катушки трех­фазной обмотки.

Таким образом, среднее значение синхронизирующего момента пропорциональна си­нусу угла рассогласования валов сельсинов.

Равновесное состояние наступает в двух точках ( 3 =0, 9 = п ), однако точка 3 = л яв­ляется точкой неустойчивого равновесия, т.к. при увеличении рассогласования .9 в окре­стности этой точки появляется отрицательный момент, стремящийся еще более увеличить 3до положения & -2л: (3 = 0 ) , а при уменьшении рассогласования появляется положи­тельный момент, уменьшающий рассогласование до значение & = О .

Чувствительность системы характеризуется крутизной характеристики М_с( &), которая определяется величиной максимального значения синхронизирующего момента М_тах. С возрастанием момента М_тах чувствительность увеличивается. Вопрос: Как повысить чувствительность характеристик сельсина?

4.       Трансформаторный режим работы.

При работе в трансформаторном режиме вал СД жестко связан с валом первого рабо­чего механизма РМ1, а вал СП - с валом второго механизма РМ2. Трехфазные обмотки сельсинов соединены трехпроводной линией связей. Обмотка возбуждения СД питается переменным током постоянной амплитуды и частоты. С однофазной обмоткой СП снима­ется выходной сигнал.

Магнитный поток Ф_в> создаваемый током, протекающий в обмотке возбуждения СД, индуктирует в катушках трехфазной обмотки СД э.д.с.. Под действием этих э.д.с. по со­единительным проводам и обмоткам потекут токи, которые создадут магнитодвижущую силу, определяемую ампер - витками каждой катушки.

Таким образом, общие ампер - витки ротора всегда совпадают с продольной осью, или, что то же самое, всегда направлено под углом а оси первой катушки.

Т.к. в обмотке СП протекают те же токи, что и в обмотках СД но имеющие противо­положные направления, то магнитодвижущая сила, созданная ими, в СП будет иметь ли­нию действия, направленную под углом а к оси первой катушки. Направление же вектора магнитодвижущей силы СП будет противоположна по отношению к м.д.с. сельсин - дат­чика.

Косинусоидальная зависимость представляет собой статистическую характеристику сельсинов в трансформаторном режиме. Обычно в системах управления требуется, чтобы при отсутствии рассогласований выходной сигнал равнялся нулю. Такое требование мож­но реализовать в сельсиннои измерительной системе, если при согласованном положении валов рабочих механизмов роторы сельсинов рассогласовать на 90°, а уже затем жестко соединить их с валами рабочих механизмов. При изменении знака рассогласования фаза выходного сигнала меняется на противоположную.

Динамические свойства сельсинного датчика соответствует динамическим свойствам параметрических датчиков перемещения переменного тока, т.е. в первом приближении при линейной аппроксимации статической характеристики сельсин - датчик можно счи­тать безынерционным звеном с передаточной функцией W(p)=k. Вопрос: Преимущество трансформаторного режима?

5.       Режим алгебраического суммирования угловых перемещений.

В режиме алгебраического суммирования угловых перемещений двух механически не связанных валов функция суммирования выполняется дифференциальным сельсином ДС, включаемым в промежутке между двумя сельсин - датчиками, роторы которых механиче­ски сочленяются с валами двух рабочих механизмов.

Принцип действия такой схемы состоит в следующем. Потоки возбуждения сельсин -датчиков создаются обмотками возбуждения, питаемыми переменным напряжением. В исходном положении, соответствующем согласованному состоянию входных валов сель­син - датчиков и выходного вала дифференциального сельсина, векторы результирующих потоков статора Фи ротора Ф2 дифференциального сельсина совпадают по направлению, следовательно, ротор ДС остается неподвижным. При повороте ротора СД1 по часовой стрелке на угол а результирующий магнитный поток Ф] статора дифференциального сельсина повернется на тот же угол, но против часовой стрелки. Поворот ротора СД2 по часовой стрелке на угол а 2 приведет к повороту на тот же угол, но в противоположную сторону результирующего магнитного потока Фа ротора дифференциального сельсина. Т.к. потоки Ф[ и Фа оказываются направленными под углом а^а^-а друг к другу, то возникает синхронизирующий момент в расточке статора дифференциального сельсина, стремящийся развернуть его ротор на угол, соответствующий согласованному положе­нию, при котором направление магнитных потоков Ф] и Ф2 совпадает. Очевидно, что этот угол равен разности углов поворота входных ( командных) валов. Если ротор СД2 повер­нут на угол а 2 против часовой стрелки, то ротор дифференциального сельсина повернет­ся на угол, равный сумме a i + a 2. Таким образом, сельсинные измерительные преобразо­вательные элементы с дифференциальными сельсинами осуществляет дистанционное ал­гебраическое суммирование угловых перемещений двух механически не связанных валов рабочих механизмов.

Вопрос: Где можно использовать режим алгебраического суммирования сельсина? 6. Погрешности сельсинов. Методы повышения точности передачи и измерения уг­ловых координат.

Погрешности сельсинов подразделяются на производственные и эксплуатационные. К производственным погрешностям следует отнести: -несбалансированность ротора СП; -неидентичность исполнения сельсинной пары;

-неравномерность магнитной проводимости ротора и статора из-за наличия пазов; -наличие момента трения в подшипниках и токосъемных устройствах, что приводит в по­явлению зоны нечувствительности.

К эксплуатационным погрешностям относятся следующие: -изменение момента трения;

-влияние изменения частоты напряжения источника питания;

-различные длины токопроводящих линий от источника к обмоткам возбуждения СД и СП; -влияние длины линий связи.

Существуют различные пути устранения погрешностей.

Так, уменьшение ошибки, определяемой наличием трения, достигается путем приме­нения бесконтактных сельсинов. Однако наиболее распространенный способ повышения точности сельсинов основан на применении двухканальных сельсинных передач как в ин­дикаторном, так и в трансформаторном режиме.

Контрольные вопросы:

Что такое механическая редукция?

Как реализуется электрическая редукция?

Основное назначение сельсинов?

Перечислите режимы работы сельсинов?

Как возникают погрешности сельсинов?

Литература:

1.   «Элементы систем автоматического управления и контроля.»   Н.И. Подлес-ный, В.Г. Рубанов.

{/spoilers}