ИССЛЕДОВАНИЕ СИНХРОННОЙ ПЕРЕДАЧИ НА СЕЛЬСИНАХ

Лабораторная работа № 2

ИССЛЕДОВАНИЕ СИНХРОННОЙ ПЕРЕДАЧИ  НА СЕЛЬСИНАХ

Цель работы: Ознакомление с конструкцией, назначением, схемами включения при работе в различных режимах и принципом работы сельсинов в системах электроавтоматики.

Инструмент и принадлежности к работе

1. Испытатель сельсинов ИС-1                                                – 1 шт.
2. Сельсин-датчик и сельсин-приемник со шкалой
3. Вольтметр В7-27                                                                – 1 шт.
4. Осциллограф С1-83                                                                – 1 шт.
5. Набор грузов

Основные положения

Сельсин (англ. selsуп = sеlf + sупсhгоnizing – самосинхронизирующийся) – электрическая машина, имеющая на статоре (роторе) смещенные в пространстве на 120° и соединенные звездой три обмотки, называемые обмоткой синхронизации, или трехфазной обмоткой, а на роторе (статоре) – однофазную обмотку. Сельсины предназначены:

• для осуществления поворотов или синхронного вращения малонагруженного исполнительного вала от механически не связанного с ним командного вала, т. е. в дистанционных системах управления, для передачи на расстояние угловых перемещений или синхронного вращения;
• для использования в качестве датчиков угла поворота в системах автоматики,  для преобразования угла рассогласования двух механически не связанных валов в электрическую величину.

Простота устройства, однотипность датчика и приемника, способность к самосинхронизации, малая погрешность, устойчивость работы при колебаниях напряжения в сети питания относятся к основным преимуществам систем синхронной связи на сельсинах.

По конструктивному исполнению сельсины подразделяются на контактные и бесконтактные.

Контактные сельсины по типу конструкции можно разделить на три основные группы:

1. Однофазная обмотка расположена на явно выраженных полюсах статора (рис.1. а), а обмотка синхронизации – в пазах, равномерно распределенных по окружности ротора.
2. Однофазная обмотка расположена на полюсах ротора (рис. 1б), а обмотка синхронизации – в пазах статора.
3. К третьей группе относятся сельсины, у которых обмотки статора и ротора равномерно распределены по окружности. При этом возможны два варианта сельсинов:

а) и на статоре, и на роторе трехфазные обмотки (рис. 1в). В этом случае сельсин называется дифференциальным; б) на статоре (роторе) однофазная обмотка с неявно выраженными полюсами, а на роторе (статоре) обмотка синхронизации.

На рис. 1 приведены принципиальные схемы сельсинов с изображением щеток для подачи (или снятия) напряжения на обмотку ротора.

Основным в конструкции любого сельсина является равномерное распределение трех обмоток синхронизации по окружности статора или ротора и смещение их осей относительно друг друга на 120°. Это необходимо для того, чтобы результирующий магнитный поток обмотки синхронизация, равный геометрической сумме потоков трех обмоток, мог поворачиваться относительно статора (ротора) при перераспределении токов между тремя обмотками.

Большой недостаток контактных сельсинов – наличие контактных колец и щеток, которые увеличивают момент трения, уменьшают точность работы и ухудшают надежность. Указанные недостатки устранены в бесконтактных сельсинах.

Рис.1. Конструктивное выполнение контактных сельсинов.

На рис. 2 дано схематичное изображение конструкции бесконтактного сельсина. Магнитный поток, создаваемый двумя однофазными кольцеобразными обмотками возбуждения 1, через первый дополнительный зазор δ2′ проходит в первый пакет ротора Р1 и через основной (рабочий) зазор δ1 – в зубцы пакета статора 2. Далее по спинке статора и через зазор δ1 попадает во второй пакет ротора Р2, отделенный от первого немагнитной прослойкой 4, и замыкается через второй дополнительный зазор δ2" и дополнительный магнитопровод 6. При поворотах ротора 5 процессы в трехфазной обмотке синхронизации 3 протекают таким же образом, как и в контактных сельсинах.

Рис.2. Схема бесконтактного сельсина

В системах автоматики используются две принципиально отличающиеся системы синхронной передачи угла: индикаторная и трансформаторная.

Индикаторная система синхронной связи применяется там, где момент сопротивления на ведомой оси отсутствует или ось нагружена шкалой или стрелкой. Здесь сельсин-приемник самостоятельно отрабатывает угол, задаваемый сельсином-датчиком.

Трансформаторная система синхронной связи применяется там, где на ведомой оси имеется значительный момент сопротивления. Сельсин-приемник отрабатывает угол с помощью механически связанного с ним двигателя.

Простейшая индикаторная система синхронной связи для дистанционной "передачи угла" состоит как минимум из двух сельсинов. Сельсины соединяются по схеме приведенной на рис. 3. В индикаторном режиме однофазные обмотки обоих сельсинов являются первичными или обмотками возбуждения. Сельсин, вал ротора которого является командным, называется сельсин-датчик (СД). Сельсин, вал которого является исполнительными называется сельсин-приемник (СП). Углы α1, α2 есть отклонения осей обмоток ротора СД и СП от вертикали или от оси обмоток Ед1 и Еп1 соответственно статоров СД и СП.

Рис. 3. Индикаторная схема синхронной связи.

Обмотки возбуждения СД и СП подключаются к сети переменного тока. Концы одноименных фаз соединяются между собой. Намагничивающая сила, создаваемая обмотками возбуждения, имеет синусоидальное распределение по окружности ротора (статора). Тогда пульсирующий с частотой сети поток возбуждения СД и СП наведет в обмотках синхронизации синфазные ЭДС, отличающиеся по амплитуде:

откуда следует, что при α1 = α2, Едj = Епj (j = 1, 2, 3) токи в линиях связи отсутствуют и система находится в покое. Такое расположение роторов сельсинов называется согласованным. Появление угла рассогласования

θ = αд – αп ≠ 0

вызовет токи в цепи синхронизации (см. рис.3):

где  Z – полное сопротивление одной из трех обмоток синхронизации. Токи Ij вызовут пульсирующие потоки в обмотках синхронизации, которые, взаимодействуя с потоками возбуждения, создают так называемый синхронизирующий момент, стремящийся уменьшить угол рассогласования θ. Следует отметить, что одинаковый по величине, но противоположный по направлению синхронизирующий момент возникает как в сельсине-датчике, так и в сельсине-приемнике. Следовательно, если все обмотки СД и СП соединены правильно, при вращении ротора СД ротор СП будет вращаться в ту же сторону.

Сельсины в индикаторном режиме часто применяются для визуального снятия показаний стрелки, закрепленной на валу СП. Сельсинная пара в этом случае является указателем или индикатором (отсюда происхождение названия режима) относительного положения удаленных от мест наблюдения предметов: телекамеры, кинокамеры, поворота антенн, ворот шлюза и т. д.

При малых углах рассогласования (до 100 – 150) синхронизирующий момент практически пропорционален синусу угла рассогласования:

где Мс – синхронизирующий момент; Мс max – максимальный синхронизирующий момент; αд – угол поворота ротора сельсина датчика; αп – угол поворота сельсина приемника.

В действительности зависимость Мс = Мс(θ) может отличаться от (1) (см. кривые 1 и 3 на рис. 4).

Рис. 4. Зависимость синхронизирующего момента Мс от угла

рассогласования Θ: а – ΔΘ1, б – ΔΘ2б в – ΔΘ3.

Какой бы ни была зависимость Мс(θ), всегда Мс(0) = Мс(180) = 0, но положение сельсинов при θ = 180° является неустойчивым. Благодаря этому, сельсинная пара в индикаторном режиме обеспечивает синхронизацию угла в пределах одного оборота. Величина

называется удельным синхронизирующим моментом, который может определяться экспериментально из снятой кривой Мс(Θ) (рис. 4).

На основании формул (1) и (2) легко получить выражение, справедливое с точностью до 1%.

Мс(Θ) = МудΘ,

– 0,24 рад Ј Θ Ј 0,24 рад

Если на валу СП имеется момент нагрузки Мн, то процесс синхронизации будет всегда заканчиваться при

Мс = Мн = МудΘ = Муд(α1- α2),

откуда

где ΔΘ – абсолютная статическая ошибка сельсинного датчика, которая для одного и того же Мн тем меньше, чем больше Муд (см. рис. 4).

Точность отработки угла сельсинов-приемников характеризуется статической ошибкой. Величину статической ошибки сельсинной пары в индикаторном режиме принято характеризовать средней максимальной ошибкой Δθm, которая определяется как полусумма абсолютных значений максимальных ошибок для двух противоположных направлений вращения в пределах одного оборота.

Погрешность в статическом режиме определяется путем поворота ротора датчика сначала по часовой стрелке на 3600, а затем против часовой тоже на 3600. Измерения производят либо непрерывно с помощью приборов, либо через 10 или через 100 в зависимости от требуемой точности определения погрешности.

Точность работы сельсинов-приемников в индикаторном режиме определяют следующие основные факторы:

• удельный синхронизирующий момент;

• момент сопротивления, у большинства сельсинов он равен моменту трения Мт.

• добротность сельсина:

Д = Муд/Мт.

Магнитная несимметрия – неравенство магнитных сопротивлений на пути его потока возбуждения при разных положения ротора;

Электрическая несимметрия – неравенство сопротивлений фаз обмоток синхронизации сельсинов и проводов линии связи. Неравенство переходных сопротивлений в контактах щеток;

Небаланс ротора, а так же шкалы или стрелки;

Время успокоения влияет на динамическую устойчивость и точность работы сельсина. Обычно время успокоения равняется 0,5…1,5 с. Для его уменьшения применяют демпфирующие устройства.

Для поворота исполнительного вала от двух командных валов или для алгебраического суммирования и вычитания двух углов служит дифференциальный сельсин ДС (рис.5).

Рис. 5. Принципиальная схема сельсинной пары с дифференциальным сельсином в индикаторном режиме.

Если (при правильном соединении всех обмоток) в качестве командных сельсинов используется сельсин-датчик СД и дифференциальный сельсин ДС, то угол поворота ротора СП:

где  α3 – угол поворота ротора ДС.

Если исполнительным сельсином является дифференциальный, а командными – два других (на рис. 5 обозначены в скобках СД1, СД2 и ДСП – дифференциальный сельсин-приемник), то

Следовательно, схема с дифференциальным сельсином в индикаторном режиме позволяет производить алгебраическое суммирование (4) и вычитание (5). При анализе работы схемы с дифференциальным сельсином в индикаторном режиме следует учитывать, что при повороте вала сельсина-датчика вектор магнитного потока ротора дифференциального сельсина поворачивается относительно его обмоток (α1 на рис. 5) и вместе с обмотками (α3) при повороте самого ротора ДС.

Вектор магнитного потока статора дифференциального сельсина поворачивается только относительно его обмоток. Поэтому если в схеме на рис.5 поменять местами статор и ротор ДС (сохранив правильное соединение обмоток), то формула (4) примет вид:

α2 = α1 – α3

т.е. будет осуществляться также алгебраическое вычитание, хотя сельсином-приемником является не дифференциальный сельсин.

Динамические свойства сельсинной пары в индикаторном режиме с учетом инерционных сил,  определяемых моментом инерции вращающихся частей, и демпфирующих сил или сил скоростного трения соответствуют позиционному звену второго порядка. Если преобладает действие инерционных сил (ξ < 1), то сельсинная пара в индикаторном режиме является колебательным звеном. Это означает, что при скачкообразном повороте ротора СД (рис. 3) ротор СП в процессе синхронизации будет колебаться некоторое время около нового заданного положения. Чтобы уменьшить или ликвидировать колебания, делают специальные устройства (например, короткозамкнутый виток на роторе СП), увеличивающие демпфирующие силы. При этом параметр затухания ξ возрастает, и при ξ > 1 сельсинная пара в индикаторном режиме будет являться апериодическим звеном второго порядка.

Для измерения угла рассогласования двух механически несвязанных валов сельсины соединяются по схеме, изображенной на рис.6, и их режим работы называется трансформаторным.

Рис. 6. Принципиальная схема сельсинного датчика в трансформаторном режиме

С однофазной обмотки сельсина-приемника СП снимается напряжение Ест, т.е. она не подсоединяется к сети и, следовательно, не является обмоткой возбуждения. В этом режиме сельсин-приемник выполняет функции трансформатора (с него снимается не момент, а напряжение) и часто называется поэтому сельсином-трансформатором СТ. Сельсинная пара в трансформаторном режиме является сельсинным датчиком угла рассогласования. Для этого режима токи в линиях связи всегда не равны нулю:

Ij ≠ 0, j = 1,2,3

и, следовательно, всегда магнитный поток обмотки синхронизации сельсина-трансформатора ФСТ ≠ 0 и совпадает с осью или потоком обмотки возбуждения сельсина-датчика ФВД.  Надо отметить, что суммарный магнитный поток постоянен по величине, а угол его расположения зависит от угла рассогласования сельсинов.

        При согласованном положении осей однофазных обмоток, поток ФСТ наведет во вторичной обмотке сельсина трансформатора максимальную ЭДС, а при рассогласовании на 90° – ЭДС, равную нулю. Тогда очевидно, что выходное напряжение Ест (рис.6)

Сельсинные датчики угла рассогласования используются в следящих системах.

Пусть направление вращения командного и исполнительного валов следящей системы (рис. 7) согласовано. Если включенную следящую систему предоставить самой себе, то при α = соnst  двигатель будет работать до тех пор, пока ЭДС на выходе сельсина-трансформатора ЕСТ не станет равной нулю. Тогда из (7) следует, что θ = α1 – α2 = 900. Следовательно, следящая система развернула ротор сельсина-трансформатора (α2) по отношению к ротору сельсина-датчика (α1) на 90°. Если теперь выставить шкалу или выбрать начало отсчета исполнительного вала так, чтобы α2 = =α1, то следящая система в установившемся режиме будет всегда согласована. Однако, при этом реализуется зависимость

Для малых углов рассогласования

поэтому сельсинный датчик является измерителем угла рассогласования.
 

Рис. 7. Следящая система с сельсинными датчиками работающими

в трансформаторном режиме.

Если между сельсином-датчиком (α1) и сельсином-трансформатором (α2, рис.6) включить дифференциальный сельсин (α3), как на рис. 5, то будет реализована зависимость

Динамические свойства сельсинной пары в трансформаторном режиме соответствуют идеальному позиционному звену (9).

Качество работы сельсинов в трансформаторном режиме зависит от следующих факторов:

• величина остаточного напряжения на выходной обмотке в согласованном положении;

• удельное выходное напряжение Uуд – напряжение при рассогласовании в 10;
• удельная выходная мощность Руд – максимальная мощность выходной обмотки при рассогласовании в 1м/span>;

• электрическая и магнитная несимметрия;
• сопротивление линии связи;
• количество приемников.

Удельное выходное напряжение определяет точность всей системы, которая может быть повышена увеличением числа витков выходной обмотки.

В лабораторную установку (рис.8) входят: испытатель сельсинов типа ИС-1 – 1, в который установлен сельсин-датчик СД; смонтированные на отдельной платформе обычный сельсин-приемник СП 3 со шкалой – 4 и дифференциальный сельсин ДС-12.

У сельсина-приемника ротор свободно вращается. Для снятия зависимости синхронизирующего момента МС от угла рассогласования θ на  валу сельсина-приемника 3 на расстоянии r = 50 мм от оси закреплен крючок 6, к которому подвешиваются гири 7. От автотрансформатора 8 подается напряжение питания на обмотки возбуждения сельсинов. Имеется также вольтметр 9 для снятия зависимости ЕСТ = ЕСТ(θ).Форма выходного напряжения контролируется осциллографом 13.

Рис. 8. Схема лабораторной установки.

Для составления схем (см. рис.3, 5, 6) используются соединительные провода.

Порядок выполнения работы

1. Исследование сельсинов в индикаторном режиме

1.1.  Исследование системы без дифференциального сельсина

1.1.1. Определение максимальной статической погрешности Δθm

1. Собрать схему согласно рис.3.
2. Установить напряжение питания обмотки возбуждения сельсина-датчика автотрансформатором 8.
3. Включить установку в сеть 220 В.
4. Совместить указатели шкал СД и СП с нулевой отметкой, для чего рукояткой 10 испытателя сельсинов установить шкалу 4 сельсина-приемника 3 на нулевую отметку; стопором 11 (ИС-1) зафиксировать ротор сельсина-датчика (повернуть на один оборот); вращая рукояткой 10 испытателя сельсинов установить шкалу 2 сельсина-датчика на нулевое деление. Отвернуть стопор 11 на полоборота. Установка готова для исследований.
5. Поворачивая ротор сельсина-датчика при помощи рукоятки 10, снимать показания по шкале сельсина-приемника. Измерения производить по часовой стрелке (при положительном) и против часовой стрелки (при отрицательном) вращении ротора сельсина-датчика в пределах оборота через каждые 10°. Результаты измерения занести в табл. 1.

Таблица 1

где α1 – угол поворота ротора сельсина-датчика; α2 – угол поворота ротора сельсина-приемника; Δθ+, -Δθ– – погрешности для двух направлений вращения.

1. Определить статическую ошибку Δθm.

1.1.2. Определение зависимости синхронизирующего момента от угла рассогласования Мc=Мc(θ)

1. Поворачивая ротор СД при помощи рукоятки 10, установить шкалу СП так, чтобы рычаг с крючком 6 находился в горизонтальном положении. Записать показания шкалы сельсина-приемника СП и принять его за нулевое. Зафиксировать ротор СД стопором 11 и поворотом рукоятки 10 установить на ноль шкалу сельсина-датчика СД. Отвернуть на полоборота стопор 11.
2. Навешивать на крючок 6, соединенный с ротором сельсина-приемника, гири и поворотом ротора сельсина-датчика добиваться такого положения, чтобы шкала ротора сельсина-приемника  возвратилась в исходное состояние (в положение, принятое ранее за нулевое). Для каждого веса гирь снимать показания шкалы сельсина-датчика. Результаты измерения занести в табл.2.

Таблица 2.

где Р – суммарный вес гирь, Н; г = 50 мм – радиус подвеса гирь; Мс – синхронизирующий момент.

Из статической характеристики Мс(θ) определить удельный синхронизирующий момент (2) и опрокидывающий момент Мm – максимальный синхронизирующий момент, при котором исчезает устойчивое состояние сельсина-приемника.

1.2. Исследование индикаторной системы с дифференциальным сельсином.

Снимем  зависимости α2 = f(α1) при α3 = const, где α3 – угол поворота дифференциального сельсина.

1. Собрать схему согласно рис.5.
2. Установить ротор дифференциального сельсина 12  в двух любых положениях и, задавая угловые значения ротору сельсина-датчика (через 20°), снять показания по шкале сельсина-приемника. Результаты измерения занести в табл.3.

Таблица 3

2. Исследование сельсинов в трансформаторном режиме

2.1. Исследование системы без дифференциального сельсина
 

Определение зависимости ЭДС, наводимой в однофазной обмотке сельсина-приемника, от угла рассогласования Ест = Ест(θ).

1. Собрать трансформаторную схему синхронной связи согласно рис.6.
2. Установить ротор сельсина-датчика в нулевом положении рукояткой 10.
3. Вращая ротор сельсина-приемника и фиксируя его через определенные интервалы (α2 =0°, 15°, 30°…) по всей шкале сельсина, измерять ЭДС рассогласования Ест вольтметром 9. Результаты измерений занести в табл.5. Исследовать форму напряжения на выходе при помощи осциллографа 13.

Таблица 5

Содержание отчета

1. Привести исследуемые схемы
2. Привести все таблицы, графики и расчеты.
3. Выводы.

Контрольные вопросы

1. Почему при θ = α1 – α2 = 180° сельсины в индикаторном режиме неустойчивы, хотя Мс(180°) = 0?
2. Почему обмотка синхронизации сельсинов делается трехфазной и равномерно распределенной по окружности статора (ротора)?
3. Почему удельный синхронизирующий момент (2) определяется в точке θ = 0?
4. При каком режиме работы сельсинов токи во всех трех фазах обмоток синхронизации могут быть равны нулю и при каком они всегда не равны нулю?
5. Почему в случае (4) происходит алгебраическое суммирование, а в случае (5) – вычитание?
6. Почему сельсинную пару в трансформаторном режиме называют сельсинным датчиком угла рассогласования?
7. Динамические свойства сельсинной пары в индикаторном и трансформаторном режимах.