Сельсины

Асинхронные машины широко используются не только в качестве двигателей, но и в качестве регуляторов напряжения, фазовращателей, тахогенераторов и устройств синхронной свя­зи.
В силовых электроприводах, системах управления электро­приводами, системах автоматики возникает необходимость со­гласованного вращения или поворота на заданный угол двух или нескольких не связанных между собой механически валов механизмов или осей.
В системах синхронного вращения тех или иных производ­ственных механизмов используются обычные трехфазные асинхронные двигатели с фазным ротором.

Рис 10 47 Однофазный сельсин с явновыраженными полюсами и контактными кольцами

1 — статор, 2 — обмотка возбужде­ния, 3 — ротор, 4 —трехфазная об­мотка синхронизации

В системах дистанционной передачи угловых перемещений могут быть использованы или обычные трехфазные асинх­ронные двигатели с контактными кольцами малой мощности, или сельсины. Сельсины устроены примерно так же, как и трехфазные двигатели. Статор имеет однофазную обмотку, называемую обмоткой возбуждения, а ротор — трехфазную обмотку, называемую обмоткой синхронизации, выполненную так же, как и у асинхронного двигателя с фазным ротором, или, на­оборот, ротор имеет однофазную, а статор — трехфазную обмотку. Такие сельсины называются однофазными.

Обмотки возбуждения могут быть сосредоточенными или распределенными. Сельсины бывают с контактными кольцами и бесконтактными. Контактные кольца и щетки из-за их невысокой надежности и возникновения трения между ними снижают надежность и точность системы регулирования, особенно в индикаторном режиме работы. В системах синхронного вращения или дистанционной передачи угла участвуют две или более машины. Одна из них является датчиком, задающим частоту вращения или угол поворота, остальные — приемниками. В системах синхронного вращения приемники должны вращаться со скоростью датчика, в системах индикаторных — поворачиваться на тот же угол, что и датчики.

В системах дистанционной передачи угловых перемещений различают два режима работы сельсинов: индикаторный и трансформаторный. Индикаторный режим имеет место в тех случаях, когда на валу сельсина-приемника отсутствует тормозной момент, например на его валу укреплена указательная стрелка. Когда на валу сельсина-приемника значительный момент, который он не в состоянии преодолеть, система выпол­няется так, что сельсин дает только сигнал управления, а механизм приводится в действие от отдельного двигателя. Сельсин-приемник в этом случае управляет двигателем механизма так, что двигатель поворачивает механизм на угол, заданный сельсином-датчиком.

На рис. 10.47 изображено устройство однофазного сельсина с явновыраженными полюсами с контактными кольцами, на рис. 10.48 — бесконтактного сельсина.

Рис. 10.48. Бесконтактный сельсин: 1 - магнитопровод потока возбуждения,
2 - немагнитный цилиндр;
3 - сердечник статора, 4 - трехфазная обмотка синхронизации; 5 - обмотка возбуждения, 6 — сердечник ротора, 7 — немагнитная прокладка

Обмотка возбуждения 2 контактного сельсина однофазная неподвижная, обмотка ротора 4 трехфазная, соединена звездой, три конца обмотки припаяны к контактным кольцам, установленным на оси ротора. Однофазная обмотка возбуждения 5 бесконтактного сельсина также неподвижна, но магнитный поток возбуждения, создаваемый ею, поворачивается при повороте ротора. Трехфазная обмотка ротора 4 бесконтактного сельсина, уложенная в пазах статора, неподвижна.

Принцип действия сельсина с контактными кольцами (см. рис. 10.47) состоит в следующем. Ток обмотки возбуждения, подключенной к сети переменного напряжения U, создает неподвижный в пространстве пульсирующий с частотой сети магнитный поток Ф_в. Магнитный поток пронизывает трехфазную обмотку и наводит в каждой ее фазе переменную ЭДС той же частоты, что и в обмотке возбуждения. Значение ЭДС обмотки каждой фазы зависит от взаимного расположения трехфазной обмотки относительно магнитного потока Ф_в однофазной.

Рис. 10.49. К пояснению принципа действия сельсина

Допустим, трехфазная обмотка расположена так, как это изображено на рис. 10.49, а. В этом случае обмотка фазы АХ будет пронизываться всем потоком возбуждения и в ней возникнет наибольшая ЭДС, обмотки BY и CZ, как это видно из рис. 10.49, а, б, пронизываются меньшим потоком и в них возникнет ЭДС меньшая, чем в фазе АХ. Если повернуть ротор сельсина на угол α, то изменится взаимное расположение трехфазной и однофазной обмоток и, естественно, изменятся значения ЭДС, наводимых в обмотках фаз. Например, если повернуть ротор на 90°, то магнитный поток, сцепленный с обмоткой фазы АХ, будет равен нулю и ЭДС в ней возникать не будет. Легко показать, что, если при α = 0 обмотки расположены, как на рис. 10.49, а, то при повороте на угол α ЭДС каждой фазы будут иметь следующие выражения:

Е_А = E cos α; Е_B = Е

cos(α + 120°);

Е_С = Е cos (α + 240°),

где Е — действующее значение ЭДС, возникающее в фазе обмотки АХ при α = 0.

Таким образом, значения ЭДС фаз трехфазной обмотки однофазного сельсина зависят от угла α, во времени же они совпадают по фазе.

Принцип действия бесконтактного сельсина ничем не отличается от контактного. Разница лишь в том, что в контактном сельсине поворачивается ротор с трехфазной обмоткой относительно неподвижного потока возбуждения, в бесконтактном поворачивается ротор с потоком возбуждения относительно неподвижной трехфазной обмотки статора.

В трехфазных сельсинах, где обмотка возбуждения трехфазная и подключена к трехфазной сети, действует вращающееся магнитное поле с неизменной амплитудой и значения ЭДС в фазах синхронизирующей обмотки не зависят от угла поворота, изменяются лишь фазы ЭДС во времени.

Схема соединения сельсина-датчика и сельсина-приемника для дистанционной передачи угла поворота изображена на рис. 10.50. До поворота ротора сельсина-датчика ЭДС в каждой фазе трехфазных обмоток сельсина-датчика и сельсина-приемника совпадали по фазе и ток в их обмотках отсутствовал:

Ē _{А д} - Ē _{А п} = 0.

При повороте датчика на угол α в в каждой фазе появится ток, так как ЭДС фаз не совпадают по фазе, например в фазе А

Ток взаимодействует с магнитным потоком возбуждения соответствующего сельсина, в результате чего возникает момент, который стремится повернуть ротор сельсина-приемника на тот же угол, на который повернут датчик, момент же, действующий на ротор датчика, стремится повернуть его в исходное положение, когда α _д = 0. Датчик удерживается внешней силой в положении α _д , приемник поворачивается на угол α _п . Точность отработки угла α _п зависит от момента сил сопротивления на валу приемника.

Рис. 10.50. Схема включения сельсинов для дистанционной передачи угла поворота

Рис. 10.51. Схема включения сельсинов, работающих в трансформаторном режиме

Если М _с = 0, то α _п = α _д, если М _с ≠ 0, то α _п < α _д. Трансформаторный режим работы сельсинов осуществляется по схеме, изображенной на рис. 10.51. В этом режиме работы в однофазной обмотке сельсина приемника возникает ЭДС, пропорциональная углу поворота сельсинадатчика.

Когда угол поворота сельсина-датчика α _д = 0, токи в фазах имеют такое значение, что ось создаваемого ими результирующего магнитного поля и в сельсине-датчике, и в сельсине-приемнике совпадает с осями соответственно ОВД и ОВП. В результате в обмотке ОВП сельсина приемника возникает наибольшая ЭДС, равная примерно напряжению обмотки ОВД. При угле α д ≠ 0 значения токов в фазах обмоток будут иными и ось создаваемого ими магнитного поля не будет совпадать с осью ОВП и в ней возникнет ЭДС меньшего значения, чем при α _д = 0. Когда угол α _д = 90°, ось результирующего магнитного поля будет перпендикулярна оси обмотки ОВП сельсина-приемника и ЭДС в ней окажется равной нулю. В системах автоматического управления удобнее, чтобы при согласованном положении роторов датчика и приемника был нулевой сигнал. Для этого при согласованном положении оси сельсинов расположены под углом 90° и угол поворота ротора датчика α _д отсчитывается от этого положения. Напряжение на выходе сельсина приемника в этом случае имеет выражение

U _вых ≈ Е sin α _д.