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. 6.1)и бесконтактными (рис. 6.2).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. 6.2)выполнен из двух магнитопроводящих частей Р 1 и Р 2, разделённых немагнитным материалом К. Обмотка возбуждения ОВ неподвижна и выполнена в виде двух последовательно соединённых катушек f 1 и f 2. Внутри катушек свободно вращается ротор. Трёхлучевая обмотка уложена в статоре, который представляет собой обычный статор электрической машины. Обмотки возбуждения, подключённые 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. 6.3, а).Между СД и СП имеются только электрические связи.
Рис. 6.1. 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. 6.2. Конструкция бесконтактного сельсина
Рис. 6.3. 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 (θд = θп) 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 θд = θп не будет и роторы обоих сельсинов будут неподвижны.
При повороте ротора СД на угол θд > θп в обмотках синхронизации сельсинов возникнут токи
I = Δ E /(2 Ζ ф),
где D Е = Е п – Е 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 θп. Величина момента
М с = M maxj(q).
где М mах– максимальный момент сельсина, определяемый его параметрами;
q = θд – θп – угол рассогласования.
Моментно-угловая зависимость Мс= j(q)является статической характеристикой сельсинной пары, работающей в индикаторном режиме (рис. 6.3, а).При малых углах рассогласования (θ<30°) статическая характеристика линейна:
M c = k q,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 = ±2,5Ο.
В трансформаторном режиме работы сельсинов (рис. 6.3, б) угловое рассогласование между сельсинами (q = θд – θп) 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, Е 2д, Е 3д в трехфазной обмотке, под действием которых в обмотках сельсинов возникают токи
I 1 = Ε 1д/2 Z; I 2 = Е 2д/2 Z; I 3 = Е 3д/2 Z.
Эти токи создают в СТ магнитный поток Фт, направленный в зависимости от угла рассогласования под углом q = θд – θп к продольной оси выходной однофазной обмотки. В выходной обмотке наводится ЭДС E вых» U вых, являющаяся выходным сигналом: U вых = U maxcosq.
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. 6.3, б).При малых углах рассогласования (sin q» q) выходное напряжение U вых = k q,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 (–qд) 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.
