МИКРОМАШИНЫ ИНДУКЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ СИНХРОННОЙ СВЯЗИ — СЕЛЬСИНЫ
Общие сведения, классификация
Машины синхронной связи предназначены для осуществления синхронного или синфазного поворотов двух осей, механически между собой не связанных, или для их вращения.
Индукционные системы синхронной связи делятся на трехфазные и однофазные.
Трехфазные системы применяются для синхронизации двух валов приводных двигателей, не связанных механически. Обычно это силовые системы относительно большой мощности, носящие название систем электрического вала. Их используют, например, в механизмах разводки мостов, ворот шлюзов, в установках бумажной промышленности и т. д.
Однофазные системы применяются в маломощных установках и широко используются в схемах автоматических устройств.
Микромашины, применяемые в индукционных системах синхронной связи в качестве датчиков и приемников, получили название сельсинов, подчеркивающее их способность к самосинхронизации (self synchron означает самосинхронизирующийся).
В теории синхронной связи автоматических устройств различают два понятия: синхронную индикаторную передачу — индикаторный режим сельсинов и следящий привод — трансформаторный режим сельсинов.
В первом случае требуется передать лишь незначительный момент, необходимый, например, для поворота стрелки прибора (индикатора) для указания на расстоянии положения какого-либо регулирующего органа — клапана, задвижки, заслонки, вентиля и т. д. Передача показаний на пульт управления особенно важна в случаях, когда по каким- либо причинам человек не может подойти к регулируемому органу. Схема синхронной индикаторной передачи дана на рисунке 347. Здесь сельсин-датчик Д (заводящее устройство) и сельсин-приемник П (отрабатывающее устройство) при угле заводки а отрабатывают пропорциональный угол са непосредственно, то есть стрелка индикатора находится на оси приемника П.
При необходимости передать угол поворота механизму, к валу которого приложен более или менее значительный момент сопротивления, использовать индикаторную схему можно лишь при мощных силовых сельсинах. Мощной должна быть и линия связи. Рациональнее и проще поступить иначе: от датчика к приемнику передать слабый по мощности сигнал, который затем, будучи усилен, воздействует на исполнительный двигатель, связанный с приводным механизмом. В такой системе следящего привода схема связи построена так, чтобы напряжение приемника П (сигнал) было функцией угла поворота ротора датчика Д. Кроме того, между приемником и исполнительным двигателем должна быть обратная связь, приводящая роторы датчика и приемника в согласованное положение (положение нулевого сигнала) по окончании отработки. Схема следящего привода дана на рисунке 348.
На заводящем устройстве Д, возбуждаемом напряжением сети, осуществляется механический поворот на угол а (угол заводки). Сигнал, выработанный в отрабатывающем устройстве Я, после предварительного усиления в усилительном устройстве УУ в виде напряжения управления подается на исполнительный двигатель ИД, возбуждаемый напряжением сети. Исполнительный двигатель, будучи соединен механически с валом нагрузки, приводит его во вращение.
Рис. 347. Схема синхронной индикаторной передачи.
Рис. 348. Схема следящего привода.
Благодаря механической обратной связи исполнительного двигателя с отрабатывающим устройством П будет постепенно уменьшаться напряжение управления, и, когда отрабатывающее устройство П повернется на угол заводки a, Uy станет равным нулю и исполнительный двигатель остановится. В результате произойдет поворот вала нагрузки на угол а или пропорциональный ему са.
Индукционным системам синхронной связи присущ ряд положительных свойств: отсутствие искровой коммутации, то есть разрывов цепи питания датчиков при работе системы; высокая точность, обеспечивающая малые углы ошибки между положениями роторов датчика и приемника в согласованном режиме (не выше 2,5° для машин низшего класса); плавность отработки приемником поворота датчика; возможность иметь датчик и приемник бесконтактными; однотипность датчика и приемника.
Конструктивное выполнение сельсинов
Однофазный контактный сельсин — это асинхронная машина с однофазной первичной и трехфазной вторичной обмотками.
Чтобы обеспечить самосинхронизацию в пределах полного оборота (см. следующий параграф), однофазные сельсины выполняют только двухполюсными. Однофазная первичная обмотка, присоединенная к питающей сети, создает пульсирующий магнитный поток Ф; она называется обмоткой возбуждения. Обмотку возбуждения чаще всего располагают на явно выраженных полюсах; реже — в равномерно распределенных по окружности пазах. Вторичная трехфазная обмотка называется обмоткой синхронизации. Обмотки синхронизации датчика и приемника соединены линией связи. Трехфазные обмотки синхронизации всегда расположены в распределенных пазах. Оси отдельных фаз обмотки сдвинуты относительно друг друга в пространстве на 120°. Фазы обмотки соединены в звезду.
Принцип работы сельсина не зависит от того, какая обмотка (возбуждения или синхронизации), где расположена (на статоре или роторе). В сельсинах с обмоткой возбуждения на статоре для вывода концов обмотки синхронизации на роторе установлены три кольца. В цепь обмоток синхронизации, находящихся на роторе, входят переходные сопротивления скользящих контактов; изменение переходного сопротивления вносит ошибку при передаче угла, а при исчезновении контакта работа системы нарушается. При малом напряжении в обмотке синхронизации возможна потеря контакта. Момент трения щетки о кольцо есть на всех трех кольцах.
В сельсинах с обмоткой возбуждения на роторе (рис. 349, а, статор условно показан с шестью пазами) ротор легче, поскольку для вывода концов обмотки возбуждения на роторе теперь установлены два кольца, уменьшается момент трения на кольцах. Переходное контактное сопротивление включено в цепь обмотки возбуждения, его изменение практически не влияет на точность работы синхронной передачи.
Рис. 349. Однофазный контактный сельсин с обмоткой возбуждения на роторе.
Рис. 350. Бесконтактный однофазный сельсин:
1 — боковые пакеты; 2 —воздушный зазор; 3 — обмотка возбуждения; 4— основной магнитопровод; 5 — обмотка синхронизации: в — пакет ротора (из листов стали); 7 — немагнитная часть ротора; 8—внешняя часть П-образного магнитопровода.
В цепи скользящих контактов действует относительно высокое напряжение возбуждения, и потеря контакта, в частности, из-за коррозии колец маловероятна. При исчезновении контакта работа синхронной передачи продолжается, хотя точность передачи значительно снижается; сельсин при таких условиях работает как синхронный реактивный двигатель, возбуждаемый со статора (см. гл. LIV).
Недостаток сельсина с возбуждением на роторе заключается в том, что через контакт кольцо—щетка постоянно проходит ток. В сельсинах с обмоткой возбуждения на статоре токи проходят через щетки только в момент отработки угла. Но токи возбуждения сельсинов обычно невелики, и, следовательно, этот недостаток сельсинов, возбуждаемых с ротора, можно считать несущественным.
Если обмотка возбуждения распределена равномерно, получается машина с равномерным по окружности воздушным зазором. Зависимость момента сельсина от угла рассогласования в начальной части этой характеристики получается весьма пологой, что в индикаторной схеме передачи представляет недостаток. Это ограничивает область использования таких сельсинов.
Для успокоения колебаний ротора сельсины-приемники, как правило, снабжают механическими или электрическими демпферами (успокоителями). Без них могут работать только небольшие сельсины-приемники с относительно большим моментом трения.
При расположении обмотки возбуждения на роторе электрический демпфер устроить сравнительно просто, расположив короткозамкнутые витки на роторе так, чтобы их ось была сдвинута в пространстве относительно оси обмотки возбуждения на 90° (рис. 349, б). Короткозамкнутые витки не препятствуют прохождению потока возбуждения, так как силовые линии потока проходят параллельно плоскости витков. При колебаниях ротора сельсина-приемника относительно потока обмотки синхронизации в витках возникают токи и электрические потери, которые компенсируются кинетической энергией движения ротора сельсина- приемника, что способствует затуханию его колебаний.
В сельсинах с обмоткой возбуждения на статоре для гашения колебаний ротора на нем можно установить лишь механический демпфер, что усложняет конструкцию сельсина.
Из изложенного следует, что сельсины с обмоткой возбуждения на роторе имеют преимущества.
Контактные сельсины конструктивно несложные, обладают в работе вполне удовлетворительными показателями и получили широкое распространение. Но нельзя отвлечься от того, что конструкции контактных сельсинов свойственны такие недостатки, как неустойчивый момент трения контакта кольцо—щетка, необходимость ухода за скользящими контактами, особенно при работе сельсина в условиях вибрации, повышенной влажности, при изменении окружающей температуры.
В 1938 г. А. Г. Иосифьяном и Д. В. Свечарником был предложен бесконтактный сельсин. Принципиальное устройство однофазного бесконтактного сельсина показано на рисунке 350. Магнитопровод статора, набранный из листов электротехнической стали, состоит из основного пакета 4 и внешнего по отношению к нему магнитопровода (на рис. 350 П-образного) с двумя боковыми пакетами 1, замкнутыми магнитопроводом 8. Основной пакет 4 выполнен, как у контактного сельсина; в пазах его расположена трехфазная обмотка синхронизации 5.
На статоре между основным пакетом 4 и боковыми 1 расположена обмотка возбуждения 3, выполненная в виде кольцевых катушек, охватывающих ротор; обмотка возбуждения неподвижна, ее ось перпендикулярна оси обмотки синхронизации, и обе обмотки никакого действия друг на друга не оказывают. Для того чтобы связать поток обмотки возбуждения с обмоткой синхронизации, применен подвижный магнитопровод специального исполнения, представляющий собой ротор бесконтактного сельсина, выполненный следующим образом. Два пакета 6 из листовой электротехнической стали расположены на немагнитной части 7 ротора диаметрально друг другу. Плоскость листов пакета не перпендикулярна, как обычно, а параллельна оси вала. Пакеты образуют •два полюсных выступа бесконтактного сельсина, запрессованных в пластмассу или залитых алюминиевым сплавом; соответствующей обработкой получают ротор цилиндрического типа.
Как видно из рисунка 350, путь прохождения силовых линий магнитного потока будет следующим: магнитный поток, образованный правой катушкой возбуждения, замкнется через зазор, П-образный внешний магнитопровод и снова через воздушный зазор войдет в нижний полюсной выступ ротора. Так как полюсной выступ окружен немагнитным материалом ротора, магнитное сопротивление которого значительно больше магнитного сопротивления воздушного зазора между ротором и статором, то магнитный поток, пройдя в осевом направлении по полюсному выступу ротора, повернет вниз и войдет в основной пакет статора 4, пройдя по листам которого в пределах полуокружности, выйдет вверху из статора снова в полюсной выступ ротора. Путь силовой линии замкнется.
Проходя по основному пакету статора 4, поток сцепляется с обмоткой синхронизации и наводит в ней э. д. с. При повороте ротора вместе с ним поворачивается и магнитный поток, то есть потокосцепление обмотки синхронизации с потоком обмотки возбуждения изменяется подобно тому, как это происходит в контактных сельсинах. Поэтому теоретический анализ работы сельсинов обоих видов в системах синхронной передачи является общим.
Бесконтактный сельсин имеет более сложную конструкцию по сравнению с контактным, магнитный поток в нем проходит через большее число воздушных зазоров. Это увеличивает требуемую н. с. возбуждения, и за счет обмотки возбуждения растут габариты и вес. Вместе с тем устранение контактов повышает точность передачи угла в индикаторных системах и увеличивает надежность работы в агрессивной среде. Поэтому, несмотря на более сложную конструкцию и более высокую стоимость, бесконтактные сельсины находят применение, особенно в ответственных схемах автоматики.
