§4.1. Сельсины

Сельсинами называют электрические микромашины переменного тока, обладающие способностью самосинхронизации и применяемые в синхронных системах дистанционной передачи угла в качестве датчиков и приемников. Передача угловой величины в такой системе происходит синхронно, синфазно и плавно. При этом между устройством, задающим угол (датчиком), и устройством, принимающим передаваемую величину (приемником), существуют только электрические соединения в виде линии связи.
   Сельсины бывают трехфазные силовые и однофазные, однако в системах управления практически используются только однофазные.
   Однофазные сельсины работают в основном в двух режимах. В индикаторном режиме датчик поворачивается принудительно, а приемник устанавливается в согласованное с датчиком положение под воздействием собственного синхронизирующего момента. Этот режим используют в системах контроля угла поворота объекта. Погрешность передачи порядка 0,5°-1,5°.
   В трансформаторном режиме датчик поворачивается принудительно, а приемник вырабатывает напряжение, являющееся функцией угла рассогласования. Этот режим наиболее часто используют в системах управления углом поворота объекта.
   Для обоих режимов возможны следующие схемы:
а) парная: датчик – приемник;
б) многократная: датчик – несколько приемников;
в) дифференциальная: два датчика- приемник.
   Однофазный сельсин может работать как в индикаторном, так и в трансформаторном режимах в качестве датчика и приемника. Однако ввиду специфичности предъявляемых требований выпускаемые сельсины предназначаются для конкретного режима работы.
   Основные требования, предъявляемые к дистанционным передачам на сельсинах:
1) высокая статическая и динамическая точности. Статическая точность определяется погрешностью следования в режиме медленного поворота, а динамическая – в режиме вращения с меняющейся по заданному закону угловой скоростью. Погрешность следования дистанционной передачи – это отклонение угла поворота ротора сельсина -приемника от угла поворота сельсина-датчика в положении согласования;
2) способность к самосинхронизации в пределах одного оборота, т.е. свойство системы на сельсинах занимать только одно устойчивое согласованное положение в пределах оборота;
3) сохранение свойства самосинхронизации и заданной точности при высоких угловых скоростях и наличии в системе нескольких приемников.
   Кроме этого, в зависимости от условий применения к сельсинам предъявляется ряд дополнительных требований (см. Введение).

Конструкция.
   Однофазные сельсины по конструкции и наличию скользящего контакта можно подразделить на контактные и бесконтактные.

Рис 4.1

Контактные сельсины состоят из двух частей: статора и ротора. На статоре (или роторе) располагают однофазную обмотку возбуждения В (рис. 4.1, а); на роторе (или статоре) – обмотку синхронизации С. Конструктивно они подобны синхронным машинам с электромагнитным возбуждением.
   У однофазных сельсинов обмотку синхронизации выполняют по типу трехфазной, т.е. три отдельные обмотки смещены в пространстве на 120° и соединены в звезду. Обмотка синхронизации всегда распределенная; обмотка возбуждения может быть и распределенной, и сосредоточенной.
   Число пар полюсов в сельсине выбирают равным единице (р_м=1), чтобы получить самосинхронизацию в пределах одного оборота.
   Обмотка возбуждения сельсина создает пульсирующий магнитный поток. Этот поток, проходя по магнитопроводу сельсина, пересекает витки обмотки синхронизации и наводит в них трансформаторные ЭДС, зависящие от угла поворота ротора. Так как при повороте ротора взаимоиндуктивность между обмотками возбуждения и синхронизации плавно изменяется по закону косинуса, то в обмотке синхронизации наводятся фазные ЭДС, пропорциональные косинусу угла поворота ротора.
   У некоторых сельсинов имеется короткозамкнутая демпферная обмотка Д, расположенная перпендикулярно обмотке В.
   Принцип работы сельсина не зависит от места расположения каждой из обмоток: на статоре или на роторе. Однако наиболее распространены (рис. 4.1, б) сельсины с обмоткой возбуждения 4, расположенной на роторе 3, и обмоткой синхронизации 2 на статоре 1. У них меньше контактных колец 6 и щеток 7, что обеспечивает более высокую надежность, меньший момент трения и объем сельсина. В цепи передачи сигнала (линии связи обмоток синхронизации) отсутствуют скользящие контакты. При такой конструкции проще выполнить на роторе демпферную обмотку 5.
   Наличие скользящих контактов значительно снижает надежность контактных сельсинов. Поэтому были разработаны также бесконтактные сельсины: с униполярным возбуждением ротора со стороны статора и с переходным кольцевым трансформатором.

Трансформаторный режим.
   Для передачи углового перемещения на расстояние с преодолением значительного момента сопротивления используются системы дистанционной передачи угла в виде следящих систем, частью которых являются сельсины, работающие в трансформаторном режиме. При этом по линии связи передается незначительный по мощности сигнал.

Рис 4.2, а

Рис 4.2, б

На рис. 4.2а приведена схема сельсинов в трансформаторном режиме. Обмотка возбуждения сельсина-датчика СД подключена к питающей сети и служит для создания в магнитной системе пульсирующего магнитного потока. Обмотки синхронизации датчика и приемника соединены между собой строго соответственно линией связи. Однофазная обмотка трансформаторного сельсина-приемника предназначена для выработки сигнала (напряжения), зависящего от угла рассогласования Θ=Θ_д-Θ_п, и называется обмоткой управления.
   В трансформаторном режиме согласованным называют такое состояние схемы, когда ЭДС обмотки управления сельсина-приемника равна нулю. Взаимное расположение обмоток в датчике и приемнике для исходного согласования состояния схемы показано на рис. 4.2б.
   Пульсирующий магнитный поток обмотки возбуждения датчика Ф_в индуктирует в обмотке синхронизации фазные ЭДС

Е_Д1= Е_max cos Θ_д; Е_Д2= Е_max cos (Θ_д -120°); Е_Д3= Е_max cos (Θ_д -240°)   (4.1)

где Θ_д - угол поворота ротора сельсина-датчика от исходного положения (за исходное положение примем такое, когда обмотка, образующая первую фазу обмотки синхронизации, соосна с потоком возбуждения); Е_max– наибольшее действующее значение фазной ЭДС обмотки синхронизации, соответствующее совпадению оси фазы и потока возбуждения.
   Токи, проходящие под действием этих ЭДС по фазам обмотки синхронизации приемника, создают пульсирующие МДС F_п1, F_п2 и F_п3. При повороте ротора датчика на угол Θ_д вектор результирующей МДС обмотки синхронизации приемника F_п поворачивается относительно этой обмотки на угол, равный Θ_д, но в противоположную сторону. Результирующая МДС создает пульсирующий поток Ф_п, который наводит в обмотках управления сельсина- приемника выходную ЭДС E_y = E_ymax sinΘ_д, где E_ymax- максимальное значение выходной ЭДС, соответствующее совпадению направления потока Ф_п с осью обмотки управления. Фаза выходной ЭДС меняется дискретно на 180° через 180° угла поворота ротора.
   Нами были рассмотрены физические процессы при фиксированном угле поворота приемника Θ_п =0, т.е. при угле рассогласования Θ=Θ_д. В этом случае угол поворота потока Ф_п относительно оси d, перпендикулярной оси обмотки управления, получился равным углу поворота потока Ф_п относительно обмотки синхронизации приемника, т.е. углу Θ_д. При произвольном угле поворота ротора приемника Θ_п поток Ф_п окажется повернутым относительно оси d на угол Θ=Θ_д-Θ_п ,и выходная ЭДС будет изменяться по закону

Е_y=Е_ymax·sinΘ   (4.2)

Выражение (4.2) является уравнением выходной характеристики Е_y=f(Θ) график выходной характеристики при сопротивлении линий связи, близком к нулю (R_л=0), показан на рис. 4.2б сплошной линией.
   Важной характеристикой сельсинов при работе в трансформаторном режиме является крутизна сельсина-приемника, т.е. приращение выходного напряжения U_y (ЭДС Е_y при холостом ходе), приходящееся на единицу угла рассогласования. Крутизна определяется при Θ≤5° и характеризует угол наклона выходной характеристики в начале координат (В/град):

S_n=(ΔU_y /ΔΘ°)_Θ≈0 или S_n=π/180° · (dU_y /dΘ°)_Θ≈0.

У современных сельсинов при холостом ходе S_п= 0,5-2 В/град.

Рис 4.3

На рис. 4.3 изображена функциональная схема системы дистанционной передачи угла (следящей системы) с сельсинами в трансформаторном режиме. Выходное напряжение сельсина-приемника через усилитель мощности УМ поступает на исполнительный двигатель ИД, который через редуктор Ред. поворачивает объект управления ОУ, а вместе с ним и ротор сельсина -приемника на угол, заданный датчиком. После поворота ОУ и ротора приемника на угол Θ_д=Θ_п магнитный поток сельсина-приемника Ф_п вновь будет перпендикулярен к оси выходной обмотки, выходное напряжение станет равным нулю и система будет находиться в новом положении устойчивого равновесия.
   Трансформаторные системы дистанционной передачи угла в зависимости от погрешности следования делятся на семь классов точности: в высшем классе точности статическая погрешность не превышает ± 0,1’, в низшем классе статическая погрешность достигает + 30’. Трансформаторные сельсины позволяют, как правило, создавать системы с погрешностью от ±5’ до ±30’.
   Погрешность определяется в основном конструктивными и технологическими факторами: асимметрией обмоток, неравномерностью магнитной проводимости вдоль окружности машины, разбросом параметров датчика и приемника и т.д. При прочих равных условиях погрешность следования тем меньше, чем больше крутизна S_c. Это можно объяснить следующим образом. Технологические погрешности и разброс параметров датчика и приемника приводят к тому, что в согласованном положении системы ( Θ_д=0) на выходе приемника появляется добавочная ЭДС Едоб. ЭДС Едоб имеет в общем случае две составляющие: ЭДС ошибки Е_ош, совпадающую по фазе с выходной ЭДС Е_y, и остаточную ЭДС Еост, сдвинутую по фазе на 90°. ЭДС ошибки может быть скомпенсирована выходной ЭДС Еу путем дополнительного поворота ротора приемника на угол, при котором Е_y= -Е_ош. Это значит, что исполнительный двигатель следящей системы повернет объект управления и ротор приемника на угол Θ_д≠Θ_п, т.е. появится угловая ошибка (погрешность следования) ΔΘ_т=Е_ош/S_т.
   Следует иметь в виду что крутизна сельсина-приемника уменьшается при увеличении расстояния между датчиком и приемником, так как увеличивается сопротивление линии связи R_л, уменьшается ток и поток обмоток синхронизации и снижается ЭДС Е_y ( пунктирная линия на рис. 4.2б). Это накладывает определенные ограничения на допустимое расстояние между датчиком и приемником (до нескольких сотен метров по длине линии связи).
   У трансформаторной системы дистанционной передачи угла могут быть и эксплуатационные погрешности, возникающие в результате влияния условий эксплуатации на крутизну сельсина-приемника. Изменение сопротивления нагрузки в цепи обмотки управления сельсина -приемника сказывается на крутизне S_п, так как меняется внутреннее падение напряжения и реакции обмотки управления на поток Ф_п. Крутизна S_п изменяется пропорционально амплитуде напряжения возбуждения датчика.