Схемы включения вращающихся трансформаторов

Схемы включения сельсинов

 

При использовании однофазных сельсинов в качестве датчиков положения можно выделить два основных варианта их работы – режим фазовращателя и трансформаторный режим. В режиме фазовращателя трехфазная обмотка сельсина питается трехфазной системой синусоидальных напряжений с частотой w. При этом создается вращающееся с частотой w магнитное поле, которое наводит в однофазной обмотке ЭДС е_вых, фаза которой зависит от углового положения ротора a,

(1.2)

где y - константа.

Таким образом, информацией об угловом положении является сдвиг фазы j между питающим и выходным напряжениям.

Достоинством режима фазовращателя является линейность сдвига фазы j от угла a и удобство преобразования данного сдвига в цифровой код положения.

В трансформаторном режиме однофазная обмотка питается переменным напряжением

. (1.3)

При этом создается пульсирующий магнитный поток возбуждения, направленный по оси однофазной обмотки. Этот поток наводит в фазах трехфазной обмотки ЭДС е₁, е₂, е₃, величина которых зависит от угла a,

, (1.4)

где n=1, 2, 3; k₁ – коэффициент трансформации; a - угловое положение между осью однофазной обмотки и осью первой фазы трехфазной обмотки.

В трансформаторном режиме информацией об угловом положении является величина напряжений трехфазной обмотки.

На основе сельсинов также строятся системы дистанционной передачи угла (СДПУ) или, иначе говоря, системы синхронной связи (ССС). В СДПУ обеспечивается синхронный поворот механически не связанных осей.

Можно выделить две основных разновидности СДПУ на основе сельсинов – индикаторную и трансформаторную системы синхронной связи. Схема индикаторной ССС приведена на рис.1.2.

Трехфазные обмотки сельсина – датчика СД и сельсина – приемника СП соединены друг с другом. Однофазные обмотки сельсинов питаются напряжением , описываемым (1.3).

Рис.1.2. Схема индикаторной ССС

Исходя из (1.4), в трехфазных обмотках СД и СП наводятся ЭДС, величина которых зависит от угловых положений и . Угол рассогласования индикаторной ССС

. (1.5)

Если a=0, фазные ЭДС трехфазных обмоток СД и СП равны и токи в данных обмотках не протекают. Если a¹ 0, фазные ЭДС не равны, в трехфазных обмотках протекают токи, взаимодействие которых с потоками возбуждения СД и СП создает синхронизирующие моменты , стремящиеся устранить рассогласование a. В идеале

(1.6)

где - константа.

Индикаторная ССС характеризуется удельным синхронизирующим моментом

(1.7)

В зависимости от типа сельсинов значение лежит в пределах (1÷ 50)·10^-4НМ/град.

Индикаторная ССС используется в случаях, когда для поворота СП не требуется значительных усилий. При повороте ротора СД на тот же угол поворачивается ротор СП.

Примером использования индикаторной ССС являются манипуляторы, осуществляющие перегрузку ядерного топлива на АЭС. С координатами манипулятора связаны сельсины-датчики, а на пульте оператора размещены сельсины-приемники с лимбами на валах. По положению роторов СП оператор судит о положении координат манипулятора.

Основным показателем точности индикаторной ССС является погрешность следования – отклонение угла поворота ротора СП от угла поворота ротора СД. В зависимости от класса точности сельсинов диапазон данной погрешности от 30' до 1, 5°.

Схема фрагмента трансформаторной ССС приведена на рис.1.3.

Рис.1.3. Фрагмент трансформаторной ССС

Однофазная обмотка сельсина-датчика СД питается переменным напряжением U_в. В трехфазной обмотке СД в соответствии с (1.4) наводятся ЭДС е₁, е₂, е₃,, под действием которых в трехфазной обмотке СП протекают токи. Эти токи создают магнитный поток, наводящий в однофазной обмотке СП ЭДС е_у, величина которой зависит от угла рассогласования .

Для е_у можно записать

(1.8)

Трансформаторная ССС используется в случаях, когда для поворота механизма, с которым связан СП, требуются значительные усилия. В таких системах выходное напряжение однофазной обмотки СП u_у используется в качестве сигнала задания скорости электропривода объекта управления. При наличии u_у электродвигатель перемещает объект управления в сторону уменьшения рассогласования α.

Погрешность следования трансформаторной ССС от 0, 1' до 30'.

Одним из параметров трансформаторной ССС является крутизна

(1.9)

где U_у – действующее напряжение однофазной обмотки при заданном сопротивлении нагрузки.

Величины S_Т составляет от 0, 5 до 2 В/град.

 

Цель работы

Целью работы является изучение конструкций и принципа действия сельсинов, исследование характеристик сельсинов и систем синхронной связи на их основе.

 

Исследование сельсина

В трансформаторном режиме

Подключить однофазную обмотку одного из сельсинов к источнику однофазного напряжения. Первый канал осциллографа подключить к однофазной обмотке, второй канал – к любым двум выводам трехфазной обмотки. Снять зависимость амплитуды линейного напряжения трехфазной обмотки U_mл от угла a.

Угол a изменять от 0° до 360° через каждые 30°.

Построить график зависимости U_mл от a.

 

Синхронной связи

Собрать схему в соответствии с рис.1.2. После проверки схемы преподавателем включить напряжение питания и убедиться в работоспособности системы, поворачивая за шкив ротор одного из сельсинов.

Затормозить ротор одного из сельсинов. На шкиве другого сельсина закрепить нить для подвешивания груза. Снять зависимость синхронизирующего момента системы М_с от угла рассогласования a, подвешивая к нити грузы разного веса Р_г. результаты измерения занести в таблицу.

 

a, град
Рг, г
Мс, Нм

 

Рассчитать М_с, учитывая, что радиус шкива 2 см. Построить график М_с = f(a). Определить по графику удельный синхронизирующий момент.

 

Системы синхронной связи

Собрать схему в соответствии с рис.1.3, используя в качестве СД сельсин с тормозом. Первый канал осциллографа подключить к однофазной обмотке СД, а второй – к однофазной обмотке СП. Затормозить ротор СД.

Снять зависимость амплитуды напряжения однофазной обмотки U_mу от угла рассогласования a. Угол a изменять от 0° до 360° через каждые 30°.

Зарисовать исследуемую схему. Построить график U_mу = f(a). По данному графику определить крутизну S_Т.

 

Оформить отчет по работе

И подготовиться к защите

Отчет должен содержать название и цель работы, схемы опытов, таблицы опытных данных, графики полученных характеристик, выводы о соответствии экспериментальных данных и теоретических сведений.

 

2.5. Контрольные вопросы

2.5.1. Конструкции контактных и бесконтактных сельсинов.

2.5.2. Схемы включения и характеристики сельсинов при их использовании в качестве датчиков положения.

2.5.3. Принцип действия индикаторной системы синхронной связи.

2.5.4. Схема и принцип действия трансформаторной системы синхронной связи.

2.5.5. Погрешности сельсинов.

3. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

«ИССЛЕДОВАНИЕ ВРАЩАЮЩИХСЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ»

 

Цель работы

Целью работы является изучение конструкций и схем включения вращающихся трансформаторов (ВТ), исследование их характеристик.

 

 

Требования к отчету

Отчет должен содержать название и цель работы, схемы включения ВТ, таблицы экспериментальных данных, графики полученных зависимостей, выводы о соответствии теоретических и экспериментальных данных.

3.6. Контрольные вопросы

3.6.1. Конструкции вращающихся трансформаторов.

3.6.2. Схемы включения ВТ и их характеристики.

3.6.3. Назначение и способы симметрирования ВТ.

3.6.4. Погрешности вращающихся трансформаторов.

 

 

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

 

к лабораторным работам
«Информационные микромашины»
по курсу «Автоматизированный электропривод» для студентов специальности 151002
«Металлорежущие станки и комплексы»

и курсу «Приводы роботов»

для студентов специальности 220402

«Роботы и робототехнические системы»

очной и очно-заочной форм обучения

 

 

Составители:

Муконин Александр Константинович

Трубецкой Виктор Александрович

Ревнёв Станислав Сергеевич

 

В авторской редакции

 

 

Подписано в печать 24.11.2005.

Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов.

Усл. печ. л. 1, 3. Уч.-изд. л. 1, 1. Тираж 120 экз. «С» 357.

Зак. № 604.

 

 

Воронежский государственный технический университет

394026 Воронеж, Московский просп., 14

 

Схемы включения сельсинов

 

При использовании однофазных сельсинов в качестве датчиков положения можно выделить два основных варианта их работы – режим фазовращателя и трансформаторный режим. В режиме фазовращателя трехфазная обмотка сельсина питается трехфазной системой синусоидальных напряжений с частотой w. При этом создается вращающееся с частотой w магнитное поле, которое наводит в однофазной обмотке ЭДС е_вых, фаза которой зависит от углового положения ротора a,

(1.2)

где y - константа.

Таким образом, информацией об угловом положении является сдвиг фазы j между питающим и выходным напряжениям.

Достоинством режима фазовращателя является линейность сдвига фазы j от угла a и удобство преобразования данного сдвига в цифровой код положения.

В трансформаторном режиме однофазная обмотка питается переменным напряжением

. (1.3)

При этом создается пульсирующий магнитный поток возбуждения, направленный по оси однофазной обмотки. Этот поток наводит в фазах трехфазной обмотки ЭДС е₁, е₂, е₃, величина которых зависит от угла a,

, (1.4)

где n=1, 2, 3; k₁ – коэффициент трансформации; a - угловое положение между осью однофазной обмотки и осью первой фазы трехфазной обмотки.

В трансформаторном режиме информацией об угловом положении является величина напряжений трехфазной обмотки.

На основе сельсинов также строятся системы дистанционной передачи угла (СДПУ) или, иначе говоря, системы синхронной связи (ССС). В СДПУ обеспечивается синхронный поворот механически не связанных осей.

Можно выделить две основных разновидности СДПУ на основе сельсинов – индикаторную и трансформаторную системы синхронной связи. Схема индикаторной ССС приведена на рис.1.2.

Трехфазные обмотки сельсина – датчика СД и сельсина – приемника СП соединены друг с другом. Однофазные обмотки сельсинов питаются напряжением , описываемым (1.3).

Рис.1.2. Схема индикаторной ССС

Исходя из (1.4), в трехфазных обмотках СД и СП наводятся ЭДС, величина которых зависит от угловых положений и . Угол рассогласования индикаторной ССС

. (1.5)

Если a=0, фазные ЭДС трехфазных обмоток СД и СП равны и токи в данных обмотках не протекают. Если a¹ 0, фазные ЭДС не равны, в трехфазных обмотках протекают токи, взаимодействие которых с потоками возбуждения СД и СП создает синхронизирующие моменты , стремящиеся устранить рассогласование a. В идеале

(1.6)

где - константа.

Индикаторная ССС характеризуется удельным синхронизирующим моментом

(1.7)

В зависимости от типа сельсинов значение лежит в пределах (1÷ 50)·10^-4НМ/град.

Индикаторная ССС используется в случаях, когда для поворота СП не требуется значительных усилий. При повороте ротора СД на тот же угол поворачивается ротор СП.

Примером использования индикаторной ССС являются манипуляторы, осуществляющие перегрузку ядерного топлива на АЭС. С координатами манипулятора связаны сельсины-датчики, а на пульте оператора размещены сельсины-приемники с лимбами на валах. По положению роторов СП оператор судит о положении координат манипулятора.

Основным показателем точности индикаторной ССС является погрешность следования – отклонение угла поворота ротора СП от угла поворота ротора СД. В зависимости от класса точности сельсинов диапазон данной погрешности от 30' до 1, 5°.

Схема фрагмента трансформаторной ССС приведена на рис.1.3.

Рис.1.3. Фрагмент трансформаторной ССС

Однофазная обмотка сельсина-датчика СД питается переменным напряжением U_в. В трехфазной обмотке СД в соответствии с (1.4) наводятся ЭДС е₁, е₂, е₃,, под действием которых в трехфазной обмотке СП протекают токи. Эти токи создают магнитный поток, наводящий в однофазной обмотке СП ЭДС е_у, величина которой зависит от угла рассогласования .

Для е_у можно записать

(1.8)

Трансформаторная ССС используется в случаях, когда для поворота механизма, с которым связан СП, требуются значительные усилия. В таких системах выходное напряжение однофазной обмотки СП u_у используется в качестве сигнала задания скорости электропривода объекта управления. При наличии u_у электродвигатель перемещает объект управления в сторону уменьшения рассогласования α.

Погрешность следования трансформаторной ССС от 0, 1' до 30'.

Одним из параметров трансформаторной ССС является крутизна

(1.9)

где U_у – действующее напряжение однофазной обмотки при заданном сопротивлении нагрузки.

Величины S_Т составляет от 0, 5 до 2 В/град.

 

Схемы включения вращающихся трансформаторов

 

Примеры условных графических обозначений обмоток ВТ приведены на рис.1.4.

г)

в)

б)

а)

Рис.1.4. Обозначения обмоток ВТ

На рис.1.4, а приведено полное изображение обмоток контактного ВТ, имеющего двухфазные обмотки статора и ротора. С целью уменьшения количества контактных колец два вывода роторной обмотки объединяются. При упрощенном обозначении данного ВТ ротор представляется в виде окружности с соответствующими выводами – рис.1.4, б.

Бесконтактные ВТ часто имеют одну роторную обмотку машинной части, которая соединяется с роторной обмоткой переходного кольцевого трансформатора – рис.1.4, в. Некоторые бесконтактные ВТ с ПКТ имеют две роторные обмотки машинной части, одна из которых с целью так называемого первичного симметрирования замыкается накоротко – рис.1.4, г.

В зависимости от схемы включения обмоток ВТ и получаемой при этом функции параметров выходных напряжений от угла поворота ротора, в частности, различают: синусный ВТ, синусно-косинусный ВТ, линейный ВТ, фазовращатель. Схема синусного ВТ без симметрирования приведена на рис.1.5, а.

б)

а)

Рис.1.5. Схема синусного ВТ без симметрирования (а) и
векторные диаграммы магнитных потоков (б)

Одна из обмоток статора, которая может быть названа обмоткой возбуждения ОВ, питается напряжением , изменяющимся в соответствии с (1.3). Ток I_в данной обмотки создает пульсирующий поток возбуждения Ф_d, направленный по оси данной обмотки (продольной оси d). Если пренебречь падением напряжения на внутреннем сопротивлении обмоток ОВ, напряжение уравновешивается ЭДС , наводимой потоком Ф_d,

(1.10)

где w_эф – эффективное число витков обмотки статора.

Исходя из (1.3), (1.10), максимальное значение пульсирующего магнитного потока по оси d

(1.11)

Таким образом, величина потока Ф_d определяется приложенным напряжением.

Поток Ф_d наводит в синусной обмотке ротора SО ЭДС е_S, величина которой является синусоидальной функцией угла поворота α. При холостом ходе, когда сопротивление нагрузки z_HS = ∞, напряжение нагрузки . Для ВТ с одной парой полюсов

, (1.12)

где - коэффициент трансформации (w_эф2 – эффективное число витков обмотки ротора).

При наличии нагрузки z_HS протекает ток i_S, который создает поток Ф_S, направленный по оси обмотки SО. Потоки, создаваемые токами i_В, i_S, можно изобразить в виде векторов и , направленных по осям соответствующих обмоток, - рис.1.5, б.

Вектор можно представить в виде суммы продольной и поперечной составляющих. Составляющая компенсируется изменениями тока i_S, и результирующий поток Ф_d в соответствии с (1.10), (1.11) остается неизменным. Составляющая наводит в обмотке ротора дополнительную ЭДС, что приводит к отклонению зависимости напряжения нагрузки от синусоиды, то есть к появлению амплитудной погрешности. Кроме того, возникает и фазовая погрешность – сдвиг фазы выходного напряжения относительно питающего.

Для уменьшения погрешностей применяют симметрирование ВТ – первичное и вторичное. При вторичном симметрировании (рис.1.6) обе обмотки ротора – синусная SО и косинусная СО нагружаются на одинаковые сопротивления

. (1.13)

б)

а)

Рис. 1.6. Схема ВТ со вторичным симметрированием (а) и векторные диаграммы магнитных потоков (б)

Токи i_S и i_С создают потоки и , поперечные составляющие которых и взаимно компенсируются, - рис.1.6, б.

Вращающийся трансформатор со вторичным симметрированием фактически является синусно-косинусным.

Недостатком вторичного симметрирования является необходимость соблюдения условия (1.13).

При первичном симметрировании (рис.1.7, а) вторую обмотку статора, называемую в таком случае квадратурной обмоткой КО, обычно замыкают накоротко. Поперечная составляющая наводит в КО ЭДС, под действием которой протекает ток i_к, создающий поток . Данный поток компенсирует (рис.1.7, б), что уменьшает погрешность.

а)

б)

Рис. 1.7. Синусный ВТ с первичным симметрированием

Недостатком первичного симметрирования является зависимость входного сопротивления ВТ от угла α. Это приводит к некоторой погрешности из-за изменения падения напряжения в контуре обмотки возбуждения.

В ряде случаев одновременно используется первичное и вторичное симметрирование. Схема линейного ВТ с первичным симметрированием приведена на рис.1.8. Для напряжения Uвых на нагрузке zН можно записать (1.14) где kТ – коэффициент трансформации; Uвых, UВ – действующие значения выходного и питающего напряжений. При kТ = 0, 52÷ 0, 56 отклонение зависимости Uвых = f(α ) от линейной не более 1 % в

диапазоне изменения α от -55˚ до +55˚.

Схема фазовращателя с двухфазным питанием приведена на рис.1.9, а.

Рис.1.9. Схемы ВТ в режиме фазовращателя

К одной из обмоток ротора подключается нагрузка z_Н. Обмотки статора питаются напряжениями

(1.15)

Создаваемое при этом вращающееся магнитное поле наводит в выходной обмотке ЭДС, фаза которой зависит от угла поворота ротора α. Для напряжения нагрузки U_вых можно записать

(1.16)

где U_m1, ψ – константы; р – число пар полюсов ВТ.

Схема фазовращателя с однофазным питанием приведена на рис.1.9, б. К роторным обмоткам присоединяются нагрузка z_Н, емкость С₁ и резистор R₁. Для получения режима фазовращателя необходимо соблюдать условия

(1.17)

где и - выходные сопротивления ВТ; ω – частота питания.

Частота питания ВТ обычно лежит в окрестности
2 кГц. При этом > . Для соблюдения условия (1.17) последовательно с каждой обмоткой ротора включают добавочный резистор.

На основе ВТ также строятся системы дистанционной передачи угла (СДПУ), подобные трансформаторной СДПУ на сельсинах. Возможный вариант такой системы приведен на рис. 1.10.

Рис. 1.10. Вариант СДПУ с использованием ВТ

Ротор вращающегося трансформатора – датчика ВТ-Д связан с ведущим валом. Ротор вращающегося трансформатора – приемники ВТ-П соединен с ведомым валом - валом объекта управления ОУ. Роторная обмотка ВТ-П питается переменным напряжением возбуждения u_в. ЭДС, наводимые в статорной обмотке ВТ-П, питают статорную обмотку ВТ-Д. В роторной обмотке ВТ-Д наводится ЭДС е_у, величина которой зависит от угла рассогласования a между положениями роторов ВТ-Д и ВТ-П. При a = 0 ЭДС е_у = 0.

Напряжение роторной обмотки ВТ-Д u_у, поступающее в устройство управления УУ, является сигналом задания скорости двигателя ОУ. Если a ¹ 0, то и ЭДС u_у ¹ 0 и М1 вращает вал ОУ до устранения рассогласования a. При повороте ротора ВТ-Д на заданный угол на тот же угол поворачивается вал, с которым связан ротор ВТ-П.

Рассматриваемая система используется, например, в станках с ЧПУ. При управлении координатой станка от устройства ЧПУ используется лишь ВТ-П. Выходные напряжения статорной обмотки ВТ-П служат для получения сигнала обратной связи по положению. При «ручном» управлении система переключается в режим СДПУ (рис.1.10) и координата станка управляется за счет поворота ротора ВТ-П.

Вращающиеся трансформаторы являются более точными датчиками, чем сельсины.

К примеру, у синусных ВТ погрешность отображения функциональной зависимости для разных классов точности составляет от 0, 005 до 0, 2 %. Погрешность вычисляется относительно наибольшего значения выходного напряжения.

 

 

2. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

«ИССЛЕДОВАНИЕ СЕЛЬСИНОВ»

 

Цель работы

Целью работы является изучение конструкций и принципа действия сельсинов, исследование характеристик сельсинов и систем синхронной связи на их основе.

 

Поделиться: