Виктор Николаевич Андрианов
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ И АППАРАТЫ
*** 1971 ***
|
ФPAГMEHT КНИГИ (...) МИКРОМАШИНЫ ИНДУКЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ СИНХРОННОЙ СВЯЗИ — СЕЛЬСИНЫ
1. Общие сведения, классификация 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 Я. 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 Яв, 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 Яв. Исполнительный двигатель, будучи соединен механически с валом нагрузки, приводит его во вращение. Рис. 347. Схема синхронной индикаторной передачи. Благодаря механической обратной связи исполнительного двигателя с отрабатывающим устройством П будет постепенно уменьшаться напряжение управления Uy, 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. 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. 2. 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. 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 (§ 1, гл. LIV). 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. 3. Теория работы однофазных сельсинов в индикаторном режиме На рисунке 351 дана простейшая схема индикаторной передачи, состоящая из сельсина-датчика и сельсина-приемника. Сельсины одинаковой конструкции, их магнитопроводы не насыщены. Однофазный ток обмотки возбуждения 1 в каждом сельсине создает пульсирующий магнитный поток. Во вторичных обмотках 2 (синхронизации) индуктируются три э. д. с., совпадающие по фазе, но различные по значению. Значение э. д. с. какой-либо фазы зависит от взаимного положения вторичных обмоток 2 по отношению к первичной 1. Примем, что магнитная индукция по окружности воздушного зазора распределена синусоидально. В этом случае действующие значения э.д.с., индуктируемых пульсирующим магнитным полем возбуждения в обмотках синхронизации, будут синусоидальными функциями угла поворота ротора. Отсчет углов ведут от оси обмотки возбуждения в направлении против часовой стрелки. Углы рд и рп представляют соответственно углы между осью фазы а обмотки синхронизации и осью обмотки возбуждения. Угол рд — Рп = Р представляет собой угол рассогласования между роторами датчика и приемника. В положении, когда оси обмоток синхронизации датчика и приемника расположены одинаково по отношению к осям своих обмоток возбуждения, то есть при рд = рп, по первичным обмоткам проходят только намагничивающие токи. В цепях обмоток синхронизации все э. д. с. попарно уравновешены, и потому токи равны нулю. Такое состояние покоя, соответствующее минимуму энергии в системе синхронной передачи, называется согласованным или синхронным. Если ротор сельсипа-датчика повернуть на угол р (угол рассогласования), равновесие э. д. с. вторичных обмоток нарушится из-за неодинаковых значений э. д. с. при одинаковой их фазе и в этих обмотках появятся однофазные уравнительные токи. Взаимодействие токов обмоток 1 и 2 в каждом сельсине создает вращающие моменты, которые в соответствии с законом Ленца стремятся повернуть роторы сельсина-датчика и сельсина-приемника в согласованное положение. Если ротор сельсина-приемника расторможен и на его валу нет момента сопротивления, то согласованным положением будет такое, при котором уравнительные токи в обмотках 2 равны нулю, чему соответствует рп = рд. Однако из-за трения в подшипниках и на кольцах, а также из-за возможных технологических отклонений в конструктивном исполнении сельсинов разность рд — рп = Р обычно не достигает нуля, ротор сельсина-приемника отстает от ротора сельсина-датчика. Остаточное значение угла Р принято называть углом статической ошибки Ар. Ротор сельсина-датчика обычно связан с задающим механизмом и не обладает свободой вращения. Поворачивается лишь ротор сельсина-приемника в одинаковое положение с ротором датчика с определенным углом Ар. Момент вращения, обусловливающий поворот ротора сельсина-приемника синхронно с ротором сельсина-датчика, называется синхронизирующим. |
