Краткая теория. В системах контроля и управления в качестве датчиков угла поворота наряду с резисторными, индуктивными и емкостными датчиками применяют измерительные

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 Р₁ и Р₂, разделённых немагнитным матери­алом К. Обмотка возбуждения ОВ неподвижна и выполнена в виде двух последовательно соединённых катушек f₁ и f₂. 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 (θ_д = θ_п) 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 θ_д = θ_п не будет и роторы обоих сельсинов будут неподвижны.

При повороте ротора СД на угол θ_д > θ_п в обмотках синхрониза­ции сельсинов возникнут токи

I = ΔE/(2Ζ_ф),

где DЕ = 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 θ_п. Величина момента

М_с = M_maxj(q).

где М_mах– максимальный момент сельсина, определяемый его параметрами;
q = θ_д – θ_п – угол рассогласования.

Моментно-угловая зависимость М_с=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 = kq,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 = ±2,5^Ο.

В трансформаторном режиме работы сельсинов (рис. 6.3, б) угловое рассогласование между сельсинами (q = θ_д – θ_п) 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

I₁ = Ε_1д/2Z; I₂ = Е_2д/2Z; I₃ = Е_3д/2Z.

Эти токи создают в СТ магнитный поток Ф_т, направленный в зависимости от угла рассогласования под углом q = θ_д – θ_п 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 = kq,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 (–q_д) 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.