В системах электроавтоматики в качестве датчиков угла поворота могут использоваться резисторные, индуктивные и емкостные датчики. Однако в основном в качестве ПП используются датчики электромашинного типа непрерывного действия. Эти датчики делятся на четыре основных типа: вращающиеся трансформаторы, индуктосины, редуктосины и сельсины. Всех их объединяет общность принципа действия: по сути дела все они являются вращающимися трансформаторами, имеющими статор, ротор, первичные и вторичные обмотки, взаимная индуктивность которых является функцией угла поворота ротора, связанного с контролируемым объектом.
Основная проблема применения таких датчиков связана с погрешностью их функционирования, исчисляемой угловыми минутами и секундами, в диапазоне углов поворота контролируемого объекта 360° и выше.
Сельсины – это разновидность информационных электрических микромашин, используемых в дистанционных системах передачи угла. В зависимости от вида дистанционной передачи (трансформаторная, индикаторная) и от выполняемых функций сельсины делятся на:
- сельсин – датчики (СД);
- сельсин – датчики дифференциальные (СДД);
- сельсин – приемники трансформаторные (СПТ);
- сельсин – приемники индикаторные (СПИ);
- сельсин – приемники дифференциальные индикаторные (СПДИ).
По конструкции СД, СПТ и СПИ похожи – они имеют 3-фазную синхронизирующую обмотку на статоре и однофазную – на роторе. СПД и СПДИ имеют 3-фазные обмотки и на статоре и на роторе.
Основными режимами работы сельсинов являются индикаторный (рис. 1.10) и трансформаторный (рис. 1.11). В обоих режимах одновременно используют два сельсина: сельсин – датчик (СД) и сельсин – приемник (СП).
Рис. 1.10. Включение сельсинов в индикаторном режиме
Индикаторный режим применяется для контроля и дистанционной передачи угла поворота или другой механической величины, предварительно преобразованной в угловое перемещение, в тех случаях, когда на выходе не требуется значительного вращательного момента.
Переменный ток, протекающий по однофазным обмоткам возбуждения (ОВ), создает в обоих сельсинах пульсирующие магнитные потоки Ф, которые индуцируют в обмотках синхронизации СД и СП взаимно уравновешенные ЭДС, так как обмотки синхронизации включены встречно. Следовательно, при θд = θп тока в обмотках синхронизации не будет и роторы обоих сельсинов будут неподвижны.
При повороте ротора СД на угол θд > θп в обмотках синхронизации сельсинов возникнут токи:
I = ∆Е / 2Zф, (1.15)
где ∆Е = Еп – Ед – результирующая ЭДС;
Zф – сопротивление одной фазы.
Эти токи, взаимодействуя с магнитным потоком ОВ, приводят к возникновению синхронизирующего вращающего момента Ме , который повернет ротор СП на угол θп.
Зависимость Ме = φ(θ) – статическая характеристика сельсинной пары, работающей в индикаторном режиме, и при малых углах рассогласования (θ < 30º) она линейна, т.е.:
Ме = k · θ, (1.16)
где k – коэффициент передачи, [Н·м/град].
Рис. 1.11. Включение сельсинов в трансформаторном режиме
Трансформаторный режим применяют для преобразования угла рассогласования двух механически не связанных осей в выходное напряжение. Здесь угловое рассогласование между сельсинами θ = θд – θп. Пульсирующий магнитный поток Ф, создаваемый ОВ СД индуцирует Е1д, Е2д и Е3д, под действием которых в сельсинах возникают токи:
I1 = E1 / 2Z, I2 = E2 / 2Z, I3 = E3 / 2Z,
которые в свою очередь создают в СП магнитный поток Фт , направленный в зависимости от угла рассогласования θ под тем же углом к продольной оси выходной однофазной обмотки, в которой наводится ЭДС Евых ≈ Uвых, являющееся выходным сигналом Uвых = Umax · cosθ.
Зависимость Uвых = φ(θ) – статическая характеристика сельсинов в трансформаторном режиме. Обычно для сельсинов Uвых мах = 50…100 В. При малых углах рассогласования (sinθ ≈ θ) Uвых = k · θ, где k = 0,55…1,1 В/град.
При повороте ротора СД в обратном направлении от согласованного (-θд) фаза выходного напряжения изменяется на 180º.
Сельсины используются в устройствах для преобразования и передачи угла поворота или вращения, а также в следящих системах. Для размножения входного сигнала θд можно использовать один СД, работающий на несколько параллельно включенных СП.
Для повышения точности сельсинного устройства применяют 2-канальную схему, состоящую из двух сельсинных пар грубого и точного отсчета, работающую в индикаторном или трансформаторном режимах (рис. 1.12). В эту систему входят сельсин – датчики грубого (СДГО) и точного (СДТО), а также сельсин – трансформаторы СТГО и СТТО (в трансформаторном режиме). В индикаторном режиме СД соединяют между собой механически через повышающий редуктор, а на валиках СП укрепляют индикаторные стрелки.
Рис. 1.12. Схема 2-канального соединения сельсинов,
работающая в индикаторном режиме
Применяя повышенную механическую передачу, можно уменьшить погрешность сельсинной системы в i раз (i – передаточное отношение редуктора). При малых углах рассогласования выходной сигнал снимается с канала точного отсчета, а при больших – с канала грубого отсчета.