Поворотные трансформаторы. Индуктосины. Редуктосины

Датчики автоматизированных электроприводов

Основные датчика в автоматизированном оборудовании можно разделить на следующие группы: 1) датчики положения: а) датчики линейного перемещения, б) датчики фиксированных положений; 2) датчики скорости; 3) датчики температуры (окружающей среды, рабочей жидкости и др.); 4) датчики усилия (например, усилия резания по цифровому датчику давления).

Рис. 0. Структурные схемы датчиков: а – двухзвенного; б – со схемой каскадного соединения; в – с дифференциальной схемой; г – с компенсационной схемой;

1 – чувствительный элемент; 2 – выходной преобразователь; 3 – промежуточный преобразователь; 4 – вычитающий элемент; 5 – усилитель; 6 – генератор компенсирующей величины

Сельсины

Рис.1

Сельсином называется информационная электрическая машина переменного тока, вырабатывающая напряжения, амплитуды и фазы которых определяются угловым положением ротора. Сельсины позволяют осуществить без общего механического вала согласованное вращение или поворот механизмов. Известны два режима работы сельсинов: индикаторный и трансформаторный. При работе сельсинов в индикаторном режиме происходит передача на расстояние угла поворота механической системы. При работе сельсинов в трансформаторном режиме передается сигнал, воздействующий на исполнительный механизм таким образом, чтобы заставить его отработать заданный поворот.

Рассмотрим устройство и принцип действия однофазных двухполюсных контактных сельсинов. Однофазная обмотка возбуждения, включенная в сеть переменного тока, расположена на явнополюсном статоре. На роторе размещены три пространственно смещенные относительно друг друга под углом 120^o катушки синхронизации. Концы катушек соединены в общий узел, начала катушек выведены на контактные кольца. Обмотка возбуждения создает пульсирующий магнитный поток. Этот поток индуктирует трансформаторные ЭДС в катушках синхронизации. Наибольшая ЭДС индуктируется в катушке, ось которой совпадает с осью пульсирующего потока. При отклонении оси катушки ЭДС уменьшается по синусоидальному закону. Величина и фаза ЭДС в каждой катушке зависит от угла поворота ротора сельсина.

На рис.1 приведена схема соединения однофазных сельсинов при индикаторном режиме работы.

В схеме используются сельсин - датчик и сельсин - приемник, представляющие собой два совершенно одинаковых сельсина.

ОВ_д и ОВ_п - обмотки возбуждения сельсина - датчика и сельсина - приемника.

С_д и С_п - катушки синхронизации.

Если роторы обоих сельсинов ориентированны одинаковым образом относительно обмоток возбуждения, то в каждой паре катушек индуктируются одинаковые ЭДС. Катушки роторов обоих сельсинов соединены таким образом, что ЭДС в них направлены встречно друг другу, и ток в соединительных проводах отсутствует. Такое положение сельсинов называется согласованным. Если повернуть ротор сельсина - датчика на угол θ, то в соответствующих катушках роторов наводятся различные по величине ЭДС, и в них возникают токи, которые, взаимодействуя с магнитными полями обмоток возбуждения, создают вращающие моменты. Ротор датчика удерживается в повернутом положении, следовательно, ротор приемника будет поворачиваться до тех пор, пока не исчезнет вращающий момент, т.е. пока не исчезнут токи в катушках сельсина, а это произойдет, когда ротор сельсина - приемника повернется на тот же угол θ, возникнет новое согласованное положение роторов сельсина - датчика и сельсина - приемника. На роторе сельсина - приемника устанавливаются стрелка и шкала, показывающие угол поворота сельсина - датчика.

Если необходимо осуществить дистанционную передачу угла поворота к механизму, требующему большого вращающего момента, то используется схема трансформаторного режима работы сельсинов (рис.2).

Рис.2

Обмотка возбуждения сельсина - датчика подключается к источнику однофазного тока. Катушки синхронизации датчика соединены с катушками синхронизации приемника, который работает как сельсин - трансформатор. Катушки синхронизации С_П являются первичной обмоткой, а статорная обмотка ОВ_П - вторичной (выходной) обмоткой. Она через усилитель «У» соединяется с исполнительным двигателем. Исполнительный двигатель через редуктор связан с валом сельсина - приемника. Обмотка возбуждения датчика образует пульсирующий по горизонтали магнитный поток. В катушках С_Д индуктируются ЭДС, которые создают токи в роторных катушках датчика и приемника. Каждая катушка синхронизации сельсина - приемника создает свой магнитный поток, а результирующий магнитный поток имеет такое же направление, как и поток в сельсине - датчике. В обмотке возбуждения сельсина - приемника индуктируется ЭДС, величина и фаза которой зависят от угла и направления результирующего потока обмотки синхронизации приемника. Ось обмотки возбуждения приемника сдвинута на 90^o относительно оси обмотки возбуждения датчика, поэтому, когда магнитный поток направлен горизонтально, в обмотке приемника ОВП не возникает никакой ЭДС. Это согласованное положение в трансформаторном режиме. Если ротор сельсина - датчика повернуть на угол θ, то результирующий магнитный поток в роторе сельсина - приемника повернется тоже на угол θ, а на зажимах обмотки ОВ_П появится напряжение, зависящее от угла θ. Это напряжение подается на вход усилителя, а затем на исполнительный двигатель. Двигатель вращается, поворачивая обмотки управления. Вал ротора сельсина - приемника через редуктор связан с валом объекта управления. Когда вал объекта управления повернется на нужный угол, одновременно с ним повернется на угол θ вал сельсина - приемника. Возникнет новый согласованный режим, и движение прекращается.

Исполнительный механизм и сельсин - датчик не нуждаются в механической связи и могут находиться на большом расстоянии друг от друга. Электрические системы дистанционной передачи угла поворота или вращения механизмов используются в радиолокаторах, в радиопеленгаторах и другой специальной технике.

Поворотные трансформаторы. Индуктосины. Редуктосины

Рис.3

Синусно-косинусный вращающийся трансформатор, резольвер (angle-component solver) - синусно-косинусный датчик угла, представляющий трансформатор, состоящий из ротора и статора, несущих по паре взаимно-перпендикулярных обмоток. При повороте ротора в зависимости от режима работы изменяются амплитуды (пропорционально синусу и косинусу угла поворота) или фаза напряжения вторичных обмоток.

Различают: 1) синусно-косинусные поворотные трансформаторы (СКПТ), которые выдают два напряжения, изменяющиеся по гармоническому закону U_s= U_msina и U_c = U_mcosa; 2)линейные поворотные трансформаторы (ЛПТ), выходное напряжение которых изменяется по закону U = ka.

Поворотным, или вращающимся, трансформатором называется информационная электрическая машина, амплитуда выходного напряжения которой является функцией входного напряжения и углового положения ротора. Поворотные трансформаторы конструктивно сходны с асинхронными машинами с фазным ротором и контактными кольцами. К ним обычно подводится питание со стороны статора от источника переменного напряжения. На обмотке ротора (на выходе) получают напряжение, представляющее собой определенную функцию угла поворота ротора α. Обычно требуется, чтобы это напряжение было пропорционально sinα, cosα. В соответствии с этим, различают синусные, косинусные и синус - косинусные трансформаторы.

На рис.3 представлена принципиальная схема поворотного трансформатора с двумя взаимно-перпендикулярными обмотками на статоре и на роторе.

Назовем оси обмоток статора S и K соответственно продольной d и поперечной q осями поворотного трансформатора. Статорную обмотку S подключим к источнику переменного напряжения. Обмотка создает продольное пульсирующее магнитное поле, которое будет индуктировать в роторных обмотках А и В ЭДС. Значения электродвижущих сил зависят от угла поворота ротора α.

При синусоидальном распределении поля вдоль окружности ротора напряжение на обмотке А будет меняться при повороте ротора пропорционально sinα, а напряжение на обмотке В - пропорционально cosα. При использовании обеих обмоток ротора получим синус - косинусный поворотный трансформатор.

Токи в роторных обмотках создают продольную составляющую магнитного потока, направленную встречно магнитному потоку статорной обмотки S, и поперечную составляющую потока, направленную перпендикулярно магнитному полю обмотки S. Вследствие появления поперечной составляющей, нарушится синусоидальный и косинусоидальный законы изменения ЭДС от угла поворота ротора α.

Для компенсации полученной составляющей магнитного поля роторных обмоток на статоре размещается компенсационная обмотка К, замкнутая накоротко, под углом 90^o к обмотке S.

Эта обмотка создает магнитный поток, направленный встречно поперечной составляющей магнитного потока ротора, и ослабляет ее. В результате, погрешность поворотного трансформатора уменьшается.

К поворотным трансформаторам предъявляются весьма высокие требования в отношении точности соблюдения указанных зависимостей вторичных напряжений от угла α. Эти требования могут быть удовлетворены только при применении специальных обмоток, обеспечивающих близкие к синусоидальным кривые их н.с., при слабом насыщении стальных участков магнитной цепи поворотного трансформатора и при самом тщательном изготовлении его деталей. Кроме того, большое значение имеет правильный выбор чисел пазов статора и ротора и применение скоса пазов ротора или статора.

Напряжения на зажимах вторичных обмоток и при их нагрузке будут пропорциональны sinα и cosα, если эти обмотки и приключенные к ним внешние сопротивления одинаковы. При таком выполнении схемы получается так называемое симметрирование поворотного трансформатора на вторичной стороне. В этом случае поперечные н.с. обеих обмоток ротора, действующие всегда в противоположные стороны, равны между собой при любом α. Здесь, следовательно, не будет возникать поперечный поток, который в обмотке А создавал бы э.д.с., пропорциональную cos²α, а в обмотке В — э.д.с., пропорциональную sin²α. Кроме того, при указанном симметрировании вторичных цепей ротора сумма продольных н.с. его обеих обмоток не будет зависеть от угла α, поэтому и ток в обмотке S статора при U_s = constбудет сохранять свое значение, что приводит к постоянному значению продольного потока, не зависящему от угла α. Обмотка K на статоре замыкается обычно накоротко или на сопротивление, равное сопротивлению источника однофазного тока, если мощность его невелика. В этом случае получается симметрирование поворотного трансформатора на первичной стороне, которое также препятствует возникновению поперечного потока, например при некотором различии внешних сопротивлений вторичных цепей.

Схема линейного поворотного трансформатора приведена на рис.4.

Рис.4. Схема соединений обмоток линейного поворотного трансформатора.

При такой схеме, где также применяется симметрирование на вторичной стороне, удается получить линейную зависимость напряжения на зажимах последовательно соединенных обмоток K и А от угла поворота ротора а с точностью до 0,1% примерно в пределах изменения α от - 37 до + 37°.

Индукционный редуктосин представляет собой бесконтактный синус - косинусный поворотный трансформатор. Первичная и две вторичные обмотки размещены на статоре. Ротор выполнен в виде зубчатого кольца из электротехнической стали.

Редуктосины не имеют скользящих контактов, что повышает надежность и точность их работы. При питании первичной обмотки синусоидальным напряжением со вторичных обмоток снимают два напряжения, амплитуды которых изменяются в функции угла поворота ротора. Повороту ротора на угол, равный зубцовому делению, соответствует полный период изменения амплитуды выходного напряжения (зубцовым делением ротора называется расстояние между зубцами ротора). Индуктосином называют бесконтактную информационную машину без магнитопровода с печатными первичной и вторичной обмотками, возбуждаемую однофазным напряжением. Выходное напряжение индуктосина является функцией углового положения ротора. Конструктивно индуктосин представляет собой два диска (ротор и статор) из изоляционного материала (керамика, стекло). Один из дисков соединяется с валом, угловое положение которого подлежит изменению, второй неподвижен. На торцевых поверхностях, обращенных друг к другу, диски несут печатные обмотки.

Поворотные трансформаторы используются в электрических счетно-решающих системах, в следящих системах в качестве датчиков угла, в преобразователях "угол-код", в системах числового и программного управления металлорежущими станками.

Резольвер

Резольвер (рис.5) работает по принципу вращающегося трансформатора. У вращающегося трансформатора ротор состоит из катушки (обмотки), которая вместе с обмоткой статора образует трансформатор. Принципиально резольвер устроен точно так же с той лишь разницей, что статор выполнен не из одной, а из двух расположенных под углом 90 градусов друг к другу обмоток. Резольвер служит для определения абсолютного положения вала двигателя внутри одного оборота. Кроме того, по сигналу резольвера определяется значение скорости и моделируется инкрементный датчик для регулирования положения.

Рис.5. Резольвер Рис.6. Схематическое устройство

Ротор резольвера закреплен на валу двигателя. Для того чтобы можно было передавать переменное несущее напряжение на ротор без щеток, на статоре и роторе размещены дополнительные обмотки. По двум выходным синусоидальным напряжениям U₁ и U₂ , сдвинутым на 90 градусов (рис.6), можно определить угол поворота ротора, скорость и инкрементный сигнал по положению (моделирование инкрементного датчика – импульсы одинаковой длительности - однотипные).