Кулик Ю.А. Электрические машины

Подождите немного. Документ загружается.

Преимуществом асинхронных тахогенераторой перед тахогенераторами постоянного тока

является простота конструкции, отсутствие скользящих контактов, меньшие стоимость и

габариты. Отсутствие коллектора позволяет обойтись без защитных фильтров

ограничивающих радиопомехи.

Недостатком асинхронных тахогенераторов является наличие фазовой погрешности,

большая чувствительность к нагреву и зависимость выходного напряжения от характера

нагрузочного сопротивления. Та-хогенераторы, предназначенные для создания

ускоряющих и замедляющих сигналов, могут иметь амплитудную погрешность порядка

2÷4%. Тахогенераторы, предназначенные для работы в качестве дифференцирующего

звена счетно-решающих устройств, должны иметь амплитудную погрешность, не

превышающую 0,1% и фазную — 0,1°. Современные асинхронные тахогенераторы

удовлетворяют этим требованиям.

Поворотные трансформаторы. В схемах автоматики, счетно-решающих устройств и

следящих систем нашли широкое применение поворотные трансформаторы, у которых

статор конструктивно выполнен так же, как и у двухфазных асинхронных двигателей, а

ротор отличается тем, что имеет двухфазную обмотку, концы которой выведены на

четыре контактных кольца (рис. 4.75). Поворотные трансформаторы предназначаются для

получения на выходе напряжения, пропорционального углу поворота ротора, синусу и

косинусу этого угла. При помощи поворотных трансформаторов можно производить

умножение, деление, сложение, вычитание, возведение в степень и извлечение

квадратного корня; можно также решать тригонометрические уравнения, производить

алгебраические действия с векторными величинами и преобразовывать координаты.

Первичная обмотка поворотного трансформатора является однофазной, синусоидально

распределенной в пространстве. Вторичная обмотка также однофазная. В большинстве

случаев первичная обмотка располагается на статоре, но возможно и обратное

расположение обмоток. Вращение ротора трансформатора обычно производится через

редуктор.

Рис. 4 75. Детали и узлы поворотного трансформатора: 1 и 3 —подшипниковые щиты; 2 — корпус; 4 —

сердечник статора; 5 — вал; 6 — сердечник ротора; 7 — обмотка ротора; 8 — контактные кольца

291

Рис. 4.76. Синусно-косинусный поворотный трансформатор

составляющая Ф

направлена по оси первичной обмотки и компенсируется увеличением

первичного тока I

. Поперечная составляющая Ф

не вызывает увеличения тока I

, а

наводит во вторичной обмотке э. д. с. самоиндукции E

= Ф

cosα =Ф

cos

α. Таким образом,

в результате прохождения тока по вторичной обмотке в ней индуктируется э. д. с.

самоиндукции E

, пропорциональная квадрату cosα, из-за этого нарушается

синусоидальная зависимость напряжения на вторичной обмотке от угла α.

Для компенсации поперечной составляющей Ф

на статоре перпендикулярно первичной

обмотке располагают короткозамкнутую обмотку K (рис. 4.76). Такой трансформатор

сохраняет при нагрузке синусоидальную зависимость вторичного напряжения от угла α.

Его называют трансформатором с первичным симметрированием. Подробнре

исследование этого вопроса показывает, что полная компенсация потока Ф

при

первичном симметрировании имеет место лишь в случае, если обмотка К замкнута не

накоротко, а на небольшое сопротивление, равное внутреннему сопротивлению источника

питания поворотного трансформатора.

Поворотный трансформатор может быть синусным, если вторичная обмотка является

обмоткой 2А (рис. 4.76), косинусным, если вторичная обмотка 2В сдвинута на 90°, и

синусно-косинусным, если имеются две вторичные обмотки (2A и 2В). В случае, если обе

обмотки синусно-косинусного трансформатора имеют одинаковое число витков и

нагружены одинаковыми сопротивлениями, то поперечные составляющие Ф

потоков

обмоток 2А и 2В компенсируют друг друга. Такой трансформатор не нуждается в ком-

пенсационной обмотке К. Его называют трансформатором со вторичным

симметрированием. Для повышения точности поворотных трансформаторов необходимо

свести к минимуму пространственные и зубцовые гармоники, а также временные

гармоники, обусловленные насыщением магнитной цепи.

292

При коэффициенте трансформации k

= 1,78 коэффициент с = 0,56 и выходное

напряжение U

является с точностью до 0,1 % линейной функцией угла α при изменении α

от +60 до —60 эл. град. Если при вторичном симметрировании (рис. 4.77, б)

сопротивление z

компенсационной обмотки подобрано таким образом, что поперечная

составляющая Ф

потока полностью компенсируется, то при изменении угла поворота α в

некоторых пределах выходное напряжение U

изменяется также линейно.

Поворотный трансформатор-построитель. Поворотный трансформатор, используемый

в счетно-решающих устройствах для определения гипотенузы прямоугольного

293

треугольника по двум заданным катетам, называется построителем. На статоре и на

роторе поворотного трансформатора-построителя имеются по две сдвинутые на 90°

обмотки (рис. 4.78). К статорным обмоткам 1А и 1B через потенциометры подводятся

однофазные напряжения U

и U

, пропорциональные катетам треугольника. Обмотки

имеют одинаковое число витков, поэтому их м. д. с. пропорциональны катетам, а

результирующая м. д. с, определяющая поток в зазоре, пропорциональна гипотенузе

треугольника. Магнитная система трансформатора делается ненасыщенной, поэтому

поток также пропорционален гипотенузе.

Роторная обмотка 2А включена на прибор UΔ, который обычно градуируется в линейных

мерах. Другая роторная обмотка 2В питает обмотку управления ОУ асинхронного

исполнительного двигателя ИД, обмотка возбуждения которого присоединена к той же

сети, что и статорные обмотки трансформатора-построителя. Исполнительный двигатель

ИД поворачивает ротор поворотного трансформатора до тех пор, пока напряжение на

обмотке 2В не становится равным нулю. В этом случае поток обмоток статора,

пропорциональный гипотенузе, располагается по оси обмотки 2А (так как обмотка 2A

расположена перпендикулярно обмотке 2В, на которой напряжение равно нулю), поэтому

напряжение на приборе UΔ определяет значение, соответствующее длине гипотенузы, а

угол поворота ротора — ее угол по отношению к катету.

Сельсины. В следящих системах возникает необходимость одновременного поворота или

синхронного согласованного вращения двух или нескольких механически не связанных

между собой осей

Рис. 4.78. Схема поворотного трансформатора-построителя

механизмов. При этом требуется, чтобы угол θ

положения приемной оси и угол θ

положения задающей оси были одинаковы, т. е. θ

= θ

. В действительности это равенство

абсолютно точно не соблюдается, и всегда имеет место некоторое рассогласование осей,

определяемое углом рассогласования

294

θ = θ

- θ

Индукционная машина, предназначенная для синхронной передачи угла или для

получения напряжения, пропорционального углу рассогласования θ, у которой обмотки

якорей создают однофазный пульсирующий поток, называется сельсином.

Сельсины находят широкое применение в следящих системах для синхронной передачи

угла, контроля и управления. Они представляют собой поворотные трансформаторы, у

которых первичная обмотка является однофазной, а вторичная — трехфазной. Первичные

обмотки, присоединенные к сети, называются обмотками возбуждения, а вторичные —

обмотками синхронизации. Индукционная система синхронной связи состоит из двух (или

нескольких) одинаковых сельсинов, один из которых является датчиком, а другой (или

другие) — приемником. Обмотки синхронизации датчика и приемника электрически

соединены между собой (рис. 4.79).

Так как поток обмотки возбуждения пульсирует, то в фазах трехфазной обмотки

синхронизации индуктируются э. д. с, совпадающие по фазе. При повороте ротора

значения э. д. с. в обмотках синхронизации изменяются, но их фаза остается прежней.

В фазах обмотки синхронизации датчика индуктируются э. д. с.;

мотки синхронизации, которая имеет место при пространственном совпадении осей

обмоток возбуждения и синхронизации.

Рис. 4.79. Схема индукционной синхронной связи при индикаторном режиме работы сельсин-приемника

В фазах обмотки синхронизации приемника индуктируются э. д. с:

295

Трехфазная обмотка синхронизации может быть расположена на статоре или роторе. В

первом случае сельсин имеет только два контактных кольца в цепи обмотки возбуждения,

а в цепи обмоток синхронизации отсутствуют скользящие контакты, что делает работу

следящей системы более надежной. Однако в этом случае по скользящему контакту

обмотки возбуждения, независимо от вращения ротора, проходит ток. Обмотку

возбуждения выполняют распределенной или сосредоточенной.

Для демпфирования механических колебаний ротора сельсин-приемник обычно

снабжается демпфером. Сельсин-датчик не нуждается в демпфирующем устройстве, так

как он связан с механизмом, имеющим большой момент инерции.

В зависимости от величины момента сопротивления исполнительного механизма

используется индикаторная (указательная) или трансформаторная схема включения

сельсинов.

Работа сельсинов в индикаторной схеме. Если на валу приемника находится легкая

сбалансированная стрелка или движок реостата следящей системы, то сельсин-приемник

используют для работы в индикаторном режиме, в котором он сам осуществляет

вращение стрелки или движка реостата. В схеме индукционной синхронной связи при

индикаторном режиме обмотки возбуждения обоих сельсинов присоединяют к одной сети

(рис. 4.79). Если угол θ рассогласования между роторами сельсинов равен нулю, то э. д. с.

соответствующих фаз обмоток синхронизации равны и направлены встречно, в результате

ток по ним не проходит. В этом случае обмотка синхронизации не оказывает влияния на

обмотку возбуждения, по которой так же, как и в режиме холостого хода трансформатора,

проходит ток, индуктивная составляющая которого является током намагничивания.

В общем случае угол рассогласования θ≠0, и, с учетом выражений (4.75) и (4.76), по фазам

обмоток синхронизации проходят токи:

296

Магнитодвижущую силу обмотки синхронизации можно разложить на две взаимно

перпендикулярные составляющие, одна из которых (F

) направлена по оси обмотки

возбуждения, а другая (F

) по оси, перпендикулярной к ней:

Направленная по оси обмотки возбуждения м. д. с. F

размагничивает обмотку

возбуждения, так же как и м. д. с. короткозамкнутой обмотки трансформатора. В

результате увеличивается ток I

обмотки возбуждения, величина которого достигает

максимального значения при θ = 180° (рис. 4.80),

Вследствие взаимодействия поперечной составляющей F

и магнитного потока Ф

Фsin(ωt—ψ) обмотки возбуждения возникает электромагнитный синхронизирующий

момент

Из (4.80) следует, что синхронизирующий момент имеет две составляющие: постоянную и

пульсирующую, с двойной частотой

297

Рис. 4.80. Статические характеристики сельсина

сети, среднее значение которой за период равно нулю. Поэтому среднее значение

синхронизирующего момента М

равно первой (постоянной) составляющей, величина

которой пропорциональна синусу угла рассогласования θ.

Вследствие незначительного насыщения магнитной цепи можно с большой степенью

точности считать, что значения потока Ф

и м. д. с. F

пропорциональны напряжению

питающей сети U

. Тогда среднее значение синхронизирующего момента

Из формулы (4.81) следует, что синхронизирующий момент пропорционален квадрату

напряжения питания. В сельсинах, имеющих явновыраженные полюсы, вследствие

неодинаковой проводимости по оси полюса и в междуполюсном пространстве, кривая М

= f(θ) несколько отличается от синусоидальной зависимости (см. рис. 4.80).

Синхронизирующий момент М

действует на роторы обоих сельсинов и стремится

повернуть их таким образом, чтобы угол рассогласования θ стал бы равным нулю, т. е.

встречно. Ротор датчика связан с задающим механизмом, поэтому под влиянием

синхронизирующего момента обычно поворачивается лишь ротор приемника. Из

выражения (4.80) видим, что при трехфазной обмотке синхронизации синхронизирующий

момент зависит только от угла рассогласования θ и не зависит от углов θ

и θ

определяющих положение обмоток синхронизации датчика и приемника относительно их

обмоток возбуждения.

Момент синхронизации равен нулю при θ = 0, θ = 360° и θ = 180°. При θ = 0 и при θ = 360°

роторы датчика и приемника находятся в одинаковом положении. Это положение

является устойчивым, так как при любом отклонении от него возникает

синхронизирующий момент, старающийся вернуть ротор в прежнее положение. При θ =

180° положение роторов неустойчиво, так как в случае незначительного изменения угла θ

появляется синхронизирующий момент, который выводит роторы из этого положения.

Таким образом, двухполюсные сельсины синхронизируются в пределах одного оборота.

При этом, если угол θ не превысил 180°, синхронизирующая сила возвращает ротор в

положение, при котором θ = 0, а если θ > 180°, синхронизирующая сила стремится

повернуть ротор в положение, соответствующее θ = 360°.

Часто один сельсин-датчик работает на несколько сельсинов-приемников. Тогда обмотки

возбуждения всех сельсинов соединяют параллельно, и все обмотки синхронизации также

соединяют параллельно между собой (рис. 4.81). В этом случае синхронизирующий

момент сельсина-датчика равен сумме моментов всех сельсинов-приемников.

При работе синхронной передачи угол рассогласования обычно не превышает 10°. При

угле порядка 1° появляется момент, в боль-

шинстве случаев достаточный для поворота ротора. При дальнейшем вращении ротора

угол θ приблизительно сохраняет свое значение. Таким образом осуществляется

синхронная передача.

298

Работа сельсинов в трансформаторной схеме. Если вращение исполнительного

механизма требует специального двигателя, то сельсин-приемник соединяют по

трансформаторной схеме, в которой однофазная обмотка сельсина-приемника

присоединена не к сети переменного тока, а является выходной обмоткой, с которой

сигнал подается через усилитель У на исполнительный двигатель ИД (рис. 4.82). В

обмотке синхронизации приемника не индуктируется э. д. с, которая могла бы

компенсировать э. д. с, индуктируемую в обмотке синхронизации датчика. Поэтому при

любом положении роторов по обмоткам синхронизации проходят токи:

Рис. 4.81. Схема соединения сельсинов при работе двух приемников от одного датчика

Рис. 4.82. Схема индукционной синхронной связи при трансформаторном режиме работы сельсина-

приемника

которые создают. в фазах обмотки синхронизации сельсина-приемника м. д. с:

299

Магнитодвижущая сила сельсина-приемника, направленная по оси однофазной выходной

обмотки,

Из формулы (4.82) видим, что составляющая м. д. с. F

изменяется синусоидально во

времени с частотой сети, и величина ее пропорциональна косинусу угла рассогласования

роторов θ. В результате изменения во времени м. д. с. F

на выходной однофазной

обмотке приемника индуктируется э. д. с, пропорциональная cosθ. Практически удобно,

чтобы при θ = 0 напряжение на выходной обмотке также равнялось бы нулю. Для этого

обмотки предварительно сдвигают на 90°. Сигнал с выходной обмотки подается через

усилитель У на обмотку управления исполнительного двигателя ИД (рис. 4.82). Вал

двигателя ИД жестко связан (иногда через редуктор) с исполнительным механизмом ИМ и

ротором приемника. При вращении исполнительного двигателя ротор сельсина приемника

поворачивается до тех пор, пока угол рассогласования θ не станет равным нулю.

Дифференциальные сельсины. Часто бывает необходимо, чтобы сельсин-приемник

реагировал на несколько сигналов одновременно подаваемых разными датчиками. Для

этого в схеме синхронной связи применяют дополнительные дифференциальные

сельсины. При их использовании в индикаторной или трансформаторной схеме обмотки

синхронизации датчика и приемника соединяют не накоротко, а через дифференциальный

сельсин (рис, 4.83). В этом случае угол θ

поворота вала приемника равен алгебраической

сумме угла θ

поворота датчика и угла θ

диф

поворота дифференциального сельсина.

Дифференциальный сельсин представляет собой индукционную машину, выполненную

по типу трехфазного асинхронного двигателях контактными кольцами, обмотки статора и

ротора которого являются идентичными. Обмотку, соединенную с датчиком, называют

первичной, связанную с приемником — вторичной. Если угол θ

диф

между осями

первичной и вторичной обмоток дифференциального сельсина равен нулю, то угол θ

создаваемый датчиком, полностью определяет угол θ

поворота. В этом случае θ

= θ

При повороте ротора дифференциального сельсина поток, создаваемый его первичной

обмоткой, поворачивается относительно вторичной на угол θ

диф

, поэтому э. д. с. в фазах

его вторичной обмотки соответствуют суммарному углу поворота θ

+ θ

диф

. Эти э. д. с.

передаются на обмотку синхронизации сельсина-приемника. В результате его ротор

поворачивается на угол θ

= θ

+ θ

диф

. Угол θ

диф

может быть положительным или

отрицательным по отношению к углу θ

. Изменение знака угла θ

диф

может быть

произведено переключением любой пары подводящих проводов обмоток ротора или

статора дифференциального сельсина. Иногда дифференциальный сельсин работает по

индикаторной схеме как приемник от двух датчиков, которыми являются обычные

сельсины.

300