Индукционное измерительное устройство на сельсинах

Сельсин – электромеханическое устройство, выполненное в виде миниатюрной электрической машины переменного тока. На роторе сельсина помещена одиночная первичная обмотка, а на статоре три вторичных обмотки, расположенные относительно друг друга под углом 120º и соединенные в звезду.

При подключении первичной обмотки к источнику питания переменного тока на выходах трех вторичных обмоток создаются фазные напряжения, соотношения между которыми соответствуют положению ротора.

Обычно в локальных системах для измерения напряжений используют два идентичных сельсина: сельсин-датчик BC и сельсин-приемник BE. Оба сельсина соединяют по определенной схеме так, чтобы поворот ротора сельсина-датчика вызвал поворот ротора сельсина-приемника на один и тот же угол. Условное графическое изображение схемы соединения показано на рисунке 2.6.

Измерительное устройство может работать в двух режимах: индикаторном и трансформаторном.

В индикаторном режиме роторные обмотки сельсинов BC и BE подключают к одному источнику переменного тока. Сельсин-приемник BE используют как базовый элемент индикаторного прибора, отражающего угловое положение ротора сельсина-датчика. Соответствующие статорные обмотки 1…3 сельсинов связывают кабельной линией.

Рисунок 2.6

 

В трансформаторном режиме к источнику переменного тока подключают только роторную обмотку сельсина-датчика BC. Ротор сельсина-приемника BE механически связывают с выходным валом системы, а роторную обмотку соединяют с входом усилителя-демодулятора. Принципиальная электрическая схема измерителя показана на рисунке 2.7.

 

 

Рисунок 2.7

 

При идеальной работе усилителя-демодулятора с его выхода снимается сигнал

                                                      (2.11)

 

где K _Д – коэффициент преобразования датчика рассогласования углов: ротора
          сельсина-датчика j_вх(t) и ротора сельсина-приемника j_вых(t).

Статическая характеристика измерительного устройства на сельсинах, построенная по формуле (2.11), показана на рисунке 2.8, где , K _уд – коэффициентпреобразования усилителя-демодулятора, U_m – напряжение питания.

 

 

Рисунок 2.8

 

На начальном этапе расчета системы полагают K _уд = 1. В этом случае

 или .

 

Обычно локальные системы работают при малых рассогласованиях, удовлетворяющих условию  В подобных случаях выражение (2.11) с погрешностью менее 5 % аппроксимируют линейной зависимостью

                   (2.12)

а структурную схему представляют двумя последовательно соединенными звеньями – элементом сравнения, формирующим разность , и звеном с передаточным коэффициентом K _Д(рисунок 2.9).

 

Рисунок 2.9

 

Возможное значение погрешности измерительного устройства на сельсинах определяют по формуле

 

                                    (2.13)

 

в которой допустимые пределы погрешности  определяют по величине асимметрии нулевых точек сельсина-датчика, а допустимые пределы погрешности  – по величине погрешности следования сельсина-приемника одного класса точности. Пусть, например,  угловых минут и  угловых минут. Тогда

 

 угловых минут.

 

Для снижения погрешности применяют метод механической или электрической редукции. Оба метода реализуют в виде двухканального измерительного устройства.

Структурная схема измерительного устройства с механической редукцией показана на рисунке 2.10.

В устройстве применены сельсины, имеющие по одной паре полюсов. Причем роторы сельсинов датчика BC 1 и приемника BE 1, жестко сцепленные
с входным (j_вх) и выходным (j_вых) валом системы, образуют канал грубого
отсчета.

Роторы сельсинов датчика BC 2 и приемника BE 2 связаны с входным (j_вх) и выходным (j_вых) валом через повышающий редуктор с передаточным числом q _n. Эта пара сельсинов образует канал точного отсчета.

Напряжение огибающей U _Г.О на выходе сельсинной пары грубого канала изменяется по синусоидальному закону в функции угла рассогласования
. Применение повышающих редукторов с q _n, связывающих роторы сельсинов-датчиков и сельсинов-приемников, приводит к тому, что частота изменения огибающей напряжения U _Т.О на выходе сельсинной пары точного канала будет в q _n  раз выше, чем у грубого канала.

 

Рисунок 2.10

 

Схема разделения каналов построена таким образом, что при углах рассогласования ∆j ≤  π/2 q _n напряжение   на его выходе формируется по информации канала точного отсчета. Значение q _n выбирают из ряда четных чисел [8…30]. Обычно q _n = 30. Тогда при  измерительное устройство переключается на работу от сельсинов грубого канала. По мере отработки угла рассогласования и уменьшения его до значения  производится переключение на работу от сигнала сельсинов точного канала.

Устройство разделения каналов представляет собой двухканальный усилитель напряжений рассогласований U _Г.О и U _Т.О и состоит из двух демодуляторов, усилителей и компараторов.

Средняя квадратическая погрешность измерительного устройства с механической редукцией (см. рисунок 2.10)

 

.                      (2.14)

 

Измерительное устройство с электрической редукцией отличается тем, что роторы сельсинов грубого и точного каналов жестко сцеплены между собой (q _n = 1). Кроме того в канале точного отсчета применены многополюсные сельсины, имеющие по 4, 8, 16 или 24 пар полюсов, .

Погрешность измерительного устройства с электрической редукцией находят по формуле

,                              (2.15)

 

где  и  – погрешности двухполюсных сельсинов;

                  - число пар полюсов.

В локальных системах канал грубого отсчета используется при больших рассогласованиях , а канал точного отсчета при малых их значениях. Переключение каналов рекомендуется осуществлять при , которое выбирают из условия

 или .                      (2.16)

 

При этом должно выполняться следующее требование:

 

U _Г.О = U _Т.О ,                                           (2.17)

где

,                              (2.18)

 

.                                 (2.19)

 

Пример: Считаем, что заданы сельсины и допустимое значение систематической погрешности измерительного устройства по условиям работы локальной системы, требуется определить:

– передаточное число повышающего редуктора q_n;

– среднюю квадратическую погрешность измерительного устройства d;

– чувствительность (коэффициенты передачи) грубого и точного каналов: К _Г.О , К _Т.О ;

– угол рассогласования, при котором осуществляется переключение каналов, ∆j_пер.

Исходные данные:

− напряжение питания U_m = 31 В;

− асимметрия нулевых точек двухполюсных сельсинов-датчиков:
d _{BC 1} = d _{BC 2}= ± 15 угловых минут;

− погрешность следования двухполюсных сельсинов-приемников:
d _{BE 1} = d _{BE 2} = ± 20 угловых минут;

− допустимая средняя квадратическая погрешность измерительного устройства: d = 6 угловых минут;

− максимальный угол j_вх = ± 50º.

Расчет

– погрешность канала грубого отсчета

 угловых минут;

 

– передаточное число повышающего редуктора

 

.

 

Для дальнейших расчетов принимаем рекомендуемое значение q _n = 8.

Погрешность измерительного устройства при  угловым минутам

 

 угловым минутам.

 

Условие  соблюдается.

Чувствительность канала грубого отсчета

 

 В/град;

чувствительность канала точного отсчета

 

 В/град.

 

угол рассогласования, при котором осуществляется переключение
каналов

 

Напряжения, формируемые каналами грубого и точного отсчета при

 В,

 В.

 

Условие U _Т.О = U _Г.О соблюдается.

Так как передаточное число редуктора четное q _n = 8, то при
начальных рассогласованиях близких к 180º может возникнуть явление
«ложного нуля», при котором измерительное устройство сразу переключится на работу по точному каналу. Однако это явление не возникает при 180 – 11,25 = 168^о.

По условию задачи ^о. Следовательно, в начальный момент времени 50^о, что значительно меньше допустимого значения 168^о. Измерительное устройство работоспособно.

 

2.4 Индукционное измерительное устройство на синусно-косинусных
           вращающихся трансформаторах

Вращающийся трансформатор, как и сельсин, представляет собой электрическую машину переменного тока. Однако в отличие от сельсина у вращающегося трансформатора не одна, а две первичные обмотки. Помещены они не на роторе, а на статоре и смещены относительно друг друга на 90º. Две вторичные обмотки помещены на роторе и также смещены относительно друг друга на 90º.

Измерительное устройство рассогласования двух углов,  содержит два вращающихся трансформатора, соединенных по схеме, условное графическое изображение которой показано на рисунке 2.11. На рисунке обозначено: ТС – вращающийся трансформатор-датчик; ТЕ – вращающийся трансформатор-приемник.

 

 

Рисунок 2.11

 

Чтобы на выходе измерительного устройства получить сигнал , необходимо одну из обмоток статора ТС закоротить, а на вторую подать напряжение переменного тока ~ U _п. В этом случае при K _УД = 1 получим зависимость

 

,                            (2.20)

 

которая полностью совпадает с уравнением (2.11).

Вращающиеся трансформаторы, преобразующие тригонометрические функции sin∆j (и cos∆j, если использовать вторую статорную обмотку ТЕ), называют синусно-косинусными вращающимися трансформаторами (СКВТ).

Структурная схема измерительного устройства на СКВТ полностью совпадает со схемой на сельсинах (рисунок 2.9). Однако коэффициент преобразования К _Д рассчитывают по формуле

 

 или                            (2.21)

где k _TC и k_TЕ – коэффициенты трансформации вращающихся трансформаторов
                   ТС и ТЕ.

Измерительные устройства на СКВТ рассчитывают по точно такой методике, что и устройства на сельсинах. Для повышения точности используются методы механической и электрической редукции.

Пример. Измерительное устройство должно обеспечить систематическую погрешность d не более 6 угловых минут.

Расчет.

Выбираем СКВТ 1-го класса точности. Основные технические данные. СКВТ ТС: напряжение питания переменного тока U _П = 27 В; коэффициент трансформации k_ТС = 0,56; асимметрия нулевых точек d _ТС = ± 2 угловым минутам. Основные технические данные СКВТ ТЕ: коэффициент трансформации k_ТЕ = 0,56; погрешность следования d _ТЕ=± 5 угловых минут

Средняя квадратическая погрешность измерительного устройства

 угловых минут.

Чувствительность измерительного устройства

 В/град.

 

Усилитель-демодулятор

 

Усилитель-демодулятор – функциональная часть индукционного измерительного устройства, осуществляющая эквивалентное преобразование модулированного по амплитуде напряжения переменного тока сельсина-приемника ВЕ или вращающегося трансформатора приемника ТЕ в эквивалентное напряжение постоянного тока, полярность и среднее значение которого пропорционально рассогласованию

Пусть на выходе ВЕ или ТЕ имеем модулированное напряжение

                         (2.22)

где U_m – действующее значение выходного напряжения,

а  – несущая (опорная) частота напряжения питания датчиков ВС или ТС.

Демодулятор умножает сигнал U _s на сигнал опорной частоты , в результате получаем

 

             (2.23)

 

Составляющая удвоенной частоты может вызвать потерю чувствительности измерительного устройства, а при прохождении тракта управления нарушить работу локальной системы. Поэтому демодулятор, используя фильтр низших частот, пропускает на выход только первую составляющую

 

 

Основным параметром, характеризующим работу усилителя-демодулятора, является коэффициент преобразования K _УД – отношение среднего значения напряжения на выходе демодулятора к половине действующего значения напряжения на входе усилителя-демодулятора, снимаемого со вторичной обмотки его входного трансформатора. В этом случае имеем K _УД = 1 и U _УД = .

Инерционность фильтра можно не учитывать, если его постоянную времени выбирать из условия Т _ф = 1/ f ₀ при f ₀ = 400 или 500 Гц.