Загальна характеристика, застосування та класифікація машин систем синхронної передачі

У промисловості та спеціальній техніці розповсюджені електричні системи синхронної передачі, які застосовуються в системах автоматичного регулювання.

Системою синхронної передачі називають сукупність пристроїв, призначених для вимірювання й передачі на відстань кутових переміщень механічно не з’єднаних осей.

Якщо синхронний зв'язок використовується для передачі кута, то основне значення має синфазність. В тому разі, коли цей зв'язок використовується для передачі синхронного обертання, основним показником є синхронність. При визначенні синфазності застосовується деяке початкове розташування осей, від якого відраховуються всі кути:

, (16.1)

. (16.2)

З виразів (16.1), (16.2) випливає, що синфазність передбачає синхронне обертання осей:

, (16.3)

. (16.4)

Формули (16.3), (16.4) свідчать про те, що синхронне обертання осей можливе й при швидкостях n≠const.

У загальному випадку синхронна система передачі складається з таких елементів: пристрій, який задає кут (датчик); лінія передачі (зв’язку); пристрій, який сприймає передану величину (приймач).

Синхронні системи передачі звичайно мають різні електричні машини й реле. В системах малої потужності переважно

розповсюджені індукційні (асинхронні) машини, які працюють в режимі подвоєного живлення. Ці машини, які за певних схем з’єднання можуть самосинхронізуватись, одержали назву сельсинів (від англійських слів self sinchroniring – «самосинхронізуючий»).

Індукційні системи синхронної передачі поділяють на однофазні й трифазні. Однофазні найчастіше застосовують в установках малої потужності. В потужних установках для синхронізації кількох обертових валів двигунів, які механічно не пов’язані між собою, застосовують трифазні системи синхронної передачі (приводи розвідних мостів, затворів шлюзів і т. і.).

Основними перевагами індукційних систем синхронної передачі є такі.

1. Відсутність іскрової комутації.

2. Висока точність (похибка в передачі кута не більша від 2,5º).

3. Плавність відпрацювання сигналу.

4. Можливість застосування безконтактної системи.

5. Однотипність датчиків та приймачів.

Однофазна індукційна система синхронної передачі може працювати в двох основних режимах: індикаторному й трансформаторному. В індикаторному режимі основною характеристикою є синхронізуючий момент, який з’являється внаслідок електромагнітних процесів у синхронній передачі, тому такий режим іноді називають режимом з внутрішньою синхронізацією. В трансформаторному режимі вихідна напруга приймача є основною характеристикою, у зв’язку з чим такий режим називають режимом із внутрішньою синхронізацією. У відповідності з цим індукційні системи синхронної передачі застосовують, як:

1) індикаторні й вимірювальні пристрої;

2) пристрої безпосереднього керування (приймач діє на керуючий орган: повзунок реостата, контакти і т. д.);

3) пристрої дистанційного керування (сигнал від приймача, який працює в трансформаторному режимі, подається на підсилювач).

Синхронні передачі, зокрема, сельсини в різних режимах роботи застосовуються в сучасних пристроях автоматики, телемеханіки, рахунково-вирішуючої техніки, автоматизованого електропривода, спецтехніки і т. д.

Трифазні сельсини застосовуються у відносно потужних системах електричного валу. При цьому потужність допоміжних двигунів-сельсинів беруть 10÷15% від потужності, яка передається валом. В такій передачі (паперовиробні машини, портальні крани і т. і.) кожна з машин виконує функції датчика та приймача, взаємно коригуючи положення обох валів. Машини, які працюють у такій передачі, найчастіше не називають сельсинами, хоча за будовою та принципом здійснення зв’язку вони від сельсинів нічим не відрізняються. Трифазні сельсини розташовуються на валах головних двигунів і звичайно вмикаються на обертання проти поля, тобто з ковзанням Ѕ≥1, для одержання більшого діапазону швидкостей та точності синхронізації.

В рахунково-вирішуючих пристроях, слідкуючому електроприводі, де повинен відпрацьовуватись кут, який дорівнює сумі або різниці двох заданих кутів (наприклад, уведення поправок на швидкість польоту), застосовується система синхронної передачі кута, в якій як один з елементів використовується диференціальний сельсин (сельсин-диференціал).

В літакових та інших пристроях для передачі кута на невеликі відстані при малих значеннях моменту опору застосування контактних та безконтактних сельсинів не завжди можливе. Це пояснюється необхідністю мінімальної маси та розмірів, а також тим, що момент тертя контактного сельсина в підшипниках та щітковому контакті й момент опору можуть бути величинами одного порядку, тобто виникає велика погрішність. Тому для цього застосовують магніто-електричний безконтактний сельсин – магнесин, який має мінімальну масу й габарити та простий за конструкцією.

Точність синхронної передачі визначається кутом непогодження θ між кутовими положеннями роторів приймача та датчика. Якщо ці ротори після відпрацювання сигналу приходять до фіксованого нерухомого стану, то такий режим називається режимом повороту, а кут θ – статичною похибкою системи. Якщо ж ротор обертається з деякою швидкістю, то такий режим називається динамічним (режимом обертання), а кут θ – динамічною похибкою системи.

До систем синхронної передачі ставляться такі основні вимоги.

1. Точність передачі кута.

2. Достатня величина питомого синхронізуючого моменту М_сп на валу приймача.

3. Великий максимальний синхронізуючий момент М_сmах при найбільшому куті непогодження θ_mах.

4. Максимальна допустима швидкість обертання.

5. Малий час установлення ротора приймача.

Сельсини, які використовуються в індукційних системах синхронного зв’язку, поділяються на трифазні силові та однофазні. За конструктивним виконанням вони можуть бути контактними і безконтактними.

За призначенням їх поділяють на датчики й приймачі.

За особливостями застосування вони поділяються на індикаторні, трансформаторні й диференціальні.

Безконтактні сельсини, в свою чергу, поділяються за способом збудження (електромагнітне й магнітоелектричне) та конструктивними особливостями (із Z-подібним ротором, з винесеним зовнішнім магнітним ланцюгом, з трансформаторним збудженням).

В залежності від конструкції, режиму роботи та призначення сельсини характеризуються різними показниками. В індикаторному режимі ККД сельсина має максимум при θ=90º, а в робочому режимі не перевищує 0,1. При θ=180º ККД дорівнює нулеві. Найбільше значення Cosφ виникає при θ=180º, а найменше – при θ=0º та θ=360º. При θ<5º Cosφ=0,25÷0,35. Питомий синхронізуючий момент М_сп=(0,1÷5,0)·10^-3 Н·м/град, а максимальний синхронізуючий момент М_сmах=(5÷30) 10^-3 Н·м/град.

Чутливість трансформаторних сельсинів визначається вихідною напругою при куті непогодження θ=1º. Звичайно ця напруга U_2п=0,5÷1,5 В/град.

Залишкова напруга трансформаторного сельсина (коли вісь ротора приймача становить 90º з віссю ротора датчика) не перевищує U_зл=0,2÷0,5 В.

Для магнесинів при номінальній напрузі живлення погрішність при слідкуванні не перевищує 2,5%, а при зниженій напрузі до 70% від номінальної – 5%.

Синхронізуючий момент для магнесинів звичайно дорівнює М_с=0,1 мГ·см.

Промисловістю випускаються сельсини, які працюють в широкому діапазоні температур: - 60ºС ÷ +50ºС з відносною вологістю повітря до 98%, в умовах висотності й підвищених вібрацій.

 

Трифазні синхронні передачі

 

Трифазні сельсини конструктивно такі ж, як і звичайні асинхронні двигуни з фазним ротором та розподіленими обмотками. Статорна обмотка, тобто обмотка збудження, приєднується до трифазної мережі з постійною частотою напруги. Роторна обмотка є обмоткою синхронізації, яка через контактні кільця та щітки з’єднується з лінією зв’язку.

Схема трифазної синхронної передачі подана на рис.16.1. Обмотки синхронізації сельсина вмикаються зустрічно з додержанням послідовності чергування фаз (як і при вмиканні на паралельну роботу синхронних генераторів).

Рис. 16.1. Схема вмикання трифазної синхронної передачі

 

Якщо обмотки роторів обох машин будуть розташовані у просторі однаково відносно своїх статорних обмоток, тобто кут непогодження θ=0, то ЕРС роторних обмоток, які виникають під дією обертових магнітних полів статорів, будуть рівними за величинами й протилежні за знаками.

а) б)

Рис. 16.2. Векторна діаграма для трифазних сельсинів

Тому зрівняльні струми в ланцюгах роторів проходити не будуть. Для цього випадку векторна діаграма наведена на рис.16.2, а.

У зв’язку з відсутністю струму ротора машини не створюють обертових моментів, тому ротори залишаються в спокої при будь-якому положенні обмоток роторів по відношенню до обмоток статорів при θ=0. при цьому по обмотках статорів проходять струми холостого ходу, які вміщують реактивну (намагнічуючу) та активну (яка визначається втратами холостого ходу) складові.

З появою кута непогодження θ ЕРС Е_2I та Е_2II зсовуються між собою за фазою на кут рθ (р – число пар полюсів машини).

Векторна діаграма для цього випадку подана на рис.16.2, б. Вона побудована за рівняннями:

1. ;

2. , (16.5)

де

z_2І, z _2ІІ – опори вторинних ланцюгів машин І, ІІ в режимі короткого замкнення;

İ₂ – зрівняльний стум, виникаючий в роторному ланцюзі під дією ΔĖ.

Якщо машини однакові, то z _2І = z_2ІІ = z₂; Е_2І = Е_2ІІ = Е₂. Тому

. (16.6)

Струм первинного ланцюга:

. (16.7)

Нехтуючи спадом напруги в первинній обмотці від струму намагнічування І_m, тобто вважаючи , та враховуючи, що , одержимо:

. (16.7)

Оскільки в машинах середньої й великої потужності r₂<<x₂, можливо вважати в цих випадках z₂≈x₂, тобто з рівняння 2 системи (16.5) одержимо:

. (16.8)

Тому вектор струму İ₂ відстає від ΔĖ на 90º.

Якщо активна складова струму İ_2а співпадає за фазою з вектором Ė₂ якоїсь з машин, то ця машина працює в генераторному режимі (датчика). Якщо ж İ_2а та Ė₂ у протифазі (- İ_2а та Ė₂), то машина працює в двигуновому режимі (приймач). В залежності від кута θ (поворот за чи проти поля статора) будь-яка з машин може бути як датчиком, так і приймачем.

У зв’язку з тим, що активна складова струму для машин має різні знаки, машини створюють моменти різних знаків, які намагаються звести кут θ до нуля поворотом обох роторів у протилежних напрямах.

Якщо ротор датчика буде безперервно обертатись, то ротор приймача буде рухатися за ним синхронно й синфазно з деякою погрішністю, яка визначається кутом θ.

Суттєвим недоліком трифазної системи синхронної передачі є неоднакова залежність М(θ) при обертанні приймача за та проти напряму обертання поля статора.

З рис.16.1 на рис. 16.3 подана енергетична діаграма при повороті ротора приймача на кут θ по (суцільні стрілки) та проти (штрихові стрілки) поля статора.

Припустимо, що машина ІІ є приймачем. Тоді при повороті ротора приймача за полем статора передача потужності здійснюється від машини І до машини ІІ.

Рис. 16.3. Енергетична діаграма трифазних сельсинів

 

Електромагнітна потужність приймача Р_еІІ для цього випадку:

, (16.9)

де

Р_І – потужність, споживана машиною І від мережі;

Р_сІ – втрати потужності в статорі машини І;

Р_рІ, Р_рІІ - втрати потужності в роторі відповідно І та ІІ машин.

При повороті ротора приймача проти поля статора:

, (16.10)

де

Р_ІІ – потужність, споживана машиною ІІ від мережі;

Р_сІІ – втрати потужності в статорі машини ІІ

Віднімаємо (16.9) з (16.10). Тоді:

, (16.11)

тобто

>

на подвоєну величину втрат в роторах та в сталі статора датчика. Тому електромагнітні моменти

> ,

тобто при повороті ротора приймача проти поля він створює більший момент, ніж за полем.

Визначаючи аналогічно електромагнітні моменти, з урахуванням рис.16.3, можливо довести, що при повороті ротора машини І за полем, а ротора машини ІІ – проти поля (компенсація θ) М_І<М_ІІ. При поворотах роторів у інших напрямах М_І>М_ІІ.

При повороті ротора датчика в будь-який бік він буде відчувати момент проти напряму повороту, а ротор приймача – за напрямом повороту. Не однаковість моментів, які створюються датчиком та приймачем при різних напрямах обертання, обумовлює різну точність синхронної передачі кута при одному й тому ж навантажувальному моменті. Як це витікає з кривої М(θ) (рис.16.4), при обертанні ротора проти поля діапазон можливих кутів непогодження ширший, ніж за полем.

Рис. 16.4. Кутові характеристики трифазних сельсинів