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 BC1 и приемника BE1, жестко сцепленные
с входным (j_вх) и выходным (j_вых) валом системы, образуют канал грубого
отсчета.

Роторы сельсинов датчика BC2 и приемника BE2 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/2q_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_BC1 = d_BC2= ± 15 угловых минут;

− погрешность следования двухполюсных сельсинов-приемников:
d_BE1 = d_BE2 = ± 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.