Для чего служит сельсин датчик и что это такое. Сельсины устройство и принцип действия

сельсин — (англ. selsyn self сам гр. syn (chronos) одновременный) самосинхронизирующаяся электрическая машина для передачи на расстояние информации об угле поворота вала другой машины; примен. в системах автоматики и в телемеханике. Новый словарь… … Словарь иностранных слов русского языка

Содержание

Сельсин

Сельсин — индукционная машина системы индукционной связи. Сельсинами (от англ. self-synchronizing ) называются электрические микромашины переменного тока, обладающие свойством самосинхронизации. Сельсин передачи работают по принципу обычной механической передачи, только крутящий момент между валами передаётся не зубьями шестерён, а магнитным потоком без непосредственного контакта.

В различных отраслях промышленности, в системах автоматики и контроля часто возникает необходимость синхронного и синфазного вращения или поворота двух и более осей, механически не связанных друг с другом (например, на РЛС — радиолокационных системах с вращающейся антенной). Такие задачи решаются с помощью систем синхронной связи.

Простейший сельсин состоит из статора с трёхфазной обмоткой (схема включения — треугольник или звезда) и ротора с однофазной обмоткой. Два таких устройства электрически соединяются друг с другом одноимёнными выводами — статор со статором и ротор с ротором. На роторы подаётся одинаковое переменное напряжение. При таких условиях вращение ротора одного сельсина вызывает поворот ротора другого сельсина. При повороте одного из сельсинов (сельсин-датчика) на определённый угол в нём наводится ЭДС, отличная от первоначальной. Поскольку сельсины (их роторы) соединены, то эта же ЭДС будет возникать и во втором сельсине (сельсин-приёмнике) и по правилу левой руки он отклонится от первоначального положения на тот же угол.

Содержание

Сельсины и системы дистанционной передачи угла поворота подразделяются на две группы: трёхфазные силовые и однофазные.

Трёхфазные сельсины

Трёхфазные сельсины применяются в системах, где требуется обеспечить синфазное и синхронное вращение двух двигателей (валов), находящихся на расстоянии друг от друга.

Однофазные сельсины

Однофазные сельсины могут работать в двух режимах.

Индикаторный режим. Сельсин-датчик принудительно поворачивается на определённый угол, а сельсин-приёмник устанавливается в соответствующее ему положение.
Трансформаторный режим. Сельсин-датчик принудительно поворачивается на определённый угол, а на выходе сельсин-приёмника формируется напряжение, являющееся функцией угла рассогласования между ними.

Для обоих режимов существуют схемы включения:

парная (датчик и приёмник),
многократная (датчик и несколько приёмников),
дифференциальная (два датчика и приёмник).

Недостатки, решения

Невысокая точность синхронизации, когда сельсин находится под нагрузкой. Для этого в передающей цепи применяют пару сельсинов — «грубый» и «точный» (последний установлен через редуктор и за один оборот основного вала делает несколько оборотов). Если сигнал с грубого сельсина слабее некоторого порога, автоматика передаёт в линию сигнал с точного.
Не нагруженный исполнительными механизмами сельсин колеблется с частотой переменного тока — приходится использовать демпферы.

В современных устройствах сельсины всё чаще заменяются энкодерами. И только там, где простота, надёжность и ремонтопригодность важнее точности (например, в авиации), сельсины всё ещё остаются незаменимыми.

Расположение первичной и вторичной обмотки не влияет на принцип работы сельсин-устройств. Тем не менее, обмотку синхронизации принято устанавливать на статоре, а обмотку возбуждения на роторе. Такое размещение позволяет снизить количество контактных колец и повысить общую надежность устройства.

Типы сельсиновых датчиков

Любой действующий сельсин включает в свой состав такие обязательные элементы, как статор и ротор, выполненные в виде обмоток с электромагнитной связью. Известны следующие разновидности электротехнических устройств, отличающиеся количеством катушек, расположенных в статоре и роторе. Они могут быть представлены следующими сочетаниями:

В последнем случае количество обмоток в обеих частях полностью совпадает.

По своему практическому применению (использованию в электронных схемах авторегулировки) эти приборы делятся на следующие виды:

Для понимания работы классического сельсинового прибора потребуется рассмотреть его схематическое представление (фото справа).

Схема и принцип действия

На предложенных схемах изображены различные варианты включения (как датчика, как приемника и в качестве дифференциального устройства).

После их анализа можно сделать следующие выводы:

Как датчики, так и приемники своими статорными обмотками напрямую подсоединяются к питающей сети.
Их 3-х катушечные роторные обмотки объединены линейными электрическими связями.
За счет такого включения при повороте первичного ротора на заданный угол аналогичный узел приемника повернется на тот же градус.
Если вращать подвижную часть датчика с фиксированной скоростью – с той же частотой будет крутиться соответствующий узел приемника.

В основу данного эффекта заложен принцип э/м индукции, суть которого состоит в способности обмотки с переменным током наводить поле в близко расположенной катушке (на схеме – вариант «а»).

Важно! Индуцировать стороннее поле способен только меняющийся по величине или фазе (то есть переменный) ток.

Величина наводимого в катушке статора ЭДС зависят от ее удаления от роторных обмоток. В случае, когда вращающиеся части двух приборов (приемного и передающего) разнесены от своих статоров на равное расстояние – наблюдается интересный эффект. Он состоит в том, что в этой ситуации токи в роторных контурах равны и противоположны по направлению, что приводит к обнулению их результирующей. Следствием этого является пропадание вращающего момента на валах обоих сельсинов (они неподвижны)!

Функция датчика положения

Если взять и каким-либо способом (вручную, например) провернуть ротор одного из приборов на некоторый угол – равновесие токов в его катушке нарушается. Из-за электрической связи в катушках второго устройства наблюдается аналогичное рассогласование баланса токов. Вследствие этого появляется результирующая, отличная от нуля, что приводить к образованию э/м поля и момента индукции (вращающей силы). Под ее воздействием подвижный узел исполнительной части будет проворачиваться до состояния, в котором равновесие токов полностью восстановится. Нетрудно понять, что это состояние будет соответствовать положению другого прибора.

Авторегулирование

При авторегулировании приемник работает в трансформаторном режиме (на схеме – «б»). Его ротор в данной схеме неподвижен, а обмотка статора полностью отключена от сети. В ней наводится ЭДС за счет токов, протекающих в собственной роторной обмотке (их величина задается состоянием первого устройства). Отсюда следует, что величина наводимой в статоре приемника ЭДС полностью зависит от угла поворота подвижной части датчика.

Дополнительная информация: Из-за того, что обмотка статора приемника не подключена к сети – фаза напряжения в нем смещена на 90° относительно статорной катушки датчика.

Это обстоятельство учитываются при вычислении выходной ЭДС (через поправочный коэффициент).

Дифференциальный прибор

Это вариант исполнения применяется в тех случаях, когда возникает потребность в определении разности угловых положений двух электрически связанных приборов (таким образом, выявляется степень их рассогласования). Другими словами размещаемые на различных валах сельсиновые датчики в этом случае сравниваются по скорости перемещения их подвижных узлов, после чего определяется их рассогласование.

В данной схеме три катушки от двух крайних приборов электрически соединены с соответствующими обмотками ротора и статора еще одного (третьего) сельсина, который называется дифференциальным (на схеме – «в»). Угол вращения этого третьего определяется как разность показаний для двух приборов-датчиков.

Статоры и роторы таких сельсинов считаются неявнополюсными, а обмотки распределенными. На роторе располагается обмотка возбуждения, к которой электрический ток подведен посредством двух контактных колец. Некоторые виды устройств имеют явно выраженные полюса статоров и роторов, что существенно повышает их синхронизирующий момент.

Системы синхронного поворота: основные режимы

Сельсины работают в двух режимах. Каждый из них имеет свои особенности которые надо обязательно учитывать при выборе оборудования.

Индикаторный

Если оборудование работает в данном режиме, значит, ротор принимающего устройства подсоединен к ведомой оси. Схема актуальна при выборе для ведомой оси минимального момента торможения и размещение на ней индикаторной стрелки. Обмотки возбуждения подключают к общей цепи. Синхронизирующие объединяют с линией связи.

Формируемые магнитные потоки инициируют возникновение ЭДС на обмотках всех фаз. Незначительная рассогласованность приводит к протеканию электротока. Благодаря потоку в датчиках и принимающем элементе сельсина образуются разнонаправленные моменты. С их помощью удается полностью нивелировать угол рассогласования.

Ротор, располагающийся на датчике, затормаживают. Как итог, момент синхронизации влияет на механизм, поворачивающий ведущую ось. Благодаря подобному конструктивному исполнению удается обеспечить одновременный поворот на одинаковый угол роторов обоих подключенных элементов.

Трансформаторный

Электросигнал, появляющийся при рассогласованности роторов, сначала поступает на усиливающую часть схемы. Далее — на ротор исполнительного механизма. Последний начинает поворачивать ротор принимающего элемента и ведомую ось до полного нивелирования имеющейся разницы. Подобный режим актуален при прикладывании к ведомой оси момента торможения, имеющий достаточно большую величину. То есть помогает повернуть механизм.

Обмотку датчика соединяют с ведущей осью и подключают к электросети на 220 В. Для подачи напряжения на элемент, отмечающий за управление двигателем, задействуют усилитель. Обмотку приемника используют для присоединения сельсина. Для объединения обмоток синхронизации двух сельсинов используется линия связи. В возбуждающей обмотке индуцируется ток, создающий в синхронизирующей обмотке ЭДС.

Ток протекает по обоим элементам, так как их обмотки соединены. В принимающем элементе формируются магнитные импульсы. Если элементы рассогласованы, под действием потока в обмотке возникает ЭДС. На входе появляется напряжение, запускающее специальный усиливающий элемент. От него напряжение поступает на статор, принадлежащий исполнительному устройству. Это приводит к тому, что ведомая ось начинает поворачиваться следом за ротором приемника. По мере устранения имеющейся разницы, напряжение становится равным нулю, и вращение ведомой оси прекращается.

Особенности используемой технологии и конструкция влияют на величину погрешности. К таковым относят:

Разность между параметрами датчика и принимающего устройства;
Неравномерные показатели магнитной проводимости;
Отсутствие симметричности у обмоток.

При передаче угла неизбежно возникают погрешности. Их появление обусловлено определенными условиями эксплуатации. При изменении величины сопротивления в сети управления, порядок работы сельсинов изменится.

Конструкция

Исполнение сельсинов диктует их принцип действия. Принято выделять:

контактные, у которых для соединения обмотки ротора и внешней цепи используются щетки и контактные кольца;
бесконтактные, в составе которых нет контактных элементов.

Каждая разновидность имеет свои отличительные особенности, с которым стоит обязательно ознакомиться, чтобы понять принцип работы.

Контактные

Контактные по своему исполнению аналогичны асинхронным электродвигателям с фазным ротором и малой мощностью. В их состав входят неявнополюсные ротор и статор. Благодаря этому обе обмотки – распределенные. У ротора предусмотрена обмотка возбуждения. Для подвода электротока используются два кольца.

У отдельных моделей уже имеется статор и ротор. Это их явное преимущество. В результате величина момента синхронизации возрастает. Однако контактные элементы в этом случае — явный недостаток.

Бесконтактные

Для их включения не нужны никакие контактные элементы. Обе обмотки изначально устанавливаются на статоре. Ротор имеет характерную цилиндрическую форму. Для его изготовления используется материал, имеющие ферримагнитные свойства. Алюминиевая прослойка делит роток на два полюса.

Торообразные сердечники располагаются на торцах сельсинов. Их внутренняя часть располагается над ротором. Наружная соединяется со стержнями внешнего магнитопровода. Для изготовления сердечников используется электротехническая листовая стали. Однофазная обмотка устройства состоит из двух дисковых катушек, располагающихся по обеим сторона статора между сердечниками и обмоткой синхронизации.

В процессе работы устройства происходит замыкание магнитного потока импульсного типа. Трехфазная синхронизирующая обмотка соединяется на статоре. Положение оси потока магнитной индукции по мере изменения пространственного положения ротора изменяется. Он занимает иное положение относительно синхронизирующих обмоток. Величина возникающей ЭДС напрямую зависит от величины угла, на который смог повернуться ротор.

К недостаткам подобных устройств является не такое эффективное использование активных материалов. Кроме того, они в среднем на 50% тяжелее контактных аналогов, что обусловлено большими воздушными зазорами. Благодаря последним, величина токов намагничивания возрастает.

Формируемые магнитные потоки инициируют возникновение ЭДС на обмотках всех фаз. Незначительная рассогласованность приводит к протеканию электротока. Благодаря потоку в датчиках и принимающем элементе сельсина образуются разнонаправленные моменты. С их помощью удается полностью нивелировать угол рассогласования.

Сельсины — назначение и конструкция

Среди множества электрических машин существует особая разновидность, с помощью которых в синхронных системах осуществляется дистанционная передача угла. Они известны как сельсины, назначение и конструкция этих устройств разделяет их на датчики и приемники.

Данные системы способны синхронно и плавно передавать на расстояние необходимые угловые величины. Механическая связь между ними отсутствует, а все передачи выполняются за счет электрических соединений, выступающих в качестве линий связи. Мощность таких приборов находится в пределах от нескольких ватт до 1 кВт, поэтому они могут использоваться для решения многих технических задач.

В конструкцию каждого сельсина входит статор и ротор с обмотками переменного тока. В соответствии со своими особенностями, эти устройства конструктивно могут состоять из следующих элементов:

Обмотка с одной катушкой на статоре и с тремя на роторе.
Обмотка с тремя катушками на статоре и с одной на роторе.
Обмотка с тремя катушками на статоре и с тремя на роторе.

Как видно из представленной схемы, сельсины, задействованные в схемах автоматических регулировок, разделяются на следующие категории:

Основной функцией этих устройств является синхронный поворот или вращение двух или нескольких осей, не имеющих между собой механической связи. Аппарат, механически связанный с ведущей осью, считается датчиком, а другой такой же прибор, соединенный с ведомой осью называется приемником. Когда ротор датчика поворачивается на какой-то угол, то ротор приемника синхронно выполняет поворот на такой же угол.

Каждый сельсин имеет обмотки, разделяющиеся на первичную обмотку возбуждения и вторичную обмотку синхронизации. В зависимости от количества фаз первичной обмотки, устройства могут быть одно- или трехфазными. Вторичная обмотка практически всегда выполняется в трехфазном варианте.

Расположение первичной и вторичной обмотки не влияет на принцип работы сельсин-устройств. Тем не менее, обмотку синхронизации принято устанавливать на статоре, а обмотку возбуждения на роторе. Такое размещение позволяет снизить количество контактных колец и повысить общую надежность устройства.

Принцип действия различных схем

Принцип действия системы наглядно виден на схемах, представленных на рисунке. На схеме а датчик и приемник подключены через статорные однокатушечные обмотки к единой сети переменного тока, а обмотки ротора с тремя катушками соединяются друг с другом. Получается система датчик-приемник. При повороте ротора сельсин-датчика на какую-либо величину угла, ротор приемника повернется на точно такой же угол.

Основой синхронной связи является электромагнитная индукция. Под действием переменного тока обмотки статора, в роторной обмотке индуктируются токи, на величину которых оказывает влияние расположение обмоток статора и ротора относительно друг друга.

Когда роторы в обоих сельсин-устройствах располагаются одинаково относительно статоров, токи в проводах, соединяющий роторы будут при общем равенстве противоположны между собой. Поэтому в каждой катушке ток будет равен нулю. Следовательно валы сельсинов находятся в состоянии покоя и их вращающий момент также равен нулю.

При повороте ротора сельсин-датчика на какой-то угол, данное равновесие токов нарушается и на валу приемника появится вращающий момент. Его ротор будет вращаться до полного исчезновения неравновесия токов. Это неравновесие исчезнет, когда ротор сельсин-приемника примет такое же положение, что и ротор датчика.

В автоматическом регулировочном режиме довольно часто требуется работа приемника в режиме трансформатора. На схеме б видно, что ротор приемника закреплен неподвижно, а обмотка статора отключена от сети. Далее в ней будет индуктироваться ЭДС под влиянием тока, протекающего по обмоткам ротора. Величина этого тока будет зависеть от положения ротора датчика. То есть величина ЭДС ротора приемника будет находиться в пропорции с углом поворота сельсин-датчика. В исходном положении оба ротора смещаются на 90 градусов между собой, поэтому ЭДС на роторе датчика будет равна нулю. Таким образом, поворот ротора датчика вызовет индукцию ЭДС на роторе приемника, пропорциональной углу рассогласования обоих роторов.

Схема в отображает работу дифференциального сельсина, который используется для контроля разницы углов поворота сразу двух осей. Два датчика располагаются на двух отдельных валах с одинаковыми скоростями вращения. Третий сельсин-датчик является дифференциальным, а его угол поворота представляет собой разницу между углами поворота датчиков.

Конструктивные особенности

Конструктивно синхронизирующие сельсины могут быть контактными и бесконтактными. В первом случае соединение роторной обмотки с внешней электрической цепью осуществляется с помощью щеток и контактных колец. Устройство контактных сельсинов напоминает асинхронный двигатель с маломощным фазным ротором.

Статоры и роторы таких сельсинов считаются неявнополюсными, а обмотки распределенными. На роторе располагается обмотка возбуждения, к которой электрический ток подведен посредством двух контактных колец. Некоторые виды устройств имеют явно выраженные полюса статоров и роторов, что существенно повышает их синхронизирующий момент.

В процессе эксплуатации сельсинов контактные кольца постепенно изнашиваются и требуют замены. Этот фактор считается единственным серьезным недостатком данных устройств. Бесконтактные сельсины, назначение и конструкция которых предполагает отсутствие контактных элементов, имеют две обмотки, размещенные на статоре. Сам ротор представляет собой цилиндр, изготовленный из ферромагнитного материала. Специальная алюминиевая прослойка разделяет ротор на два полюса, изолированных друг от друга.

В торцах устройства установлены сердечники, для изготовления которых использовалась листовая электротехническая сталь. Поверхность этих сердечников со стороны внутренней части размещается над ротором. Наружная поверхность смыкается со стержнями внешнего магнитопровода.

Однофазная обмотка возбуждения представляет собой двухдисковые катушки, расположенные по обеим сторонам статора, между обмоткой синхронизации и сердечниками.

Во время работы бесконтактного сельсина происходит замыкание импульсного магнитного потока в магнитной системе. Одновременно он соединяется с трехфазной синхронизирующей статорной обмоткой. Весь путь замкнутого магнитного потока обозначен на рисунке прерывистой линией.

При повороте ротора ось магнитного потока изменяет свою позицию по отношению к синхронизирующим обмоткам. Поэтому ЭДС, возникающая в фазах синхронизирующей обмотки, находится в прямой зависимости от поворота ротора. В этом заключается принцип работы таких приборов.

Существенным недостатком бесконтактных сельсинов считается слабое и малоэффективное использование активных материалов. Масса таких моделей примерно в 1,5 раза превышает контактные конструкции, в основном из-за существенных воздушных зазоров. В результате, бесконтактные сельсины отличаются более высокими токами намагничивания и рассеивающими потоками.

Статоры и роторы таких сельсинов считаются неявнополюсными, а обмотки – распределенными. На роторе располагается обмотка возбуждения, к которой электрический ток подведен посредством двух контактных колец. Некоторые виды устройств имеют явно выраженные полюса статоров и роторов, что существенно повышает их синхронизирующий момент.

Конструкция

Исполнение сельсинов диктует их принцип действия. Принято выделять:

контактные, у которых для соединения обмотки ротора и внешней цепи используются щетки и контактные кольца;
бесконтактные, в составе которых нет контактных элементов.

Контактные

Бесконтактные

Видео по теме

Всем кто хотел бы выяснить, что это такое сельсин датчик, необходимо подробно ознакомиться с его устройством и принципом действия. Для этого, прежде всего, следует понять, что он представляет собой разновидность электрических устройств, работающих только на переменном токе.

Дополнительная информация: Мощность этих приборов варьируется от нескольких единиц до сотен ватт (но не более киловатта).

Лучший способ понять, что такое сельсин датчик – это разобраться с его назначением. После ознакомления с этим вопросом выясняется, что он позволяет отслеживать поведение подвижных частей двух устройств, удаленных на определенное расстояние. Такая возможность позволяет согласовывать их вращение в отсутствие механической связи (электрическим путем – по проводам). Другими словами, сельсиновые датчики это электрически синхронизированные передающие и приемные устройства.

Типы сельсиновых датчиков

В последнем случае количество обмоток в обеих частях полностью совпадает.