Обычно обмотки ротора асинхронного двигателя с фазным ротором закорачиваются после запуска. Во время запуска сопротивление может быть включено последовательно с обмотками ротора для ограничения пускового тока. Если эти обмотки подключены к общему пусковому сопротивлению, два ротора будут оставаться синхронизированными во время запуска.
Это полезно для печатных машин и подъёмных мостов, где два двигателя необходимо синхронизировать во время запуска. После запуска и закорачивания роторов синхронизирующий момент отсутствует. Чем выше сопротивление при запуске, тем выше синхронизирующий момент для пары двигателей.
Если пусковые резисторы удалены, но роторы по-прежнему включены параллельно, пусковой момент отсутствует. Однако существует значительный синхронизирующий момент. Это так называемый сельсин, что означает «самосинхронный» (англ. selsyn от self synchronous). В последнем 6-м разделе «Измерительные преобразователи переменного тока» предыдущей 12-й главы мы уже обсуждали сельсины.
Рис. 1. Пуск асинхронных двигателей с фазным ротором от обычных резисторов.
Роторы могут быть стационарными. Если один ротор перемещается на угол θ, вал другого сельсина тоже перемещается на угол θ. Если к одному сельсину приложено сопротивление, это будет ощущаться при попытке повернуть и другой вал.
Хотя существуют сельсины мощностью в несколько лошадиных сил (несколько киловатт), их основное применение – небольшие блоки мощностью в несколько ватт для измерительных приложений (дистанционная индикация положения).
Рис. 2. Сельсины без пускового сопротивления.
В приборных сельсинах не используются пусковые резисторы (рисунок выше). Они не предназначены для самовращения. Поскольку роторы не закорочены и не нагружены резисторы, пусковой крутящий момент не создаётся.
Однако ручное вращение одного вала вносит дисбаланс в ток ротора до тех пор, пока не провернётся вал параллельного устройства. Обратите внимание, что на оба статора подаётся общий источник трёхфазного питания. Хотя выше мы показываем трёхфазные роторы, достаточно ротора с однофазным питанием, как показано на рисунке ниже.
Передатчик – Приёмник
В малых инструментальных сельсинах, также известных как синхронизаторы, используются однофазные параллельные роторы с питанием от переменного тока, сохраняющие 3-фазные параллельные статоры, которые не имеют внешнего питания. Ниже показаны функции синхронизаторов как вращающихся трансформаторов.
Если роторы передатчика крутящего момента (ПКМ) и ресивера (приёмника) крутящего момента (РКМ) находятся под одинаковым углом, фазы индуцированных напряжений статора будут одинаковыми для обоих, и ток не будет течь.
Если один ротор смещён относительно другого, фазные напряжения статора будут различаться между передатчиком и приёмником. На статоре будет течь ток, развивая крутящий момент. Вал приёмника электрически подчинён валу передатчика. Вал передатчика или приёмника можно вращать, чтобы повернуть противоположный блок.
Рис. 3. Роторы синхронизаторов имеют однофазный привод.
В синхростаторах намотаны 3-фазные обмотки, выведенные на внешние клеммы. Однороторная обмотка передатчика или приёмника выводит крутящий момент с помощью шлифованных контактных колец. Синхронные передатчики и приёмники электрически идентичны.
Однако синхронный приёмник имеет встроенное инерционное демпфирование. Передатчик синхронного крутящего момента может быть заменён приёмником крутящего момента.
Дистанционное определение положения является основным приложением синхронизатора. Например, синхронный передатчик, подключённый к антенне радара, указывает положение антенны на индикаторе в диспетчерской.
Синхронный передатчик, соединённый с флюгером, показывает направление ветра на удаленной консоли. Синхросигналы доступны для использования с питанием 240 В переменного тока 50 Гц, 115 В переменного тока 60 Гц, 115 В переменного тока 400 Гц и 26 В переменного тока 400 Гц.
Рис. 4. Применение синхронизатора: дистанционная индикация положения.
Дифференциальный приёмопередатчик
В синхронизированном дифференциальном передатчике крутящего момента (ДПКМ) трёхфазными являются и ротор, и статор. Синхронно-дифференциальный передатчик добавляет входной угол вала к входному электрическому углу на входах ротора, выводя сумму на выходах статора.
Этот электрический угол статора можно отобразить, отправив его на РКМ. Например, синхронный приёмник отображает положение радарной антенны относительно носовой части корабля. Добавление направления судового компаса с помощью синхронно-дифференциального передатчика отображает положение антенны на РКМ относительно истинного севера, независимо от курса судна.
Переключение пары выводов статора S1/S3 между ПКМ и ДПКМ вычитает угловые положения.
Рис. 5. Дифференциальный передатчик крутящего момента (ДПКМ).
Антенна судового радара, соединённая с синхронным передатчиком, кодирует угол антенны относительно носа судна (рисунок ниже). Желательно отображать положение антенны относительно истинного севера.
Нам нужно добавить курс корабля от гирокомпаса, к положению антенны по отношению к носу судна, чтобы отобразить угол антенны относительно истинного севера (∠Антенна + ∠Гирокомпас).
Рис. 6. Применение преобразователя дифференциала крутящего момента: сложение углов.
∠Антенна - N = ∠Антенна + ∠Гирокомпас
∠РКМ = ∠ПКМ + ∠ГК
Например, курс судна ∠30°, положение антенны относительно носа судна 0°, ∠Антенна - N:
∠РКМ = ∠ПКМ + ∠ГК
∠30° = ∠30° + ∠0°
К примеру, при курсе судна 30°, положение антенны относительно носа судна 15°, ∠Антенна - N:
∠45° = ∠30° + ∠15°
Сложение и вычитание на передатчиках крутящего момента
Для справки мы показываем электрические схемы для вычитания и сложения углов вала с использованием как ДПКМ (дифференциального передатчика крутящего момента), так и ДРКМ (дифференциального ресивера, т.е. приёмника крутящего момента). ДПКМ имеет входной угловой крутящий момент на валу, электрический угловой вход на трёх соединениях статора и электрический угловой выход на трёхроторных соединениях.
ДПКМ имеет электрические входные углы как на статоре, так и на роторе. Выходной угол – это крутящий момент на валу ДРКМ. Разница между ДПКМ и ДРКМ заключается в том, что ДПКМ является передатчиком крутящего момента, а ДРКМ – приёмником крутящего момента.
Рис. 7. Вычитание ДПКМ.
Входы крутящего момента – ПКМ и ДПКМ. Угловая разница крутящего момента на выходе равна РКМ.
Рис. 8. Сложение ДПКМ.
Входы крутящего момента – ПКМ и ДПКМ. Угловая сумма выходного крутящего момента равна РКМ.
Рис. 9. Вычитание ДПКМ.
Входами крутящего момента являются ПКМ1 и ПКМ2. Угловая разница выходного крутящего момента – ДРКМ.
Рис. 10. Сложение ДРКМ.
Входами крутящего момента являются ПКМ1 и ПКМ2. Угловая сумма выходного крутящего момента равна ДРКМ.
Управляющий трансформатор
Разновидностью синхронного передатчика является управляющий трансформатор (УТ). Он имеет три равноотстоящих обмотки статора, как и ПКМ. Его ротор имеет большее количество оборотов, чем передатчик или приёмник, что делает его более чувствительным при обнаружении нуля при вращении, как правило, с помощью сервосистемы.
Выходной сигнал ротора УТ равен нулю, когда он ориентирован под прямым углом к вектору магнитного поля статора. В отличие от ПКМ или РКМ, УТ не передаёт и не принимает крутящий момент. Это просто чувствительный датчик углового положения.
На этом рисунке вал ПКМ установлен в желаемое положение радарной антенны. Сервосистема заставляет серводвигатель приводить антенну в заданное положение. УТ сравнивает заданное положение с фактическим положением и подаёт сигнал сервоусилителю, чтобы он приводил двигатель в действие, пока не будет достигнут заданный угол.
Рис. 12. Сервопривод использует УТ для определения нулевого положения антенны.
Когда ротор управляющего трансформатора обнаруживает ноль под углом 90° к оси поля статора, выходной сигнал на роторе отсутствует. Любое смещение ротора вызывает ошибку переменного напряжения, пропорциональную смещению.
Сервоистема стремится минимизировать ошибку между задаваемой и измеренной переменной из-за отрицательной обратной связи. Управляющий трансформатор сравнивает угол вала с углом магнитного поля статора, передаваемым статором ПКМ.
Когда он измеряет минимум или ноль, сервопривод приводит антенну и ротор управляющего трансформатора в заданное положение. Если нет ошибки между измеренным и заданным положением, выходной сигнал УТ не должен усиливаться.
Серводвигатель, являющийся 2-фазным электродвигателем, перестаёт вращаться. Однако любая обнаруженная ошибка УТ приводит в действие усилитель, который приводит в действие двигатель, пока ошибка не будет минимизирована. Это соответствует сервосистеме, управляющей трансформатором тока с антенной связью для согласования угла, заданного передатчиком.
Серводвигатель может приводить в движение редукторную передачу и быть бо́льшим по сравнению с синхронизаторами ПКМ и УТ. Однако низкий КПД серводвигателей переменного тока ограничивает их полезную нагрузку до меньшего размера. Их также трудно контролировать, поскольку они представляют собой устройства с постоянной скоростью.
Однако ими можно до некоторой степени управлять, изменяя напряжение на одной фазе с линейным напряжением на другой фазе. Большие нагрузки более эффективно приводятся в движение большими серводвигателями постоянного тока.
В бортовых приложениях используются компоненты с частотой 400 Гц – ПКМ, УТ и серводвигатель. Размер и вес магнитных компонентов переменного тока обратно пропорциональны частоте. Таким образом, использование компонентов с частотой 400 Гц для применения в самолётах, таких как движущиеся поверхности управления, позволяют экономить на размере и весе.
Резольвер
Резольвер (рисунок ниже) имеет две обмотки статора (размещённых под углом 90° друг к другу) и одну обмотку ротора (приводимого в движение переменным током). Резольвер используется для преобразования полярных значений в алгебраические. Входящие данные (угол на валу ротора) создают на обмотках статора пропорциональные напряжения с прямоугольными координатами sinθ и cosθ.
Рис. 13. Резольвер преобразует угол вала в синус и косинус угла.
Например, чёрный ящик в радаре кодирует расстояние до цели как напряжение V, пропорциональное синусоиде, с углом пеленгатора как угол вала. Координаты преобразовываются в X и Y. Синусоидальная волна подаётся на ротор резольвера. Угловой вал пеленгатора соединён с валом резольвера. Координаты (X, Y) доступны на обмотках статора резольвера:
X = V(cos(∠Пеленгатор))
Y = V(sin(∠Пеленгатор))
Декартовы координаты (X, Y) могут быть нанесены на карту. ПКМ (передатчик крутящего момента) может быть адаптирован для работы в качестве резольвера.
Рис. 14. Трансформатор Скотта с Т-образным расположением обмоток преобразует 3-φ в 2-φ, позволяя ПКМ выполнять функцию резольвера.
Можно получить квадратурные угловые компоненты, подобные резольверу, из синхронного передатчика с помощью Т-образного трансформатора Скотта. Три выхода ПКМ, 3 фазы, преобразуются Т-образным трансформатором Скотта в пару квадратурных компонентов. Существует также линейная версия резольвера, известная как индуктосин. Поворотная версия индуктосина (про который тоже шла речь в последнем 6-м разделе предыдущей 12-й главы) имеет более высокое разрешение, чем резольвер.
Итог
Синхронизатор, также известный как сельсин, является вращающимся трансформатором, используемым для передачи крутящего момента вала.
Передатчик крутящего момента (ПКМ) принимает на валу входной крутящий момент для передачи на трёхфазные электрические выходы.
РКМ, ресивер (приёмник) крутящего момента, принимает трёхфазное электрическое представление углового входа для преобразования в выходной крутящий момент на его валу. Таким образом, ПКМ передаёт крутящий момент от входного вала на удаленный выходной вал РКМ.
Управляющий трансформатор (УТ) фиксирует ноль, когда ротор расположен под прямым углом к входному углу статора. УТ обычно является компонентом серво-системы обратной связи.
Резольвер (распознаватель) выдаёт квадратурные sin(θ) и cos(θ), как представление входного угла вала вместо выходного трёхфазного сигнала.
Трёхфазный выход ПКМ преобразуется в выходной резольверный сигнал в Т-образном трансформаторе Скотта.
