Бақылау жүйелеріндегі өзгермелі трансформаторлар және синхро құрылғылары

Кіріспе

Басқару жүйелерінде қолданылатын өзгермелі трансформаторлар

Синхро (сонымен қатар сельсин және басқа брендтермен белгілі) – бұл, әсер ететіндей, трансформатор, оның бірінші және екінші орау арасындағы байланыс екі ораудың салыстырмалы орналасуын физикалық түрде өзгерту арқылы өзгертіледі. Синхролар көбінесе антенна платформасы сияқты айналатын механизмнің бұрышын немесе айналуды беру үшін қолданылады. Оның жалпы физикалық құрылымы электр қозғалтқышына ұқсас. Трансформатордың роторға бекітілген бірінші орамы айнымалы токпен қоздырылады, бұл электромагниттік индукция арқылы статордағы 120 градусқа орналасқан Y-тәрізді қосылған екінші орамдар арасында кернеудің пайда болуына себеп болады. Кернеулер өлшеніп, ротордың статорға қатысты бұрышын анықтау үшін қолданылады.

Қолданылуы

Синхро жүйелер алғаш рет 1900 жылдардың басында Панама каналының басқару жүйесінде шлюз қақпаларының және клапан сағаларының орналасуымен қатар су деңгейін басқару пультіне беру үшін қолданылды. Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде жасалған отты ашуды басқару жүйелері синхроларды кеңінен пайдаланды, зеңбіректер мен оптикалық көздерден бұрыштық ақпаратты аналогтық отты ашуды басқару компьютеріне жеткізу үшін, сондай-ақ қажетті зеңбірек позициясын зеңбірек орнына қайтару үшін. Алғашқы жүйелер тек көрсеткіштерді қозғалтты, бірақ амплидиннің және мотормен басқарылатын жоғары қуатты гидравликалық сервожүйелердің пайда болуымен отты ашуды басқару жүйесі ауыр зеңбіректердің орналасуын тікелей басқара алды. Кішкентай синхролар қашықтан көрсеткіш бағаналарын басқару үшін және авиациялық басқару беттеріндегі айналмалы позиция датчиктері ретінде әлі де қолданылады, мұнда осы сенімді құрылғылардың қажеттілігі зор. Ротационды енкодерлер сияқты цифрлық құрылғылар синхроларды көптеген басқа қолдануларда ығыстырды. Селсин моторлары кристалл осцилляторлары мен микроэлектроника пайда болғанға дейін кинокамералар мен дыбыс жазу құрылғыларын синхрондау үшін киноаппаратурасында кеңінен қолданылды. Үлкен синхролар әскери кемелерде, мысалы, эсминецтерде, көпірдегі рульдік дөңгелектен рульдік механизмді басқару үшін қолданылды.

Синхрологиялық жүйелердің түрлері

Синхрологиялық жүйелердің екі түрі бар: айналым моменті жүйелері және басқару жүйелері. Айналым моменті жүйесінде синхрофон төмен қуатты механикалық шығыс береді, ол индикаторлық құрылғыны орналастыруға, сезімтал коммутаторды іске қосуға немесе қуат күшейтпестен жеңіл жүктемелерді жылжытуға жеткілікті. Басқаша айтқанда, айналым моменті синхрологиялық жүйесі – жіберілген сигнал пайдалы жұмыс атқаратын жүйе. Мұндай жүйеде бір градусқа дейінгі дәлдікке қол жеткізуге болады. Басқару жүйесінде синхрофон күшейткіш және сервомотор арқылы айналым моментіне айналатын кернеуді қамтамасыз етеді. Басқару типіндегі синхрондар үлкен айналым моменттерін немесе жоғары дәлдікті талап ететін қолдануларда қолданылады, мысалы сервожүйелердегі және автоматты басқару жүйелеріндегі (автопилот жүйесі сияқты) бақылау тізбектері мен қателерді анықтау құрылғылары. Басқаша айтқанда, басқару синхрологиялық жүйесі – жіберілген сигнал пайдалы жұмыс атқаратын қуат көзін басқаратын жүйе. Көбінесе бір жүйе айналым моменті және басқару функцияларын бірдей атқарады. Жеке құрылғылар айналым моменті немесе басқару жүйелерінде қолдануға арналған. Кейбір айналым моменті құрылғыларын басқару құрылғылары ретінде пайдалануға болады, бірақ басқару құрылғылары айналым моменті құрылғыларын алмастыра алмайды.

Операция

Синхромоторлар практикалық тұрғыдан қозғалтқыштарға ұқсайды, себебі оларда ротор, статор және білік болады. Әдетте, роторды сыртқы қуатқа байланыстыру үшін контактілік жүзімдер мен щеткалар қолданылады. Синхро хабар таратушының білігі ақпаратты жіберетін механизммен айналады, ал синхро қабылдағыштың білігі циферблатты айналдырады немесе жеңіл механикалық жүктемені басқарады. Бір және үш фазалы құрылғылар кеңінен қолданылады және дұрыс қосылғанда бір-бірінің айналуын қайталайды. Бір хабар таратушы бірнеше қабылдағышты басқара алады; егер айналу моменті маңызды болса, таратушы физикалық тұрғыдан үлкенірек болуы керек, себебі ол қосымша ток көзі болып табылады. Киномен байланысты жүйелерде үлкен мотормен басқарылатын таратушы 20-ға дейін машинаны, дыбыс жазу құрылғыларын, кадр санағыштарын және проекторларды басқара алады. Құрлықта пайдалануға арналған синхромоторлар 50 немесе 60 герцте (көптеген елдердегі желілік жиілік) жұмыс істейді, ал теңіз немесе авиациялық қолдану үшін 400 герцте (қозғалтқыштармен жұмыс істейтін борттық электр генераторының жиілігі) жұмыс істейді. Бір фазалы құрылғыларда бес сым болады: экситатор орамына арналған екі (әдетте желілік кернеу) және шығыс/кіріс үшін үш сым. Бұл үш сым жүйедегі басқа синхромоторларға жалғанады және барлық қабылдағыштардың біліктерін сәйкестендіру үшін қуат пен ақпаратты қамтамасыз етеді. Синхро хабар таратушылар мен қабылдағыштар бір электр тізбегінен қуат алатын болуы керек; желілік қоздыру кернеу көздері кернеу және фаза бойынша сәйкес болуы тиіс. Ең қауіпсіз тәсіл – таратушылар мен қабылдағыштардан келген бес немесе алты сымды ортақ нүктеде біріктіру. Өзара байланыс жүйелерінде қолданылатын әртүрлі сельсиндердің әртүрлі шығыс кернеулері болуы мүмкін. Барлық жағдайларда үш фазалы жүйелер көбірек қуатты пайдаланады және біршама тегіс жұмыс істейді. Қоздыру кернеуі көбінесе 208/240 В 3 фазалық желілік қуат болады. Көптеген синхромоторлар 30-60 В айнымалы токта да жұмыс істейді. Синхро хабар таратушылар сипатталғандай, бірақ 50 және 60 Гц синхро қабылдағыштарға олардың біліктері жүктемесіз (мысалы, циферблаттардағыдай) немесе жоғары дәлдікті қолдануларда жеңіл жүктелген кезде тербеліс жасауын болдырмау үшін ротациялық демпферлер қажет. Басқа типтегі қабылдағыш – басқару трансформаторы (БТ), ол сервомотор мен сервоүдемдегішті қамтитын позициялық сервоның бөлігі болып табылады. Мотор БТ роторына жалғанады, ал хабар таратушының роторы қозғалғанда сервомотор БТ роторын және механикалық жүктемені жаңа позицияға сәйкес айналдырады. БТ-да жоғары кедерісті статорлар болады және дұрыс орналастырылмаған кезде қарапайым синхро қабылдағыштарға қарағанда әлдеқайда аз ток тұтынады. Синхро хабар таратушылар сонымен қатар синхродан цифрлық түрлендіргіштерге сигнал бере алады, олар білік бұрышының цифрлық өрнегін ұсынады.

On a practical level, synchros resemble motors, in that there is a rotor, stator, and a shaft. Ordinarily, slip rings and brushes connect the rotor to external power. A synchro transmitter's shaft is rotated by the mechanism that sends information, while the synchro receiver's shaft rotates a dial, or operates a light mechanical load. Single and three phase units are common in use, and will follow the other's rotation when connected properly. One transmitter can turn several receivers; if torque is a factor, the transmitter must be physically larger to source the additional current. In a motion picture interlock system, a large motor driven distributor can drive as many as 20 machines, sound dubbers, footage counters, and projectors. Synchros designed for terrestrial use tend to be driven at 50 or 60 hertz (the mains frequency in most countries), while those for marine or aeronautical use tend to operate at 400 hertz (the frequency of the on board electrical generator driven by the engines). Single phase units have five wires: two for an exciter winding (typically line voltage) and three for the output/input. These three are bussed to the other synchros in the system, and provide the power and information to align the shafts of all the receivers. Synchro transmitters and receivers must be powered by the same branch circuit, so to speak; the mains excitation voltage sources must match in voltage and phase. The safest approach is to bus the five or six lines from transmitters and receivers at a common point. Different makes of selsyns, used in interlock systems, have different output voltages. In all cases, three phase systems will handle more power and operate a bit more smoothly. The excitation is often 208/240 V 3 phase mains power. Many synchros operate on 30 to 60V AC also. Synchro transmitters are as described, but 50 and 60 Hz synchro receivers require rotary dampers to keep their shafts from oscillating when not loaded (as with dials) or lightly loaded in high accuracy applications. A different type of receiver, called a control transformer (CT), is part of a position servo that includes a servo amplifier and servo motor. The motor is geared to the CT rotor, and when the transmitter's rotor moves, the servo motor turns the CT's rotor and the mechanical load to match the new position. CTs have high impedance stators and draw much less current than ordinary synchro receivers when not correctly positioned. Synchro transmitters can also feed synchro to digital converters, which provide a digital representation of the shaft angle.

Синхролық нұсқалар

Брюшсіз синхрондар деп аталатындар роторға қуат беру үшін роторлық трансформаторларды (әдеттегі ротор мен статормен магниттік өзара әрекеттесуі жоқ) пайдаланады. Бұл трансформаторлардың біріншілік орамдары тұрақты, ал екіншілік орамдары айналу үстінде орналасқан. Екіншілік орам, магнит сымымен оралған катушкаға ұқсас, ал катушка осі ротор осімен концентрлі болады. "Катушка" – екіншілік орамның өзегі, оның фланцтары полюстер болып табылады, ал оның байланысы ротордың орнына байланысты айтарлықтай өзгере қоймайды. Біріншілік орам да ұқсас, магниттік өзегімен қоршалған, ал оның шеткі бөліктері қалың шайбаларға ұқсайды. Осы шеткі бөліктердегі тесіктер айналып тұрған екіншілік полюстермен сәйкес келеді. Қаруды басқару және ғарыш саласындағы жұмыстарда жоғары дәлдікке қол жеткізу үшін көп жылдамдықты синхролық деректер желілері қолданылды. Мысалы, екі жылдамдықты желі екі бергіштен тұрады, біреуі толық ауқымда (мысалы, қарудың бағыты) бір айналыс жасайды, ал екіншісі әрбір 10 градусқа бір айналыс жасайды. Соңғысы 36 жылдамдықты синхро деп аталды. Әрине, осыған сәйкес беріліс қораптары жасалды. Қабылдағышта 1X арнасының қатесінің мөлшері "жоғары жылдамдықты" арнаны пайдалану қажеттігін анықтайды. 1X арнасының кішкентай қатесі 36x арнасының деректерінің дұрыс екенін көрсетеді. Қабылдағыш сервосы орналасқаннан кейін, әдеттегідей, ұсақ арна басқаруды өз қолына алады. Өте маңызды қолданыстар үшін үш жылдамдықты синхро жүйелері қолданылды. Көп жылдамдықты синхрондардың статорларында көп полюстер болады, сондықтан олардың шығыс кернеуі бір физикалық айналым ішінде бірнеше циклден өтеді. Екі жылдамдықты жүйелерде біліктер арасында беріліс қажет болмайды. Дифференциалдық синхрондар – тағы бір санат. Оларда жоғарыда сипатталған статор сияқты үш жетекші ротор және статор болады, және олар бергіш немесе қабылдағыш бола алады. Дифференциалдық бергіш, синхро бергіші мен қабылдағышы арасында қосылады, ал оның білігінің орны бергіш анықтаған бұрышқа қосылады (немесе алып тасталады, анықтамасына байланысты). Дифференциалдық қабылдағыш екі бергішке қосылады және екі бергіштің біліктерінің орналасуы арасындағы қосындыны (немесе айырманы) көрсетеді. Синхроға ұқсас құрылғылар – трансольверлер бар, олар дифференциалдық синхроларға ұқсас, бірақ үш жетекші ротормен және төрт жетекші статормен жабдықталған. Резолютор синхроға ұқсас, бірақ оның статорында төрт сым бар, ал орамдары физикалық тұрғыдан 120 градус емес, 90 градус бұрышпен орналасқан. Оның роторы синхроға ұқсас болуы мүмкін, немесе екі жиынтығы 90 градус бұрышпен орналасқан орамдардан тұруы мүмкін. Резолюторлар жұбы теориялық тұрғыдан синхролар жұбы сияқты жұмыс істей алғанымен, резолюторлар есептеулер үшін қолданылады. Скотт ("Скотт Т") ойлап тапқан арнайы Т-тәрізді трансформаторлық қосылым резолютор және синхро деректер форматтары арасында байланыс жасайды; ол екі фазалы айнымалы ток пен үш фазалы қуатты өзара байланыстыру үшін ойлап табылды, бірақ дәлдік қолдану үшін де қолданылуы мүмкін.

So called brushless synchros use rotary transformers (that have no magnetic interaction with the usual rotor and stator) to feed power to the rotor. These transformers have stationary primaries, and rotating secondaries. The secondary is somewhat like a spool wound with magnet wire, the axis of the spool concentric with the rotor's axis. The "spool" is the secondary winding's core, its flanges are the poles, and its coupling does not vary significantly with rotor position. The primary winding is similar, surrounded by its magnetic core, and its end pieces are like thick washers. The holes in those end pieces align with the rotating secondary poles. For high accuracy in gun fire control and aerospace work, so called multi speed synchro data links were used. For instance, a two speed link had two transmitters, one rotating for one turn over the full range (such as a gun's bearing), while the other rotated one turn for every 10 degrees of bearing. The latter was called a 36 speed synchro. Of course, the gear trains were made accordingly. At the receiver, the magnitude of the 1X channel's error determined whether the "fast" channel was to be used instead. A small 1X error meant that the 36x channel's data was unambiguous. Once the receiver servo settled, the fine channel normally retained control. For very critical applications, three speed synchro systems have been used. So called multispeed synchros have stators with many poles, so that their output voltages go through several cycles for one physical revolution. For two speed systems, these do not require gearing between the shafts. Differential synchros are another category. They have three lead rotors and stators like the stator described above, and can be transmitters or receivers. A differential transmitter is connected between a synchro transmitter and a receiver, and its shaft's position adds to (or subtracts from, depending upon definition) the angle defined by the transmitter. A differential receiver is connected between two transmitters, and shows the sum (or difference, again as defined) between the shaft positions of the two transmitters. There are synchro like devices called transolvers, somewhat like differential synchros, but with three lead rotors and four lead stators. A resolver is similar to a synchro, but has a stator with four leads, the windings being 90 degrees apart physically instead of 120 degrees. Its rotor might be synchro like, or have two sets of windings 90 degrees apart. Although a pair of resolvers could theoretically operate like a pair of synchros, resolvers are used for computation. A special T connected transformer arrangement invented by Scott ("Scott T") interfaces between resolver and synchro data formats; it was invented to interconnect two phase AC power with three phase power, but can also be used for precision applications.