Введение

Переменные трансформаторы, используемые в системах управления. Синхротрансформатор (также известный как сельсин и другими торговыми марками) – это, по сути, трансформатор, у которого степень связи между первичной и вторичной обмотками может изменяться путем физического изменения относительного положения этих обмоток. Синхротрансформаторы часто используются для измерения угла поворота вращающегося механизма, например, антенной платформы или передачи информации о вращении. По своей общей физической конструкции он во многом похож на электродвигатель. Первичная обмотка трансформатора, закрепленная на роторе, возбуждается переменным током, который посредством электромагнитной индукции создает напряжения между Y-соединенными вторичными обмотками, расположенными на статоре с угловым смещением в 120 градусов друг относительно друга. Эти напряжения измеряются и используются для определения угла поворота ротора относительно статора.

Применение

Синхросистемы впервые были использованы в системе управления Панамским каналом в начале 1900-х годов для передачи положений шлюзовых ворот и штоков клапанов, а также уровней воды к пульту управления. Системы управления огнём, разработанные во время Второй мировой войны, широко использовали синхросистемы для передачи угловой информации от орудий и прицелов в аналоговый вычислитель управления огнём и для передачи желаемого положения орудия обратно к месту установки орудия. Первые системы лишь перемещали указатели, но с появлением амплидинов, а также мощных гидравлических сервоприводов, система управления огнём могла напрямую управлять положением тяжёлых орудий. Синхросистемы меньшего размера до сих пор используются для дистанционного управления указателями и в качестве роторных датчиков положения для рулевых поверхностей самолётов, где требуется надёжность этих прочных устройств. Цифровые устройства, такие как поворотные энкодеры, заменили синхросистемы в большинстве других применений. Синхронные двигатели (selsyn) широко использовались в кинооборудовании для синхронизации кинокамер и звукозаписывающей аппаратуры до появления кварцевых генераторов и микроэлектроники. Большие синхросистемы использовались на военных кораблях, таких как эсминцы, для управления рулевым приводом с мостика.

Типы синхросистемы

Существует два типа синхросистем: системы крутящего момента и системы управления. В системе крутящего момента синхропривод обеспечивает механический выход малой мощности, достаточный для позиционирования указательного прибора, включения чувствительного переключателя или перемещения небольших нагрузок без усиления мощности. Иными словами, система крутящего момента – это система, в которой передаваемый сигнал непосредственно выполняет полезную работу. В такой системе можно достичь точности порядка одной градуса. В системе управления синхропривод выдает напряжение, которое преобразуется в крутящий момент посредством усилителя и сервомотора. Синхроприводы систем управления используются в приложениях, требующих больших крутящих моментов или высокой точности, таких как каналы слежения и детекторы ошибок в сервосистемах и автоматических системах управления (например, в системах автопилота). Иными словами, система управления – это система, в которой передаваемый сигнал управляет источником мощности, выполняющим полезную работу. Зачастую одна и та же система может выполнять как функции крутящего момента, так и функции управления. Отдельные устройства разрабатываются для использования либо в системах крутящего момента, либо в системах управления. Некоторые устройства, предназначенные для систем крутящего момента, могут использоваться в качестве устройств управления, но устройства управления не могут заменить устройства крутящего момента.

Операция

В практическом плане синхромоторы похожи на двигатели, поскольку в них есть ротор, статор и вал. Обычно, контактные кольца и щетки соединяют ротор с внешним источником питания. Вал синхропередатчика вращается механизмом, передающим информацию, в то время как вал синхроприемника вращает индикатор или приводит в действие легкую механическую нагрузку. Однофазные и трехфазные устройства широко используются и, при правильном подключении, повторяют вращение друг друга. Один передатчик может управлять несколькими приемниками; если крутящий момент имеет значение, передатчик должен быть физически больше, чтобы обеспечить дополнительный ток. В системе синхронизации кинооборудования большой двигатель может приводить в действие до 20 машин, звукозаписывающих устройств, счетчиков кадров и проекторов. Синхромоторы, предназначенные для наземного использования, обычно работают на частоте 50 или 60 герц (частота сети в большинстве стран), в то время как синхромоторы для морского или авиационного использования обычно работают на частоте 400 герц (частота бортового электрогенератора, приводимого в действие двигателями). Однофазные устройства имеют пять проводов: два для обмотки возбуждения (обычно сетевое напряжение) и три для выхода/входа. Эти три провода подключаются к другим синхромоторам в системе и обеспечивают питание и информацию для выравнивания валов всех приемников. Синхропередатчики и синхроприемники должны питаться, так сказать, от одной и той же цепи; источники напряжения возбуждения в сети должны совпадать по напряжению и фазе. Самый безопасный подход – объединить пять или шесть проводов от передатчиков и приемников в общей точке. Различные производители сельсинов, используемых в системах синхронизации, имеют разные выходные напряжения. Во всех случаях трехфазные системы способны обрабатывать больше мощности и работают немного плавнее. Возбуждение часто осуществляется от трехфазной сети 208/240 В. Многие синхромоторы также работают от переменного тока 30–60 В. Синхропередатчики соответствуют описанию, но синхроприемники частотой 50 и 60 Гц требуют демпферов для предотвращения колебаний вала при отсутствии или небольшой нагрузке (например, при использовании с индикаторами) в приложениях, требующих высокой точности. Другой тип приемника, называемый контрольным трансформатором (CT), является частью сервопривода положения, который включает в себя сервоусилитель и серводвигатель. Двигатель соединен с ротором КТ, и когда ротор передатчика движется, серводвигатель поворачивает ротор КТ и механическую нагрузку, чтобы соответствовать новому положению. КТ имеют статоры с высоким импедансом и потребляют гораздо меньше тока, чем обычные синхроприемники, когда они не находятся в правильном положении. Синхропередатчики также могут передавать сигнал на синхро-цифровые преобразователи, которые обеспечивают цифровое представление угла вала.

Синхро-варианты

Так называемые бесщеточные синхроприводы используют роторные трансформаторы (которые не имеют магнитного взаимодействия с обычным ротором и статором) для подачи энергии на ротор. Эти трансформаторы имеют стационарные первичные и вращающиеся вторичные обмотки. Вторичная обмотка представляет собой нечто вроде катушки, намотанной проводом с магнитной изоляцией, ось катушки совпадает с осью ротора. "Катушка" является сердечником вторичной обмотки, ее фланцы – полюсами, а ее связь практически не изменяется с положением ротора. Первичная обмотка аналогична, окружена магнитным сердечником, а ее концевые части напоминают толстые шайбы. Отверстия в этих концевых частях выровнены с вращающимися полюсами вторичной обмотки. Для обеспечения высокой точности в системах управления стрельбой и в аэрокосмической технике использовались так называемые многоскоростные синхронные каналы связи. Например, двухскоростной канал связи имел два передатчика: один вращался на один оборот во всем диапазоне (например, для определения азимута орудия), а другой – на один оборот на каждые 10 градусов азимута. Последний назывался 36-скоростным синхроприводом. Разумеется, редукторы были соответствующим образом сконструированы. На приемнике величина ошибки канала 1X определяла, следует ли использовать вместо этого "быстрый" канал. Небольшая ошибка 1X означала, что данные канала 36x были однозначными. После завершения работы сервопривода приемника, канал точной настройки обычно сохранял управление. Для особо критичных применений использовались трехскоростные синхросистемы. Так называемые многоскоростные синхроприводы имеют статоры с множеством полюсов, благодаря чему их выходные напряжения проходят через несколько циклов за один физический оборот. Для двухскоростных систем не требуется передача между валами. Дифференциальные синхроприводы – это другая категория. Они имеют три выводных ротора и статоры, подобные описанному выше статору, и могут быть как передатчиками, так и приемниками. Дифференциальный передатчик подключается между синхропередатчиком и приемником, и положение его вала добавляется (или вычитается, в зависимости от определения) к углу, определяемому передатчиком. Дифференциальный приемник подключается между двумя передатчиками и показывает сумму (или разницу, опять же, в зависимости от определения) между положениями валов двух передатчиков. Существуют устройства, подобные синхроприводам, называемые трансoльверами, которые несколько похожи на дифференциальные синхроприводы, но имеют три выводных ротора и четыре выводных статора. Резольвер похож на синхропривод, но имеет статор с четырьмя выводами, обмотки которого физически расположены на расстоянии 90 градусов друг от друга, а не 120. Его ротор может быть похож на ротор синхропривода или иметь два набора обмоток, расположенных на расстоянии 90 градусов друг от друга. Хотя теоретически пара резольверов может работать как пара синхроприводов, резольверы используются для вычислений. Специальная трансформаторная схема с Т-образным соединением, изобретенная Скоттом ("Скотт Т"), обеспечивает интерфейс между форматами данных резольвера и синхропривода; она была изобретена для соединения двухфазного переменного тока с трехфазным питанием, но также может использоваться в прецизионных приложениях.