Teat: SLSYNY I TRANSFORMATORY POŁOŻNIA KĄTOWGO Zagadnienia: przeznaczenie i budowa selsynów, selsynowe łącze wskaźnikowe, transforatorowe i różnicowe, praca transforatora położenia kątowego (tpk) jako przetwornika sinusowo-kosinusowego i przesuwnika fazy. 1
PODZIAŁ MASZYN LKTRYCZNYCH Podział aszyn ze względu na zastosowanie: energetyczne (prądnice, silniki, przetwornice) istotna sprawność specjalne (prądnice tachoetryczne, selsyny, transforatory położenia kątowego, silniki skokowe, silniki wykonawcze itp.) istotna ch-ka przetwarzania sygnału 2
PRZTWORNIKI POŁOŻNIA KĄTOWGO Czujnik położenia kątowego wału jest podstawowy eleente nowoczesnych układów sterowania. Stosując bezpośrednie sprzężenie lub układ przekładni, ruch obrotowy wałka czujnika oże kontrolować różnego rodzaju przeieszczenia, nie tylko kątowe. Najczęściej wykorzystywane czujniki położenia kątowego wału to: 1. Potencjoetr. 2. Przetwornik obrotowo-ipulsowy (Increental ncoder). 3. Przetwornik kodowy (Absolute ncoder). 4. Selsyn. 5. Transforatory położenia kątowego tpk (Resolver). 6. Induktosyn. 3
PRZTWORNIKI POŁOŻNIA KĄTOWGO Przetwornik obrotowo-ipulsowy (Increental ncoder). Przetwornik obrotowo ipulsowy (przysrostowy) jest przetwornikie optyczny który bezpośrednio przetwarza kąt obrotu wałka na postać cyfrową (liczbę iplsów). Składa się on z wałka na sztywno sprzężonego z tarczą obrotową. Na tarczy znajdują się pierścienie z naprzeiennie naniesionyi segentai które przepuszczają lub nieprzepuszczają światło. Światło pochodzące od diody LD lub innego źródła przechodząc przez przezroczyste segenty tarczy pada na fotoogniwa. Napięcie z fotoogniw jest przekształcane na sygnały logiczne. ncodery przyrostowe są tańsze ale niestety każdorazowe wyłączenie zasilania powoduje utratę inforacji o kącie położenia wału i syste usi być ponownie zerowany. Przetwornik kodowy (Absolute ncoder) Przetworniki te są podobne w budowie do przetworników przyrostowych jednak w ty przypadku stosuje się tarczę obrotową dla każdego bitu wyjściowego słowa cyfrowego. Na tarczach naniesiony jest kod Graya dla uniknięcia niejednoznaczności. W wewnętrzny układzie elektroniczny wyjściowy sygnał cyfrowy w kodzie Graya zaieniany jest na kod binarny. 4
Potencjoetry. PRZTWORNIKI POŁOŻNIA KĄTOWGO Czujnik taki zawiera okrągły pierścień z rezystywnego ateriału. Ruchoy styk jest ustawiany na ateriale rezystywny odpowiednio do kąta obrotu wałka. Rezystancja iędzy jedny z końców pierścienia i stykie jest proporcjonalna do kąta obrotu. Induktosyn. Induktosyn jest aszyną prądu ziennego o sygnale wyjściowy podobny do sygnału tpk. Indukosyn a uzwojenia w postaci drukowanej naniesione bezpośrednio na izolowane podłoże wykonujące ruch obrotowy lub liniowy( induktosyn sinusowo-cosinusowy lub liniowy). Działanie induktosyna oparte jest na indukcyjny lub pojenościowy sprzężeniu iędzy uzwojeniai i generacji sygnałów ziennych proporcjonalnych do sinusa i cosinusa kąta położenia wału. 5
SLSYN (ang( ang. Synchro) Selsyn - aszyna indukcyjna prądu przeiennego służąca do przetwarzania położenia kątowego wału na sygnał elektryczny. Selsyny najczęściej służą do przekazywania na odległość przeieszczeń kątowych wałów nie sprzężonych ze sobą echanicznie. Selsyny najczęściej pracują w układach zwanych łączai. Najczęściej stosowane łącza to: Selsynowe łącze wskaźnikowe (do przekazywania położenia kątowego) Selsynowe łącze różnicowe (do przekazywania suy lub różnicy położeń kątowych dwóch wałów) Selsynowe łącze transforatorowe (wypracowuje napięcie proporcjonalne do kata niezgodności poiędzy dwoa wałai) 6
BUDOWA SLSYNÓW STYKOWYCH a) z biegunai wydatnyi na wirniku b) z biegunai wydatnyi na stojanie c) z biegunai utajonyi i uzwojenie skupiony na wirniku d) z biegunai utajonyi i uzwojenie rozłożony stojana i wirnika 7
BUDOWA SLSYNÓW STYKOWYCH Widok Urządzenie szczotkowe Stojan z jednofazowy uzwojenie wzbudzenia Wirnik z trójfazowy uzwojenie synchronizacji 8
sprzęgło BUDOWA SLSYNÓW STYKOWYCH żłobek wirnika ze skose uzwojenie pierścień ślizgowy szczotka tarcza łożyskowa łożysko wirnik pierścień ocujący tarcza łożyskowa wał wyprowadzenie uzwojeń stojana 9
BUDOWA SLSYNÓW STYKOWYCH Widok Urządzenie szczotkowe Stojan z trójfazowy uzwojenie synchronizacji Wirnik z jednofazowy uzwojenie wzbudzenia 10
BUDOWA SLSYNÓW STYKOWYCH uzwojenie pierścień ślizgowy szczotka tarcza łożyskowa wirnik wał pierścień ocujący tarcza łożyskowa 11
BUDOWA SLSYNÓW STYKOWYCH Widok selsyna różnicowego Stojan z uzwojenie trójfazowy Wirnik z trójfazowy uzwojenie synchronizacji Urządzenie szczotkowe 12
ŁĄCZ SLSYNOW WSKAŹNIKOW Antena ~U sinωt Φ w Φ w SN SN Przekładnia R 1 R 2 S 1 S 2 S 3 S 1 S 2 S 3 R1 SO SN R 2 W ~U sinωt SN n3 n1 ϑ n n2 selsyn nadawczy o3 o1 ϑ ο o2 SO selsyn odbiorczy ϑ n - kąt obrotu selsyna nadawczego SN ϑ o - kąt obrotu selsyna odbiorczego SO (ϑ= ϑ n - ϑ o ) - kąt niezgodności 13
ŁĄCZ SLSYNOW WSKAŹNIKOW ~U sinωt n3 Φ w SN n1 ϑ n n2 selsyn nadawczy o3 Φ w o1 ϑ ο o2 SO selsyn odbiorczy ϑ n -kąt obrotu wału selsyna nadajnika ϑ o -kąt obrotu wału selsyna odbiornika 1. Uzwojenia wzbudzenia selsyna nadajnika i odbiornika wytwarzają zienny (pulsujący) struień agnetyczny Φ w 2. Struień ten indukuje w uzwojeniach synchronizacji napięcia których wartości skuteczne wynoszą n1 n2 n3 o1 o2 = cosϑ = cos( ϑn 120 ) o = cos( ϑ 240 ) = = cosϑ n o cos( ϑ cos( ϑ n o 120 240 - największa wartość napięcia indukowanego w fazie uzwojenia synchronizacji n1, n2, n3 napięcia faz uzwojenia synchronizacji selsyna nadajnika o1, o2, o3 napięcia indukowane faz uzwojenia synchronizacji selsyna odbiornika Kąt niezgodności o3 = ϑ=ϑ n ϑ o o o o o ) ) 14
ŁĄCZ SLSYNOW WSKAŹNIKOW ~U sin ω t n3 Φ w SN n1 ϑ n selsyn nadawczy n2 I 1 I 2 I 3 o3 Φ w o1 ϑ ο o2 selsyn odbiorczy SO Jeżeli ϑ=0 tzn ϑ n =ϑ o to n1= o1 n2 = o2 n3 = o3 prąd iedzy uzwojeniai synchronizacji I n = o = 0 2Z Jeżeli wirnik selsyna nadajnika obróci się to ϑ 0 i n1 o1 n2 o2 n3 o3 W uzwojeniach synchronizacji pojawi się prąd I = 2Z n o > 0 15
ŁĄCZ SLSYNOW WSKAŹNIKOW który wytworzy oent synchronizujący M s 2 c = 1 Xf sin ϑ f 2 2 R + X M 1 f f M s = M sin ϑ 180 90 0 β 90 M 180 ϑ dm d s ϑ ϑ= 0 = o sztywność charakterystyki gdzie: f 1 częstotliwość sieci zasilającej (uzwojenia wzbudzenia), R f, X f rezystancja i reaktancja uzwojenia synchronizacji, największa wartość napięcia indukowanego w fazie uzwojenia synchronizacji c 1 stała konstrukcyjna aszyny 16
ŁĄCZ SLSYNOW TRANSFORMATOROW SN ST ~U sinωt wirnik Φ II selsyn nadawczy S 1 S 1 I I III II III S 2 S 2 S 3 S 3 stojan Φ stojan selsyn transforatorowy wirnik ~U 2 V 1. W uzwojeniach stojana SN indukują się napięcia I II III = cosα = = sin( α 120 o sin( α 240 ) o ) 2. W uzwojeniach stojana ST popłyną prądy, które wytworzą pulsujące pola agnetyczne - największa wartość skuteczna napięcia indukowanego w uzwojeniu stojana α - kąt obrotu wirnika SN od położenia zerowego 17
ŁĄCZ SLSYNOW TRANSFORMATOROW 3. Pulsujące struienie uzwojeń ST tworzą wypadkowe pole, które przyjuje położenie zgodne z wirnikie SN 4. W uzwojeniu wirnika ST indukuje się napięcie 2, którego wartość zależy od kąta niezgodności ϑ 2 = 2 sin ϑ 2 180 90 0 2 90 180 ϑ 2 - napięcie indukowane w uzwojeniu wirnika ST ϑ - kąt niezgodności iędzy osiai wirnika ST i struienia agnetycznego stojana ST (za położenie wyjściowe, zgodne, przyjuje się prostopadłe usytuowanie osi wirników SN i ST) 18
LKTRYCZNY NAPĘD NADĄŻNY Z ŁĄCZM TRANSFORMATOROWYM SN ST W ~ UW Reduktor W - wzacniacz UW - uzwojenie wzbudzenia silnik wykonawczy 19
ŁĄCZ SLSYNOW RÓŻNICOW ~U sinωt Φ 3 Φ wyp Φ w Φ w Φ 2 Φ 1 Φ 1 Φ 2 Φ 1 Φ wyp Φ 3 Φ 1 R Φ I Φ I Wskazy struieni dla położenia jak na rysunku Φ 3 SN1 Φ 2 Φ III Φ II Φ3 Φ 2 ϑ r = ϑ n1 ± ϑ n2 Φ III Φ II SN2 + gdy wirniki SN1 i SN2 obracają się w przeciwnych kierunkach gdy wirniki SN1 i SN2 obracają się w ty say kierunku Φ wyp Φ 3 30 Φ 1 Φ 1 Φ 3 Φ wyp Po obrocie wirnika SN1 o kąt 30 20
TRANSFORMATOR POŁOŻNIA KĄTOWGO Tpk (Resolver) Transforator położenia kątowego precyzyjny przetwornik położenia kątowego na napięcie elektryczne. Tpk jest transforatore wirujący skonstruowany tak, że współczynnik sprzężenia agnetycznego iędzy wirnikie i stojane zienia się wraz z kąte obrotu wału według funkcji sinusoidalnej. Nieruchoe uzwojenia (S1-S3) i S4 (S2-S4) uieszczone są na pakiecie U Stojan c blach stalowych stojana a uzwojenia uzw. cosinus Wirnik S2 ruchoe (R1-R3) i (R2-R4) na pakiecie wirnika. α Uzwojenia na wirniku i na stojanie uieszczone są prostopadle względe siebie. Gdy uzwojenie wirnika jest zasilane S1 S3 ze źródła napięcia przeiennego to w U s uzwojeniach wyjściowych stojana Stojan indukują się napięcia których aplituda R1 R2 R3 R4 uzw. sinus zależy od sinusa i cosinusa kąta położenia wału. 21
BUDOWA TPK Połączenia z wirnikie wykonane są za poocy szczotek i pierścieni ślizgowych lub sprzężenia indukcyjnego. Tpk wykorzystujący sprzężenie indukcyjne nazywany jest bezszczotkowy. 22
TRANSFORMATOR POŁOŻNIA KĄTOWGO W zależności od sposobu połączenia uzwojeń i ich zasilania tpk oże pracować jako przetwornik: Sinusowo-cosinusowy Fazowy Liniowy Przetwornik sinusowo-cosinusowy asilay uzwojenie (R1-R3) wirnika napięcie haroniczny: u(t) = U cos( ωt) Napięcia wyjściowe indukowane w uzwojeniach (S1-S3) i (S2-S4) stojana ożna przedstawić w postaci: us = k U sin( α)cos( ωt) u c = k U Wartości skuteczne tych napięć: cos( α)cos( ωt) U U s c = k Usin( α) = k Ucos( α) gdzie: k- przekładnia napięciowa α - kąt obrotu wału 23
TRANSFORMATOR POŁOŻNIA KĄTOWGO Przetwornik fazowy Zasilay uzwojenia (R1-R3) i (R2-R4) wirnika napięciai haronicznyi ortogonalnyi (prostopadłyi): u R1 R 3 (t) = U sin( ωt) u R2 R4 (t) = U cos( ωt) Napięcie wyjściowe indukowane w uzwojeniach (S1-S3) i (S2-S4) stojana ożna przedstawić w postaci: u u s c = k U = k U gdzie: ν - współczynnik proporcjonalności sin( ωt + να) cos( ωt + να) 24
TRANSFORMATOR POŁOŻNIA KĄTOWGO Przetwornik liniowy Szeregowo połączone jedno z uzwojeń wirnika (R1-R3)i stojana (S2-S4) zasilay napięcie haroniczny. u(t) = U cos( ωt) W tpk liniowy aplituda napięcia wyjściowego zienia się liniowo w funkcji zian kąta położenia wału (w określony przedziale zian tego kąta) sin α US1 S3 = U 1 1+ cosα U α gdzie: - współczynnik zależny od ipedancji uzwojeń i współczynnika sprzężenia agnetycznego Zależność iędzy napięcie wyjściowy i zasilający jest najbardziej zbliżona do funkcji liniowej w zakresie zian kąta od -60 do 60, gdy.=0,536. 25
Porównanie etod poiaru kąta Potencjoetry są przydatne przy dokładnościach poiaru w zakresie od 5% do 0,5% są one jednak najtańsze spośród prezentowanych etod. Ponieważ potencjoetry zużywają się podczas pracy ich zastosowanie ograniczone jest generalnie do sprzętu powszechnego użytku i prostych zastosowań przeysłowych. Przetwornik obrotowo-ipulsowe są stosunkowo niedrogie. Są one powszechnie stosowane w przeyśle chociaż ich niezawodność jest niewystarczająca w bardzo trudnych warunkach środowiskowych. Tarcze obrotowe pękają podczas silnych udarów a skraplanie oże być przyczyną błędów. Konieczność zerowania po każdorazowy włączeniu napięcia zasilania również ogranicza ożliwość zastosowania w niektórych aplikacjach. Przetworniki kodowe są droższe od przetworników obrotowo-ipulsowych a ich cena głównie zależy od wyaganej rozdzielczości. Niezawodność tych przetworników jest podobna do przetworników obrotowo-ipulsowych. Tpk są szeroko stosowane w obiektach latających i przeyśle i są one szczególnie odporne na pracę w agresywnych środowiskach. Ponieważ koszty przetworników R/D spadły znacznie w ostatnich latach, systey wykorzystujące tpk są konkurencyjne w stosunku do przetworników optycznych o rozdzielczości 12 i więcej bitów. Układy poiarowe z tpk ają nieograniczoną rozdzielczość, dużą niezawodność a ponadto nie wyagają zerowania po włączeniu zasilania jak przetworniki obrotowo-ipulsowe. Induktosyny są relatywnie droższe ale za to oferują bardzo dużą dokładność i niezawodność. Sygnały wyjściowe z Induktosyna przetwarzane są na postać cyfrową w przetworniku I/D (Induktosyn/Digital). 26
27