Синхрогенератор (также известный как сельсин и под другими торговыми марками) по сути является трансформатором , первичная и вторичная связь которого может изменяться путем физического изменения относительной ориентации двух обмоток. Синхрогенераторы часто используются для измерения угла вращающейся машины, такой как антенная платформа или передающая вращение. По своей общей физической конструкции он очень похож на электродвигатель. Первичная обмотка трансформатора, закрепленная на роторе , возбуждается переменным током , который посредством электромагнитной индукции вызывает появление напряжений между соединенными звездой вторичными обмотками, закрепленными под углом 120 градусов друг к другу на статоре . Напряжения измеряются и используются для определения угла ротора относительно статора.
Синхронные системы впервые были использованы в системе управления Панамским каналом в начале 1900-х годов для передачи данных о положении затворов шлюзов и штоков клапанов, а также об уровнях воды на пульты управления. [1]
Системы управления огнем, разработанные во время Второй мировой войны , широко использовали синхронизаторы для передачи угловой информации от орудий и прицелов к аналоговому компьютеру управления огнем и для передачи желаемого положения орудия обратно к месту расположения орудия. Ранние системы просто перемещали циферблаты индикаторов, но с появлением амплидина , а также гидравлических сервоприводов высокой мощности с моторным приводом , система управления огнем могла напрямую контролировать положение тяжелых орудий. [2]
Меньшие синхронизаторы по-прежнему используются для дистанционного управления индикаторными датчиками и в качестве вращающихся датчиков положения для поверхностей управления самолетом, где требуется надежность этих прочных устройств. Цифровые устройства, такие как вращающийся энкодер, заменили синхронизаторы в большинстве других приложений.
Сельсинные двигатели широко применялись в кинооборудовании для синхронизации кинокамер и звукозаписывающей аппаратуры до появления кварцевых генераторов и микроэлектроники .
Большие синхронизаторы использовались на военных кораблях, таких как эсминцы, для управления рулевым механизмом со штурвала на мостике.
Существует два типа синхронных систем: системы крутящего момента и системы управления.
В системе крутящего момента синхронизатор будет обеспечивать маломощный механический выход, достаточный для позиционирования индикаторного устройства, приведения в действие чувствительного переключателя или перемещения легких грузов без усиления мощности. Проще говоря, система крутящего момента синхронизатора — это система, в которой передаваемый сигнал выполняет полезную работу. В такой системе достижима точность порядка одного градуса.
В системе управления синхронизатор будет обеспечивать напряжение для преобразования в крутящий момент через усилитель и серводвигатель . Синхронизаторы управляющего типа используются в приложениях, требующих больших крутящих моментов или высокой точности, таких как следящие связи и детекторы ошибок в сервоприводах, автоматических системах управления (например, в системах автопилота). Проще говоря, система управляющего синхронизатора — это система, в которой передаваемый сигнал управляет источником энергии, который выполняет полезную работу.
Довольно часто одна система выполняет как крутящий момент, так и функции управления. Отдельные блоки предназначены для использования в системах крутящего момента или управления. Некоторые блоки крутящего момента могут использоваться в качестве блоков управления, но блоки управления не могут заменить блоки крутящего момента. [3]
Синхронизатор попадает в одну из восьми функциональных категорий: [4]
На практическом уровне синхронизаторы напоминают двигатели, в том смысле, что у них есть ротор, статор и вал. Обычно токосъемные кольца и щетки соединяют ротор с внешним источником питания. Вал синхронизатора вращается механизмом, который отправляет информацию, в то время как вал синхронизатора вращает циферблат или управляет легкой механической нагрузкой. Однофазные и трехфазные блоки широко используются и будут следовать вращению другого при правильном подключении. Один передатчик может вращать несколько приемников; если крутящий момент является фактором, передатчик должен быть физически больше, чтобы подавать дополнительный ток. В системе блокировки кинофильмов большой распределитель с приводом от двигателя может управлять до 20 машинами, звукорежиссерами, счетчиками отснятого материала и проекторами.
Синхронизаторы, предназначенные для наземного использования, как правило, работают на частоте 50 или 60 Гц ( частота сети в большинстве стран), в то время как сельсины для морского или авиационного использования, как правило, работают на частоте 400 Гц (частота бортового электрогенератора, приводимого в действие двигателями).
Однофазные блоки имеют пять проводов: два для обмотки возбудителя (обычно линейное напряжение) и три для выхода/входа. Эти три соединены шиной с другими сельсинами в системе и обеспечивают питание и информацию для выравнивания валов всех приемников. Передатчики и приемники сельсинов должны питаться от одной и той же ответвленной цепи, так сказать; источники напряжения возбуждения сети должны совпадать по напряжению и фазе. Самый безопасный подход — соединить пять или шесть линий от передатчиков и приемников в общей точке. Различные модели сельсинов, используемых в системах блокировки, имеют разные выходные напряжения. Во всех случаях трехфазные системы будут обрабатывать большую мощность и работать немного более плавно. Возбуждение часто осуществляется от трехфазной сети 208/240 В. Многие сельсины также работают от 30 до 60 В переменного тока.
Синхропередатчики соответствуют описанию, но для синхроприемников с частотой 50 и 60 Гц требуются поворотные демпферы, чтобы предотвратить колебания валов без нагрузки (например, в случае циферблатов) или при небольшой нагрузке в высокоточных приложениях.
Другой тип приемника, называемый управляющим трансформатором (CT), является частью сервопривода положения, который включает в себя сервоусилитель и серводвигатель. Двигатель соединен с ротором CT, и когда ротор передатчика движется, серводвигатель поворачивает ротор CT и механическую нагрузку, чтобы соответствовать новому положению. CT имеют высокоомные статоры и потребляют гораздо меньше тока, чем обычные синхронные приемники, если они неправильно расположены.
Синхропередатчики также могут подавать синхронизацию на цифровые преобразователи, которые обеспечивают цифровое представление угла поворота вала.
Так называемые бесщеточные синхронизаторы используют вращающиеся трансформаторы (которые не имеют магнитного взаимодействия с обычным ротором и статором) для подачи питания на ротор. Эти трансформаторы имеют неподвижные первичные обмотки и вращающиеся вторичные обмотки. Вторичная обмотка чем-то похожа на катушку, намотанную магнитным проводом, ось катушки концентрична с осью ротора. «Катушкой» является сердечник вторичной обмотки, ее фланцы являются полюсами, и ее соединение не сильно меняется в зависимости от положения ротора. Первичная обмотка похожа, окружена своим магнитным сердечником, а ее концевые части похожи на толстые шайбы. Отверстия в этих концевых частях совпадают с вращающимися вторичными полюсами.
Для высокой точности управления огнем орудия и аэрокосмических работ использовались так называемые многоскоростные синхронные каналы передачи данных. Например, двухскоростной канал имел два передатчика, один из которых вращался на один оборот по всему диапазону (например, азимуту орудия), а другой вращался на один оборот на каждые 10 градусов азимута. Последний назывался 36-скоростным синхронным. Конечно, зубчатые передачи были сделаны соответствующим образом. На приемнике величина ошибки канала 1X определяла, следует ли использовать «быстрый» канал. Небольшая ошибка 1X означала, что данные канала 36x были однозначными. После того, как сервопривод приемника устанавливался, точный канал обычно сохранял управление.
Для особо ответственных применений используются трехскоростные синхронизированные системы.
Так называемые многоскоростные синхронизаторы имеют статоры со многими полюсами, так что их выходные напряжения проходят через несколько циклов за один физический оборот. Для двухскоростных систем они не требуют зубчатой передачи между валами.
Дифференциальные синхронизаторы — это еще одна категория. Они имеют трехпроводные роторы и статоры, как описанный выше статор, и могут быть передатчиками или приемниками. Дифференциальный передатчик подключается между синхронизатором и приемником, и положение его вала добавляется к (или вычитается, в зависимости от определения) углу, определяемому передатчиком. Дифференциальный приемник подключается между двумя передатчиками и показывает сумму (или разность, опять же, как определено) между положениями валов двух передатчиков. Существуют синхронизаторы, называемые трансольверами, несколько похожие на дифференциальные синхронизаторы, но с трехпроводными роторами и четырехпроводными статорами.
Резольвер похож на сельсин, но имеет статор с четырьмя выводами, обмотки физически разнесены на 90 градусов вместо 120 градусов. Его ротор может быть сельсинным или иметь два набора обмоток, разнесенных на 90 градусов. Хотя пара резольверов теоретически может работать как пара сельсинов, резольверы используются для вычислений .
Специальная схема Т-образного соединения трансформаторов, изобретенная Скоттом ( «Скотт Т» ), обеспечивает взаимодействие между форматами данных резольвера и синхронизатора; она была изобретена для соединения двухфазного переменного тока с трехфазным питанием, но может также использоваться для точных применений.