Сельсины.

Постараюсь весьма исчерпывающе, но без лишних деталей окунуть вас в такую штуку как сельсин. Сельсин - это маленький электродвигатель переменного тока применяемый (в основном) в качестве индикации угла поворота механизма. Для нас, моряков, это особенно знакомо ибо у нас есть такая штука как перо руля, за углом которого мы следим. Не смотря на то, что сельсины, как устройство индикации было изобретено очень давно и, с тех пор, появилось достаточно много других технологий позволяющих выполнять те же функции дешевле, - сельсины всё ещё широко применяются, в том числе и на новых судах.

По сути своей сельсины реализуют простую жёсткую обратную связь, но без непосредственного механического контакта а-ля ременная передача. Согласитесь: звучит очень удобно, но как это работает?

В теории нам следовало-бы разобрать ещё и силовые трёхфазные сельсины, которые применяются при больших мощностях и однофазные контактные сельсины, но я очень сомневаюсь что нам удастся встретиться с чем-то подобным в практике, а моя цель тут - заинтересовать и замотивировать ознакомиться с вопросом глубже самостоятельно если вы считаете это важным для себя. Соответствующую литературу я прикреплю к данной статье. Так что опустим это и разберём только самый часто встречающийся вариант применения сельсинов на судах.

Прежде всего нас интересует индикаторный режим работы сельсина. Есть, так-же, трансформаторный режим работы. Последний мы разберём совсем вскользь по озвученным выше причинам.

Индикаторный режим

Индикаторный режим, как не странно, подразумевает использование сельсина в качестве индикатора. Для осуществления этой функции используются минимум два сельсина, каждый из которых, отныне, выполняет свою функцию: сельсин-датчик используется для формирования сигнала индикации, а сельсин-приёмник воспроизводит эту самую индикацию.

Мы знаем что разность потенциалов всегда стремится самоисключиться поскольку так устроена наша вселенная. Совершенно не важно о потенциале каких величин идёт речь: давление, электро-движущая сила, температуры... Мы не можем сделать так, чтобы в, к примеру, комнате с воздухом, была часть воздуха, скажем, на диване, давление которой превышало давление в остальной комнате при условии что нет никакого изоляторов двух этих сред. До тех пор, пока эта разность соприкасается - она будет нивелироваться аки температура горячего чая будет выравниваться с температурой вашего прохладной комнаты, пока и то, и другое не будет одинаково остывшим.

Прекрасной аналогией в данном случае выступят сообщающиеся сосуды:

У нас имеется согласованное состояние при котором система находится в балансе. При нарушении этого состояния за счёт, например, прибития жидкости в один из сосудов, мы получим разницу потенциалов давления, которая, через сообщающуюся трубку, будет стремиться нивелироваться за счёт поднятия потенциала давления в другом сосуде пока их потенциалы не выровняются.

Само собой если мы разделим эти сосуды клапаном - подобного не произойдет ибо разницы потенциалов не возникнет. Все прекрасно помнят этот эксперимент ещё со школьной скамьи. Есть-ли отличие в электричестве? Нет!

Вспоминаем про трансформатор, который, при подаче питания на его первичную обмотку, через магнитопровод, наводит ЭДС во вторичной обмотке.

ЭДС, как и напряжение измеряется в вольтах, но не стоит путать эти понятия. Под ЭДС всегда подразумевается электромагнитная величина описывающая движение электронов в ПРОВОДНИКЕ (!), т.е. БЕЗ НАГРУЗКИ. Напряжение может меняться в зависимости от нагрузки, ЭДС - нет.

Обмотка возбуждения, подобно первичной обмотке трансформатора, наводит электромагнитное поле внутри сельсина, трёхфазная, соединённая в звезду обмотка статора, подобно вторичной обмотке трансформатора принимает на себя это электромагнитное поле и мы получаем на её выходе ЭДС определённой величины. Ротор, вращающаяся часть электродвигателя, пока никакого участия в этих процессах не принимает. Точнее: принимает, но не настолько чтобы мы о нём говорили. И вот мы получили такой себе трансформатор с однофазной первичной обмоткой и трёхфазной вторичной. На каждом выводе имеется определёный потенциал.

ВСЕ ЦИФРЫ ПРИВЕДЁННЫЕ НИЖЕ ЯВЛЯЮТСЯ ИСКЛЮЧИТЕЛЬНО ВЗЯТЫМИ ИЗ ГОЛОВЫ В ЦЕЛЯХ ОБЪЯСНЕНИЯ И НЕ ИМЕЮТ НИЧЕГО ОБЩЕГО С РЕАЛЬНОСТЬЮ. НЕ ОПЕРИРУЙТЕ ИМИ, ПРОСТО ПОЙМИТЕ ЧТО К ЧЕМУ!

Кхем... Продолжим.

Теперь от одного источника питания мы запитываем два сельсина. Теперь в двух сельсинах ОДИНАКОВОЕ электромагнитное поле и, соответственно, величина ЭДС на выводах их трёхфазных обмотоктак же одинакова. Соединяем эти выводы между собой. И теперь уж точно никакой разности потенциалов между вторичными обмотками нет.

И вот тут-то в игру и вступает ротор. Ротор - это проводник, в котором, при нахождении его в электромагнитном поле, так же наводится ЭДС. однако в данном случае ротор просто будет насыщен однородным электромагнитным полем; вращаться он не будет.

При прокручивании ротора внутри электромагнитного поля статора мы вызываем изменения во всём электромагнитном поле сельсина. Ведь при перемещении проводника в электромагнитном поле в нём наводится ЭДС противоположная по знаку этому полю и создающее собственное электромагнитное поле препятствующее перемещению этого проводника в этом поле. Именно этим явлением и объясняется потребность в бо́льшем количестве топлива для дизеля при увеличении нагрузки на генераторе: бо́льший ток создаёт бо́льшее электромагнитное поле, бо́льшее электромагнитное поле наводится на роторе и большее сопротивление оказывается перемещению ротора, а потому и требуется больше энергии на продолжение вращения ротора при такой же частоте.

От изменения величины электромагнитного поля изменяется и величина ЭДС наводимая в обмотке статора. Уменьшение (к примеру) этой величины на одном из сельсинов и создаёт ту самую разность потенциалов, которую второй сельсин и будет пытаться компенсировать. Но как?

Допустим на выводах сельсинов было 10 В. Соединив два сельсина и замеряв напряжение между ними мы увидим 0, ибо никакой разницы потенциалов нет. Происходит изменение положения ротора и величина ЭДС этого сельсина упала до 8 В на каждом выводе. Вот теперь у нас имеется разница потенциалов в 2 В. Эта разница потенциалов, проходя сквозь обмотки и идя по проводу в сторону уравнивания создаёт в своей цепи ток определённой направленности. Этот ток называется уравнительным. При условии что наш первый ротор сдвинуть нельзя, системе ничего не остаётся кроме как сдвинуть второй ротор чтобы выровнять потенциалы на выводах двух сельсинов.

А теперь схема из учебника, который я выложу сразу после после публикации статьи.

Так... Как передать сигнал с рулёвки на мост мы разобрались, а как передать с гнал в ещё парочку мест, например в ЦПУ? К сожалению или счастью, но ничего интересного тут нет, мы просто подключаем паралельно ещё один сельсин-приёмник. Однако в таком случае момент синхронизации будет меньше, поскольку он делится на несколько сельсин-приёмников. Для того чтобы нивелировать это уменьшение момента используют более мощный сельсин-датчик либо применяют отдельные усилители сигналов. Скукотища.

Надеюсь тут все всё поняли ибо это реально всё. Больше рассказать о сельсинах нет чего. Но, тем не менее, пару слов о трансформаторном режиме работы и о характеристиках сельсин как датчиков.

Трансформаторный режим.

Суть не меняется, но меняется исполнение и предназначение. У нас всё так же есть сельсин-датчик и сельсин-приёмник, вот только обмотка возбуждения сельсин-приёмника отключена от того же источника питания, которым питается обмотка возбуждения сельсина-датчика. Теперь обмотка возбуждения сельсина-приёмника является выходом, на котором формируется напряжение, использовав и преобразовав которое, мы можем сформировать управляющий сигнал более мощного механизма.

Допустим у нас имеется система с двумя рулевыми перьями и нам необходимо чтобы они двигались согласовано, но без жёсткой механической обратной связи. В таком случае одно рулевое устройство будет выступать в роли ведущего, второе, в свою очередь, становится ведомым. Теперь при отклонении от прежнего положения мы получаем ту же разность потенциалов между двумя сельсинами, но теперь сельсин-приёмник тоже жёстко зафиксирован на устройстве обратной связи, но рулевого устройства №2. Теперь этот уравнительных ток, поскольку он не может провернуть жёстко зафиксированный вал, передаётся на обмотку возбуждения, на выходе которой мы получаем напряжение. Это напряжение нюмы направляем на усилитель сигнала, который уже преобразует этот сигнал отклонения в сигнал поворота до тех пор, пока потенциалы не выровняются и не исчезнет напряжение на выходе сельсина-приёмника.

Особенности которые нужно понимать.

Само собой на то, что бы провернуть ротор сельсина нужно затратить определённую энергию, и энергия эта, для начала, должна достичь определённого предела, по достижению которого мы сможет преодолеть силу трения подшипников и сместить ротор, то же касается и остановки ротора в нужный момент. Да, электродвигатель очень маленький, но так же малы и значения уравнительных токов. Т.е. уже на этом этапе мы понимаем что имеем определенную степень погрешности. Решается это, зачастую, установкой сельсина не непосредственно на вал рулевого устройства, а установкой его через редуктор, который, при смещении пера, к примеру, на 15⁰ формирует на выходе смещение на 35⁰, аналогичный редуктор стоит и у сельсина-приёмника.

Так же на точность индикации сильно влияет качество сети питающей обмотки возбуждения. К минусам так же можно отнести ощутимые массу и габариты относительно тех же резистивных датчиков положения. (Но о них в другой раз). Так же сельсины далеко не самый дешёвый способ индикации угла поворота.

Не смотря на эти недостатки есть у них и преимущества. Главным преимуществом можно назвать, само собой, общую простоту систему на ряду с высокой ремонтопригодностью. Система очень надёжна и способна прослужить весьма длительный срок без обслуживания, особенно когда речь идёт о бесконтактных сельсинах, где не нужно следить за состоянием щеток. Использование сельсинов не обязывает вас использовать сложное вычислительное оборудование которое будет распознавать изменение угла поворота и делать соответствующие из этого вывода.

Вывод.

Сельсины хоть и весьма старое изобретение, тем не менее всё ещё находящее применение за счёт своей простоты и надёжности. Не стоит думать о них слишком плохо лишь по той причине, что ещё ваши возрастные преподаватели говорили о них, как о старой технологии.)