Selsyn (Synchro) motoren: toepassingen, typen en regelsystemen

In de meeste wikkelde-rotor inductiemotoren worden de rotorwikkelingen kortgesloten nadat de machine start. Tijdens de opstartfase beperkt een serieweerstand de hoge instroomstroom. Wanneer twee motoren een gemeenschappelijke startweerstand delen, blijven ze gesynchroniseerd gedurende de opstartperiode. Deze eigenschap is essentieel voor apparatuur die in unisono moet draaien, zoals drukpersen en ophefbruggen.

Eenmaal de motoren volledig ingeschakeld, worden de rotorwikkelingen kortgesloten en verdwijnt het synchroniserende koppel. Hoe groter de startweerstand, hoe sterker het synchroniserende koppel dat het paar in sync houdt.

Wanneer de startweerstanden worden verwijderd maar de rotoren nog steeds parallel staan, vertonen de motoren geen startkoppel maar behouden een aanzienlijk synchroniserend koppel. Deze ordening wordt een selsyn genoemd – afkorting van "self-synchronous".

Opstarten wikkelde-rotor inductiemotoren vanaf gemeenschappelijke weerstanden

Tijdens de werking kan de rotor van een selsyn stilblijven terwijl de andere as een hoek θ draait. De mechanische koppeling zorgt ervoor dat een rotatie van de ene as de andere dwingt te volgen, en elke rem die aan de ene kant wordt toegepast, wordt aan de andere gevoeld. Hoewel grote, multi-kilowatt selsyns bestaan, gebruiken de meeste toepassingen kleine eenheden van slechts enkele watten voor externe positie-indicatie in instrumentatie.

Selsyns zonder startweerstand

Instrumentatie Synchros (TX & RX)

Instrumentatie synchros, ook "synchros" genoemd, gebruiken éénfasige AC-gevoede rotoren die parallel lopen aan een drie-fasige stator. De statoren worden niet extern geënergiseerd; ze ontvangen stroom van een gemeenschappelijke drie-fasige voeding die beide eenheden voedt.

Wanneer de zender (TX) en ontvanger (RX) rotoren dezelfde hoek hebben, zijn de geïnduceerde spanningen in de statorwikkelingen identiek, en vloeit geen stroom. Als de ashoeken afwijken, veroorzaakt de resulterende fasverschil een statorstroom die koppel ontwikkelt, wat de ontvanger-as dwingt de zender te volgen. Elke as kan worden aangedreven, maar de ontvanger fungeert als een elektrisch vergrendelde volger.

Synchros hebben éénfasige gevoede rotoren

Zowel de TX als de RX zijn elektrisch identiek. De ontvanger bevat doorgaans inertiële demping, terwijl de zender kan worden vervangen door een ontvanger indien nodig. Synchros worden meest gebruikt voor externe positie-opname – bijvoorbeeld een zender bevestigd aan een radarantenne rapporteert de antenne-oriëntatie aan een besturingsruimte-indicator. Ze zijn beschikbaar voor 240 Vac 50 Hz, 115 Vac 60 Hz, 115 Vac 400 Hz, en 26 Vac 400 Hz voedingen.

Synchro toepassing: externe positie-indicatie

Differentieel zender-ontvanger (TDX & TDR)

Een koppeldifferentieel-zender (TDX) heeft een drie-fasige rotor en stator. Het accepteert een ashoek-input en een elektrische hoek-input, producerend een gecombineerde elektrische hoek op de statoruitgangen. Deze uitgang kan naar een ontvanger worden gerouteerd om de som of het verschil van twee hoekposities weer te geven.

Bijvoorbeeld, een scheepsbord-radarantenne's TX codeert de antennehoek ten opzichte van de boeg van het schip. Door de scheepskoers van een gyrokompas via een TDX toe te voegen, kan de ontvanger de antenne's ware-noord peiling weergeven, ongeacht de scheepsoriëntatie.

Koppeldifferentieel-zender (TDX)

Omgekeerd, accepteert een koppeldifferentieel-ontvanger (TDR) twee elektrische hoek-inputs en geeft de hoeksom of -verschil uit op zijn as. De TDX is een zender; de TDR is een ontvanger.

TDX aftrekking

TDX optelling

TDR aftrekking

TDR optelling

Controlertransformator (CT)

De controlertransformator is een gespecialiseerde synchro-zender met een rotor die meer windingen heeft dan de standaard TX of RX. Hij is gevoelig voor de nulpositie – wanneer de rotor onder een hoek van 90° staat ten opzichte van het magnetische veld van de stator – wat hem ideaal maakt voor servo-terugkoppelingssystemen.

In tegenstelling tot TX of RX, stuurt een CT geen koppel over. De rotoruitgang is nul bij de nulpositie; elke afwijking genereert een AC-foutspanning evenredig aan de hoekafwijking. Een servomotor aangedreven door dit foutsignaal past de as aan tot de CT de nulpositie bereikt, wat de lus sluit.

Controlertransformator (CT) detecteert servo-nul

In een typische toepassing stelt de TX de gewenste antennehoek in. De CT, gekoppeld aan de antenneas, voelt de werkelijke hoek en voedt terug naar de serverversterker, die een motor (vaak een 2-fasige AC-servo) aandrijft tot de CT utnult. Voor zware belasting worden grote DC-servomotoren bevorzugd vanwege hun hogere rendement en makkelijkere snelheidsregeling.

Servo gebruikt CT om antennepositie nul te voelen

Luchtvaarttoepassingen gebruiken frequente 400 Hz componenten – TX, CT, en de servomotor – om de grootte en het gewicht van de magnetische samenstellingen te verminderen. De hogere frequentie stelt de componenten in staat om kleiner te zijn terwijl dezelfde prestaties behouden blijven.

Resolver

Een resolver converteert een ashoek in sinus en cosinus spanningen. Het heeft twee statorwikkelingen 90° uit elkaar en een enkele rotorwikkeling aangedreven door AC. Wanneer de rotoras roteert, produceert de stator spanningen evenredig aan sin(θ) en cos(θ).

Resolver converteert ashoek naar sinus en cosinus van de hoek

Resolvers zijn onmisbaar in radarsystemen, waar een radar-afstandsuitgang (een sinusgolfspanning) en peilingshoek (ashoek) gecombineerd worden om Cartesische coördinaten (X, Y) te produceren. De X- en Y-componenten kunnen dan op een kaart worden weergegeven. Een TX kan voor resolver-gebruik worden aangepast via een Scott-T transformator, die de drie-fasige uitgang van de TX omzet in het vereiste kwadratuurpaar.

Scott-T converteert 3-fasig naar 2-fasig waardoor TX de resolver-functie kan uitvoeren

Alternatieve ontwerpen, zoals de inductosyn, bieden hogere resolutie voor rotatietoepassingen.

Belangrijkste punten

• Een synchro (of selsyn) is een rotatie-transformator die as-koppel overbrengt.
• De koppelzender (TX) zet een mechanische ashoek om in drie-fasige elektrische uitgangen.
• De koppelontvanger (RX) zet een drie-fasige elektrische hoek om in een mechanisch as-koppel.
• De koppeldifferentieel-zender (TDX) voegt een elektrische hoek toe aan een ashoek, met een opgetelde elektrische hoek als uitgang.
• De koppeldifferentieel-ontvanger (TDR) combineert twee elektrische hoeken in een as-koppel.
• De controlertransformator (CT) detecteert een nulpositie en wordt gebruikt in servo-terugkoppellussen.
• Een resolver geeft sin(θ) en cos(θ) spanningen voor nauwkeurige hoekmeting.
• Een Scott-T transformator kan de drie-fasige uitgang van een TX omzetten in resolver-stijl kwadratuursignalen.