Marinebasis Zeebrugge
Selsyns, synchros, resolvers
MBZ
Root server » TechTalk » Marine » Selsyns, synchros, resolvers...


Selsyn: de combinatie van twee synchros
(bekabeling)


Constructie van een synchro


Roterende transfo (videorecorder)


Control Transmitter in plaats van een Torque Transmitter


Servo-systeem in plaats van selsyn

Synchro

Om de hoekpositie van een as op afstand door te geven gebruikt men synchros die een mechanische koppeling tussen twee assen omzetten in een electrische koppeling. De synchros moeten door dezelfde stroomleiding gevoed worden om fasefouten te vermijden. De voedingsspanning is 115 of 26V op 50, 60 of 400Hz. Dit is het referentiesignaal.

De stator bestaat uit drie spoelen die een hoek van 120° met elkaar vormen. Het uitgangssignaal hangt af van de positie van de rotor. Als de rotor draait wordt er een driefasige spanning geleverd, waarvan de frekwentie afhangt van de rotatiesnelheid. De maximale spanning tussen twee fasen (lijnspanning) bedraagt 90V (systemen op 115V) of 11.8V (systemen op 26V). De synchro kan vergeleken worden met een alternator die een laag vermogen levert, maar waarvan het signaal zuiver sinusvormig met een lage vervorming is.

De voeding wordt op de rotor overgebracht door sleepringen, maar tegenwoordig werkt men vaker met roterende transformatoren om de energie over te brengen op de rotor. De roterende transformatoren hebben geen contacten en de synchros die ermee uitgerust zijn gaan normaal nooit defekt. De roterende transfo werd hoofdzakelijk gebruikt in videorecorders om de spanning van de roterende videokoppen over te brengen naar de electronika.

Er is normaal gezien één transmitter die het signaal naar één of meerdere ontvangers stuurt. Als de transmitter echer vrij kan bewegen en men draait het as van één van de ontvangers, dan gedraagt de ontvanger zich als zender om de andere synchros te doen draaien. De transmitter is normaal groter uitgevoerd dan de ontvanger(s), maar anders zijn er geen electrische of mechanische verschillen tussen beide.

Een synchro is niet gemaakt om grote koppels over te brengen. Een synchro wordt bijvoorbeeld gebruikt om om de stand van een hydraulische klep te wijzigen.

Een dubbele synchro gedraagt zich als een electrische koppeling die het mechanisch koppel overbrengt. Als men een synchro verdraait, dan draait de andere synchro mee, maar ook de vrijving van de tweede synchro is voelbaar in de eerste. Een selsyn (self synchronising) is de naam die gegeven wordt aan de twee synchros die samenwerken.

Mogelijke toepassingen:

  • Doorsturen van de compaskoers van de gyrocompas naar de repeaters
  • Doorsturen van de roekhoek naar de brug
  • Doorsturen van de positie van de windhaan
  • Op afstand bedienen van kleppen...enz
Een synchro wordt gebruikt om mechanische aanduiders aan te sturen, maar het signaal kan ook electronisch verwerkt worden (bijvoorbeeld het geven van een alarm bij het overschrijden van een veilige waarde). Een selsyn (combinatie van twee synchros) is bijzonder betrouwbaar. Tegenwoordig wordt het signaal van de synchros lokaal verwerkt en omgezet in een digitaal signaal die gemultiplext kan worden. Zo zijn er minder kabels nodig die bijvoorbeeld van de machinekamer naar de technische centrale lopen.

Synchros worden nog altijd gebruikt als men een zeer hoge betrouwbaarheid nodig heeft: gever voor de stand van kleppen in electriciteitscentrales en in scheikundige processen, luchtvaart, zeevaart, leger,...

Het koppel dat door een selsyn overgedragen wordt is beperkt omdat het koppel afneemt naarmate beide synchros naar dezelfde richting wijzen. Hoe groter het koppel dat overwonnen moet worden, hoe groter de hoekfout tussen zender en ontvanger. Indien er zwaardere belastingen aangedreven moeten worden, dan gebruikt men een servo-systeem die het foutsignaal versterkt en naar een externe motor stuurt die de ontvanger bijregelt totdat de fout nagenoeg verdwenen is.

Servoregeling

In plaats van een mechanisch signaal te leveren (verdraaing van de synchro ontvanger) is het ook mogelijk een electrisch signaal te leveren. Het signaal wordt gedetecteerd door een synchrone demodulator en men bekomt een positief of negatief signaal naargelang de fout (hoekverschil tussen de eerste en tweede synchro) positief of negatief is.

Indien men een hoge nauwkeurigheid nodig heeft (repeater van een gyrocompas) zal men een servo systeem gebruiken die de positie van de transmitter (moedercompas) vergelijkt met de positie van de repeater. Het verschilsignaal wordt versterkt en stuurt een motor aan. Zo wordt de restfout (die met een selsyn niet weggewerkt kan worden) verkleind.

Terwijl een selsyn enkel geschikt is om kleine draaimomenten over te brengen, kan men met een servoregeling zware lasten bedieden.


Servoregeling met twee synchros
De eerste synchro geeft de gewenste waarde aan (bijvoorbeeld de gewenste elevatie of het gewenst azimut van een kanon) terwijl de tweede synchro het effktief azimut van het kanon aangeeft. Het zwak signaal wordt door een amplidyne versterkt (magnetische versterker) en de motor die het kanon moet richten wordt gevoed uit een Ward-Leonardschakeling. Nu gebruikt men natuurlijk geen amplidynes en Ward-Leonardschakelingen meer, de versterking gebeurt door vermogentransistoren die de motor sturen, maar de synchros worden nog altijd gebruikt omdat ze goed bestand zijn tegen schokken en barre weersomstandigheden.

Als de referentiespanning aangelegd wordt op de rotor van de ontvangende synchro dan bekomt men een overdracht van het koppel (torque transmitter). Als men de spanning aan de rotor gewoon meet, dan bekomt men een foutsignaal (hoekverschil tussen beide synchros), de synchros worden als control transmitter gebruikt. Er is gewoon een meting van de positie, geen overdracht van het koppel. Een torque transmitter synchro kan in de plaats van een control transmitter synchro gebruikt worden, maar niet omgekeerd: een torque transmitter is in staat wat meer vermogen te leveren om de ontvanger te doen richten.

Ook aan de kant van de ontvanger zijn er verschillen tussen koppeloverdracht (torque) en signaaloverdracht (control). Een control ontvanger heeft statorspoelen bestaande uit veel wikkelingen van fijn draad om een sterk magnetisch veld te bekomen met een lage stroom. In een normale synchro gaat de rotor zich plaatsen zodat de statorstromen minimaal zijn (men zegt dat de synchros in dekking zijn). De statorwikkelingen kunnen hier oververhit geraken als de synchro vast zit omdat er een hoge stroom door de statorspoelen blijft lopen.


Torque Differential Transmitter

Torque Differential Transmitter

Een TDX (Torque Differential Transmitter) is een bijzondere synchro die gebruikt wordt om het verschil tussen twee hoeken te meten. Een dergelijke keten bestaat uit een normale transmitter, een TDX en een ontvanger die zich richt volgens het hoekverschil. De TDX zelf heeft geen ingang voor de referentiespanning, maar gebruikt in de plaats het signaal van de transmitter. De rotor bestaat hier uit drie wikkelingen in plaats van één wikkeling voor een normale synchro.

Daarmee is het eenvoudig twee hoekposities te vergelijken, de transmitter meet bijvoorbeeld de gewenste positie aan en de TDX meet de effektieve positie van een apparaat. De uitgangssynchro ontvangt een verschilsignaal (foutsignaal) en bedient een hydraulische klep die het apparaat in de juiste positie zal zetten. Als de hoekfout verdwenen is, dan is ook het foutsignaal afwezig en zet de ontvanger zich in nul-positie waarbij de hydraulische klep niet meer bediend wordt. De ontvanger kan zowel een positieve of een negatieve fout aangeven.

De TDX bestaat ook in CDX-versie (Control Differential Transmitter) waarbij men een uitgangsspanning als uitgang bekomt. Deze schakeling wordt minder toegepast.


Resolver


Scott transformator


Omzetting van poolcoördinaten in cartesische coördinaten


Verhoging van de nauwkeurigheid

Resolver

De resolver is vergelijkbaar met een synchro, maar geeft een bifasig signaal af in plaats van een driefasig. De twee wikkelingen staan in een rechte hoek ten opzichte van elkaar. De eerste wikkeling produceert de sinus van de hoek, de andere wikkeling een cosinus.

De resolver kan gebruikt worden in de plaats van een synchro om de hoekpositie door te sturen naar een ontvanger zoals een selsyn, maar dat is niet zijn voornaamste toepassing. De resolver werd namelijk vooral gebruikt als analoge rekenmachine ('rekensynchro') om sinussen en cosinussen te berekenen, in een tijd dat er nog geen computers waren.

Dergelijke computers werden gebruikt voor de vuurleiding waarbij verschillende signalen gecombineerd moesten worden: signaal van de radar (elevatie, azimuth en afstand van het doelwit) en slingering van het schip. De berekende richting van het kanon werd dan uiteindelijk vergeleken met de effektieve richting om een correctiesignaal te bekomen. De zeegang van het schip werd mechanisch gemeten, ook met een dubbele resolver (stampen en slingeren). Een andere toepassing was de degaussing van de schepen juist na de tweede wereldoorlog.

Een resolver levert minder vermogen dan een synchro en wordt daarom enkel gebruikt om zeer kleine beslastingen te sturen, zoals een aanwijzer. Een resolver wordt vooral gebruikt om een signaal te leveren die gebruikt zal worden voor analoge berekeningen.

Het signaal van een resolver kan omgezet worden in een driefasig signaal (en omgekeerd) door middel van een Scott-transformator. Zo'n transformator wordt gebruikt om poolcoördinaten (elevatie en afstand) om te zetten in cartesiaanse coördinaten (x, y) of omgekeerd. Nu weet u ook waarom er officieren bij de Marine zijn, en waarom goniometrie zo belangrijk is: zij weten hoe de rotor in de stator zit (of zouden moeten).

De eerste radars die een PPI-aanduiding hadden (Plan Position Indicator) gebruikten een resolver (sweep resolver) om de azimuth van de radar door te sturen naar de beeldbuis. Het signaal van de resolver werd direct naar de afbuigspoelen van het radarscherm gestuurd en het werkte zeer goed omdat er geen verdere bewerkingen van het signaal nodig waren. De PPI aanduiding komt overeen met wat men van een radarbeeld verwacht, maar in die tijd was het allesbehalve evident: tot dan gebruikte men een skoopbeeld waarop de teruggekaatste golven zichtbaar waren als piekjes.

Multipolige resolvers

Als men een hogere nauwkeurigheid nodig heeft, dan gebruikt men multipolige resolvers en synchros die uitgerust zijn met twee spoelensystemen. Het eerste systeem is de gewone set, die gebruikt wordt voor een grove aanduiding (levert een compleet signaal voor een asrotatie van 360°). Het tweede systeem levert 9, 18 of 36 complete signalen per omwenteling. Het eerste systeem blijft noodzakelijk om een absolute positie te geven. De 1:36 resolver geeft immers dekking bij 36 verschillende hoekposities. Men gebruikt ofwel een resolver met een dubbel spoelensysteem, ofwel twee resolvers met een andere overbrenging.

Bij een servo systeem wordt er een omschakelaar gebruikt. Zolang de fout op de 1:1 resolver groot is, wordt zijn signaal naar de regelkring gestuurd. Als de fout bijna nul geworden is, dan wordt er overgeschakeld op de 1:36 resolver. De fout wordt daardoor verkleind met een faktor 36.

Rotary Variable Differential Transformer (RVTD)

Dit zijn omvormers die sterk lijken op een resolver, maar de uitgangsspanning is lineair, bijvoorbeeld 100mV per graad, wat de omzetting naar een digitale waarde (hoek) gemakkelijker maakt. Een bijkomende eigenschap is dat de som van de signalen van beide spoelen altijd constant blijft (evenredig met de voedingsspanning), waardoor een ingebouwde controle op de goede werking van de omvormer mogelijk is.

Bij de RVDT zit de primaire spoel ook op de stator en de rotor bestaat uit dun gelamelleerd staalplaat die het magnetisch veld meer naar de ene of andere secundaire spoel richt. Er zit geen spoel op de rotor. De meting is slechts geldig voor kleine hoekverplaatsingen, bijvoorbeeld -45° tot +45°.


Absolute hoekmeting


Lineaire resolver

Directe digitale meting

Men kan direct een digitale waarde bekomen (zonder omzetter) door optische uitlezing van een schijf. Een lichtbron belicht een schijf die met de as verbonden is. De schijf is digitaal gekodeerd en levert het digitaal signaal met de gewenste bitdiepte (bijvoorbeeld 10 bits voor 1024 hoekposities). Het licht wordt opgevangen door een lineaire array van 10 lichtgevoelige diodes.

De nauwkeurigheid is vergelijkbaar met die van een synchro of resolver, maar de waarde is reeds digitaal. Deze systemen zijn heel nauwkeurig en betrouwbaar (als ze uitgerust zijn met een LED lichtbron). De omzetters met sleepcontacten zijn niet berouwbaar en hebben een lage nauwkeurigheid en zouden eigenlijk enkel in speelgoed gebruikt mogen worden.

Lineaire resolvers

Als men de wikkelingen van een resolver plat legt, dan bekomt men een lineaire resolver die fijne bewegingen in één richting kan meten. De schaal (SCALE) is vast en wordt met een wisselspanning gevoed (5 à 10kHz). De opnemer (SLIDER) bestaat uit twee spoelen die een halve periode ten opzichte van elkaar verschoven zijn. Het signaal op de secundaire spoelen hangt af van de positie van de opnemer. Hier ook gebruikt men een synchrone demodulator om een bruikbaar meetsignaal te bekomen (die afwisselend positief en negatief wordt, zo kan men de stappen tellen).

De spoelen hebben een spoed van bijvoorbeeld 2mm en laten een meting toe van 100micrometer of beter. De meting is niet absoluut en men heeft een nul-indicatie nodig, die bijvoorbeeld gerealiseerd wordt door een lichtsluis aan één kant van de opstelling. Het afgegeven signaal is zwakker dan die van een resolver en moet lokaal versterkt worden.

Tachymeter

Een tachymeter is een eenvoudige synchro die enkel gebruikt wordt voor het meten van de rotatiesnelheid. De tachymeter is uitgerust met één, twee of drie spoelen en de rotor is hier een permanente magneet. De frekwentie van het signaal hangt af van de rotatiesnelheid. In goedkopere aanduiders wordt enkel de amplitide van het signaal gebruikt (die ook afhangt van de rotatiesnelheid). Een tachymeter is eigenlijk een laagvermogen magneto.

Links to relevant pages - Liens vers d'autres pages au contenu similaire - Links naar gelijkaardige pagina's