3.6 Вращающийся трансформатор. Устройство, принцип действия, режимы работы. Характеристики управления.
Вращающиеся трансформаторы применяются в автоматических и счетно-решающих устройствах. Они служат для получения переменного напряжения, представляющего собой определенную функцию угла поворота ротора α. Обычно требуется, чтобы это напряжение было пропорционально sin α, cos α или самому углу поворота α. В соответствии с этим различают синусные, косинусные, синусно-косинусные и линейные вращающиеся трансформаторы.
Возможны несколько режимов работы вращающихся трансформаторов в зависимости от схемы включения их обмоток:
1) синусно – косинусные ВТ, у которых выходное напряжение одной обмотки пропорционально синусу угла поворота ротора, а другой обмотки – косинусу угла поворота ротора (СКВТ); UA = Umaxsinα; UB = Umaxcosα
2) линейные ВТ, у которых выходное напряжение пропорционально углу поворота ротора (ЛВТ); получение линейной в определенном угловом диапазоне выходной характеристики сводится к аппроксимации прямой линии функцией типа f(Θ)=sinΘ/(1+C*cosΘ), где С – постоянный коэффициент; U = kα, где k = const
3) масштабные ВТ, у которых выходное напряжение пропорционально входному, и коэффициент пропорциональности (масштаб) определяется углом поворота ротора;
4) датчики и приемники трансформаторных дистанционных передач угла (ВТДП), выполняющие функции, аналогичные трансформаторным сельсинам;
5) преобразователи координат, осуществляющие поворот осей декартовой системы координат или переход к полярной системе координат (построители);
6) индукционные фазовращатели, осуществляющие преобразование пространственного угла во временной.
К
онструктивно
вращающиеся трансформаторы подобны
асинхронным машинам с фазным ротором.
У них как на статоре, так и на роторе
имеется по две симметричные обмотки,
оси которых сдвинуты между собой в
пространстве на электрический угол,
равный 90°. Во вращающихся трансформаторах
принимают меры к тому, чтобы распределение
магнитной индукции в воздушном зазоре
было по возможности близким к
синусоидальному. Достигается это за
счет специального выполнения обмоток,
выбора соответствующего числа пазов
статора и ротора, применения скоса
зубцов и тщательного изготовления
магнитопровода.
На рис. 1 представлена принципиальная схема синусно-косинусного вращающегося трансформатора. Обмотка S статора включается в сеть переменного тока со стабилизированным напряжением U1. Эта обмотка является обмоткой возбуждения. Пульсирующий магнитный поток, обусловленный током этой обмотки, индуктирует в обмотках ротора ЭДС, значения которых зависят от угла поворота ротора α. Угол α, будем отсчитывать от положения ротора, когда ось его обмотки 1Р перпендикулярна оси обмотки S статора. В этом случае в обмотке 1Р индуктируется ЭДС, пропорциональная sin α, а в обмотке 2Р - пропорциональная cos α. В зависимости от того, какая из обмоток используется, получаем синусный или косинусный, а при использовании обеих обмоток ротора - синусно-косинусный вращающийся трансформатор.
При нагрузке по обмоткам ротора потечет ток, который создает магнитные потоки, направленные вдоль осей этих обмоток. Потоки каждой обмотки можно разложить на две составляющие - продольную, совпадающую с осью обмотки возбуждения, и поперечную, направленную перпендикулярно этой оси. Продольная составляющая потока обмотки ротора вместе с потоком обмотки возбуждения создают основной рабочий поток вращающегося трансформатора, который, как и в трансформаторе, зависит от подведенного напряжения и при U1 = const постоянен.
Поперечная же составляющая потока Фq = Ф соs α индуктирует в обмотках ротора ЭДС, искажающую синусную или косинусную зависимость напряжения от угла поворота. По отношению к поперечному потоку Фq, обмотка 1Р является косинусной обмоткой, и поэтому ЭДС, индуктированная в ней этим потоком, пропорциональна Фsin2α. Можно показать, что если включить обмотку 2Р, то в ней от ее поперечного потока будет индуктироваться ЭДС, пропорциональная Фsin2α.
Для того чтобы избежать погрешностей от поперечных потоков, применяется симметрирование. Симметрирование может быть проведено как на вторичной, так и на первичной стороне. При симметрировании на вторичной стороне обе обмотки ротора замыкаются на одинаковую нагрузку Zнг1 = Zнг2. В этом случае поперечные потоки обмоток будут численно равны, но так как они направлены встречно, то произойдет их взаимная компенсация.
П
ри
симметрировании на первичной стороне
обмотку статора К замыкают на элемент,
комплексное сопротивление которого
ZK,C численно равно внутреннему комплексному
сопротивлению источника питания обмотки
S. В этом случае поперечный магнитный
поток ротора будет ослабляться за счет
размагничивающего действия потока
обмотки К.
Практически симметрирование проводится одновременно как со вторичной, так и с первичной стороны.
Максимальная погрешность воспроизведения функций sin α и cosα во вращающихся трансформаторах высокого класса точности не превышает 0,01-0,03%.
На рис. 2 показана схема включения линейного вращающегося трансформатора. Обмотка S включена в сеть переменного тока, а обмотка К статора и обмотка 1Р ротора соединены последовательно, и напряжение на нагрузке Zнг в пределах угла α = 0 ÷ 60° изменяется практически пропорционально углу α. Обмотка 2Р в целях симметрирования замыкается на сопротивление Zк,p. Это сопротивление подбирается таким образом, чтобы поперечные потоки обмотки 1Р и 2Р компенсировали друг друга.