2.6.2. Трансформаторные датчики

В системах электроавтоматики в качестве датчиков угла поворота наряду с резисторными, индуктивными и емкостными датчиками применяют измерительные устройства на сельсинах и вращающихся трансформаторах.

Схема трансформаторного датчика, показанная на рис. 2.27, содержит ротор Р, сердечник С с катушками w₁ и w₂. Такой датчик часто называют также «следящим» или дифференциальным трансформатором.

Он широко используется в различных автоматических системах для измерения угловых перемещений, имеет секторный якорь, угол поворота которого  является измеряемой величиной, и трехстержневой сердечник, на центральном стержне которого намотана обмотка возбуждения (первичная обмотка), подключенная к источнику питающего напряжения U_пит.

Существуют конструктивные модификации рассмотренного датчика, позволяющие измерять перемещения якоря по двум взаимно перпендикулярным направлениям х и у. Один из таких датчиков называется вращающимся трансформатором.

Вращающийся трансформатор (ВТ), представляющий собой электрическую машину индукционного типа, применяют для функционального преобразования угла поворота в электрический сигнал. ВТ состоит из статора и ротора, на которых размещаются по две взаимно перпендикулярные однофазные обмотки (рис. 2.28, а). Токосъем с обмоток ротора осуществляется с помощью контактных колец и щеток или с помощью спиральных пружин при ограниченных углах поворота. При включении обмотки возбуждения w_в в сеть переменного тока напряжением U возникающий в обмотке ток I_в создает пульсирующий магнитный поток, который наводит в обмотках ротора ЭДС. Величина ЭДС при отсчете угла поворота ротора θ от нейтрального положения против часовой стрелки пропорциональна синусу этого угла, поэтому обмотку w_син называют синусной обмоткой ВТ.

Рис. 2.26. Дифференциальный индуктивный датчик соленоидного типа	Рис. 2.27. Трансформаторный датчик с перемещающимся якорем

а б

Рис. 2.28. Вращающиеся трансформаторы: СКВТ (а) и линейный вращающийся трансформатор (б)

Если пренебречь падением напряжения в обмотках, то выходное напряжение синусной обмотки

U_син = kU sin , (2.33)

где k = w_син/w_в = w_кос/w_в  –  максимальный коэффициент трансформации ВТ.

Во второй обмотке ротора w_кос, называемой косинусной, будет индуктироваться ЭДС, пропорциональная косинусу угла поворота θ, так как эта обмотка смещена на 90° относительно синусной обмотки ВТ.

Выходное напряжение косинусной обмотки

U_кос = kU cos . (2.34)

В схеме, представленную на рис. 2.28, а синусную и косинусную обмотки ВТ включают на одинаковые сопротивления Z_н.син = Z_н.кос, что дает наилучшие результаты по компенсации поперечной составляющей магнитного потока (симметрированию) выходной обмотки и, следовательно, по уменьшению погрешностей к улучшению характеристик ВТ.

У линейного вращающегося трансформатора (ЛВТ) (рис. 2.28, б) выходное напряжение U_вых является линейной функцией угла поворота (при  = ±60°). ЭДС, наводимая в синусной обмотке в результате сцепления с магнитным потоком обмотки возбуждения:

В синусной обмотке со стороны квадратурной наводится также ЭДС пропорциональная потоку и, следовательно, току I_син, протекающему по этой обмотке, и суммарной ЭДС контура E_вых:

Учитывая встречное включение синусной w_син и квадратурной w_кв обмоток, а также применение симметрирования, запишем выходную ЭДС:

(2.35)

Если пренебречь падением напряжения в обмотках ВТ, считая E_вых = U_вых, то согласно (2.35) напряжение на выходе ЛВТ можно представить выражением

(2.36)

где k₁, k₂ – коэффициенты трансформации.

При k₁ = k₂ = 0,5 функция (2.36) принимает максимальное значение при θ = 120°. Линейность статической характеристики с точностью до 1 % обеспечивается при изменении θ в пределах ±60°.

Вращающиеся трансформаторы, являющиеся высокоточными устройствами, можно использовать в системах автоматики вместо трансформаторных сельсинов. В зависимости от величины погрешности ВТ подразделяют на четыре класса точности. ВТ, как и сельсины, являются безынерционными элементами автоматики.