17.1. Загальна характеристика, застосування й основні режими роботи поворотних трансформаторів

Поворотними (обертовими) трансформаторами називають електричні мікромашини змінного струму, які перетворюють кут повороту ротора в напругу, яка пропорційна цьому кутові або його функціям.

В залежності від призначення й схеми з’єднання розрізняють такі режими роботи поворотних трансформаторів: синусно-косинусний, лінійний, побудувач, масштабний, фазообертач, перетворювач координат, трансформаторна синхронна передача. Для одержання різних режимів може бути використана та ж сама машина відкритого або закритого виконання, якщо вона має по дві обмотки на статорі й роторі.

Основними областями застосування поворотних трансформаторів є моделюючі розрахунково-вирішуючі пристрої змінного струму (складання, множення, ділення, піднесення до степеня, добування кореня, одержання тригонометричних залежностей амплітуди напруги від кута повороту, вирішення тригонометричних рівнянь, перетворення координат, побудова трикутників, розкладання та побудова векторів), системи автоматики та різні автоматичні пристрої (вимірювачі непогодженості, трансформаторні синхронні передачі, фазообертачі), корабельна, авіаційна, промислова автоматика, слідкуючі системи, схеми розгорток радіолокаційних станцій і т. д. [64].

Основною вимогою, яка визначає конструкцію поворотних трансформаторів, є мінімальні погрішності. У відповідності з цією вимогою вибирається матеріал та конструкція магнітної системи, тип обмотки, спосіб струмознімання й інші деталі.

Розрізняють поворотні трансформатори з обмеженим або необмеженим кутом повороту, з магнітною системою з трансформаторної сталі та з пермалою. В залежності від місця вмикання в схемі й конструкції розрізняють первинний та вторинний бік поворотного трансформатора. Цей трансформатор конструктивно є універсальною чотириобмотковою електричною машиною, яка схожа з двофазним асинхронним двигуном з фазним ротором або з контактним трансформаторним сельсином. Конструкція трансформатора дозволяє комбінувати різні варіанти вмикання роторних та статорних обмоток, які дозволяють виконувати різні функції.

Якщо поворотний трансформатор вмикається безпосередньо в мережу зі стабілізованою напругою, то його магнітна система (роторний та статорний пакети) може набиратись з листів електротехнічної сталі. Якщо напруга, яка подається на первинний бік трансформатора, не стабілізована, то магнітна система виконується з пермалою. Це пояснюється необхідністю зменшення похибки відтворення сигналу від мережевої напруги, яка змінюється й викликає зміну насичення осердь та параметрів трансформатора. Осердя складаються «віяловим» способом.

Рис. 17.1. Статорні та роторні обмотки поворотного трансформатора

На первинному боці (рис.17.1) в пазах розташовується головна (С₁-С₂) й допоміжна (К₁-К₂), компенсаційна (квадратурна) обмотки. На вторинному боці в пазах розташована синусна (Р₁-Р₂) та косинусна (Р₃-Р₄) обмотки. Найчастіше первинні обмотки розташовуються на статорі, а вторинні – на роторі. Але може бути й зворотне виконання. Обмотки статора, як і обмотки ротора, виконуються абсолютно однаковими у конструктивному відношенні за числом витків і т. д. Осі обмоток, які розташовані на одному пакеті, зсунуті на 90º (знаходяться в квадратурі). Всі обмотки виконуються розподіленими. Головна обмотка живиться однофазними змінним струмом. Додаткова звичайно компенсує поперечну складову вторинного магнітного потоку при навантаженні трансформатора й короткозамкнена або замкнена на якийсь опір. В деяких випадках обидві первинні обмотки живляться незалежно одна від одної однофазним змінним струмом. До синусної та косинусної обмоток приєднується навантаження.

Таким чином, конструктивно поворотний трансформатор виконується як неявнополюсна електрична машина з рівномірно розділеними по пазах обмотками статора й ротора. Звичайно ці трансформатори працюють в режимі повороту, що дозволяє при обчисленнях не враховувати в обмотках ЕРС обертання.

В залежності від призначення застосовується як режим повороту з обмеженням кута (1.8÷2 оберта), так и режим обертання зі швидкістю 3000 об/хв й більше. Якщо трансформатор працює в режимі повороту (елемент рахунково-вирішуючого пристрою і т. д.), то первинний бік розташовується на статорі, а вторинний – на роторі. В цьому випадку буде більш синусоїдний розподіл первинних обмоток у більшому числі пазів статора. Крім того, є можливість застосовувати місткову обмотку статора й штучне симетрування, яке зменшує технологічні погрішності. Кінці роторних обмоток з’єднуються з колодкою затискачів за допомогою спіральних пружин.

Якщо трансформатор працює в режимі обертання (датчик в слідкуючій системі і т. д.), то первинний бік розташовується на роторі, а на колодку затискачів виводяться тільки два затискача, які з’єднані через два контактні кільця з головною обмоткою (обмоткою збудження).

Для підвищення точності відтворення синусних та косинусних залежностей повітряний зазор між статором і ротором вибирається дещо збільшеним, застосовується скіс пазів.

Ротор може повертатись за допомогою точного редукторного механізму на довільний кут α відносно статора. При цьому редуктор зі шкалами грубого й точного відліку повинен забезпечувати високу точність вимірювання кута повороту ротора. Цей редуктор або убудований в корпус машини, або виготовляють у вигляді самостійного механічного вузла, який жорстко зчленовують з валом поворотного трансформатора.

Поворотні трансформатори, в залежності від величини зовнішнього посадочного діаметра, розділяють на перший (90 мм), другий (70 мм) та третій (45 мм) габарити. Вони визначені для схем корабельної та промислової електроавтоматики. Малогабаритні (ВТМ) та мікрогабаритні (МВТ) трансформатори використовують для схем авіаційної автоматики. Масштабні обертові трансформатори (МВТ) за своєю будовою відрізняються від звичайних синус-косинусних (СКВТ) стопорним пристроєм, який дозволяє зафіксувати ротор у заданому положенні. Для забезпечення високої точності поворотних трансформаторів (відхилення вихідної напруги від синусоїдного або косинусоїдного закону не пвинне перевищувати 0.5% від найбільшого значення напруги) застосовується низка технологічних та конструктивних заходів. Одним з таких заходів є зменшення амплітуд вищих гармонік у кривій залежності ефективного значення вторинної ЕРС від кута повороту ротора α. Для цього застосовують синусоїдно та трапецеїдально розподілені обмотки по колам статора й ротора. Синусоїдна обмотка, яка передбачає наявність секцій з різним числом витків, створює певні технологічні труднощі при її виготовленні. Тому найчастіше застосовується трапецеїдальна розподілена двошарова обмотка зі скороченим кроком при цьому на статорі застосовується скорочена на , а на роторі – ⅓ полюсної поділки. Число пазів статора й ротора вибирають за умов повного знищення 5-ї гармоніки обмотки стотора та 3-ї гармоніки – ротора.

Потужність, споживана обертовими трансформаторами, складає кілька вольт-ампер при напрузі 115В та частотах 50, 400÷2500 Гц.