1081
.pdfВ настоящее время речь идет о погрешностях функционирования, исчисляемых угловыми минутами, а во многих случаях – угловыми секундами в диапазоне углов поворота контролируемого объекта 360 .
Это и определяет два направления развития электромашинных датчиков угла – увеличение числа пар полюсов датчиков при неизменных габаритах, что уменьшает собственную погрешность датчиков, и разработка новых компенсационных схем включения датчиков, позволяющих исключить влияние ряда внешних и внутренних факторов, снижающих точность функционирования.
Следует отметить, что количество существующих модификаций датчиков весьма велико. Это объясняется, с одной стороны, многообразием специфических условий их эксплуатации, а с другой, – низким по сравнению с иными элементами автоматики уровнем их унификации и стандартизации. Поэтому из-за ограниченного объема пособия в нем не дана всеобъемлющая информация о параметрах, характеристиках и способах применения рассматриваемых датчиков, а приведены справочные данные лишь по наиболее перспективным и широко используемым разработкам и указаны области возможного применения.
10.1.1. Вращающиеся трансформаторы
Вращающиеся трансформаторы (ВТ) классической конструкции являются, за небольшим исключением, неявнополюсными электрическими машинами. На статоре и роторе такого трансформатора, собранных из листов электротехнической стали или пермаллоя, имеются равномерно распределенные пазы, в которых размещаются, как правило, по две одинаковые взаимно перпендикулярные обмотки. Оси МДС каждой пары обмоток сдвинуты в пространстве на угол 90 /р, где р – число пар полюсов ВТ, т.е. на электрический угол 90 . Выходное напряжение вращающегося трансформатора является функцией входного напряжения и угла поворота ротора. При этом зависимость выходного напряжения от входного линейная, а от угла по-
351
ворота ротора зависимость может быть как линейной, так и синусной или косинусной.
Первичные обмотки обычно называются: одна – обмоткой возбуждения, другая – квадратурной обмоткой, а вторичные – синусной и косинусной. Однако такие названия весьма условны, например, возбуждение может подаваться на обе первичные обмотки, одна из обмоток может вообще отсутствовать и т.п. Тем не менее в дальнейшем используются общепринятые терминология и система индексов, указывающих на принадлежность какого-либо параметра ВТ к одной из его обмоток: f – возбуждения, k – квадратурная, а – косинусная, b – синусная.
Большая часть серийно выпускаемых ВТ изготовляется в корпусном исполнении (рис. 10.1). Токосъем (токоподвод) осуществляется контактным (с помощью контактных колец и щеток) или бесконтактным (с помощью кольцевых трансформаторов или спиральных пружин) способом. Созданы и двухотсчетные ВТ совмещенной конструкции, у которых в одном корпусе на общем валу расположены два ВТ – двухполюсный и многополюсный.
В системах автоматического управления, к которым предъявляются повышенные требования по точности функционирования, получили распространение плоские бескорпусные многополюсные ВТ (рис. 10.2), выполняемые в виде отдельных сборок статора и ротора.
Эта конструкция обеспечивает удобство компоновки самых различных приборов, в которых используются ВТ, но одновременно предъявляет очень жесткие требования к точности установки статора и ротора в корпус прибора. В связи с этим представляет интерес конструктивная схема плоского ВТ с подшипниками, приведенная на рис. 10.3.
Используются в различных областях автоматики и бескорпусные двухотсчетные ВТ, у которых двухполюсные и многополюсные обмотки расположены на общем магнитопроводе. Их несомненным достоинством являются малые габариты, однако в этом случае очень сложно устранить наведение в обмотке точного отсчета ЭДС от электромагнитного поля грубого отсчета, приводящее к снижению точности преобразователя.
352
Рис. 10.1. Конструктивная схема контактного (а)
и бесконтактного (б) ВТ: 1 – корпус: 2 – статор; 3 – ротор; 4 – контактные кольца со щетками; 5 – крышки
с подшипниками; 6 – вал; 7 – кольцевой трансформатор
Рис. 10.2. Плоский |
Рис. 10.3. Плоский ВТ |
бескорпусиый ВТ |
с подшипииковым узлом |
353
Из различных режимов ВТ главными являются синусно-коси- нусный (СКВТ), линейный (ЛВТ), преобразователь координат (ПК), индукционный фазовращатель (ФВ), датчик и приемник дистанционной передачи (ВТД) и (ВТП).
10.1.1.1. Режим СКВТ
Схема включения ВТ в режиме СКВТ приведена на рис. 10.4. Одна из первичных обмоток (обмотка возбуждения) подключена
к источнику переменного напряжения Uf, вторая первичная обмотка (квадратурная) замкнута на симметрирующий резистор, а вторичные обмотки – на сопротивления нагрузок.
Анализ токов, протекающих по обмоткам двухполюсного ВТ, показывает, что выходные напряжения ВТ изменяются по косинусоидальному и синусоидальному законам от угла поворота ротора при выполнении одного из условий: Zf =Zk (первичное симметрирование) или Zа = Zb (вторичное симметрирование), где Zf и Zk – сопротивления контуров обмоток возбуждения и квадратурной, включающие сопротивления источника питания и симметрирующее сопротивление; Za, Zb – сопротивления контуров вторичных обмоток, включая сопротивления нагрузок Zнга и Zнгb; Хm – индук-
тивное сопротивление взаимной индукции первичных и вторичных обмоток; n – коэффициент трансформации, равный отношению чисел эффективных витков вторичных и первичных обмоток; α – угол поворота ротора ВТ, отсчитываемый от положения, при котором совпадают оси обмоток f и а.
Важнейшей характеристикой ВТ является точность выполняемых им функциональных преобразований. В режиме СКВТ класс точности датчика угла определяется по следующим параметрам: погрешности отображения синусной (косинусной) зави-
354
симости; асимметрии нулевых точек; ЭДС квадратурной обмотки; остаточной ЭДС; разности коэффициентов трансформации.
Под погрешностью отображения синусной (косинусной) зависимости понимается отношение отклонения изменения выходного напряжения в функции угла поворота ротора от синусоидального (косинусоидального) закона к максимальному выходному напряжению и выражается в процентах:
ε % = 100 ∆Uвыx / Uвых max,
где ∆Uвыx – отклонение выходного напряжения от расчетного; Uвых max – максимальное выходное напряжение. ∆Uвыx вычисляется как полусумма абсолютных значений максимальной положительной и максимальной отрицательной погрешностей.
Асимметрию нулевых точек определяют при питании ВТ со стороны каждой из первичных обмоток. Асимметрия нулевых точек оценивается полусуммой абсолютных значений максимального положительного и максимального отрицательного отклонений ротора от углов, кратных 90 , когда ЭДС вторичных обмоток минимальны (Еост).
ЭДС квадратурной обмотки (Еk) определяется на основной гармонике питающего напряжения при подаче на обмотку возбуждения номинального напряжения Uf и выражается в процентах:
Еk % = 100 Еk / Uf.
Остаточная ЭДС в нулевых точках определяется также по основной гармонике в процентах максимального значения выходного напряжения:
Еост % = 100 Еост/ Uвых max.
Разность коэффициентов трансформации, определяемая неидентичностью синусной и косинусной обмоток, вычисляется по формуле
∆n % = 100 (nmax – nmin) / nmax,
где nmax, nmin – соответственно больший и меньший коэффициент трансформации между обмоткой возбуждения и вторичными обмотками.
Деление СКВТ по классам точности приведено в табл. 10.1.
355
Т а б л и ц а 1 0 . 1
Классы точности СКВТ
Параметр |
|
|
Класс точности |
|
|
||
0,005 |
0,01 |
|
0,02 |
0,05 |
0,1 |
0,2 |
|
|
|
||||||
ε, % |
±0,005 |
±0,01 |
|
±0,02 |
±0,05 |
±0,1 |
± 0,2 |
Асимметрия нулевых точек |
±10 |
±20 |
|
±40 |
±100 |
±200 |
±400 |
∆α0, угл. с |
|
|
|
|
|
|
|
Ek, %, не более |
0,04 |
0,08 |
|
0,12 |
0,3 |
0,6 |
1,2 |
Eост, %, не более |
0,003 |
0,006 |
|
0,01 |
0,025 |
0,05 |
0,1 |
∆n, %, не более |
0,005 |
0,01 |
|
0,02 |
0,05 |
0,1 |
0,2 |
В режиме CKBT используются главным образом двухполюсные датчики. Точностные и массогабаритные показатели различных типов СКВТ приведены в табл. 10.2, где Dн – наружный диаметр корпуса; m – масса.
Т а б л и ц а 1 0 . 2
Синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы
Тип СКВТ |
ε, % |
∆ 0, угл. |
Ek, % |
Eост, % |
∆n, % |
Dн, мм |
m, кг |
|
|
мин |
|
|
, |
|
|
ВТ-3А |
±0,06 |
±1,5 |
0,365 |
– |
– |
45 |
0,5 |
5БВ Т |
±0,02 |
±0,67 |
– |
0,02 |
0,02 |
50 |
0,81 |
В Т-5 |
±0,02 |
±0,5 |
0,125 |
0,015 |
0,02 |
50 |
0,68 |
ВТМ-Б |
±0,06 |
±2 |
– |
0,33 |
0,08 |
56 |
0,68 |
|
|
|
|
|
|
|
|
ВТ-2А |
±0,06 |
±1,5 |
0,365 |
– |
– |
70 |
2,08 |
|
|
|
|
|
|
|
|
МВТ-2 |
±0,02 |
±1 |
– |
0,05 |
0,031 |
38 |
0.35 |
МВТ-Б |
±0,2 |
±6 |
– |
0,08 |
0,165 |
35 |
0,22 |
2,5МВТ |
±0,05 |
±1,67 |
0,6 |
0,05 |
0,05 |
25 |
0,12 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2,6БВТ-2, С |
±0,1 |
±3,3 |
1,2 |
0,1 |
0,1 |
25 |
– |
|
|
|
|
|
|
|
|
10.1.1.2. Режим ЛВТ
Схемы включения ВТ в этом режиме приведены на рис. 10.5. Линейность выходного напряжения ВТ в функции угла поворота достигается при определенных условиях симметрирования и коэффициенте трансформации. Если удается обеспечить пропорциональ-
356
ность напряжения на нагрузке функции sin / (1+0,536cos ), то в диапазоне изменения угла от – 60 до +60 эта функция не будет отличаться от линейной более чем на 0,06 %.
Рис. 10.5. Электрическая схема ЛВТ:
а – с первичной симметрией; б – со вторичной симметрией
На практике наибольшее распространение получила схема с первичным симметрированием.
При этом для упрощения симметрирующий резистор в цепь квадратурной обмотки не включают, а замыкают ее накоротко. Исследования показывают, что в этом случае оптимальное значение коэффициента трансформации ВТ лежит в пределах n = 0,56÷0,68.
Классификация ЛВТ производится по погрешности отображения линейной зависимости и остаточной ЭДС. Под погрешностью отображения линейной зависимости (εл) понимается отклонение изменения выходного напряжения в функции угла поворота ротора от прямой линии. Она равна полусумме абсолютных значений максимальных положительной и отрицательной погрешностей в диапазоне углов от минус 60 до плюс 60 и выражается в процентах:
εл % = 100 ∆Uвыx / Uвых max.
357