Лабораторная работа № 4

Исследование синусно-косинусных вращающихся

трансформаторов.

4.1 Цель работы

Целью лабораторной работы является изучение конструкции и принципа действия вращающихся трансформаторов; экспериментальное исследование характери­стик синусно-косинусных вращающихся трансформаторов.

4.2 Общие сведения

Вращающимися трансформаторами (ВТ) называются индукционные элек­трические микромашины, предназначенные для преобразования угла поворота ротора  в выходное напряжение, амплитуда которого находится в определен­ной функциональной зависимости от угла поворота ротора.

К достоинствам ВТ следует отнести высокую надежность и долговечность, возможность подключения к бортовым источникам питания, достаточно боль­шой по мощности выходной сигнал.

По своему функциональному назначению ВТ разделяются на следующие группы:

1. Синусно-косинусные (СКВТ), линейные (ЛВТ) и масштабные (МВТ) [9; 10].

2. ВТ для дистанционных передач (датчики и приемники - ВТДП) [9].

3. ВТ в качестве преобразователей координат для решения геометриче­ских и тригонометрических задач [10].

4. ВТ в качестве индукционного фазовращателя [9].

Для всех этих случаев может быть использован один и тот же тип ВТ при различном включении его обмоток.

Конструкции ВТ весьма разнообразны. ВТ классической конструкции явля­ются неявнополюсными микромашинами, имеющие равномерно распределен­ные пазы в статоре и роторе. Серийно выпускаемые ВТ изготавливаются в кор­пусном исполнении, причем токосъем осуществляется контактным (рис. 4.1.) или бесконтактным способом (рис. 4.2.).

Обычно на статоре и роторе размещаются по две обмотки, сдвинутые между собой на девяносто градусов. Первичные обмотки называются: одна - обмоткой возбуждения (), другая - квадратурной (К), а вторичные: синусной (в) и коси­нусной (а) (рис. 4.3.).

Конструкция ВТ должна обеспечивать синусоидальное изменение взаимной индуктивности между обмотками статора и ротора. Однако наличие зубцов статора обуславливает ступенчатое распределение М.Д.С. обмоток и, следовательно, неизбежно содержание в них высших гармоник. В следствии зубчатого строения статора и ротора периодически изменяется проводимость магнитной цепи ВТ, это вызывает появление зубцовых гармоник. Из-за нелинейности кривой намагничивания возникают гармоники насыщения. Все эти факты приводят к появлению погрешности в кривой зависимости ЭДС ротора от угла поворота.

Для повышения класса точности высшие гармоники по возможности уничтожают или ослабляют конструкторскими или технологическими методами.

Класс точности ВТ определяется относительной погрешностью U, выраженную в %, т.е. разностью ординат в любой точки действительной кривой. U=() и идеальной синусоидальной кривой U_i =(), отнесённое к амплитуде U_вых.

ВТ разделяют по классам точности на: нулевой (U = 0.05%); первый (U = 0.05 + 1%); второй (U = 0.1 + 0.25%); третий (U > 0.25%).

Принцип действия вращающихся трансформаторов рассмотрим на примере СКВТ (рис. 4.4.).

При подаче на обмотку возбуждения () СКВТ переменного напряжения U_в в воздушном зазоре возникает пульсирующий магнитный поток Ф_в, который, пронизывая вторичные обмотки, будет наводить в них ЭДС пропорционально синусу и косинусу угла поворота ротора:

Е_с = kU_в sin(); Е_к = kU_в cos() (4.1.)

где k - коэффициент трансформации.

Уравнения (4.1.) справедливы для режима холостого хода. При конечном со­противлении нагрузки одной из вторичных обмоток (например, синусной) поя­вится ток I_с, а следовательно и соответствующая намагничивающая сила, на­правляемая вдоль оси обмотки. Под действием этой намагничивающей силы образуется магнитный поток (реакция синусной обмотки). Если ось синусной обмотки не совпадает с осью обмотки возбуждения, то поток Ф_с можно разло­жить на продольную Ф_cd и поперечную Ф_cg составляющие:

Ф_cd = Ф_c sin(); Ф_cg = Ф_c cos() (4.2.)

Результирующий магнитный поток в воздушном зазоре создается за счет взаимодействия потоков обмотки возбуждения и синусной обмотки (рис. 4.4 б). Влияние продольной составляющей Ф_cd, как и в обычном трансформаторе, ком­пенсируется увеличением тока первичной обмотки I_в. Таким образом, суммар­ный поток по оси обмотки, как при холостом ходе, так и нагрузке остается неиз­менным, Ф_cd = const.

Поперечная составляющая Ф_cg ничем не компенсируется. И во вторичной обмотке индуктируется ЭДС, состоящая из ЭДС взаимоиндукции E_см и са­моиндукции Е_cl, причем E_cl пропорциональна cos²().

Таким образом, для нагруженного по схеме (рис. 4.4 а) ВТ ЭДС синусной обмотки не является функцией "sin" угла поворота:

Е_c ⁼ Е_см + E_cl (4.3.)

Следовательно, наличие поперечной составляющей Ф_cg искажает синусои­дальность формы Э.Д.С. Степень искажения зависит от величины соотношения сопротивлений намагничивания и нагрузки. Путем соответствующего выбора нагрузки квадратурной (первичное симметрирование) или косинусной (вторич­ное симметрирование) можно практически полностью устранить влияние Ф_cg, а следовательно и искажения.

При первичном симметрировании подбор сопротивлений осуществляется в квадратурной обмотке. В этом случае должно выполняться условие:

Z_ + Z_л + Z_ист = Z_к + Z_н (4.4.)

где Z_, Z_к - выходные сопротивления обмоток «К» и «»;

Z_л, Z_ист - сопротивления линий и источника питания;

Z_н - сопротивление нагрузки обмотки «К».

Так как практически Z_ = Z_к, Z_л = 0, Z_ист = 0, то условием первичного сим­метрирования является выполнение равенства Z_н = 0, т.е. необходимо обмотку «К» замкнуть накоротко (рис. 4.5.). Поток Ф_cg при этом компенсируется потоком Ф_к.

При вторичном симметрировании (рис. 4.6.) вторичные обмотки должны быть нагружены одинаково.

Для достижения наименьшего искажения выходных функциональных за­висимостей ВТ первичное и вторичное симметрирование практически всегда применяют совместно.

В лабораторной работе исследуются СКВТ и ВТ в качестве преобразовате­лей координат. Теория ВТ в этом режиме достаточно полно изложена в [10].