ГЛАВА 5.ЭЛЕКТРОМАШИННЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНО-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ

§5.2.Вращающиеся (поворотные) трансформаторы

Вращающимися трансформаторами называют электрические микромашины переменного тока, предназначенные для преобразования угла поворота θ в напряжение, пропорциональное некоторым функциям угла (например, sin θ или cos θ) или самому углу поворота ротора.

Вращающиеся трансформаторы (ВТ) применяют в аналого-цифровых преобразователях «угол – амплитуда –код» и «угол – фаза – код» и в системах дистанционной передачи угла повышенной точности.

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);

2) линейные ВТ, у которых выходное напряжение пропорционально в ограниченном диапазоне углу поворота ротора (ЛВТ);

3) датчики и приемники трансформаторных дистанционных передач угла (ВТДП), выполняющие функции, аналогичные трансформаторным сельсинам;

Основным требованием, предъявляемым к вращающимся трансформаторам, является максимальная точность преобразования угла в напряжение по заданному функциональному закону. Большинство существующих ВТ рассчитано на номинальную частоту 400 Гц, но может работать в диапазоне частот до 4000 Гц.

Конструкция. Вращающиеся трансформаторы в основном являются двухполюсными машинами. Однако в аналого-цифровых преобразователях «угол – код» и системах дистанционной передачи угла повышенной точности применяют и многополюсные вращающиеся трансформаторы, которые будут рассмотрены далее.

Двухполюсные вращающиеся трансформаторы по конструкции и наличию скользящего контакта можно разделить на контактные и бесконтактные.

Магнитопроводы статора и ротора неявнополюсные и собираются из листов электротехнической стали или пермаллоя, изолированных друг от друга лаком.В пазах магнитопроводов статора и ротора размещают по две распределенные обмотки, сдвинутые между собой на 90°. Обмотки статора выполняют обычно одинаковыми, т.е. у них совпадает число витков, схема соединения витков и сечение обмоточного провода. Одинаковыми изготавливают и роторные обмотки . Пространственное расположение обмоток показано на рис. 5.2,б : В₁ – обмотка возбуждения, В₂ – квадратурная обмотка, С и К – синусная и косинусная обмотки. Возможны два варианта расположения обмоток: возбуждения и квадратурная (первичные) на статоре, синусная и косинусная (вторичные или выходные) на роторе; и наоборот. В дальнейшем при рассмотрении принципа работы и характеристик за основу принят первый вариант расположения обмоток.

Выводы статорных обмоток подводят непосредственно к соединительным панелям, выводы роторных обмоток вращающихся трансформаторов контактного типа выводят через токосъемное устройство: четыре контактных кольца и щетки .

В бесконтактных вращающихся трансформаторах напряжения с обмоток ротора можно снимать (подавать) с помощью переходных кольцевых трансформаторов. Длина бесконтактных вращающихся трансформаторов больше, чем контактных, в связи с необходимостью размещения переходных трансформаторов. Однако существенное повышение надежности окупает этот недостаток.

Конструкция вращающихся трансформаторов и технология их изготовления должны обеспечивать при повороте ротора изменение взаимоиндуктивности М между обмотками статора и ротора по закону, наиболее близкому к идеальной синусоиде. Допустимое отклонение от идеального закона во многих случаях не должно превышать 0,005 %.

В двухканальных аналого-цифровых преобразователях и системах дистанционной передачи угла повышенной точности наряду с двухполюсными ВТ применяются и многополюсные ВТ с числом пар полюсов р_м>>1.Это могут быть классические ВТ с многополюсной обмоткой на статоре и роторе, индукционные редуктосины – бесконтактные устройства с безобмоточным ротором, и поворотные индуктосины – устройства с дисковым ротором и печатной обмоткой.

Синусно-косинусные ВТ. Принцип действия. Принцип работы вращающихся трансформаторов рассмотрим на примере получения синусной функции угла поворота ротора.

В этом режиме (рис. 5.3) обмотка возбуждения В₁ присоединена к источнику переменного напряжения U₁. Выходная обмотка С подключена к внешней нагрузке, характеризуемой сопротивлением Z _нс =R_нс+jX_нс. Квадратурная обмотка В₂ и выходная обмотка К разомкнуты и не принимают никакого участия в работе ВТ (на рис.5.3 отсутствуют).

Взаимоиндуктивность М_с между обмотками В₁ и С изменяется от угла поворота ротора θ по закону

М_с= М_max sin θ, (5.2)

где М_max – максимальная взаимоиндуктивность, соответствующая совпадению осей В₁ и С.

Рис 5.3

Максимальная взаимоиндуктивность

М_max= Λw_1эфw_2эф, (5.3)

где Λ-магнитная проводимость, значение которой не зависит от угла поворота вследствие равномерности воздушного зазора; w_1эф, w_2эф- числа эффективных витков первичных и вторичных обмоток.

1. Работа ВТ при холостом ходе (Z_нс = ∞ I_с = 0). ЭДС Е_с обмотки С определяется только потоком взаимоиндукции между обмотками В₁ и С. Этот поток Ф_d называется продольным потоком и в режиме холостого хода равен потоку обмотки возбуждения Ф_в.Тогда E_с =К_e sinθ, (5.4)

   где Е_в1 – ЭДС обмотки возбуждения; К_е=w_2эф/w_1эф – коэффициент трансформации по ЭДС между обмотками В₁ и С.

   Как видно, ЭДС обмотки С при холостом ходе ВТ в рассматриваемой схеме является синусоидальной функцией угла поворота ротора θ.

2. Работа ВТ при нагрузке (Z_нс ≠ ∞ I_с ≠ 0). Продольный поток Ф_d создается совместным действием МДС обмоток возбуждения и синусной, т.е. равен сумме потока Фв и потока продольной реакции синусной обмотки Ф_dс. Однако размагничивающее действие Ф_dс компенсируется увеличением тока I_в1, и Ф_d примерно равен потоку в режиме холостого хода. Индуцируемая им в обмотке С ЭДС взаимоиндукции Е_сМ определяется, как и в случае холостого хода, выражением (5.4).

Однако ток I_с создает и поперечный поток Ф_qс, который не сцеплен с обмоткой возбуждения и, значит, не может быть скомпенсирован за счет увеличения тока в ней. Поток Ф_qс индуцирует в обмотке С ЭДС самоиндукции Е_сL.

Полная ЭДС, индуцируемая в обмотке С,

,(5.5)

В результате суммирования получаем

, (5.6)

где комплексный множитель

(5.7)

Из выражения (5.6) следует, что при нагрузке синусного ВТ происходит искажение синусоидального характера зависимости Е_с от угла θ (в знаменателе содержится в cos²θ), т.е. появляется погрешность отображения функциональной зависимости. Физически это искажение обусловлено появлением при нагрузке поперечного потока Ф_qс, т.е. поперечной реакцией выходной обмотки.

Рис 5.4

Погрешность отображения функциональной зависимости, вызванная поперечной реакцией, показана на рис.5.4, где кривая 1- идеальная синусоида, кривая 2- выходная характеристика ВТ по (5.6) при в ≠ 0, кривая 3 представляет собой зависимость погрешности ΔЕ_с от угла поворота ротора. Графически кривая 3 получается как разность кривых 1 и 2.

Аналогичным образом можно рассуждать и в том случае, когда рабочей выходной обмоткой является обмотка К, а обмотка С разомкнута. При этом взаимоиндуктивность между обмотками В₁ и К изменяется по закону М_к=М_maxcosθ, и машина превращается в косинусный ВТ, для которого ЭДС при холостом ходе

(5.8)

и при нагрузке

. (5.9)

Симметрирование ВТ. Поскольку выходное напряжение вращающихся трансформаторов должно строго подчиняться закону синуса или косинуса угла поворота ротора, то приходится прибегать к так называемому симметрированию, т.е. устранению погрешности от поперечной реакции выходных обмоток путем компенсации этой реакции.

При первичном симметрировании вращающегося трансформатора квадратурная обмотка В₂ замыкается на небольшое внешнее сопротивление,в большинстве случаев накоротко. Витки этой обмотки и обмотки С представляют собой трансформатор, первичной обмоткой которого является обмотка С, а вторичной – обмотка В₂. Размагничивающее действие обмотки В₂ по оси q настолько велико, что значение результирующего поперечного потока Ф_q стремится к нулю при любом значении сопротивления нагрузки Z_нс.

При вторичном симметрировании вращающегося трансформатора, обмотка С которого подключена к приемнику с входным сопротивлением Z_нс, включается соответствующее сопротивление Z_нк и в цепь второй выходной обмотки К. Токи I_с и I_к создают поперечные потоки Ф_qс и Ф_qк, направленные в противоположенные стороны, т.е. взаимно ослабляющие друг друга. Для полной компенсации поперечного потока (Ф_q=0) необходимо равенство поперечных потоков Ф_qс и Ф_qк ;это равенство справедливо только при Z_нс + Z_с= Z_нк + Z_к . При выполнении условия вторичного симметрирования ,в отличие от первичного,входное сопротивление вращающегося трансформатора не зависит от угла поворота ротора.

Итак, при выполнении условий симметрирования ЭДС выходных обмоток и при нагрузке будут изменяться строго по закону синуса и косинуса угла поворота ротора θ. Очевидно, по этому же закону будут изменяться и выходные напряжения; максимальное значение этих напряжений зависит от значения и характера нагрузочного сопротивления. Коэффициент трансформации ВТ по напряжению К_u, равный отношению наибольшего выходного напряжения к напряжению возбуждения, несколько отличается от отношения чисел витков К_e. Фаза выходного напряжения симметричного СКВТ отличается от фазы напряжения возбуждения U₁ на угол φ и дискретно меняется на 180° через 180° угла поворота ротора. При соблюдении условия симметрирования выходные напряжения на основании (5.4) и (5.8) можно записать в виде

,(5.10)

где коэффициент трансформации по напряжению в комплексной форме K_u= K_uе^jφ.

В многополюсных ВТ выражения (5.10) примут вид

. (5.11)

Погрешности и классы точности ВТ. Погрешности ВТ в зависимости от причины их возникновения могут быть принципиальные, конструктивные, технологические и эксплуатационные.

Класс точности вращающихся трансформаторов устанавливается для нормальных условий эксплуатации. При определении класса точности учитываются следующие показатели:

1. Погрешность отображения функциональной зависимости, т.е.

отклонение выходной характеристики от заданного функционального закона, применительно к СКВТ отклонение от законов синуса и косинуса. Определяется по отношению к наибольшей выходной ЭДС; у СКВТ различных классов погрешность допускается от 0.005 до 0,2 %.

2. Асимметрия нулевых положений ротора ВТ, под которой понимается отклонение действительных нулевых положений ротора от теоретических 0°, 90°, 180° и 270°; у СКВТ различных классов асимметрия допускается от 10″ до 6′ 40″.

3. Остаточная ЭДС, т.е. ЭДС в выходных обмотках при нулевых положениях ротора. Она сдвинута по фазе относительно полезного выходного сигнала на 90° и определяется по отношению к наибольшей выходной ЭДС; у СКВТ различных классов допускается от 0,03 до 0,1 %.

4. Разность коэффициентов трансформации выходных обмоток, определяемая по отношению к наибольшему из этих коэффициентов; у СКВТ различных классов допускается от 0,005 до 0,2 %.

Класс точности устанавливается по наихудшему из параметров.

В заключении следует отметить, что в данном разделе были рассмотрены только статические характеристики ВТ, поскольку в динамическом отношении в подавляющем большинстве случаев их можно считать усилительными звеньями.