Вращающиеся трансформаторы

Вращающиеся трансформаторы применяют в аналого-цифровых преобразователях типа "угол-фаза-код", в системах дистанционной пере­дачи угла повышенной точности, в качестве датчиков обратной связи по углу в следящих системах программного управления автоматами.

Конструкция вращающегося трансформатора. Вращающиеся (поворотные трансформаторы отличаются от статических тем, что конструктивна они выполнены как электрические машины. Пакеты статора и ротора набираются из ластов электротехнической стали или пермаллоя.

В пазах статора и ротора расположены обмотки вращаю­щегося трансформатора. Отношение чисел витков обмоток дает коэф­фициент трансформации: . Как правило, . Для улучше­ния формы кривых ЭДС обмоток ротора, то есть, наибольшего их при­ближения к синусоидальной и косинусоидальной зависимостям, обмотки ротора имеют укорочение шага на 1/3 часть полюсного деле­ния, а обмотки статора - на 1/5 часть полюсного деления, что устраня­ет 3 и 5 гармонические ЭДС. Для снижения зубцовых гармонических ЭДС пазы ротора имеют скос на одно зубцовое деление. Частота вы­ходного напряжения равна частоте напряжения возбуждения.

Вращающиеся трансформаторы выпускают в двух основных ис­полнениях: барабанном (двукполюсные) и дисковом (многополюсные, до ). Конструктивные схемы вращающихся трансформато­ров представлены в [5]. Вращающиеся трансформаторы выполняют бесконтактными (с числом оборотов ротора 2-3) и с контактными коль­цами. Бесконтактные вращающиеся трансформаторы, без ограничения числа оборотов, например, с электромагнитной развязкой разнополюс­ных обмоток, имеют более сложную конструкцию [12].

Вращающиеся трансформаторы предназначены для преобразо­вания угла поворота ротора в напряжения, пропорциональные функ­циям , и , или линейное относительно .

Синусно-косинусный вращающий­ся трансформатор. На статоре и роторе синусно-косинусного вращающегосятрансформатора (СКВТ) имеется по две обмотки, сдвинутые относительно друг друга на угол , рис,16.1.

Ilримем следующее обозначение обмоток:

- обмотка возбуждения,

- обмотка квадратурная,

- синусная обмотка,

- косинусная обмотка.

Отсчет угла поворота ротора про­водят от оси квадратурной обмотки до оси синусной обмотки против направ­ления вращения часовой стрелки. На обмотку возбуждения подается напряжение частотой 400 Гц и выше. Главная особенность СКВТ состоит в том, что при повороте ротора изменяется взаимная индуктивность между обмотками статора и ро­тора, а следовательно, и амплитуда ЭДС в обмотках ротора, наведениая пульсирующим потоком возбуждения, по синусоидальному (косинусоидальному) закону в функции угла поворота ротора . В синусной обмотке, , в косинусной обмотке .

В режиме холостого хода напряжение на зажимах обмоток рото­ра СКВТ будет строго соответствовать заданной форме. Предположим, что нагрузка включена в цепь синусной обмотки. При работе под на­грузкой по синусной обмотке протекает ток, создающий поток реак­ции якоря , который можно разложить по координатным осям ,.

Поток взаимодействует с обмоткой возбуждения и компенсирует­ся, как в обычном трансформаторе. Поток остается без компенса­ции и пульсируя наводит в обмотках ротора ЭДС самоиндукции, иска­жающую выходное пряжение, например

(16.1)

В этом выражении - коэффициент, зависящий от активных и индуктивных сопротивлений обмотки ротора и нагрузки [10]. Для ус­транения искажения выходного напряжения проводят симметрирова­ние СКВТ с первичной стороны (с помощью квадратурной обмотки) или с вторичной стороны (с помощью косинусной обмотки), рис. 16.2 и 16.3.

Первичное симметрирование. При первичном симметрировании для компенсации потока квадратурная обмотка замыкается на со­противление , рис. 16.2.

Продольный поток реакции якоря наводит в квадратурной обмотке трансформаторную ЭДС, под действием которой протекает ток, создающий поток статора , встречно направленный по отношению к . Результирующий поток по оси стремится к нулю. Сопротивле­ние, включаемое в цепь квадратурной обмотки, очень мало. Часто эту обмотку просто закорачивают. При первичном симметрировании вы­ходное напряжение синусной обмотки всегда равно

(16.2)

С целью повышения точности вращающегося трансформатора при работе на нагрузку за счет улучшения первичного симметрирова­ния применяются следующие методы [16]:

- в цепь обмотки возбуждения и в цепь квадратурной обмотки включаются конденсаторы одинаковой емкости, причем емкостное сопротивление конденсаторов примерно равно индуктивному сопро­тивлению квадратурной обмотки;

- квадратурная обмотка включается параллельно обмотке возбуж­дения к источнику питания.

Вторичное симметрирование. Потоки и взаимодейству­ют с обмоткой

возбуждения и компенсируются ее потоком. Поток компенсируется потоком , косинусной обмотки ротора, рис. 16.3.

Для полной компенсации потоков и необходимо выпол­нить равенство намагничивающих сил этих обмоток по оси :

(16.3)

Откуда

(16.4)

Компенсирующий ток в косинусной обмотке при изменении на­грузки синусной обмотки регулируется изменением . Очевидно, что при переменнои нагрузке вторичное симметрирование затруднено, поэтому предпочтение отдают первичному симметрированию. Наи­меньшее искажение выходных характеристик СКВТ достигается при совместном применении первичного и вторичного симметрирования.

Если нагрузка подключена к косинусной обмотке все процессы протекают аналогично. Уравнения установившегося режима СКВТ представлены в [5]. Вращающиеся трансформаторы изготавливаются пяти габаритов типа ВТ, ВТМ (малогабаритные), МВТ (микрогабарит­ные), см. табл. 30.3.

Многополюснье СКBТ. В системах автоматического регулирова­ния непрерывно возрастают требования к точности дистанционной передачи угла: допустимые погрешности во многих случаях не долж­ны превышать 0,005%, что составляет 3-10". Требуемую точность дос­тичь с помощью двухполюсных СКВТ практически невозможно из-за технологических отклонений: эксцентриситет, асимметрия магнитной цепи, погрешности в скосе пазов и т д. В этом отношении значитель­ные преимущества имеют двухканальные системы отсчета угла (см. 18.2) с применением в канале точного отсчета многополюсных СКВТ, в которых необходимая точность достигается за счет электро­магнитной редукции и за счет меньшей чувствительности к указан­ным вьште технологическкгм погрешностям. У многополюсных СКВТ все процессы протекают аналогично с двукполюсными, при этом

(16.5)

То есть, за один оборот ротора выходные напряжения проходят периодов. Число пар полюсов принято считать коэффициентом электрическои редукции.

Возможны различные варианты создания многополюсных СКВТ. в частности, сочетание многополюсных и двухполюсных СКВТ в одном магнитопроводе. Наиболее распространены многополюсные СКВТ с числом полюсов

2р = 6; 10; 12; 16; 32. Некоторые сведения о многополюсных СКВТ представлены в приложении, табл. 30.3.

Линейный вращающийся трансформатор. Рассмотрим линейный вращающийся трансформатор с первичным симметрированием, рис. 16.4.

Обмотка возбуждения соединена последовательно с косинусной обмоткой. Результирующая намагничивающая сила возбуждения, равная

наводит в синусной обмотке ротора ЭДС

Делим числитель и знаменатель на получаем

(16.6)

Расчеты показывают, что при =0,536 в диапазоне изменения угла от 0 до ±60° выходное напряжение (рис. 16.4, б) изменяется ли­нейно с погрешностью не более 0,06%. В действительности коэффи­циент трансформации с учетом параметров обмоток должен иметь не­сколько большее значение: 0,54-0,56.

Погрешности вращающихся трансформаторов. Погрешности вращающихся трансформаторов можно классифицировать следующим образом:

- -погрешности, определяемые принципом работы в заданном ре­жиме. У СКВТ – это отклонение выходного напряжения от зависимостей и , а у линейных ВТ - отклонение от линейной характеристики;

- погрешности, определяемые конструкцией. Они вызваны не­синусоидальностью распределения намагничивающих сил обмоток вдоль полюсного деления, искажением кривой индукции в воздушном зазоре машины пазами статора и ротора, нелинейностью кривой на­магничивания. Уменьшение этих погрешностей достигается примене­нием специальных "синусных" обмоток, скосом зубцов статора или ротора, ненасыщенным магнитопроводом из пермаллоя;

- погрешности, определяемые технологией изготовления враща­ющихся трансформаторов. К ним относятся погрешности за счет экс­центриситета расточек статора и ротора, асимметрии магнитопровода, ошибок при выполнении обмоток, неперпендикулярности вторич­ных обмоток;

- наличие остаточной ЭДС. Остаточная ЭДС появляется вслед­ствие электрической и магнитной асимметрии. Остаточная ЭДС не компенсируется, поэтому во вращающихся трансформаторах выход­ное напряжение не обращается в нуль в пределах оборота, а лишь

при­обретает некоторое минимальное значение. Остаточная ЭДС приво­дит к искажению фазы выходного напряжения при изменении угла поворота ротора;

погрешности, определяемые условиями эксплуатации. При из­менении температуры нагрева обмоток СКВТ изменяется их омическое сопротивление. Колебания частоты напряжения возбуждения вы­зывают изменение индуктивных сопротивлений обмоток. Изменение амплитуды напряжения возбуждения нелинейно сказывается на амп­литуде выходного напряжения. Несинусоидальность напряжения воз­буждения вызывает появление высших гармонических в кривой ЭДС выходной обмотки.

Наиболее полно анализ погрешностей СКВТ представлен в [5, 14]. Значения ряда параметров СКВТ представлены в табл. 30.3. Как элементы автоматики СКВТ характеризуются рядом величин, опреде­ляющих возможность их применения в той или иной схеме и точность работы. К этим величинам относятся: - номинальное напряжение возбуждения, - входное сопротивление холостого хода, частота сети, коэффициент трансформации, класс точности. По величине относи тельной амплитудной ошибки, выраженной в процентах, определяют ся классы точности СКВТ: 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,3.

Передаточная функция вращающегося трансформатора. Обычно считают, что измеритель рассогласования на вращающихся трансформаторах безынерционное звено и его передаточная функция состо­ит только из коэффициента передачи

(16.7)

Коэффициент передачи равен изменению величины выходного напряжения при повороте ротора СКВТ на один градус. Например, ВТ-5 имеет = 40 В, = 0,56, при = 1°, = 0,39 В. Тогда = = 0,39 В/град.