ПОВОРОТНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ*
Общие сведения, классификация
Поворотные трансформаторы (ПТ) применяются в схемах автоматики и счетно-решающих устройствах в тех случаях, когда на их выходе нужно получить напряжение, пропорциональное некоторым функциям угла поворота ротора а (sina или cos а), а также самому углу а. Соответственно этому различают режимы работы ПТ: синусно-косинусный поворотный трансформатор (СКПТ) и линейный поворотный трансформатор (ЛПТ).
Рис. 355. Схема синусного поворотного трансформатора.
* Поворотные трансформаторы называются также вращающимися.
Поворотный трансформатор также используется как построитель (ПТП) для определения вектора в прямоугольной системе координат по его составляющим.
Поворотные трансформаторы представляют собой индукционные машины, конструктивно схожие с маломощными асинхронными машинами с фазным ротором и контактными кольцами. В пазах статора и ротора размещено по две распределенных обмотки, сдвинутых относительно друг друга на 90° эл. (рис. 355): на статоре главная обмотка С1С2, являющаяся обмоткой возбуждения, и вспомогательная обмотка С3С4, называемая квадратурной; на роторе две вторичные обмотки — синусная Р1Р2 и косинусная Р3Р4. Угол поворота ротора принято отсчитывать от оси вспомогательной обмотки С3С4 до оси синусной обмотки ротора Р1Р2. Обе обмотки статора обычно выполнены одинаковыми: с одним и тем же числом витков, одним сечением провода, одинаковой схемой соединения секций. Одинаковыми выполняются и роторные обмотки.
Статор и ротор собирают из листов электротехнической стали или пермаллоя — материала с малым магнитным сопротивлением. Поворотные трансформаторы с магнитопроводом из пермаллоя целесообразно применять в случае, когда на ПТ подается меняющееся по эффективному значению напряжение (это зависит от размещения поворотного трансформатора в схемах автоматики). Малое по сравнению с магнитным сопротивлением воздушного зазора магнитное сопротивление магнитопровода из пермаллоя практически исключает влияние различной степени насыщения при изменении напряжения на параметры машины. Таким образом предотвращается ошибка, связанная с изменением параметров поворотного трансформатора при его работе.
При повороте ротора поворотного трансформатора взаимная индуктивность между обмотками статора и ротора должна с высокой точностью изменяться по синусоидальному закону в зависимости от угла этого поворота. Тогда э.д.с. взаимоиндукции, индуктируемые во вторичных обмотках, будут получаться синусоидальными, что необходимо для поворотного трансформатора. Отклонение от этого закона определяет ошибку поворотного трансформатора, во многих случаях это отклонение не должно превышать 0,05%.
Конструкция и технология изготовления поворотного трансформатора всецело подчинены выполнению требуемого условия изменения взаимоиндуктивности между обмотками статора и ротора. С этой целью несколько увеличен воздушный зазор между статором и ротором, уменьшено насыщение магнитопровода, выполнение обмотки предусматривает уменьшение пространственных гармонических н.с., применен скос пазов статора (или ротора), пакеты статора и ротора собраны веерным способом для обеспечения равенства магнитных проводимостей по осям машины.
Синусно-косинусный поворотный трансформатор
Обмотка возбуждения статора C1C2 подключена к сети переменного тока. Сеть может быть как нормальной частоты f = 50 гц, так и повышенной 400- 1000 гц.
Ограничимся выяснением физических принципов работы поворотных трансформаторов и для упрощения ни здесь, ни в дальнейшем не будем учитывать собственные параметры обмоток (активные сопротивления и индуктивные сопротивления рассеяния).
Поскольку в поворотных трансформаторах, работающих в режиме СКПТ, выходное напряжение должно изменяться но закону синуса или
косинуса от угла поворота ротора, необходимо устранить поперечный магнитный поток Ф. Это можно сделать путем соответствующей нагрузки второй роторной обмотки, косинусной (так называемое вторичное симметрирование) или замыкания вспомогательной обмотки статора, квадратурной, на небольшое внешнее сопротивление (первичное симметрирование).
Вторичное симметрирование. К косинусной обмотке ротора Р3Р4, остававшейся разомкнутой, подключают сопротивление нагрузки ZHагр2 (на рис. 355 эта часть схемы показана пунктиром). Ток косинусной обмотки 2 создает н.с. Fр2 по оси этой обмотки, ее продольная составляющая Fр2cosa аналогично продольной составляющей синусной обмотки Fpi sin а действует размагничивающе, увеличивая ток обмотки возбуждения статора. Поперечная составляющая н.с. косинусной обмотки Fp2sin а направлена навстречу поперечной составляющей н.с. синусной обмотки Fp1 cos а; сопротивление нагрузки Zнагp2 подбирают так, чтобы обе эти н.с. были равны. Тогда поперечный поток в поворотном трансформаторе будет практически отсутствовать.
Первичное симметрирование. Косинусная обмотка ротора Р3Р4 остается разомкнутой, но вспомогательную обмотку статора (квадратурная) С3С4 замыкают или на небольшое сопротивление, или накоротко (последнее относится к случаю, когда поворотный трансформатор присоединен к сети с неизменным напряжением). На рисунке 355 замыкание обмотки С3С4 не показано. Поперечный поток, созданный синусной обмоткой ротора Р1Р2, будучи направлен по оси вспомогательной обмотки С3С4, индуктирует в ней э.д.с., и возникающий ток по закону Ленца своим действием ослабляет поперечный поток обмотки ротора. Практически поперечный поток в поворотном трансформаторе будет близок к нулю.
Поворотный трансформатор-построитель
Поворотный трансформатор-построитель используется для определения значения вектора по его составляющим в прямоугольной системе координат или же для решения обратной задачи разложения вектора на его составляющие. Электрическая схема поворотного трансформатора-построителя, решающего прямую задачу, дана на рисунке 358. Обмотки статора — возбуждения С1С2 и квадратурная С3С4 присоединены к сети через потенциометры. Синусная обмотка ротора Р1Р2 включена на прибор, который может быть отградуирован в линейных мерах. Косинусная обмотка ротора Р2Р4 питает обмотку управления асинхронного конденсаторного исполнительного двигателя.
К обмоткам статора С1С2 и С3С4 подводятся напряжения, пропорциональные составляющим вектора ах и ау по осям координат Uc1=ax и ис2 = ау. Н. с. этих обмоток создадут пульсирующие по осям обмоток С1С2 и С3С4 потоки Фс1 и ФС2, которые при отсутствии насыщения будут пропорциональны напряжениям Uc1 и Uc2 (рис. 358). При геометрическом сложении этих потоков возникнет результирующий магнитный поток Ф, расположенный в пространстве относительно обмоток С1С2 и С3С4 под теми же углами, что и искомый вектор. Величины потоков Фс1, Фс2 и Ф будут пропорциональны составляющим векторов ах, ау и вектору а.
Рис. 358. Схема поворотного трансформатора-построителя.
Результирующий магнитный поток Ф наведет в обмотках ротора э.д.с. Ер1 и Ер2. Э.д.с. косинусной обмотки Ер2 создаст на зажимах обмотки управления исполнительного двигателя напряжение (сигнал), ротор исполнительного двигателя начнет вращаться и повернет ротор трансформатора построителя, с которым он связан механически. Э.д.с. синусной обмотки ротора Ер, создаст на зажимах прибора напряжение Up1.
При повороте ротора э.д.с. его обмоток Ер1 и Ер2 будут изменяться по значению в соответствии с положением в пространстве осей этих обмоток относительно оси результирующего магнитного потока Ф. Когда ось косинусной обмотки ротора Р3Р4 станет перпендикулярна оси магнитного потока Ф, э.д.с. этой обмотки станет равной нулю, и ротор исполнительного двигателя остановится. При этом ось синусной обмотки ротора Р1Р2 совпадет с осью результирующего магнитного потока Ф, и прибор покажет максимально возможное напряжение UpU которое будет пропорционально модулю вектора а.
Более сложные схемы трансформаторов-построителей, а также работа поворотных трансформаторов в режиме вращения рассматриваются в литературе по микромашинам.
