Краткие теоретические сведения. Вращающиеся трансформаторы (ВТ) - это индукционные электрические машины, у которых взаимная индуктивность между обмотками статора и ротора изменяется по

Вращающиеся трансформаторы (ВТ) - это индукционные электрические машины, у которых взаимная индуктивность между обмотками статора и ротора изменяется по закону синуса или косинуса угла поворота ротора.

Основными областями применения этих трансформаторов являются электрические счетно-решающие устройства, следящие системы и схемы разверток радиолокационных станций.

Вращающийся трансформатор представляет собой машину, конструктивно сходную с асинхрон­ными микромашинами с фазным ротором и контактными кольцами (рисунок 3.1).

Рассмотрим конструкцию вращающегося трансформатора. Пакеты статора 1 и ротора 2 набираются из листов электротехнической стали или пермаллоя и имеют пазы, в которые укладываются однофазные распределенные обмотки. Обычно ВТ имеет по паре сдвинутых относительно друг друга на 90 электрических градусов обмоток на статоре 3 и роторе 4.

Обычно обе статорные обмотки выполняются с одним и тем же числом витков. Точно так же одинаковыми выполняются и обе роторные обмотки.

Концы статорных обмоток присоединяются к неподвижным зажимам, а концы роторных обмоток присоединяются к контактным кольцам 5. Иногда, при ограниченном угле поворота, концы роторных обмоток соединяются с зажимами посредством латунных пружин.

С ограниченным углом поворота обычно выполняются мас­штабные ВТ, имеющие приспособления для фиксации в определенном поло­жении ротора.

Рисунок 3.1 Схема конструкции вращающегося трансформатора

1 – пакет статора; 2 – пакет ротора; 3 – обмотка статора;

4 – обмотка ротора; 5 – контактные кольца.

Рисунок 3.2 Схема синусно-косинусного вращающегося трансформатора

Принцип действия ВТ заключается в следующем. Если подвести к об­мотке статора С1-С2 однофазное переменное синусоидальное напряжение (рисунок 3.2), то:

. (3.1)

Тогда с роторной обмотки P1-P2 и P3-P4 можно снять напряжение, действующее значение которого изменяется соответственно закону синуса и косинуса угла поворота ротора:

(3.2)

Отсюда действующие значения напряжений равны:

(3.3)

где К₁ - обратная величина коэффициента трансформации, равная:

(3.4)

где К_об.1 и К_об.2 - обмоточные коэффициенты статорной и роторной обмоток.

Такой вращающийся трансформатор (ВТ) (рисунок 3.2) называется синусно-косинусным (СКВТ).

На рисунке 3.3 представлены кривые зависимости эффективного значения напряжения роторных обмотках от угла поворота ротора при холостом ходе (Z'н =∞ и Z"н =∞) и при нагрузке (Z'н и Z"н не равны ∞).

Рисунок 3.3 Кривые зависимости эффективного значения выходного

напряжения от угла поворота

При этом на рисунке показаны сплошной линией расчетные кривые, а прерывистой линией – реальные кривые.

При нагрузке по синусной и косинусной обмоткам ВТ будут протекать токи i₂' и i₂''. Эти токи создают магнитные потоки реакции якоря Ф₂' и Ф₂'' (рисунок 3.2).

Продольные составляющие этих потоков находятся по формулам:

(3.5)

В этом случае продольные составляющие будут компенсироваться увеличением первичного тока i₁ в обмотке статора. Следует отметить, что принцип компенсации продольной составляющей потока реакции якоря за счет увеличения первичного тока является общим для всех машин с индукционным (асинхронным) возбуждением: асинхронных двигателей с короткозамкнутым и полым ротором, ВТ, сельсинов и др. Это в корне отличает их от машин переменного тока с кондукционным возбуждением синхронных машин, машин постоянного тока и т.д.

Поперечные составляющие потоков находятся по формулам:

(3.6)

В этом случае поперечные составляющие направлены навстречу друг другу и в значительной мере компенсируются. Некомпенсированная часть этого пульсирующего потока находится по формуле:

. (3.7)

Она будет искажать поток первичной обмотки Ф₁. Результирующий поток маши­ны Ф будет отклоняться от продольной оси на угол γ, зависящий от величины нагрузки. Этим и объясняется погрешность в кривых выходного напряжения (рисунок 3.3).

Для устранения этой погрешности применяется вторичное симметриро­вание, заключающееся в соответствующем подборе Z'н и Z"н так, чтобы по­перечные потоки реакции якоря синусной и косинусной обмоток полностью компенсировались.

Для этого должны быть равными поперечные МДС, реакции якоря си­нусной и косинусной обмоток:

(3.8)

С учетом нижеприведенных формул, получим:

(3.9)

(3.10)

Отсюда вытекает соотношение:

. ' (3.11)

При полном вторичном симметрировании полное входное сопротивле­ние первичной обмотки Z'1 (а, следовательно, и потребляемый ток I'₁) не за­висит от угла поворота ротора α.

В самом деле, из формул (3.3) … (3.9), если пренебречь током холостого хода, получим следующее выражение для МДС, статорных и роторных обмоток по продольной оси:

(3.12)

Отсюда первичный потребляемый ток:

. (3.13)

Из выражения (3.13) видно, что I₁' не зависит от α.

Иногда по условиям работы нагрузки Z'_н и Z"_н заданы и их нельзя из­менить. При этом вторичное симметрирование является частичным, т.к. не выполняется условие (3.11).

В этом случае применяется первичное симметрирование. Оно заключа­ется в том, что статорная обмотка C1-C2, т.е. сопротивлению источника пита­ния Z_k = Z_ист.

Если мощность источника велика (сеть бесконечной мощности) Z_ист =0, то обмотка C3-C4 замыкается накоротко. Сущность первичного симметрирования заключается в том, что разность поперечных потоков реак­ции якоря Ф_q (см. рис. 2.2) компенсируется потоком Ф_k, созданным по зако­ну Ленца квадратурной обмоткой C3-C4.

Таким образом, при первичном симметрировании искажение магнитно потока устраняется, однако входной ток I'₁, в отличие от вторичного симметрирования, зависит от α.

К вращающимся трансформаторам предъявляются высокие требования в отношении точности воспроизведения синусоидального изменения выходного напряжения от угла поворота ротора (ΔU≤0,5%) и d специальных случаях (ΔU=0,5%). Такая точность ВТ обеспечивается одновременным вторичным и первичным симметрированием, а также соответствующими мерами конструктивного характера и тщательной технологией изготовления.

Помимо СКВТ используются линейные вращающиеся трансформаторы (ЛВТ), в которых эффективное значение вторичного выходного напряжения должно изменяться линейно от угла поворота ротора в некоторых пределах.

Рисунок 3.4 Схема ЛВТ Рисунок 3.5 Кривая зависимости

выходного напряжения ЛВТ

Балластное сопротивление в косинусной обмотке Z_б должно быть по­добрано так, чтобы трансформатор был полностью симметрирован со вто­ричной стороны. Поскольку квадратурная обмотка обтекается током, в вы­ходной обмотке индуцируется ЭДС взаимной индукции от пульсации потока Ф_к, которая складывается с ЭДС от первичного потока Ф₁.

Можно показать, что для этой схемы выходная ЭДС равна

(3.14)

(3.15)

где R_т - магнитное сопротивление пути замыкания потока ротора.

Эта зависимость при т_к =0,5…0,58 получается линейной с точностью до 1% при изменении угла α от 0 до 60º…65º (рисунок 3.5). При меньшем диапазоне изменения угла α можно получить большую точность.