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 Коб.1 и Коб.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 Zk = Zист.
Если мощность источника велика (сеть бесконечной мощности) Zист =0, то обмотка C3-C4 замыкается накоротко. Сущность первичного симметрирования заключается в том, что разность поперечных потоков реакции якоря Фq (см. рис. 2.2) компенсируется потоком Фk, 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 Zб 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 Фк, которая складывается с ЭДС от первичного потока Ф1.
Можно показать, что для этой схемы выходная ЭДС равна
(3.14)
(3.15)
где Rт - магнитное сопротивление пути замыкания потока ротора.
Эта зависимость при тк =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.
