4.3.1 Поворотні (обертові) трансформатори

Поворотні (обертові) трансформатори - це електричні мікромашини змінного струму, які перетворюють кут повороту ротора відносно статора в електричний сигнал, пропорційний функціям цього кута. Залежно від закону зміни вихідного сигналу розрізняють синусний, косинусний, синусно-косинусний, лінійний різновиди поворотних трансформаторів.

У пристроях автоматики поворотні трансформатори застосовуються для розв’язування тригонометричних задач, перетворення координат, виконання операцій з векторними величинами, вимірювання кутів і розузгоджень та ін.

Будова поворотного трансформатора така сама, як і двофазного асинхронного двигуна з фазним ротором. На статорі і роторі розміщено по дві однакові однофазні обмотки, зсунуті у просторі на 90°. Магнітопровід виготовлений з шихтованої електротехнічної сталі. Поворотні трансформатори можуть працювати в режимі повороту ротора або режимі обертання. У першому випадку положення ротора задається поворотним механізмом.

Як приклад, розглянемо схему синусно-косинусного обертового трансформатора (рис. 4.3.1,а). Обмотка збудження W_з і компенсаційна обмотка W_к знаходяться на статорі, а синусна W_s та косинуса W_с обмотки - на роторі. Для зменшення кількості контактних кілець кінці двох обмоток ротора приєднують до загального кільця. Застосовується також струмознімання за допомогою спіральних пружин, які допускають поворот ротора до двох обертів. При роботі у режимі безперервного обертання для зменшення кількості ковзних контактів обмотку збудження і компенсаційну розміщують на роторі, а синусну і косинусну - на статорі. При цьому компенсаційну обмотку замикають накоротко.

Вхідна координата обертового трансформатора - кут повороту ротора , а вихідна - величина або фаза вихідної напруги. Відповідно до цього розрізняють амплітудний і фазовий режими роботи обертового трансформатора.

Рис. 4.3.1

При підключенні обмотки збудження до мережі живлення в машині виникає поздовжній магнітний потік збудження Ф_з, який пульсує з частотою мережі. Цей потік буде утворювати ЕРС у синусній та косинусній обмотках. Частота ЕРС дорівнює частоті мережі, а величина залежить від кута повороту ротора . У режимі холостого ходу ЕРС синусної і косинусної обмоток зв’язані з ЕРС обмотки збудження такими залежностями:

де К_тр ‑ коефіцієнт трансформації.

Якщо магнітний потік розподіляється в просторі синусоїдально, то і ЕРС в обмотках будуть синусоїдальними. При підключенні до синусної обмотки трансформатора опору навантаження Z_н, виникає намагнічуюча сила реакції ротора. Ця намагнічуюча сила створює магнітний потік реакції Ф_р, який можна розкласти на поздовжню та поперечну складові Ф_d і Ф_q (див. рис. 4.3.1,а). Поздовжна складова зменшує потік збудження. Відносно поперечної складової Ф_q синусна обмотка є косинусною. Тому додаткова ЕРС, яку утворює в обмотці поперечна складова потоку, спотворює форму вихідної напруги (див. рис. 4.3.1,б), що є небажаним.

Аналогічне явище спостерігається при навантаженні косинусної обмотки. Для усунення похибки, що зумовлена поперечною складовою реакції ротора Ф_q, застосовують компенсацію поперечного потоку або симетрування обертового трансформатора. Розрізнюють первинне, вторинне і повне симетрування.

Для роботи у фазовому режимі найбільш поширені схеми двофазного (рис. 4.3.2,а) та однофазного з параметричним зсувом фази (рис. 4.3.2,б) живлення обертових трансформаторів. У першій схемі на первинні обмотки подаються дві зсунуті по фазі на 90° напруги U_з1 та U_з2. У другій схемі вистачає однофазної напруги збудження, причому з’являється можливість виконати первинне симетрування. За таких умов у магнітному колі обертового трансформатора створюється обертове поле, яке наводить ЕРС в обмотках ротора. Фаза цих ЕРС лінійно залежить від кута повороту ротора , а частота визначається частотою напруги збудження.

а) б)

Рис. 4.3.2

Для схеми на рис. 4.3.2,а вторинне симетрування відбувається звичайним способом. Умови симетрування вторинних кіл для схеми на рис. 4.3.2,б такі:

де  ‑ кругова частота мережі; R, C ‑ додаткові опір і ємність; ‑ опори кіл синусної і косинусної обмоток.

При невеликих кутах повороту ротора з похибкою, яка не перевищує 0,1%, можна вважати, що і використовувати синусний трансформатор як лінійний, для якого U_вих = К_трЕ_з.

При більших межах змінювання кута  використовують функцію U_вих = К_трЕ_зsin/(1+cos).

У діапазоні змінювання  від -55° до +55° відхилення цієї функції від лінійної не перевищує 0,1%. Для реалізації цієї функції використовуються схеми, які показані на рис. 4.3.3,а,б.

Рис. 4.3.3

У схемі рис. 4.3.3,а застосовано первинне симетрування, у схемі рис. 4.3.3,б – вторинне, яке здійснюється компенсуючим резистором .

Схема датчика розузгодження на обертових трансформаторах складається з двох синусно-косинусних обертових трансформаторів. Ротор трансформатора-датчика з'єднується з механічним задатчиком положення, а ротор трансформатора-приймача - з виконавчим органом робочої машини. Синусні і косинусні обмотки трансформаторів з'єднуються між собою так, як показано на рис. 4.3.4. Обмотка збудження одного з трансформаторів підключається до мережі змінної напруги, з обмотки збудження іншого трансформатора знімається вихідний сигнал

U_вих = кU_зsin(_д - _п),

де к ‑ коефіцієнт пропорційності між напругою збудження і вихідною напругою при узгодженому положенні роторів; (_д - _п) - різниця кутів повороту роторів датчика і приймача.

Рис. 4.3.4

Вихідна напруга датчика розузгодження використовується в якості сигналу помилки в позиційних та слідкуючих електроприводах.

За значенням статичної похибки обертові трансформатори поділяються на чотири класи точності. Найбільш точні обертові трансформатори мають похибку, яка вимірюється одиницями кутових хвилин.