6. ПОВОРОТНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ

§ 6.1 Общие положения

Поворотными (вращающимися) трансформаторами называются небольшие индукционные машины, преобразующие угол поворота ротора в напряжение, пропорциональное либо самому углу, либо его функции.

Различают: 1) синусно-косинусные поворотные трансформаторы (СКПТ), которые выдают два напряжения, изменяющиеся по гармоническому закону U_s= U_msina и U_c = U_mcosa; 2)линейные поворотные трансформаторы (ЛПТ), выходное напряжение которых изменяется по закону U = ka.

Рис.6.1. Условная схема поворотного трансформатора

Поворотные трансформаторы (ПТ) состоят из статора и ротора, в пазах которых уложено по две взаимно перпендикулярных обмотки (рис.6.1). Одну из статорных обмоток называют обмоткой возбуждения- В, другую - компенсационной- К. Обмотки ротора носят названия синусной - S и косинусной- C. Параметры статорных обмоток полностью идентичны друг другу. Тоже самое справедливо и для роторных обмоток.

ПТ относятся к электрическим машинам высокой точности. Достаточно сказать, что изменение взаимной индуктивности между статором и ротором должно отличаться от гармонического закона не более чем на 0,05%.

Потребляемая поворотными трансформаторами мощность составляет несколько вольт-ампер при напряжении до 115 В и частоте 50, 400 и 2500 Гц.

§ 6.2. Синусно-косинусные поворотные трансформаторы.

Для начала рассмотрим работу СКПТ в режиме холостого хода. (Z_н =µ).

Рис.6.2. Схема включения СКПТ в режиме холостого хода

При питании обмотки возбуждения переменным током возникает пульсирующий магнитный поток возбуждения Ф_в, который индуцирует в обмотках ротора ЭДС. Поскольку взаимная индуктивность между статором и ротором является гармонической функцией угла поворота, можно утверждать, что эти ЭДС будут: E_c = E_mcosa и E_s = E_mcos(a - 90⁰) = E_msina, где Е_m= 4,44fW₂k_о2Ф_вm -наибольшее значение ЭДС роторной обмотки при совпадении ее оси с осью обмотки возбуждения. Поток Ф_в и в самой обмотке возбуждения индуцирует ЭДС Е_в = 4,44fW₁k_о1Ф_вm. Взяв отношения ЭДС, получим значения коэффициентов трансформации:

k_s= E_s/E_в = k_msina k_c = E_c/E_в = k_mcosa,

где k_m = W₂k_o2/W₁k_o1.

С использованием этого понятия

т.е. в режиме холостого хода ЭДС СКПТ являются гармоническими функциями угла поворота ротора.

Рис.6.2. Схема включения СКПТ в режиме нагрузки а) и диаграмма потов б)

При подключении к синусной обмотке нагрузки Z_sн по обмотке потечет ток

где Е_s- ЭДС синусной обмотки при нагрузке. Возникнет поток синусной обмотки Ф_s, ось которого совпадает с осью синусной обмотки (рис.6.2). Разложим его на продольную Ф_sd и поперечную Ф_sq составляющие: Ф_sd = Ф_ssina и Ф_sq= Ф_scosa.

Продольная составляющая пытается размагнитить СКПТ, но ее действие компенсируется увеличением тока возбуждения.

Поэтому в первом приближении можно считать, чтопоток возбуждения и в режиме холостого хода и в режиме нагрузки остается примерно одинаковым Ф_во~ Ф_вн. Он наведет в синусной обмотке ЭДС взаимной индуктивности, практически равную ЭДС при холостом ходе

Поперечный поток Ф_sq является потоком самоиндукции, который тоже индуцирует ЭДС

где I_sq= I_scosa и x_sq= x_scosa - составляющие тока и индуктивного сопротивления обмотки по оси q. Подставляя значение тока I_s, получим

Тогда полное значение ЭДС синусной обмотки при нагрузке

Решив это уравнение относительно E_s, получим

Здесь - комплексныйкоэффициент, зависящий от параметров нагрузки и синусной обмотки ротора.

Если бы нагрузку подключили к косинусной обмотке, получили бы

Здесь - комплексныйкоэффициент, зависящий от параметров нагрузки и косинусной обмотки ротора.

Рис.6.3. Зависимости выходного напряжения СКПТ при холостом ходе (1), нагрузке (2) и амплитудной погрешности от угла поворота ротора

Из (6.1) и (6.2) видно, что при нагрузке выходные ЭДС СКПТ уже не являются гармоническими функциями угла поворота ротора. Возникают погрешности, относительные значения которых:DU_s= (E_so- E_s)/E_so.max и DU_c = (E_co - Ec)/E_co.max.

Поскольку коэффициенты а и b комплексные числа, можно говорить об амплитудной и фазовой погрешностях.

На рис. 6.3 показаны зависимости ЭДС синусной обмотки при холостом ходе (кривая 1), при нагрузке (кривая 2) и амплитудной погрешности (кривая 3) в функции угла поворота ротора.

§ 6.3 Симметрирование синусно-косинусных поворотных трансформаторов.

С целью устранения искажающего действия поперечного потока Ф_q, осуществляют так называемое симметрирование поворотного трансформатора. Оно может быть первичным и вторичным.

Первичное симметрирование выполняется со стороны статора и заключается в замыкании компенсационной обмотки на какое-то сопротивление или накоротко (рис. 6.4). Условием первичного симметрирования является равенство (симметрия) полных сопротивлений цепи обмотки возбуждения и цепи компенсационной обмотки: Z_ис+ Z_в= Z_к + Z_кн, где Z_ис - сопротивление источника. Поскольку Z_в= Z_к, условие симметрии выливается в равенство Z_ис= Z_кн. Если принять, что внутренне сопротивление мощного источника равно нулю Z_ис = 0, то и Z_кн= 0, т.е. первичное симметрирование сводится к замыканию компенсационной обмотки накоротко.

Сущность первичного симметрирования состоит в том, что поперечный поток Ф_sq, пульсируя по оси компенсационной обмотки, индуцирует в ней ЭДС и ток, который создает магнитный поток Ф_к, направленный встречно потоку Ф_sq (рис.6.4,б). В результате поток Ф_sqи его искажающее действие в значительной мере уменьшаются.

Рис.6.4. К вопросу о первичном симметрировании СКПТ

Достоинством первичного симметрирование является то, что при изменении нагрузки автоматически изменяется величина потока Ф_к, вследствие чего степень компенсации потока Ф_sq остается практически постоянной.

Недостатком первичного симметрирования служит зависимость тока возбуждения СКПТ от угла поворота ротора

Вторичное симметрирование выполняется со стороны ротора в том случае, когда нагрузка подключается только к одной обмотке, например к синусной. Оно заключается в замыкании второй роторной обмотки на сопротивление Z_нс (рис.6.5,а). Его сущность состоит в том, что поперечные составляющие потоков Ф_sq и Ф_cq всегда направлены встречно и при правильном выборе Z_нс в значительной мере ослабляют друг друга (рис.6.5,б).

При выполнении вторичного симметрирования F_sq= F_cq или

Выразим токи роторных обмоток через ЭДС и сопротивления

При отсутствии поперечных потоков, учитывая W_sk_o = W_ck_o

Из этого уравнения следует, что для осуществления вторичного симметрирования необходимо, чтобы симметрирующее сопротивление Z_сн было равно сопротивлению нагрузки Z_sн.

Рис.6.5. К вопросу о вторичном симметрировании СКПТ

Недостаток вторичного симметрирования заключается в том, что оно практически выполнимо только при постоянной нагрузке. Достоинством служит независимость тока возбуждения от угла поворота ротора

Здесь Z₂и Z_2н - сопротивление роторной обмотки и сопротивление нагрузки, поскольку Z_s = Z_c и Z_sн= Z_сн.

На практике, там, где это возможно, выполняют одновременно и первичное и вторичное симметрирование СКПТ (рис.6.6), добиваясь почти полного уничтожения искажающего действия поперечного потока ротора.

Рис.6.6. Первичное и вторичное симметрирование СКПТ

Далее...