Принцип действия и область применения вращающегося трансформатора, достоинства и недостатки

Ключевое назначение вращающегося (также можно встретить термин «поворотный») трансформатора –  достижение конкретных изменяющихся величин переменного тока при учете вращения роторного угла. В общем понимании – способствуют нахождению математических и геометрических решений. Это микромашина – электрическая, действующая по принципу индукции с малой мощностью.

Конструкция и принцип действия поворотного трансформатора

Работа ВТ возможна благодаря двум составным элементам:

• неподвижный – статор;
• вращающийся – ротор.

Каждая часть состоит из стальных обособленных друг от друга пластин с повышенными электромагнитными свойствами (электротехнические сплавы). В пазах устанавливаются катушки (так называемые обмотки) для создания магнитного поля. Пространственный сдвиг – 90 угловых градусов по отношению друг другу.

Крепление концов обмоток статора осуществляется непосредственно к неподвижным клеммам. В свою очередь концы, проходящие на роторе, прежде крепятся на токосъемные щетки и  потом на сами клеммы. Альтернатива – кольцевые токосъемники. Допускается использование гибких проводников для соединения клемм и обмоток вращающейся части при ограниченном вращении угла.

Двухполюсные трансформаторы в настоящее время больше распространены, чем многополюсные. Вторую интерпретацию механизма можно встретить в устройствах синхронной связи систем точного счета или в схемах с малым углом поворота. В основном они имеют плоский внешний вид, большой диаметр – для увеличения количества полюсов.

Принцип работы основан на индукции двух элементов, которая напрямую зависит от угла поворота ротора. В зависимости от используемого режима поворота действие будет выглядеть следующим образом:

• вращение до некоторого угла – возбуждение магнитного потока и компенсации осуществляется на обмотках статора;
• непрерывное вращение – ротора.

Дополнительно потребуется использовать механизмы редукции, обладающие повышенной точностью определения местоположения ротора, для вычислений и измерений с помощью вращающегося трансформатора. Подключать редуктора можно как внешне к валу, так и в самом корпусе устройства.

Поэтапно происходит следующее действие. На возбуждающую обмотку подается переменный ток, напряжение которого стабилизировано, с некоторым значением. Вырабатывается магнитный поток. Во вторичных обмотках возникает индуцированная ЭДС.

Значение ЭДС и угла поворота прямо пропорциональны. Угол определяется положением вращающегося элемента, когда обмотка и ось обмотки возбуждения перпендикулярные.

Типы

Типология ВТ учитывает способ, с помощью которого включаются обмотки статора и ротора.

Синусно-косинусный

В синусно-косинусным трансформаторе напряжение переменного тока соразмерно тригонометрическим функциям изменениям угла. Косинус или синус — зависит от используемой обмотки ротора. Синусно-косинусный поворотный трансформатор действует на обоих обмотках.

Использование данного типа устройств наиболее распространено на практике.

Линейный

Созданы на базе синусно-косинусных машин. Получаемое переменное напряжение в линейном устройстве пропорционально углу поворота ротора. С помощью специального включения обмоток имеет прямую линейную зависимость в определенном диапазоне.

Значительный недостаток – низкая точность вычислений. Необходимо обеспечить достаточные условия эксплуатации (стабильность частот, напряжения, температуры воздуха), чтобы вторичная электродвижущая сила не изменялась. Также при вращении угла ротора происходит сдвиг фазы между вторичной ЭДС и возбуждающим напряжением, в связи с переменой значения коэффициента взаимоиндукции последовательного соединения.

Построитель

Вращающимися трансформаторами-построителями находят длину гипотенуз по двум катетам, получение полярных значений из декартовых координат и решение иных геометрических и математических задач.

Выходное напряжение зависит от подавляемого: U_{выходное} = C. Компенсационные и возбуждающие обмотки через потенциометры подключают к сети. От ротора – к измерительному прибору, она питает обмотку управления. Сеть к возбуждающей обмотке проводится через конденсатор.

Масштабный

Значение входного и выходного напряжения находятся в пропорциональной зависимости, коэффициент которой соразмерен углу поворота вращающейся части.

Применение такого трансформатора находит в устройствах изменения фазы электрического сигнала в качестве приемника. С помощью масштабных ВТ достигается согласование напряжений Uвых и Uвх модулей, синхронизация угла поворота и прочее.

Область применения

Применение поворотным трансформаторам нашли в таких устройствах, как:

• в вычислительных машинах электромеханического устройства (нахождение ответа тригонометрических уравнений, преобразование координат – от декартовых к полярным);
• в аналого-цифровых преобразователях (АЦП) «угол – амплитуда – код» систем слежения и управления промышленных работ и автоматики как датчика обратной связи;
• в системах дистанционной передачи показателя угла с повышенной точностью;

Меры борьбы с погрешностями

Вращающиеся трансформаторы – отличное решение при необходимости высокоточных измерений. Но им также свойственны определенные погрешности. Их возникновение может быть связано:

• с принципом действия;
• с конструкцией;
• с неточностью изготовления прибора (технологические);
• с особенностями эксплуатации.

Пределы допустимой погрешности зависят от области их применения. Среднее значение пределов для синусно-косинусных машин варьируется в пределах 0,2%. В качестве измерителя высокой точности не должно превышаться 0,03%, синхронизирующих датчиков – не более 10 угл. минут. Вращающиеся прецизионные трансформаторы могут отклоняться до 1 минуты дуги, многополюсные – до 30 угл. секунд.

Чтобы преодолеть возможные погрешности, используют метод симметрирования на обмотках ротора или статора. Сущность его заключается в использовании дополнительной нагрузки (два равнозначных сопротивления) для двусторонней компенсации потоков магнитной индукции. Таково действие для роторных обмоток. На статоре достигается за счет размагничивания обмотки неподвижной части машины, расположенной перпендикулярно.

В результате – обмотки возбуждения ослабляются.

Преимущества и недостатки использования

Основное преимущество вращающегося трансформатора – универсальность. Могут применяться как в качестве точных измерительных приборов, так и в роли датчика. Выделяют также простоту и дешевизну конструкции. При эксплуатации не требует невыполнимых условий, достаточно неприхотлива. Среди плюсов также – отсутствие трения и, соответственно, лишнего шума.

В дополнении с высоким коэффициентом мощности обеспечивается высокая эффективность трансформатора.

К недостаткам относят: необходимость создания минимального зазора для большей отдачи. Потеря мощности при контроле скорости. Пусковой момент относительно небольшой. При увеличении нагрузки, дополнительно сокращается.

Особенности эксплуатации

Чтобы избежать погрешности от окружающих условий, стоит обеспечить эксплуатацию вращающегося трансформатора:

• при средней температуре воздуха не менее 60 градусов ниже нуля и не более 100 градусов выше нуля;
• при 40 °С уровень влажности воздуха должен быть приближен к 98%;
• при вибрационной нагрузке до 1 кГц;
• при ускорении не более 75м/с2.

Схема включения обмоток линейного вращающегося трансформатора

На схеме можно ознакомиться с последовательностью подключения в микромашинах типа ЛВТ. Обмотка S подключена к сети переменного тока. Косинусная роторная обмотка 1P последовательно соединяется со статорной K. Компенсационная обмотка замыкается так, что сопротивление равно нулю. С синусной обводки, которая включена на сопротивление нагрузки, снимается выходное напряжение.

Значение напряжения нагрузки Zнг в диапазоне угла a меняется практически пропорционально ему. Обмотка, обозначенная на схеме 2P, замыкается с сопротивлением Zкр для снижения погрешностей расчетов с помощью симметрирования. Нагрузка устанавливается таким образом, чтобы поперечные потоки 1Р и 2Р обмоток компенсировали друг друга, и сопротивление сводилось к нулю.

Схематическое решение с использованием вращающегося трансформатора

Ранее отмечалось, что применение вращающимся трансформаторам можно найти в устройствах дистанционной передачи угловых перемещений. На возбуждающую обмотку подается напряжение. Возникают пульсирующие электрическое напряжение при соединении с обмотками датчика, вращающегося трансформатор и ротора. Они индуцируют электродвижущую силу. В цепи синхронизации системы возникают токи, которые создают магнитные потоки при переходе от обмоток ротора к приемнику-вт.

Вектор движения потока зависит от угла поворота ротора. При его перемещении вектор Ф1 перемещается по такому же углу. При сцеплении с обмоткой статора (w к.п.) индуцируется выходная электродвижущая сила под действием магнитных потоков. Величина ЭДС обусловлена углом отклонения системы.

Точность работы напрямую зависит от возможных погрешностей ВТ. Ключевой показатель – разность между углами положения системы. Чем меньше значение погрешности следования, тем выше точность – может варьироваться в пределах 30 угловых минут.