Вращающийся трансформатор. Устройство, принцип действия, режимы работы. Характеристики управления.

Вращающимися трансформаторами называют электрические микромашины переменного тока, преобразующие угол поворота ротора θ в напряжение, пропорциональное этому углу или некоторым его функциям. В зависимости от закона изменения напряжения на выходе их подразделяют на следующие типы:

синусные (СВТ) - U= U_maxsinα, где U_max - максимальное выходное напряжение.

синусно-косинусные (СКВТ) - U_A = U_maxsinα; U_B = U_maxcosα;

линейные (ЛВТ) - U = kα, где k = const.

Для получения вращающихся трансформаторов различных типов можно использовать одну и ту же машину с двумя обмотками на статоре и двумя на роторе при различных способах их включения. Эти трансформаторы применяют в автоматических и вычислительных устройствах, предназначенных для решения геометрических и тригонометрических задач, выполнения различных математических операций, построения треугольников, преобразования координат, разложения и построения векторов и пр. В системах автоматического регулирования их используют в качестве измерителей рассогласования, фиксирующих отклонение системы от некоторого заданного положения.

Вращающийся трансформатор выполняют так же, как асинхронный двигатель с фазным ротором. На статоре и роторе размещают по две одинаковые однофазные распределенные обмотки, сдвинутые между собой в пространстве на 90°. Магнитопровод изготовляют из листов электротехнической стали или пермаллоя, изолированных друг от друга.

Вращающийся трансформатор может работать в режиме поворота ротора или в режиме вращения.

 При работе в режиме поворота положение ротора относительно статора задается поворотным механизмом (исполнительным двигателем с редуктором). При этом одну из обмоток статора — обмотку возбуждения В - присоединяют к сети переменного тока, а другую — компенсационную обмотку К — подключают к некоторому сопротивлению или замыкают накоротко. В некоторых случаях обе статорные обмотки получают независимое питание переменным током. Обмотки статора В и К можно выполнять разделенными или включать по мостовой схеме. Обмотки ротора S (синусная) и С (косинусная) присоединяют к контактным кольцам . Для уменьшения числа контактных колец концы двух обмоток ротора присоединяют к одному общему кольцу и через щетку подводят к общему зажиму; кольца и щетки выполняют обычно из сплава серебра. Начала обмоток выводят через соответствующие кольца и щетки к двум другим зажимам. Применяют также токосъем, осуществляемый с помощью спиральных пружин, но в этом случае поворот ротора ограничен и составляет не более 1,8—2 оборотов.

При работе вращающегося трансформатора в режиме непрерывного вращения обмотки возбуждения и компенсационную обычно размещают на роторе, а синусную и косинусную — на статоре. В этом случае компенсационную обмотку замыкают накоротко, а обмотку возбуждения подключают к сети переменного тока с помощью двух контактных колец.

Принцип действия. При подключении обмотки возбуждения В к сети переменного тока в машине возникает продольный магнитный поток Фd (рис. а), пульсирующий во времени с частотой сети. При холостом ходе в обмотках ротора S и С этот поток индуцирует ЭДС E_S0 и E_С0 , частота которых равна частоте сети f₁ , а действующее значение зависит от положения ротора относительно статора.

 Допустим, что магнитный поток Фd распределен в пространстве синусоидально (рис. 5.25,б); в этом случае индукция в воздушном зазоре изменяется вдоль окружности статора и ротора по закону

В_х = В₀cos (πx/τ)sin ωt,

 где B₀ — индукция в воздушном зазоре по оси обмотки В. В обмотке статора В поток Фd индуцирует ЭДС

Ев = 4,44f₁ w₁ k_o61Ф_dm ,

 Еде w₁ и k_o61 — число витков и обмоточный коэффициент обмотки статора; Ф_dm — максимальное значение потока.

Предположим, что ось обмотки С ротора сдвинута относительно оси обмотки статора на некоторый угол θ = πx0 /τ (рис. а). В этом случае максимальное значение потока, сцепленного с обмоткой СФ_сm = Ф_dmcos θ,

 а ЭДС, индуцированная в этой обмотке,

E_С0 = 4,44f₁ w₂ k_o62Ф_dmcosθ,

где w₂ и k_o62 — число витков и обмоточный коэффициент обмотки ротора.

Из соотношения E_С0 /Е_в = [w₂ k_o62 /(w₁ k_o61 )]cosθ = k cosθ выходное напряжение косинусной обмотки при холостом ходе

E_С0 = k Е_вcos θ.

Обмотка S ротора сдвинута относительно обмотки С на угол π/2, следовательно, выходное напряжение в этой обмотке

E_S0 = 4,44w₂ k_o62Ф_dmcos (θ - π/2) = k Е_вcos (θ - π/2) = k Е_вsin θ.

Обмотка статора К с потоком Фd не связана, а следовательно, он не индуцирует в ней ЭДС. Эту обмотку используют для компенсации поперечных потоков, создаваемых обмотками ротора при нагрузке вращающегося трансформатора. Таким образом, в обмотках ротора при холостом ходе индуцируются ЭДС, пропорциональные синусу или косинусу угла поворота ротора относительно соответствующего потока. Применяя различные схемы включения обмоток статора и ротора, можно получить и другие функциональные зависимости, а также уменьшить погрешности, вызываемые током нагрузки.