§ 5.7. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ВРАЩАЮЩИХСЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Назначение. 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:

а)  синусно-косинусный трансформатор, позволяющий получать на выходе два напряжения, одно из которых пропорционально sin θ, а другое — cos θ;

б)  линейный вращающийся трансформатор, выходное напряжение которого пропорционально углу θ;

в)   вращающийся трансформатор-построитель, выходное напряжение которого имеет связь с подаваемыми первичными напряжениями U1 и U2 в виде закона Uвых = C√U12 + U22, где С — постоянная.

---

* В технической литературе иногда употребляют термин «поворотные трансформаторы».

---

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.

Устройство. Вращающийся трансформатор (рис. 5.23) 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 (рис. 5.24) — 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 (см. рис. 5.21,б). 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.

---

* Во вращающихся трансформаторах, выпускаемых промышлен­ностью, выводы обмоток статора маркируются буквами С1, С2, С3, С4, а ротора Р1, Р2, Р3, Р4.

---

Рис. 5.23. Устройство вращающегося трансформатора: 1 — корпус;    2 — статор;    3 — обмотка   статора;   4 — ротор;    5 — обмотка ротора; 6 — контактные кольца; 7 — щетки

Рис. 5.24. Принципиальная схема четырехобмоточного вращающегося трансформатора

Рис. 5.25. Схематический разрез вращающегося трансформатора и график распределения индукции вдоль окружности его статора и ротора

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.

При рассмотрении теории работы вращающихся трансформаторов будем считать, что обмотки В и К расположены на статоре, а обмотки S и С — на роторе *.

Принцип действия. При подключении обмотки возбуждения В к сети переменного тока в машине возникает продольный магнитный поток Фd (рис. 5.25, а), пульсирующий во времени с частотой сети. При холостом ходе в обмотках ротора S и С этот поток индуцирует ЭДС ES0 и EС0 , 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

где B0 — индукция в воздушном зазоре по оси обмотки В. В обмотке статора В поток Фd индуцирует ЭДС Еде w1 и ko61 — число витков и обмоточный коэффициент обмотки статора; Фdm — максимальное значение потока.

---

* Все основные положения и выводы остаются неизменными и в том случае, когда обмотки В и К расположены на роторе, а обмотки S и С — на статоре.

---

Предположим, что ось обмотки С ротора сдвинута относительно оси обмотки статора на некоторый угол θ = πx0 /τ (рис. 5.25, а). В этом случае максимальное значение потока, сцепленного с обмоткой С,

а ЭДС, индуцированная в этой обмотке, где w2 и ko62 — число витков и обмоточный коэффициент обмотки ротора.

Из соотношения EС0 /Ев = [w2 ko62 /(w1 ko61 )]cosθ = k cosθ выходное напряжение косинусной обмотки при холостом ходе

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

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.