20910

Исследование вращающихся трансформаторов

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Основные теоретические сведения Вращающиеся поворотные трансформаторы ВТ – электрические информационные микромашины переменного тока предназначенные для преобразования угла поворота в напряжение пропорциональное некоторым функциям угла например синусу или косинусу или самому углу поворота ротора. Вращающиеся трансформаторы используются в системах дистанционной передачи ДП угла повышенной точности; в качестве датчиков угла; счетнорешающих элементов аналоговых и аналоговоцифровых вычислительных устройств для решения геометрических...

Русский

2013-08-01

619 KB

99 чел.

Вращающиеся трансформаторы  7

Лабораторная работа №4

Исследование вращающихся трансформаторов

Цель работы: ознакомление с конструкциями и схемами включения вращающихся трансформаторов, приобретение навыков экспериментального определения их характеристик.

Оборудование, измерительные приборы и инструменты: лабораторная установка, источники переменного тока, вольтметр, магазины сопротивлений.

I. Основные теоретические сведения

Вращающиеся (поворотные) трансформаторы (ВТ) – электрические информационные микромашины переменного тока, предназначенные для преобразования угла поворота в напряжение, пропорциональное некоторым функциям угла (например, синусу или косинусу) или самому углу поворота ротора. Вращающиеся трансформаторы используются в системах дистанционной передачи (ДП) угла повышенной точности; в качестве датчиков угла; счетно-решающих элементов аналоговых и аналогово-цифровых вычислительных устройств для решения геометрических, тригонометрических и векторных задач, связанных с анализом треугольников, преобразованием координат, разложением и построением векторов и т.д.; как датчики преобразователей угла в код. Для этих целей обычно используются одни и те же ВТ при различных способах включения их обмоток.

Возможно несколько режимов работы вращающихся трансформаторов в зависимости от схемы включения их обмоток.

1.  Синусно - косинусные ВТ (СКВТ), у которых выходное напряжение одной обмотки пропорционально синусу угла поворота ротора, а другой обмотки – косинусу этого угла.

Линейные ВТ (ЛВТ), у которых выходное напряжение пропорционально в достаточно большом диапазоне углу поворота ротора.

Масштабные ВТ (МВТ), у которых выходное напряжение пропорционально входному и коэффициент пропорциональности (масштаб) определяется углом поворота ротора.

Преобразователи координат, осуществляющие поворот осей декартовой системы координат или переход к полярной системе координат (ВТ – построители вектора).

Первичные преобразователи угла для индукционных фазовращателей, преобразующие пространственный угол во временной.

Основное требование, предъявляемое к ВТ, как и ко всем информационным устройствам, - высокая точность преобразования входной величины (в данном случае угла) в выходную (в данном случае напряжение по заданному функциональному закону).

В общем случае на статоре и роторе СКВТ размещают по две, обычно одинаковые, однофазные распределенные обмотки, сдвинутые между собой в пространстве на 90°. Магнитопровод изготовляют из листов пермаллоя или электротехнической стали, изолированных друг от друга. Первичные обмотки, которые у большинства ВТ располагаются на статоре, называются: одна – обмоткой возбуждения (ОВ), другая – квадратурной или компенсационной обмоткой (ОК), а вторичные – синусной и косинусной. Выводы обмоток статора ВТ маркируются буквами С1…С4, а ротора – Р1…Р4.

Кроме двухполюсных выпускаются также многополюсные ВТ различного конструктивного исполнения. Они применяются в двухканальных системах синхронной связи для канала точного отсчета.

Рассмотрим кратко основные схемы включения вращающихся трансформаторов.

1. Работа ВТ в режиме СКВТ. Симметрирование ВТ. Рассмотрим две обмотки ВТ – обмотку возбуждения (ОВ) на статоре С1-С2 и обмотку на роторе Р1-Р2 (рис. 1). При подаче синусоидального напряжения  на обмотку возбуждения создается пульсирующий продольный магнитный поток , который в ОВ индуцирует эдс . В режиме холостого хода () в роторной обмотке возникает трансформаторная эдс

,    (1)

где  - коэффициент трансформации, определяемый как отношение действующих значений эдс в обмотках при  или эффективных витков обмоток Р1-Р2 и С1-С2;  - угол поворота ротора, значение которого определяется углом между перпендикуляром к неподвижной оси ОВ на статоре и осью обмотки ротора.

Поскольку обмотка ротора Р3-Р4 сдвинута относительно обмотки Р1-Р2 на угол 90°, то эдс, наведенная в ней, имеет вид

.     (2)

Таким образом, при холостом ходе в обмотках ротора индуцируются эдс, пропорциональные синусу и косинусу угла поворота ротора относительно потока возбуждения. Соответственно обмотка Р1-Р2 называется синусной (), а Р3-Р4 – косинусной ().

Так как обмотка С3-С4 перпендикулярна к обмотке С1-С2, то поток в ней не индуцирует эдс.

При подключении к обмотке Р1-Р2 сопротивления нагрузки  зависимость эдс роторной обмотки от  не будет синусоидальной, если не принять специальных мер. Причина нарушения синусоидальной зависимости заключается в том, что при этом по обмотке Р1-Р2 протекает ток и создается магнитный поток , направленный по оси обмотки Р1-Р2. Этот поток можно разложить на две составляющие – продольную  (по оси ), направленную вдоль оси основного потока возбуждения, но встречно ему, и поперечную  (по оси ), перпендикулярную потоку возбуждения (рис. 1).

Как видно из рис. 1, продольная составляющая потока  направлена против потока возбуждения , и стремится размагнитить ВТ. Однако этого практически не происходит, так как уменьшение  снижает противо эдс первичной обмотки. Это обстоятельство вызывает увеличение тока обмотки возбуждения, что ведет к возрастанию потока, компенсирующего продольную составляющую потока. Таким образом, размагничивающее действие продольной составляющей компенсируется увеличением тока возбуждения в первичной цепи, что доводит поток возбуждения до прежнего значения. Таким образом, размагничивание практически не происходит, однако изменение тока возбуждения существенным образом зависит от нагрузки и угла поворота ротора.

Поперечная составляющая потока  перпендикулярна основному потоку и ничем не компенсируется. Этот поток наводит в обмотке Р1-Р2 дополнительную эдс, нарушая синусоидальную зависимость (1).

Основное требование, предъявляемое к СКВТ, состоит в том, чтобы выходное напряжение как можно точнее подчинялось закону синуса или косинуса угла поворота ротора.

Для выполнения этого требования необходимо устранить влияние поперечной составляющей магнитного потока . Это может быть достигнуто либо работой ВТ на высокоомную нагрузку (приближение к режиму холостого хода – что проблематично), либо ее компенсацией. Последнее достигается симметрированием обмоток ротора и статора. Суть симметрирования заключается в ослаблении (частичное симметрирование) или в устранении (полное симметрирование) поперечного потока. Различают два вида симметрирования: первичное и вторичное.

Вторичное симметрирование осуществляется с помощью второй роторной (косинусной) обмотки Р3-Р4. Электрическая схема ВТ со вторичным симметрированием показана на рис. 2. При этом к обеим роторным обмоткам подключаются сопротивления нагрузки:  к синусной и  - к косинусной. В этом случае ток протекает по обеим обмоткам. Магнитный поток , созданный косинусной обмоткой, перпендикулярен к  и по отношению к осям машины имеет продольную  и поперечную  составляющие.

Продольная составляющая потока  действует так же, как и , т.е. приводит к дальнейшему увеличению тока возбуждения для компенсации .

Поперечные же составляющие  и  направлены встречно (рис. 2,б) и при идентичности обмоток Р1-Р2 и Р3-Р4, а также равенстве нагрузочных сопротивлений  и , взаимно компенсируются. Поэтому искажений выходных ЭДС, вызванных его влиянием, не будет при любых поворотах ротора. Кроме того, симметрия вторичных цепей СКВТ характеризуется еще одним важным свойством – постоянством тока возбуждения и мощности возбуждения независимо от угла поворота ротора (т.е. постоянством входного сопротивления с первичной стороны).

Очевидно, что если выполнено неполное вторичное симметрирование, то искажения в выходных напряжениях сохраняются, однако при этом они будут значительно меньше, чем в случае, если одна из обмоток нагружена, а вторая работает в режиме холостого хода.

Рассмотренный метод симметрирования практически применим только при постоянном сопротивлении нагрузки.

При первичном симметрировании для уменьшения поперечного потока компенсационную (квадратурную) обмотку ОК подключают к сопротивлению (рис 3). Так как ось ОК совпадает с направлением поперечного магнитного потока ротора, последний наводит в ней эдс и в ОК протекает ток, т.е. по отношению к поперечной составляющей потока ОК является вторичной обмоткой трансформатора. При малом значении  взаимное размагничивающее действие обмоток  и ОК настолько велико, что результирующий магнитный поток стремится к нулю при любом значении . Условием первичного симметрирования, если обмотки  и ОК идентичны, является равенство симметрирующего сопротивления внешнему сопротивлению цепи ОВ, т.е. выходному сопротивлению источника питания. Для достаточно мощного источника это условие можно записать в виде

.    (3)

Условие симметрирования от сопротивления нагрузки не зависит.

Для достижения наименьшего искажения выходных функциональных зависимостей ВТ первичное и вторичное симметрирование практически всегда применяют совместно.

Рассмотренные методы компенсации поперечного потока позволяют в качестве выходной использовать как синусную, так и косинусную обмотки, т.е. получать выходное напряжение, пропорциональное синусу или косинусу угла поворота ротора. Поэтому таки ВТ называются синусно – косинусными (СКВТ).

В зависимости от величины погрешности СКВТ делятся на шесть классов точности (см. таблицу 1).

Таблица 1.

Параметр точности

Класс точности

0,005

0,01

0,02

0,05

0,1

0,2

Погрешность отображения синусной зависимости, %

Асимметрия нулевых точек,угл.сек

Эдс квадратурной обмотки, %, не более

Остаточная эдс, %, не более

Разность коэффициентов трансформации, %, не более

±0,005

±10

0,04

0,003

0,005

±0,01

±20

0,08

0,006

0,01

±0,02

±40

0,12

0,01

0,02

±0,05

±100

0,3

0,025

0,05

±0,1

±200

0,6

0,05

0,1

±0,2

400

1,2

0,1

0,2

2. Построительные ВТ. Вращающийся трансформатор - практически идеальное устройство с точки зрения приспособленности к решению различных задач преобразования координат. С помощью ВТ можно преобразовывать координаты вектора из декартовой системы в полярную и из одной декартовой системы в другую, повернутую относительно первой на некоторый угол. Работающий в таком режиме ВТ называется построителем. Работа схемы преобразования декартовых координат в полярные сводится к определению гипотенузы (как по модулю, так и углу) прямоугольного треугольника по двум заданным катетам  и . При этом на обмотки статора С1-С2 и СЗ-С4 подаются напряжения, пропорциональные катетам: , . Результирующий поток первичных обмоток  будет равен геометрической сумме продольного  и поперечного  потоков. Значение потока можно определить по значению эдс любой из обмоток ротора, если его повернуть так, чтобы ось обмотки совпадала с направлением потока. Примем за такую обмотку Р1-Р2. При совпадении ее оси с направлением потока  эдс обмотки Р1-Р2 будет максимальной. Эдс другой обмотки ротора, РЗ-Р4, (назовем ее сигнальной) будет в этом случае равна нулю, так как ее ось перпендикулярна потоку .

Максимальная эдс () прямо пропорциональна модулю вектора. Таким образом,  в некотором масштабе выражает модуль вектора в полярной системе координат, а угол поворота ротора  - аргумент вектора.

На практике рассмотренное преобразование координат происходит автоматически с помощью несложной следящей системы, в которую, кроме ВТ, входят усилитель, исполнительный двигатель ИД и редуктор (рис. 4). Напряжение сигнальной обмотки РЗ -Р4 подается через усилитель на обмотку управления (ОУ) ИД, вал которого через редуктор соединен с валом ротора ВТ. При подаче напряжений на обмотки С1-С2 и СЗ-С4 в сигнальной обмотке РЗ-Р4 наводится эдс, которая через усилитель воздействует на исполнительный двигатель. Ротор двигателя вращается до тех пор, пока обмотка РЗ-Р4 не займет положения, перпендикулярного к потоку .

3. Вращающиеся трансформаторы в системах дистанционной передачи угла.

На рис. 5 показана одна из таких схем. В ее состав входят два ВТ, усилитель У и исполнительный двигатель ИД с редуктором. Один из поворотных трансформаторов выполняет роль датчика (ВТД), второй – приемника (ВТП). Роторы их кинематически связаны с соответствующими валами систем. Такая система - пример простейшего и, можно сказать, наиболее распространенного каскадного соединения двух ВТ: ВТД работает в режиме СКВТ, ВТП - в режиме построителя вектора. Соответствующие обмотки их соединены между собой, напряжение питания подается на первичную обмотку датчика ОВ. Квадратурная обмотка обычно закорачивается.

Если ротор ВТ датчика повернут на угол , с его роторных обмоток будут сниматься напряжения, определяемые выражениями (1) и (2), которые подаются на обмотку возбуждения и квадратурную обмотку ВТ приемника.

Токи, проходящие по статорным обмоткам приемника, вызывают появление двух магнитных потоков (продольного и поперечного), сдвинутых друг относительно друга на 90 эл. град. Значение каждого из этих потоков будет пропорционально соответствующим напряжениям на роторных обмотках датчика.

Результирующий магнитный поток приемника будет равен геометрической сумме продольного и поперечного потоков и повернут на угол  относительно оси обмотки возбуждения приемника. Если ротор ВТП повернут на угол ,одна из его обмоток установится перпендикулярно к оси результирующего магнитного потока и напряжение на ней будет равно нулю. При согласованном положении выходного и входного валов системы напряжение на входе усилителя отсутствует и исполнительный двигатель не вращается. При наличии угла рассогласования между осями задающего и принимающего устройств () на входе усилители появляется напряжение, называемое сигналом рассогласования. Оно усиливается до значения, необходимого для управления исполнительным двигателем ИД. Двигатель вращается и через редуктор поворачивает ротор ВТП и нагрузку. При этом в идеальном случае напряжение управления становится равным нулю и двигатель останавливается.

В зависимости от величины погрешности в трансформаторной системе передачи угла ВТ делятся на семь класса точности (см. таблицу 2).

Таблица 2.

Параметр точности

Класс точности

1

2

3

4

5

6

7

Погрешность следования в дистанционной передаче угла в трансформаторном режиме, угл. мин

±1

±2

±3

±5

±10

±20

±30

Точность работы сельсинов в трансформаторном режиме выше, чем в индикаторном

В реальных схемах после отработки сигналов рассогласования в установившемся режиме существует некоторое рассогласование между входными и выходными валами, называемое статической ошибкой. Причины ее появления - погрешности ВТ, трение в механизме, погрешности усилителя.

При непрерывном вращении датчика возникает дополнительный угол рассогласования (так называемая динамическая ошибка). При постоянной скорости вращения системы она приблизительно одинакова. Некоторые ее колебания вызываются изменением момента трения в зубчатых передачах, колебаниями напряжения питания и другими причинами.

Один из путей повышения статической точности синхронной передачи - создание двухканальных систем, работающих по методу грубого и точного отсчетов.

II. Описание лабораторной установки

Лабораторная установка для проведения опытов представляет собой два одинаковых ВТ, установленных на двух поворотных столиках. Последние позволяют поворачивать ротор относительно статора; цена деления шкалы точного отсчета – 1 угловая минута. На изолированные от столиков платы выведены концы всех обмоток трансформаторов: С1-С4, Р1-Р4. При проведении опытов по п. Ш.2 используется один (любой) поворотный столик, при проведении опытов по п. Ш.4 используются оба столика. Отсчет угла поворота ротора ВТП до согласованного положения определяется по минимуму напряжения, снимаемого с соответствующей роторной обмотки приемника. Все необходимые схемы собираются студентами самостоятельно.

В состав лабораторной установки входит также ВТ с двумя парами полюсов, установленный на поворотном столике.

III. Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с конструкциями имеющихся вращающихся трансформаторов и паспортными данными исследуемого ВТ.

2. Снять и построить зависимости напряжения выходных обмоток ВТ от угла поворота ротора в режиме СКВТ и сравнить их с идеальными:

а) без симметрирования при холостом ходе и двух – трех конечных значениях сопротивлений нагрузки .

Определить коэффициент трансформации исследуемой машины. Построить график зависимости выходного напряжения от сопротивления нагрузки при фиксированных углах поворота ротора;

б) с первичным, вторичным и смешанным симметрированием.

Повторить выполнение п. 2 для ВТ с двумя парами полюсов.

3. Определить крутизну выходного напряжения однополюсного и двухполюсного СКВТ при малых углах поворота ротора.

4. Собрать и исследовать работу ВТ в режиме трансформаторной синхронной передачи угла:

а) снять и построить зависимости напряжения в одной из обмоток ВТП от угла рассогласования между датчиком и приемником;

б) построить график погрешности отработки угла ВТ – приемником в зависимости от угла поворота ротора ВТ – датчика. При этом ротор ВТД следует поворачивать на фиксированные углы через 30° в пределах одного оборота.

Повторить опыт п. 4б, имитируя удлинение линий связи путем подключения соответствующих активных сопротивлений.

4. Сделать выводы о проделанной работе.

IV. Содержание отчета

В отчете должны быть представлены электрические схемы, собираемые при исследованиях, полученные таблицы и графики, выводы по работе и перечень приборов, использованных при измерениях.

V. Контрольные вопросы

  1.  Для решения каких задач может быть использован вращающийся трансформатор?
  2.  Объясните появление погрешности несимметрированного ВТ под нагрузкой.
  3.  Укажите условия первичного, вторичного и смешанного симметрирования ВТ.

4.  Поясните принцип действия трансформаторной системы передачи угла на сельсинах.

Список рекомендуемой литературы.

1. Баканов М.В., Лыска В.А., Алексеев В.В. Информационные микро-машины следящих и счетно-решающих систем (вращающиеся трансформаторы, сельсины). - М.: Сов. радио, 1977. - 88 с.

2. Чернышев В.О. Поворотные трансформаторы и их применение в вычислительных и автоматических устройствах. - Л.: Энергия, 1965. -104 с.

3. Хрущев В.В. Электрические микромашины автоматических устройств. -Л.: Энергия, 1976. - 384 с.

4. Ахметжанов А.А. Системы передачи угла повышенной точности. -М.: Энергия, 1966. - 272 с.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

69586. ICMP сетевой администратор 2.56 MB
  Проверить возможность обмениваться пакетами произвольной длины между своим узлом и любым узлом составной сети с помощью сообщений типа 0 и 8 (Echo и Echo Reply Message). Проверить время отклика стека на станции с помощью сообщений типа 13 и 14 (Timestamp и Timestamp Reply).
69587. ARP 2.54 MB
  Теоретическая возможность взаимодействия в составных сетях, как следует из рассмотренных ранее тем, существует. Для более детального изучения данного процесса необходимо перейти к изучению его отдельных составляющих. Последовательное рассмотрение этапов взаимодействия при передаче...
69588. ТЕПЛОВІДДАЧА ВЕРТИКАЛЬНОЇ ТРУБКИ ЗА УМОВ ВІЛЬНОГО РУХУ ПОВІТРЯ (ПРИРОДНА КОНВЕКЦІЯ) 414 KB
  У цій лабораторній роботі необхідно: Експериментально визначити значення локальних та середніх коефіцієнтів тепловіддачі для умов вільного руху повітря поблизу поверхні вертикальної трубки а також знайти локальну товщину граничного пласту рідини для фіксованих значень подовжньої...
69591. РЕКУПЕРАТИВНИЙ ВОДНО-ПОВІТРЯНИЙ ТЕПЛООБМІННИЙ АПАРАТ ТИПУ “ТРУБКА У ТРУБЦІ” 127.5 KB
  Метою лабораторної роботи є поглиблення знань із теорії розрахунків теплообмінних апаратів, ознайомлення із методикою експериментального дослідження різних режимів роботи теплообмінних апаратів, набуття навичок проведення єкспериментів.
69593. ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА ТЕМПЕРАТУРОПРОВІДНОСТІ СИПУЧИХ ТІЛ МЕТОДОМ РЕГУЛЯРНОГО РЕЖИМУ 771.5 KB
  Метою роботи є поглиблення знань з теорії нестаціонарної теплопровідності; вивчення методики дослідного визначення коефіцієнта температуропровідності, набуття навичок у проведенні експерименту та оцінка похибок дослідження.
69594. ТЕПЛОВІДДАЧА ГОРИЗОНТАЛЬНОЇ ТРУБКИ ЗА УМОВ ПРИРОДНОЇ КОНВЕКЦІЇ (ВІЛЬНИЙ РУХ ПОВІТРЯ) 1.33 MB
  Метою лабораторної роботи є поглиблення знань з теорїї тепловіддачі за умов природної конвекції вільний рух рідини дослідне визначення коефіцієнта тепловіддачі ознайомлення із методикою експериментального дослідження природної конвекції та отримання навичок у проведенні експерименту...