Специальные типы электромашинных преобразователей. Синхронные и коллекторные машины

Размещено на http://www.allbest.ru/

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТИПЫ ЭЛЕКТРОМАШИННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ. СИНХРОННЫЕ И КОЛЛЕКТОРНЫЕ МАШИНЫ

Цель модуля - формирование у студентов понимания принципов действия электромашинных преобразователей переменного тока (синхронных и асинхронных электрических машин). Уровень квалификации студента после изучения модуля позволит ему быть готовым к дальнейшему применению познаний в области электрических машин переменного тока. при проектировании и эксплуатации электромеханических и мехатронных систем.

Тема Вращающийся трансформатор

Устройство и типы ВТ.

Вращающимися трансформаторами называют электрические микромашины переменного тока, преобразующие угол поворота в напряжение, находящееся в функциональной зависимости от этого угла.

Вращающийся трансформатор выполняется так же, как асинхронный двигатель с фазным ротором. На статоре и на роторе размещаются по две одинаковые однофазные распределенные обмотки, оси магнитных потоков которых сдвинуты между собой на угол 90 пространственных градусов (рис. 1).

Одна из обмоток статора (С1-С2) называется обмоткой возбуждения, другая (С3-С4) - компенсационной. Обмотка ротора Р1-Р2 называется синусной, другая обмотка (Р3-Р4) - косинусной. Отсчет угла поворота ротора производится от оси компенсационной обмотки статора (С3-С4) до оси синусной обмотки ротора (Р1-Р2).

Рис. 1. Схема вращающегося трансформатора

Принцип действия ВТ основан на том, что при повороте ротора взаимная индуктивность между обмотками статора и ротора, а следовательно, и действующие значения ЭДС, наведенных пульсирующим с частотой сети магнитным потоком возбуждения в обмотках ротора, изменяются строго по синусоидальному и косинусоидальному законам в зависимости от угла поворота .

В зависимости от закона изменения напряжения на выходе ВТ разделяют на следующие типы:

- синусно-косинусные ВТ (СКВТ), выходные напряжения которых на синусной (Us) и косинусной обмотках (Uc) определяются соотношениями

электромашинный трансформатор преобразователь ток

где U1 - действующее значение напряжения, подводимого к обмотке возбуждения (С1-С2);

k =wр/wс- коэффициент трансформации ВТ (wр ,wс - число витков обмоток ротора и статора);

- линейные вращающиеся трансформаторы (ЛВТ), выходное напряжение которых изменяется пропорционально углу поворота ротора ;

- ВТ-построители, реализующие другие зависимости.

Для получения ВТ различных видов может быть использована одна и та же машина с двумя обмотками на статоре и двумя на роторе при различных способах их включения.

Основные параметры наиболее распространенных ВТ:

напряжение обмотки возбуждения и компенсационной обмотки 40, 60 и 110 В с частотой 50, 400 500 и 1000 Гц;

коэффициент трансформации k = 0,2 0,96;

Класс точности ВТ определяется относительной погрешностью U, выраженной в процентах, т. е. разностью ординат в любой точке действительной кривой U=f() и идеальной синусоидальной кривой Ui= f(), отнесенной к максимальному напряжению синусной обмотки Umax (при =90о). В зависимости от значения U ВТ подразделяют на четыре класса точности: нулевой (U до 0,05%); первый (U=0,05 0,1%); второй(U =0,1 0,25%); третий (U >0,25%).

Вращающиеся трансформаторы применяются в автоматических устройствах, маломощных следящих системах (в качестве измерителей рассогласования), в вычислительной технике, в схемах разверток радиолокационных установок и т. д. ВТ также используют в качестве построителей для решения геометрических и тригонометрических задач.

При этом, в зависимости от назначения ВТ, в автоматических устройствах они могут работать как в режиме поворота ротора в пределах определенного ограниченного угла, так и при непрерывном вращении со скоростью до 3000 об/мин.

Режим СКВТ

Рассмотрим принцип действия и поведение машины, используемой в качестве синусного ВТ. В этом режиме обмотка возбуждения С1-С2 присоединена к источнику переменного тока с действующим значением напряжения U1 неизменной величины (U1 - напряжение возбуждения, обычно равное 110 В). К синусной обмотке ротора Р1-Р2 подключено сопротивление нагрузки Zн3 (рис. 2, а). Компенсационная С3-С4 и косинусная Р3-Р4 обмотки разомкнуты и на рисунке не показаны.

а б

Рис. 2. Принципиальная схема (а) и диаграмма потоков (б) синусного ВТ

При холостом ходе ВТ (когда Zн3=) ток по обмотке ротора не протекает, следовательно, ЭДС ротора E3 определяется только потоком статора 1, который пересекает витки синусной обмотки и индуктирует в них ЭДС

(1)

где - эффективное число витков обмотки 3 (обмотки Р1-Р2);

f - частота напряжения возбуждения;

1M - максимальное значение магнитного потока, соответствующее совпадению осей обмоток 1 и 3.

С другой стороны, ЭДС E1 статорной обмотки равна

(2)

где - эффективное число витков обмотки 1..

Теперь из уравнений (1) и (2) получим

откуда

где - коэффициент трансформации.

Итак, в рассматриваемом случае действующее значение ЭДС ротора E3 является синусоидальной функцией угла поворота ротора .

При включении роторной обмотки на сопротивление Zн3 по ней протекает ток I3, который создает поток ротора 3, направленный по оси обмотки ротора. 3 можно разложить на составляющие - продольную 3' и поперечную 3" (рис. 2, б). 3' направлена против потока статора и размагничивает ВТ. Размагничивающее влияние 3' уравновешивается увеличением тока I1 в обмотке возбуждения. Таким образом, по продольной оси машины действует результирующий поток d, наводящий в витках синусной обмотки ЭДС взаимоиндукции. Поперечная же составляющая 3" потока 3 пронизывает витки обмотки ротора и индуктирует в них ЭДС самоиндукции.

Можно показать, что в этом случае полная ЭДС, индуктируемая в обмотке 3, определяется выражением

(3)

где b - постоянный множитель.

Из уравнения (3) следует, что при нагрузке синусной обмотки ВТ из-за наличия в знаменателе члена b·cos2 искажается синусоидальный характер зависимости E3 от угла . Физически это искажение обусловлено появлением при нагрузке поперечного потока 3".

Аналогичные соотношения могут быть получены для косинусного режима ВТ, когда обмотка 3 разомкнута, а выходное напряжение снимается с косинусной обмотки 4 (Р3 - Р4). Тогда при Zн4=

а при Zн4

Здесь искажение косинусоидальной зависимости обусловлено наличием в знаменателе члена bsin2.

Таким образом, при наличии нагрузки в роторных обмотках ВТ из-за влияния реакции якоря происходит искажение синусоидальной или косинусоидальной зависимостей напряжений на соответствующих обмотках от угла поворота ротора, т.е. возникает погрешность преобразования.

Для уменьшения этой погрешности применяют первичное или вторичное симметрирование, предназначенное для компенсации поперечных потоков реакции якоря вращающегося трансформатора.

Первичное симметрирование осуществляется со стороны статора путем включения сопротивления Zн2 в цепь обмотки 2 (компенсационной обмотки С3-С4), при этом (см. рис. 3, а) на обмотку возбуждения С1-С2 подается напряжение U1, синусная нагружена Р1-Р2 сопротивлением Zн3, а косинусная разомкнута, поэтому она на схеме не показана.

а б

Рис. 3. Принципиальная схема (а) и диаграмма потоков (б) синусного ВТ с первичным симметрированием

Так как оси обмоток 1 и 2 перпендикулярны, то при работе ВТ (когда ток I30) в компенсационной обмотке 2 может наводиться ЭДС только поперечной составляющей 3" потока ротора Ф3 (рис. 3, б). Таким образом, можно считать, что компенсационная обмотка по отношению к потоку 3" представляет собой замкнутую накоротко (как правило, сопротивление Zн20, т. е. режим трансформатора близок к режиму короткого замыкания) вторичную обмотку трансформатора. В этом режиме протекающий в обмотке 2 ток создает поток 2, приблизительно равный потоку 3", но направленный ему встречно, и результирующий поперечный поток машины практически приближается к нулю.

Таким образом, в машине с первичным симметрированием действует только результирующий продольный поток , который, пронизывая витки синусной роторной обмотки 3, наведет в них, как и в случае ненагруженного ВТ, ЭДС

С помощью аналогичных рассуждений можно показать, что ЭДС Е4 в косинусной обмотке при первичном симметрировании подчиняется косинусоидальному закону.

Недостаток этого симметрирования - зависимость входного сопротивления (со стороны источника U1) от угла поворота ротора .

Вторичное симметрирование осуществляется со стороны ротора включением сопротивлений Zн3 и Zн4 в синусную 3 (Р1-Р2) и косинусную 4 (Р3-Р4) обмотки соответственно. Схема СКВТ со вторичным симметрированием представлена на рис. 4, а. Как видно из рисунка, в этом случае обмотка возбуждения так же, как и при первичном симметрировании, питается напряжением возбуждения U1, а компенсационная разомкнута (или отсутствует).

а б

Рис. 4. Принципиальная схема (а) и диаграмма потоков (б) СКВТ со вторичным симметрированием

Поскольку обе роторные обмотки 3 и 4 замкнуты на нагрузочные сопротивления, то в их витках будут протекать токи I3 и I4. Поперечные составляющие создаваемых этими токами магнитных потоков Ф3 и Ф4 направлены в противоположные стороны, т. е. взаимно ослабляют друг друга (рис. 4, б). Для того, чтобы во вращающемся трансформаторе полностью отсутствовала поперечная реакция ротора, т. е. чтобы необходимо получить полную компенсацию намагничивающих сил в поперечной оси

(4)

где - эффективные числа обмоток 3 и 4.

В этом случае на выходе синусной и косинусной обмоток получим

Токи, протекающие по обмоткам ротора,

Здесь Z3 и Z4 - модули комплексных сопротивлений соответствующих обмоток ротора.

Подставив полученные выражения для токов в уравнение намагничивающих сил (4), получим

откуда следует, что это равенство соблюдается, когда Z3+Zн3=Z4+Zн4 (, поскольку обмотки ротора одинаковы). При Z3=Z4 условием вторичного симметрирования ВТ является равенство нагрузочных сопротивлений Zн3 и Zн4. При этом каждая из роторных обмоток является компенсирующей по отношению к другой.

Достоинством этого симметрирования является постоянство входного сопротивления машины вне зависимости от угла поворота ротора.

На практике, как правило, применяют одновременно первичное и вторичное симметрирование ВТ, поскольку такой способ симметрирования дает наилучшие результаты (наименьшую погрешность преобразования).

Режим ЛВТ.

С помощью синусно-косинусного ВТ можно получить практически линейную зависимость выходного напряжения от угла поворота ротора лишь при малых изменениях угла (около 4,5 в обе стороны от нуля при допустимой погрешности 0,1%). Однако при соответствующем включении обмоток четырехобмоточного вращающегося трансформатора эти пределы можно значительно расширить, примерно до 55 при той же погрешности. Для решения этой задачи используют линейные вращающиеся трансформаторы (ЛВТ).

Существует две схемы линейных вращающихся трансформаторов: с первичным и со вторичным симметрированием. Схема включения обмоток ЛВТ с первичным симметрированием показана на рис. 5.

Их схемы видно, что напряжение возбуждения U1 подается на последовательно включенные обмотку возбуждения, косинусную обмотку и сопротивление Zн4. Сопротивление Zн2, нагружающее компенсационную обмотку, подбирается так, чтобы поперечный поток q стал равным нулю (практически Zн2=0). В этом случае ЭДС E3, индуктируемая в синусной обмотке, нагруженной на внешнее сопротивление Zн3, линейно зависит от угла поворота ротора. Пренебрегая активным сопротивлением обмоток и потоками рассеяния, можно получить выражение для напряжения на выходе ЛВТ

(5)

Рис. 5. Принципиальная схема линейного ВТ с первичным симметрированием

где k - коэффициент трансформации.

В рассмотренной схеме, как и в рассмотренной ранее схеме СКВТ с первичным симметрированием, входное сопротивление (со стороны U1) не будет постоянным при изменении угла . Поэтому в тех случаях, когда требуется постоянство входного сопротивления, используют ЛВТ со вторичным симметрированием (рис. 6).

В этой схеме напряжение возбуждения U1 подается на обмотку возбуждения, а компенсационная и синусная обмотки соединяются последовательно, образуя общую цепь, к зажимам которой подключается нагрузочное сопротивление Zн3. С этого сопротивления и снимается выходное напряжение. Сопротивление Zн4 косинусной обмотки должно быть подобрано так, чтобы машина была полностью симметрирована, т. е. чтобы ее входное сопротивление было постоянным.

Рис. 6. Принципиальная схема линейного ВТ со вторичным симметрированием

Связь выходного напряжения с углом поворота ротора для ЛВТ со вторичным симметрированием описывается известным выражением (5).

Недостатком ЛВТ со вторичным симметрированием является то, что он не может быть использован в тех устройствах, где нагрузка Zн3 переменная. Поэтому на практике применяются главным образом ЛВТ с первичным симметрированием.

Режим ВТ-построителя.

Вращающийся трансформатор в режиме построителя может применяться для решения геометрических задач. Так, с его помощью можно определить гипотенузу и один из углов прямоугольного треугольника по двум заданным катетам.

На рис. 7 показана схема включения ВТ-построителя. Обмотки возбуждения и компенсационную присоединяют к одной и той же однофазной сети через потенциометры (или регулируемые автотрансформаторы), позволяющие установить на этих обмотках требуемые напряжения U1 и U2, пропорциональные катетам решаемого треугольника. Вольтметры Vs и Vc, подключенные к роторным обмоткам 3 и 4, могут быть отградуированы в линейных мерах в соответствующем масштабе.

Рис. 7. Схема включения ВТ-построителя

Схема работает следующим образом. Допустим, что известны катеты a и b прямоугольного треугольника (см. рис. 7). В определенном масштабе их величины могут быть выражены через напряжения U1 и U2, которые подаются посредством потенциометра на обмотки 1 и 2 статора. Токи I1 и I2 в этих обмотках создают в ненасыщенной магнитной системе машины взаимно перпендикулярные потоки 1 и 2, пропорциональные значениям напряжений U1 и U2. Геометрическое сложение этих потоков дает результирующий магнитный поток , величина которого пропорциональна гипотенузе с решаемого треугольника, а пространственное расположение такое же, как и гипотенузы относительно катетов a и b. Пронизывая обмотки ротора, поток наведет в них электродвижущие силы. Если теперь мы развернем ротор вращающегося трансформатора на угол так, что косинусная обмотка 4 займет положение, при котором ее ось будет перпендикулярна результирующему потоку , ЭДС этой обмотки станет равной нулю (показание вольтметра Vc станет равным нулю). При этом ось обмотки 3 совпадет с осью результирующего потока , который будет индуктировать в ней ЭДС, пропорциональную гипотенузе решаемого треугольника.

Контрольные вопросы

1. Опишите устройство и принцип действия синусно-косинусного поворотного трансформатора и области его применения.

2. Объясните, для чего применяется симметрирование синусно-косинусного поворотного трансформатора. Опишите известные Вам методы симметрирования.

3. Опишите назначение, принцип действия и основные характеристики поворотного трансформатора в линейном режиме.

Размещено на Allbest.ru