Информационные машины
Информационные машины
1. Поворотный трансформатор
1.1. Синусно – косинусный поворотный трансформатор.
1.2. Линейный поворотный трансформатор
2. Сельсины
2.1. Сельсины с одной обмоткой синхронизации.
2.2. Дифференциальные сельсины.
3. Магнесины
4. Трехфазные сельсины
Рекомендуемые материалы
5. Асинхронный тахогенератор
К числу информационных машин относятся: поворотные трансформаторы, сельсины, магнесины и асинхронные тахогенераторы.
1. Поворотный трансформатор
Поворотными трансформаторами называют электрические машины переменного тока, преобразующие угол поворота α в напряжение, пропорциональное некоторым функциям этого угла или самому углу. В зависимости от закона изменения выходного напряжения они подразделяются на следующие типы:
а) синусно – косинусный трансформатор, позволяющий получить на выходе два напряжения, одно из которых пропорционально sinα, а второе cosα;
б) линейный поворотный трансформатор, выходное напряжение которого пропорционально углу α;
в) трансформатор – графопостроитель, выходное напряжение которого связано с подаваемыми первичными напряжениями зависимостью:
, (1.1)
где
С – постоянная.
Для получения поворотных трансформаторов различных типов может быть использована одна и та же машина с двумя обмотками на статоре и двумя на роторе при различных способах включения обмоток.
Поворотные трансформаторы широко используются в автоматических и вычислительных устройствах для решения геометрических и тригонометрических задач. В системах автоматического регулирования они используются в качестве измерителей рассогласования.
Конструктивно поворотный трансформатор выполняется так же, как асинхронный двигатель с фазным ротором. На статоре и роторе расположены по две одинаковые однофазные распределенные обмотки, сдвинутые между собой в пространстве на 90 градусов. Магнитопровод – шихтованный.
Поворотный трансформатор может работать в режиме поворота ротора или в режиме вращения. В первом случае положение ротора относительно статора задается поворотным механизмом (рис. 1).
Рис. 1. Принципиальная схема четырехобмоточного поворотного трансформатора.
В этом режиме одна из статорных обмоток – обмотка возбуждения В – присоединяется к сети переменного тока, а другая – компенсационная или квадратурная обмотка К – подключается к некоторому сопротивлению или замыкается накоротко. В некоторых случаях обе статорные обмотки получают питание от независимых источников переменного напряжения. Обмотка ротора S (синусная) и С (косинусная) присоединяются к контактным кольцам. Для уменьшения числа колец концы двух обмоток объединяются. Применяется так же токосъем с помощью спиральных пружин; в этом случае угол поворота ротора ограничен 1,8…2 оборотами.
При работе в режиме вращения обмотки возбуждения и компенсации с целью уменьшения числа контактных колец размещают на роторе, а синусную и косинусную – на статоре. При этом компенсационная обмотка замыкается накоротко, а выводы обмотки возбуждения подключаются к двум контактным кольцам.
Принцип действия. При подключении обмотки возбуждения В к сети переменного тока в машине возникает продольный магнитный поток Фd, пульсирующий во времени с частотой сети. При холостом ходе в обмотках ротора S и С этот поток будет наводить ЭДС Еs0 и Ec0, частота которых равна частоте сети f1, а действующее значение будет зависеть от положения ротора относительно статора (рис. 2а).
а) б)
 |
Рис. 2. Схематический разрез поворотного трансформатора (а) и график распределения индукции вдоль окружности его статора и ротора (б).
Предположим, что магнитный поток Фd распределен в воздушном зазоре синусоидально; в этом случае индукция в воздушном зазоре изменяется вдоль окружности статора и ротора по закону (рис. 2б):
, (1.2)
где
Вср – индукция в воздушном зазоре по оси обмотки В.
В обмотке статора В поток Фd индуктирует ЭДС:
, (1.3)
где
Фdm – максимальное значение потока:
(1.4)
Здесь
l1 – продольная длина статора (ротора);
– число витков обмотки статора.
Предположим, что ось фазы С обмотки ротора сдвинута относительно фазы В обмотки статора на некоторый угол 
. В этом случае максимальное значение потока, сцепленного с обмоткой С:
, (1.5)
а ЭДС, индуцированная в этой обмотке
, (1.6)
где
– число витков обмотки ротора.
Из соотношения
,
выходное напряжение косинусной обмотки при холостом ходе
. (1.7)
Обмотка ротора S сдвинута относительно обмотки С на угол π/2 , следовательно, выходное напряжение в этой обмотке
. (1.8)
Обмотка К с потоком Фd не связана и он не индуктирует в ней ЭДС. Она используется для компенсации поперечных потоков, создаваемых обмотками ротора при нагрузке поворотного трансформатора. Если вместо обмотки В присоединить к сети переменного тока обмотку К, то она создаст поперченный поток, по отношению к которому обмотка S будет косинусной, а обмотка С – синусной. Таким образом, в обмотках ротора при холостом ходе индуктируются ЭДС, пропорциональные синусу и косинусу угла поворота ротора относительно соответствующего потока. Применяя различные схемы включения обмоток статора и ротора, можно получить и другие функциональные зависимости, а так же уменьшить погрешности, вызываемые током нагрузки.
1.1. Синусно – косинусный поворотный трансформатор.
При подключении к синусной обмотке S нагрузки 
, по ней будет проходить ток:
, (1.9)
где
– сопротивление обмотки S, которое будем считать постоянным.
Ток IHS создает НС ротора, максимальное значение которой
(1.10)
Рис. 3. Векторная диаграмма НС при подключении нагрузки к синусной обмотке.
Как видно из рис. 3 ось этой НС совпадает с осью фазы S, поэтому ее можно представить в виде векторной суммы двух составляющих: продольной Fsd=Fssinα и поперечной Fsq=Fscosα. Продольная составляющая Fsd создает в обмотке возбуждения В компенсирующий ток, НС которого FB , так же, как и в обычном трансформаторе, компенсирует действие Fsd . Результирующий продольный поток Фd индуцирует в обмотке S ЭДС
(1.11)
Поперечная составляющая Fsq создает в поворотном трансформаторе поперечный поток Фq , максимальное значение которого
(1.12)
где
- магнитное сопротивление магнитопровода машины.
По отношению к поперечному потоку Фq обмотка S является косинусной и, следовательно, в ней индуцируется ЭДС
. (1.13)
ЭДС Еsq можно представить в виде:
(1.14)
где
(1.15)
- реактивное сопротивление обмотки ротора.
Таким образом, при нагрузке в синусной обмотке S продольным и поперечным потоками индуктируется результирующая ЭДС
(1.16)
Следовательно, ЭДС, индуцированная в синусной обмотке будет иметь вид:
(1.17)
Решив это уравнение относительно 
,получим
, (1.18)
где
- некоторый комплексный коэффициент.
Аналогично можно получить выражение для ЭДС, индуцированной в косинусной обмотке:
, (1.19)
где
- комплексный коэффициент,
и 
– сопротивление косинусной обмотки и подключенной к ней нагрузки.
Таким образом, при наличии тока нагрузки 
и 
нарушаются требуемые синусоидальная и косинусоидальная зависимости изменения ЭДС Es и Ec , а, следовательно, и выходных напряжений Us и Uc от угла поворота α и возникает определенная погрешность. Относительная погрешность для синусной и косинусной обмоток:
(1.20)
(1.21)
где
и 
- максимальные значения напряжений 
и 
.
Действительная часть комплексов 
и 
принимается за амплитудную погрешность, мнимая – за фазовую погрешность (изменение фазы выходного напряжения синусной или косинусной обмотки по отношению к фазе 
или при холостом ходе). Из выражений для и следует, что для уменьшения погрешностии необходимо уменьшить величины комплексов 
и
, т.е. увеличить сопротивления нагрузки и . Наименьшая амплитудная погрешность соответствует активной нагрузке; наименьшая фазовая погрешность – индуктивной и емкостной нагрузкам.
 |
Рис. 4. Зависимость выходного напряжения 
в синусной обмотке и погрешности
от угла поворота ротора. (1-кривая
при холостом ходе;2,3- при нагрузке (
и 
); 4-зависимость 
для ; 5- зависимость для).
На рис. 4 показаны зависимости Us=f(α) при холостом ходе (кривая 1) и при нагрузке (кривые 2 и 3), построенные по вышеуказанным формулам. При этом кривые 2 и 3 соответствуют значениям As, равным 0,25 и 1. Из этих кривых следует, что при нагрузке погрешность поворотного трансформатора может быть весьма значительной. Зависимости амплитудной погрешности ΔUs от угла поворота α для указанных значений модуля комплекса As изображены на рисунке кривыми 4 и 5.
Исследование выражений для 
ипоказывает, что погрешность ΔUs достигает максимального значения при углах α, равных 35о16’, 144o44’ и 215o16’.
Для устранения погрешности поворотного трансформатора, обусловленной поперечным потоком Фq , применяют так называемое симметрирование трансформатора, т. е. компенсацию поперечного потока ротора. Существуют два способа симметрирования: вторичное (со стороны ротора) и первичное (со стороны статора).
Вторичное симметрирование. Уменьшить погрешность выходного напряжения, снимаемого с синусной обмотки, можно, если подключить к косинусной обмотке сопротивление (рис. 5a).
В этом случае ток, проходящий по обмотке С, создает намагничивающую силу, максимальное значение которой
. (1.22)
а) б)
Рис. 5. Схема синусно-косинусного трансформатора о вторичным симметрированием (а) и диаграмма МДС, создаваемых обмотками ротора (б).
НС Fc можно представить, как и НС Fs , в виде векторной суммы двух составляющих: продольной Fcd=Fccosα и поперечной Fcq=Fcsinα. Продольная составляющая Fcd совпадает по направлению с Fsd, а поперечная составляющая Fcq направлена против Fsq. При равенстве Fcq =Fsq поперечный поток Фq будет равен нулю. Следовательно, не будет и погрешности, обусловленной этим потоком.
Величину можно определить из условия
(5.1.23)
или
(1.24)
или
. (1.25)
Так как поперечный поток Фq равен нулю, то
(1.26)
Следовательно
(1.27)
Откуда
. (1.28)
Т.е. при равенстве результирующих сопротивлений обеих фаз ротора ток IB в обмотке возбуждения поворотного трансформатора не зависит от угла поворота ротора, т. к. в выражении для результирующей продольной составляющей НС ротора 
, определяющей величину тока IВ , не входит какая-либо функция угла α:
или
(1.29)
где
; 
. (1.30)
Недостатком этого метода симметрирования является то, что практически он применим только при неизменном сопротивлении нагрузки.
Первичное симметрирование. Если нагрузка подключена только к одной из обмоток ротора, например к обмотке S (рис. 6а), то НС ротора по поперечной оси не равна нулю.
а) б)
Рис. 6. Схемы синусно – косинусных поворотных трансформаторов с первичным (а) и первичным и вторичным симметрированием (б).
Для уменьшения поперечного потока компенсационную обмотку К статора замыкают на какое-либо малое сопротивление 
или накоротко. В этом случае по поперечной оси будет действовать результирующая НС
, (1.31)
где
(1.32)
- НС, создаваемая компенсационной обмоткой.
Так как обмотка К по отношению к поперечному потоку Фq представляет собой замкнутую накоротко вторичную обмотку трансформатора, то результирующая НС 
будет значительно меньше НС 
первичной обмотки. Поэтому поперечный поток Фq и вызванная им погрешность резко уменьшается. При изменении нагрузки, подключенной к обмотке ротора, НС 
изменяется приблизительно пропорционально НС , вследствие чего степень компенсации поперечного потока остается практически неизменной. Это является достоинством данного метода симметрирования. Однако при изменении угла поворота ротора α изменяется ток 
в обмотке возбуждения, что является нежелательным, т.к. при заданном напряжении 
в этом случае будет изменяться ЭДС 
. В результате появляется дополнительная погрешность в величине выходных напряжений
и 
на зажимах синусной и косинусной обмоток. Поэтому в поворотных трансформаторах обычно применяют одновременно первичное и вторичное симметрирование ( рис. 6б).
Рассмотренные методы компенсации поперечного потока Фq могут быть применены при использовании в качестве рабочей обмотки как синусной, так и косинусной обмоток. Поэтому поворотный трансформатор, подключенный по схеме рис. 6б, называют синусно – косинусным.
1.2. Линейный поворотный трансформатор
Выбирая определенным образом схемы включения обмоток поворотного трансформатора, можно получить зависимость выходного напряжения от входного угла поворота, в некотором ограниченном диапазоне изменения угла поворота 
, близкую к линейной. Так, при желаемой точности линейной аппроксимации 0,1%, диапазон изменения угла ограничен пределами 
. Поэтому использовать для линейного трансформатора одну синусную обмотку нерационально.
Диапазон изменения угла от -
до +, при той же точности линейной аппроксимации 0,1%, можно получить, если выходное напряжение представить в виде функции
, (1.33)
где
.
Для реализации зависимости (1.33) применяют две схемы соединения обмоток поворотного трансформатора: с первичным симметрированием (на статоре) (рис. 7а) и с вторичным симметрированием (на роторе) (рис. 7б).
Рис. 7. Схема линейного поворотного трансформатора: а) с первичной компенсацией, б) со вторичной компенсацией.
В схеме первичного симметрирования линейного поворотного трансформатора (рис. 7а)
компенсационная обмотка замыкается накоротко, поперечный поток при этом равен 
. Для цепи обмоток S и C можно записать:
. (1.34)
Так как ЭДС, индуктированные в косинусной обмотке и обмотке возбуждения совпадают по фазе, то они будут складываться алгебраически. Поэтому с учетом (1.3) и (1.6) сумма
, (1.35) откуда
(1.36)
Следовательно, согласно (1.8) ЭДС, индуктируемая в выходной обмотке S определится выражением:
(1.37)
Люди также интересуются этой лекцией: 17 Определение размера площади цеха.
Пренебрегая падениями напряжения в активных сопротивлениях синусных и косинусных обмоток, а также в активном сопротивлении обмотки возбуждения и принимая
, (1.38)
получим окончательное выражение для выходного напряжения линейного поворотного трансформатора:
. (1.39)
В линейных поворотных трансформаторах с симметрированием по первичной обмотке изменение нагрузки практически не оказывает влияния на выходное напряжение, т. е. на линейность выходной характеристики, т. к. компенсационная обмотка К компенсирует поперечный поток 
, а сопротивление 
. При изменении угла поворота ротора возникают небольшие погрешности в выходном напряжении из-за изменения тока и падения напряжения в первичном контуре.
В схеме линейного поворотного трансформатора с вторичным симметрированием (рис.7б) при изменении нагрузки нарушается условие симметрирования и возникают значительные отклонения от линейной зависимости. Поэтому эту схему применяют сравнительно редко.
