Трансформаторные преобразователи. Наибольшее применение в авиационной автоматике нашли трансформаторные преобразователи (ТП), в которых изменения положения подвижного органа

Наибольшее применение в авиационной автоматике нашли трансформаторные преобразователи (ТП), в которых изменения положения подвижного органа, воспринимающего измеряемое перемещение, вызывает изменение взаимной индукции (коэффициента взаимоиндуктивности) между двумя системами обмоток. К одной из них (первичной или обмотки возбуждения) подводиться переменное напряжение питания , а с другой (вторичной или сигнальной) обмотки снимается индуцированное в ней напряжение , зависящее от коэффициента взаимоиндукции.

Так же, как и ИП, ТП отличается конструктивным разнообразием.

Рассмотрим принцип работы на примере трехстержневого ТП (рис.4), состоящего из подвижного ротора 1, статора 2 с первичной обмоткой и двумя вторичными обмотками , соединенными встречно-последовательно.

Первичная обмотка создает магнитный поток , составляющие которого и перераспределяются примерно пропорционально площадям перекрытия ротором крайних стержней. Потоки и наводят во вторичных обмотках ЭДС, которые в силу встречного соединения вычитаются, следовательно, в среднем положении ротора и симметричной конструкции выходной сигнал равен нулю. Данный вариант схемы является дифференциальным по напряжению.

Эта же схема может быть дифференциальной по току, если подать питание на вторичные обмотки, а сигнал снимать с первичной. В этом случае обмотка будет сцеплена с потоками, направленными встречно в среднем стержне.

Проводимость воздушных зазоров определим без учета краевых потоков (т.е. потоков вне воздушного зазора), воспользовавшись геометрическими размерами ТП (рис.4), тогда

,

, , (1.2.16)

где – ширина воздушного зазора, одинаковая для всех зазоров.

Рис. 4. Трехстержневой трансформаторный преобразователь

Магнитный поток, созданный обмоткой возбуждения, замыкается помимо воздушных зазоров между средним и боковыми стержнями (потоки утечки). В первом приближении можно считать, что проводимость утечки не зависят от положения ротора.

Если составить для приведенной схемы замещения уравнения для магнитных и электрических контуров, то, решая их, получим выражение для выходного напряжения:

(1.2.17)

где – относительное изменение входного сигнала в пределах ;

– реактивное сопротивление, обусловленное потокосцеплением взаимоиндукции, замыкающимся через магнитопровод ротора;

– сопротивление, обусловленное потокосцеплением взаимоиндукции, замыкающимся вне магнитопровода ротора;

, – приведенные к вторичной обмотке реактивные сопротивления и

Рассмотренный тип ТП применяется для преобразования углового перемещения в электрический сигнал в пределах 7¸10° и обладает сравнительно линейной ФП в данном диапазоне.

Вследствие значительной краевой проводимости, меняющейся существенно нелинейно от положения ротора, этой конструкции присущ реактивный момент.

Для уменьшения реактивного момента и увеличения чувствительности чаще применяют круглый статор электромашинного типа, имеющий разное количество пазов. Конструктивная схема ТП, по существу включает несколько трехстержневых ТП. По отношению к трехстержневому ТП эта конструкция имеет значительные преимущества, т.к. обладает большой симметрией и меньшей чувствительностью к эксцентриситету ротора, удобством установки в приборы и значительно меньшими реактивными моментами вследствие существенного снижения краевых эффектов.

Для ТП, так же как и для ИП по тем же причинам, не удается получить нулевое значение выходного сигнала при среднем положении ротора. В лучших конструкциях ТП «нулевой» сигнал не превышает несколько десятков милливольт.

Основным преимуществом ТП по сравнению с индуктивным является отсутствие гальванической связи между цепями питания и выхода, а также возможность получения выходного сигнала большей величины, чем питающее напряжение.

ТП, так же как и ИП, представляет собой амплитудные модуляторы, поэтому для уменьшения динамической погрешности частота питающего напряжения должна быть в 10 – 20 раз больше, чем максимально возможная частота изменения входной величины.

Увеличение частоты питающего напряжения позволяет уменьшить как габариты преобразователей, так и реактивный момент (усилия).

Описание лабораторной установки

Схема лабораторной установки приведена на рис. 5. На передней панели смонтированы исследуемые ИП и ТП. С левой стороны преобразователей приведены их электрические схемы с необходимыми переключениями и клеммами. Переключатели П1 и П3 позволяют включать соответственно сопротивления нагрузок на выходы ИП ( , кОм) и ТП ( , кОм).

При среднем положении П1 и П3 нагрузки в выходных цепях преобразователя отключаются. Выключатель В2 служит для отключения одной половины дифференциального ИП с индуктивностями и от дифференциального трансформатора Тр. Клеммы 1, 2 (ИП) и 5, 6 (ТП) служат для включения внешнего вольтметра с большим внутренним сопротивлением ( кОм).

Перемещение якоря ИП измеряется микрометром 1. Ротор ТП соединен с ручкой 2, поворот которой контролируется угломером с пределами измерений 10°.

Цепь питания ИП и ТП состоит из входных клемм ЗГ 3, 4 к которым подается напряжение звукового генератора, контрольного вольтметра 1 и переключателя П2, которым подключается напряжение с ЗГ к дифференциальному трансформатору ИП (положение 1) или ТП (положение 2).

Коэффициент трансформации по напряжению ТР равен

.

Исследуемый ИП дифференциальный и служит для измерения линейных перемещений в диапазоне ±0.4 мм. Отличие его от вышерассмотренной схемы ИП (рис.2а) в том, что для удобства задания линейного перемещения полюса сердечников и якорь выполнены скошенными (рис. 6) и перемещение задается в плоскости, перпендикулярной плоскости расположения сердечников.

Рис. 5. Схема лабораторной установки

При перемещении якоря на величину воздушный зазор для одной половины ИП уменьшается на величину , а для другой – увеличивается на эту же величину, тогда соответственно получим приближенные значения сопротивлений воздушных зазоров:

(1.3.1)

(1.3.2)

где =0.5 мм – начальный воздушный зазор;

a=45° – угол скоса сердечника и якоря;

=5 мм – длина воздушного зазора;

=8 мм – ширина воздушного зазора.

Рис.6. Схема воздушного зазора ТП

Число витков индуктивностей и равно 1200 виткам. Исследуемый ТП электромашинного типа с 12-полюсным статором и 6-полюсным ротором. Данный тип ТП представляет совокупность 6-трехстержневых ТП, у которых крайние стержни общие, а, следовательно, и выходные обмотки. Из-за совмещения стержней и выходных обмоток сокращается их число на 1/3 и схема становиться дифференциальной по току и напряжению.

Порядок выполнения лабораторной работы

1. Изучить принцип действий ИП, ТП и ознакомиться с заданием лабораторной установкой. Зарисовать магнитные цепи исследуемых ИП и ТП, подготовить таблицы для экспериментальных ФП.

2. Включить в сеть ~220 В звуковой генератор, вольтметр к клеммам 1, 2 дать им прогреться 2-3 минуты.

3. Исследование ИП (Переключатель П2 в положение 1)

а) Определение ФП дифференциального ИП при номинальных условиях ( =10 В, =400 Гц):

– включить тумблером В2 вторую половину ИП

– установить якорь в среднее положение по минимальному значению ;

– перемещая якорь вправо, затем влево от среднего положения, снять ФП для обеих ветвей, при этом перемещение якоря влево от среднего положения изменяет фазу выходного напряжения на 180°.

Измерения производить при значениях нагрузки: кОм, кОм, .

б) Определение реальной ФП дифференциального ИП при отклонениях напряжения питания, частоты и нагрузки от номинальных значений на величину DU=-2 В; Df=50 Гц:

– установить , =400 Гц, кОм и снять ФП;

– установить , =450 Гц , кОм и снять ФП;

4. Исследование дифференциального ТП (переключатель П2 в положении 2).

а) Определение номинальной и реальной ФП ТП;

– включить вольтметр к клеммам 5, 6;

– номинальную и реальную ФП определить по методике в п.п. 3. согласно заданию, при этом учесть, что номинальное значение сопротивления нагрузки для ТП кОм, напряжение , а отклонение частоты D =50 ГЦ, напряжения ;

б) Определения зависимости чувствительности ТП от частоты питающего напряжения:

– установить номинальные значения напряжения и нагрузки;

– отклонить ротор ТП ручкой 2 (рис.5) от среднего положения (в любую сторону) на 5÷6°;

– изменяя частоту питающего напряжения от 250 до 800 Гц, через 50 Гц замерить выходные напряжения, при этом поддерживать постоянной ;

– определить чувствительность ТП для замеренных значений напряжений.

5. Определение величины и формы нулевого сигнала:

– включить осциллограф в сеть ~220 В, откалибровать его;

–включить выходы дифференциального ИП и ТП ко входу осциллографа, определить величину и форму нулевого сигнала при номинальных значениях , , .

6. Выключить приборы и лабораторную установку.