Трансформаторные датчики

В системах электроавтоматики в качестве датчиков угла поворота наряду с резисторными, индуктивными и емкостными датчиками применяют измерительные устройства на сельсинах и вращающихся трансформаторах.

Схема трансформаторного датчика, показанная на рис. 2.27, содержит ротор Р, сердечник С с катушками w ₁ и w ₂. Такой датчик часто называют также «следящим» или дифференциальным трансформатором.

Он широко используется в различных автоматических системах для измерения угловых перемещений, имеет секторный якорь, угол поворота которого j является измеряемой величиной, и трехстержневой сердечник, на центральном стержне которого намотана обмотка возбуждения (первичная обмотка), подключенная к источнику питающего напряжения U _пит.

Существуют конструктивные модификации рассмотренного датчика, позволяющие измерять перемещения якоря по двум взаимно перпендикулярным направлениям х и у. Один из таких датчиков называется вращающимся трансформатором.

Вращающийся трансформатор (ВТ), представляющий собой электрическую машину индукционного типа, применяют для функционального преобразования угла поворота в электрический сигнал. ВТ состоит из статора и ротора, на которых размещаются по две взаимно перпендикулярные однофазные обмотки (рис. 2.28, а). Токосъем с обмоток ротора осуществляется с помощью контактных колец и щеток или с помощью спиральных пружин при ограниченных углах поворота. При включении обмотки возбуждения w _вв сеть переменного тока напряжением U возникающий в обмотке ток I _в создает пульсирующий магнитный поток, который наводит в обмотках ротора ЭДС. Величина ЭДС при отсчете угла поворота ротора θ от нейтрального положения против часовой стрелки пропорциональна синусу этого угла, поэтому обмотку w _син называют синусной обмоткой ВТ.

Рис. 2.26. Дифференциальный индуктивный датчик соленоидного типа	Рис. 2.27. Трансформаторный датчик с перемещающимся якорем

а б

Рис. 2.28. Вращающиеся трансформаторы:
СКВТ (а) и линейный вращающийся трансформатор (б)

Если пренебречь падением напряжения в обмотках, то выходное напряжение синусной обмотки

U _син = kU sinq, (2.33)

где k = w _син/ w _в = w _кос/ w _в – максимальный коэффициент трансформации ВТ.

Во второй обмотке ротора w _кос, называемой косинусной, будет индуктироваться ЭДС, пропорциональная косинусу угла поворота θ, так как эта обмотка смещена на 90° относительно синусной обмотки ВТ.

Выходное напряжение косинусной обмотки

U _кос = kU cos q. (2.34)

В схеме, представленную на рис. 2.28, а синусную и косинусную обмотки ВТ включают на одинаковые сопротивления Z _н.син = Z _н.кос, что дает наилучшие результаты по компенсации поперечной составляющей магнитного потока (симметрированию) выходной обмотки и, следовательно, по уменьшению погрешностей к улучшению характеристик ВТ.

У линейного вращающегося трансформатора (ЛВТ)
(рис. 2.28, б) выходное напряжение U _выхявляется линейной функцией угла поворота (при q = ±60°). ЭДС, наводимая в синусной обмотке в результате сцепления с магнитным потоком обмотки возбуждения:

В синусной обмотке со стороны квадратурной наводится также ЭДС пропорциональная потоку и, следовательно, току I _син, протекающему по этой обмотке, и суммарной ЭДС контура E _вых:

Учитывая встречное включение синусной w _сини квадратурной w _квобмоток, а также применение симметрирования, запишем выходную ЭДС:

(2.35)

Если пренебречь падением напряжения в обмотках ВТ, считая E _вых = U _вых, то согласно (2.35) напряжение на выходе ЛВТ можно представить выражением

(2.36)

где k ₁, k ₂ – коэффициенты трансформации.

При k ₁ = k ₂ = 0, 5функция (2.36) принимает максимальное значение при θ = 120°. Линейность статической характеристики с точностью до 1 % обеспечивается при изменении θ в пределах ±60°.

Вращающиеся трансформаторы, являющиеся высокоточными устройствами, можно использовать в системах автоматики вместо трансформаторных сельсинов. В зависимости от величины погрешности ВТ подразделяют на четыре класса точности. ВТ, как и сельсины, являются безынерционными элементами автоматики.