microbik.ru
1 2 ... 6 7


Министерство образования Республики Беларусь
Учреждение образования

«Белорусский государственный университет информатики

и радиоэлектроники»
Кафедра систем управления
А.В.Марков,

О.А.Вильдфлуш,

Н. И.Ольшевский

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ



по дисциплине «Элементы и устройства систем управления»

для студентов специальности I-53 01 07 «Информационные технологии
и управление в технических системах»
часть 2

Минск

Лабораторная работа № 5

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВОРОТНОГО ТРАНСФОРМАТОРА
Продолжительность работы – 4 часа.
Цель работы:

1. Ознакомление с устройством и принципом работы поворотных трансформаторов (ПТ).

2. Изучение схем соединения обмоток при различных способах симметрирования.

3. Изучение основных характеристик синусно-косинусных и линейных поворотных трансформаторов.

4. Изучение работы поворотных трансформаторов-построителей.
Основные сведения

Поворотными трансформаторами называются электрические машины, имеющие на статоре и роторе по две взаимно перпендикулярные обмотки и позволяющие получить на выходе напряжения, пропорциональные некоторым функциям угла поворота ротора. Они находят широкое применение в автоматических и вычислительных устройствах непрерывного действия.

По назначению поворотные трансформаторы подразделяются таким образом:

1) синусно-косинусные поворотные трансформаторы, у которых напряжение на выходе пропорционально синусу угла поворота α;

2) линейные поворотные трансформаторы, у которых выходное напряжение пропорционально углу поворота ротора α;

3) поворотные трансформаторы-построители, у которых при подаче на статорные обмотки напряжений, пропорциональных катетам прямоугольного треугольника, выходное напряжение будет пропорционально гипотенузе треугольника.

Кроме того, ПТ могут использоваться как масштабные и вольтодобавочные трансформаторы, а также в качестве измерителей рассогласования, фиксирующих отклонение системы от некоторого определенного положения.

Для указанных целей могут использоваться одни и те же поворотные трансформаторы за счет различных способов включения их обмоток. Электрическая схема поворотного трансформатора приведена на рис. 5.1. Одна из обмоток статора S1S2 называется главной обмоткой статора или обмоткой возбуждения, другая обмотка K1К2 – вспомогательная, квадратурная или компенсационная. Обмотка А1А2 называется синусной, а обмотка В1В2 – косинусной обмоткой ротора.

Для уменьшения числа выводных зажимов иногда применяют одностороннее соединение статорных и роторных обмоток поворотных трансформаторов. Обычно концы обмоток ротора присоединяются к контактным кольцам, расположенным на валу поворотного трансформатора. Напряжение с колец снимается с помощью контактных щеток. Иногда концы роторных обмоток соединяются с зажимами непосредственно (без скользящего контакта типа щётка-кольцо) с помощью спиральных пружин. В таких случаях угол поворота ротора ограничен примерно 1,8 оборота.

Поворотные трансформаторы требуют весьма тщательного изготовления, так как допускаемые погрешности во многих случаях не должны превышать 0,05%. Как правило, они выпускаются на напряжения повышенной частоты (400 или 500 Гц), хотя встречаются также ПТ с номинальной частотой
50 Гц.

Если к зажимам главной статорной обмотки приложить переменное напряжение Us, то под действием протекающего по ней переменного тока в воздушном зазоре машины возникнет пульсирующий магнитный поток Фsd.

Конструкция трансформатора обеспечивает изменение взаимо-индуктивности между главной обмоткой статора и обмотками ротора при их повороте по закону синуса (для синусной обмотки) и косинуса (для косинусной). Поэтому при холостом ходе поворотного трансформатора в его вторичных обмотках будут наводиться ЭДС

(5.1)

. (5.2)
Если пренебречь падением напряжения в главной обмотке статора, обусловленным током холостого хода, то поток можно считать пропорциональным приложенному напряжению.

Поэтому

(5.3)

(5.4)

Здесь k – коэффициент трансформации, равный отношению эффективных витков вторичной и первичной обмоток трансформатора.

Так, например, при α = 0 поток не пронизывает контуров, образованных витками обмотки A1A2, вследствие чего ЭДС, наведенная в ней, будет равна нулю. Наоборот, при тех же условиях (α = 0) ЭДС, наводимая в обмотке B1B2, будет иметь максимальное значение

(5.6)
Очевидно, при α = 90° максимальное значение ЭДС будет в обмотке А, а нулевое – в обмотке В.

Если к одной из роторных обмоток синусно-косинусного поворотного трансформатора подключать нагрузочное сопротивление Zнг, то ток, протекающий по этой обмотке, создаст поток реакции , ось которого совпадает с осью соответствующей обмотки ротора (рис. 5.2). Этот поток можно разложить на продольную и поперечную составляющие. Поперечная составляющая искажает картину магнитного поля в трансформаторе, что является источником погрешностей, искажающим зависимости (5.4) и (5.5). Для их устранения применяются различные способы компенсации поперечного потока, которые носят название симметрирования поворотных трансформаторов. Различают два вида симметрирования: вторичное и первичное. При вторичном симметрировании трансформаторов нагрузочные сопротивления включаются одновременно в обе обмотки ротора (рис. 5.3, а). При этом поперечные потоки, созданные синусной и косинусной обмотками трансформатора, взаимно компенсируются (рис. 5.3, б).

При первичном симметрировании (рис. 5.4,а) вспомогательная обмотка статора замыкается на сопротивление Zнгк, величина которого равна внешнему сопротивлению обмотки S. В этом случае поперечный поток (например поток Фqв) наводит в обмотке к ЭДС Ек; ток Iк , протекающий по этой обмотке, создает поток Фqk, частично компенсирующий поток Фqв поперечной реакции якоря (рис. 5.4, б).

Наилучшие результаты в смысле уменьшения погрешности получаются при одновременном симметрировании трансформаторов как с первичной, так и со вторичной стороны. В этом случае используются все четыре обмотки трансформаторов.

Для получения линейной зависимости выходного напряжения от угла поворота ротора α при узких пределах его изменения (αmax = ±4,5º) можно использовать синусную обмотку поворотного трансформатора. Для получения линейной зависимости выходного напряжения от угла поворота α при его изменении в пределах ±37º (при точности 0,1 %) или в пределах ±60° (при точности 1 %) необходимо на выходе поворотного трансформатора получить зависимость напряжения oт угла α в виде функции

. (5.7)

Для получения выходного напряжения трансформатора, изменяющегося по закону (5.7), могут быть использованы схемы линейного поворотного трансформатора с первичным (рис. 5.5, б) и вторичным (рис. 5.5, а) симметрированием.





Рис. 5.1. Схема поворотного Рис. 5.2. Схема косинусного

трансформатора трансформатора


Рис. 5.3. Схема (а) и векторная диаграмма магнитных потоков
(б) синусно-косинусного поворотного трансформатора со вторичным

симметрированием


Рис. 5.4. Схема (а) и векторная диаграмма (б) косинусного поворотного трансформатора с первичным симметрированием



Рис. 5.5. Схема линейного поворотного трансформатора со

вторичным (а) и первичным (б) симметрированием
Зависимость U=f(α) линейного поворотного трансформатора приведена на рис. 5.6. Величина коэффициента с в выражении (5.7) определяется диапазоном изменения угла α и равна 0,5…0,53.

Схема поворотного трансформатора–построителя и векторная диаграмма магнитных потоков в таком трансформаторе приведены на рис. 5.7. К обмоткам статора S и К подводятся напряжения Us и Uk, пропорциональные катетам прямоугольного треугольника. Одна из роторных обмоток подключена к прибору, отградуированному в линейных мерах; другая обмотка ротора питает обмотку управления исполнительного двигателя ИД. Ротор поворотного трансформатора через редуктор соединяется с ротором ИД. Намагничивающие силы обмоток статора IsWs и IkWk создают пульсирующие потоки Фs и Фk, пропорциональные напряжениям Us и Uk. Ось результирующего магнитного потока Фа будет расположена в пространстве по отношению к осям обмоток S и К под теми же углами, что и гипотенуза исходного треугольника по отношению к его катетам, а величина этого потока пропорциональна величине гипотенузы. Пульсирующий поток ФА наведет в обмотках ротора ЭДС ERA и ЕRB. Под действием напряжения URB ротор двигателя придет во вращение и начнет поворачивать ротор трансформатора. Когда ось обмотки В займет положение, перпендикулярное оси результирующего магнитного потока ФА, то ЭДС, наведенная в ней, станет равной нулю и ротор двигателя остановится. При этом ЭДС обмотки А будет максимальной и пропорциональной потоку ФА, так как ось ее будет совпадать с осью результирующего магнитного потока. Поэтому напряжение U, измеренное вольтметром, также будет пропорциональным гипотенузе исходного прямоугольного треугольника.




Рис. 5.6. Примерный вид линейной характеристики
Программа выполнения работы
1. По стендам, находящимся в лаборатории, ознакомиться с конструкциями поворотных трансформаторов.

2. Записать основные технические данные исследуемых поворотных трансформаторов и измерительных приборов, используемых во время опыта.

3. Ознакомиться с системой отсчета углов поворота ротора поворотного трансформатора.

4. Собрать схему рис. 5.8 и выполнить симметрирование синусно-косинусного поворотного трансформатора.

5. Воспользовавшись схемой рис. 5.8, снять синусную и косинусную характеристику трансформатора.

6. Собрать схему рис. 5.9 и снять характеристику U=f(α) линейного ПТ.

7. Собрать схему рис. 5.10 и исследовать работу ПТ в режиме трансформатора–построителя.

На основании результатов опытов:

1. Построить в одной координатной системе зависимость выходного напряжения от угла поворота ротора при использовании ПТ в качестве синусного, косинусного и линейного поворотных трансформаторов.

2. По заданным катетам рассчитать гипотенузу и угол для прямоугольного треугольника и сравнить с опытными значениями.

Методика выполнения работы

  1. Симметрирование синусно-косинусного ПТ.

При вторичном симметрировании полные сопротивления обеих роторных обмоток должны быть равны, т.е.
ZНГА + ZА= ZВ + ZНГВ . (5.8)
Так как по условиям симметрии

ZА = ZВ , (5.9)

то

ZНГА = ZНГВ . (5.10)
Обычно соотношение (5.10) используется лишь при грубой настройке вторичного симметрирования. Для более точной компенсации поперечного потока при вторичном симметрировании можно воспользоваться методом амперметра или методом вольтметра.

Первый метод основан на использовании постоянства входного сопротивления ПТ, которое при вторичном симметрировании не зависит от угла поворота ротора α. Следовательно, при правильном подборе сопротивлений ZНГА(R3) и ZНГВ(Rу) (переключатели P4,P5 в верхнем положении, а P2 в среднем) показания амперметра, включенного в цепь обмотки S, не должны изменяться с изменением α.







Рис. 5.7. Схема (а) и векторная диаграмма потоков (б) поворотного трансформатора–построителя

Рис. 5.8. Схема для симметрирования синусно–косинусных поворотных трансформаторов



Рис. 5.9. Схема для снятия характеристики U=f(α) линейного ПТ

Рис. 5.10. Схема для исследования ПТ в режиме трансформатора–

построителя
Еще более точные результаты можно получить при вторичном симметрировании ПТ по методу вольтметра. При использовании этого метода в цепь вспомогательной обмотки статора К включается вольтметр (переключатель P2 находится в среднем положении). Так как при полной компенсации подбором значений резисторов R3, R4 поперечный поток в ПТ отсутствует, то ЭДС, наводимая в обмотке К, будет равна нулю.

При работе ПТ от сети бесконечной мощности входное сопротивление сети равно нулю и для выполнения первичного симметрирования достаточно замкнуть обмотку К накоротко (переключатель P2 установить в среднее положение).

2. Опытное определение синусной и косинусной характеристик ПТ.

Синусная и косинусная характеристики ПТ снимаются при одновременно первичном (обмотка К закорочена) и вторичном симметрировании и номинальном напряжении на зажимах обмотки S (тумблеры P4, P5 в верхнем, P2 в среднем положении). Перед началом опыта необходимо установить «нуль» шкалы поворотного трансформатора. Во время опыта напряжения в точках А(sin) и В(cos) на роторных обмотках ПТ измеряются через каждые 20° в диапазоне 0…180°. Данные измерений заносятся в табл. 5.1.
Таблица 5.1


№ п.п.

Синусная обмотка

Косинусная обмотка

α

UА

α

UВ

град

В

град

В


















3. Снятие линейной характеристики ПТ. У линейного ПТ со вторичным симметрированием должно выполняться условие
ZК + ZНГВ =ZНГА .
Если вторичная симметрия линейного ПТ выполнена (тумблеры P4,P5 в верхнем, а P2 в среднем положении), то при повороте ротора показания амперметра в цепи обмотки возбуждения трансформатора не должны зависеть от угла поворота ротора, а напряжение на компенсационной обмотке равно 0. После установления вторичной симметрии собирается схема рис. 5.9 (тумблеры P2, P5 в верхнем, а P4 в нижнем положении). Снимается зависимость U=f(α). Диапазон изменения угла α равен 0…±180°. Начало отсчета углов α начинается от положения, при котором отсутствует напряжение (V2) в цепи выходной обмотки. Во время опыта напряжение на зажимах обмотки возбуждения S поддерживается с помощью резистора R1 постоянным (Us=U). Данные измерений заносятся в табл. 5.2. Примерный вид линейной характеристики приведен на рис. 5.6.

Таблица 5.2


U

В




























α

град





























4. Исследование поворотного трансформатора-построителя производится по схеме рис. 5. 10.

На обмотку возбуждения S подается номинальное и неизменное напряжения . При переводе переключателя P2 в верхнее положение на компенсационную обмотку К ступенчато подается с помощью галетного переключателя P3 (переключатель P2 в верхнем положении) напряжение от 0 до 50 В. В роторные обмотки ВТ включаются вольтметр(V2) и нуль–индикатор(НИ). В качестве НИ можно использовать V2, поочередно включая его к синусной (А) и к косинусной (В) обмоткам.

Перед началом опыта необходимо установить “нуль” шкалы ПТ. Подключив НИ в синусную обмотку и вращая ротор трансформатора до такого положения, чтобы показания НИ были равны нулю, установить стрелку угла поворота трансформатора в начало отсчета и занести полученные данные в таблицу.

Переключая галетный переключатель P3 в положения 0…4, необходи–мо измерять напряжение в компенсационной обмотке (Uв) и доводить его до целого значения сопротивлением R1. Для каждого значения напряжения обмотки К ротор трансформатора вращается до показания НИ, равного нулю. Показания вольтметров Ua, Uв и Uc’, а также значения углов со шкалы поворотного трансформатора заносятся в табл. 5.3. Расчетные значения коэффициента трансформации m, Uc и определяются по формулам:

, при α=0 ; ; .
Таблица 5.3


№ п.п.

Опытные данные

Расчетные

Примечание

α

Uа

Uв





UС

α

град

В

В

В

В

В

град






























Литература
I. Чечет Ю.С. Электрические микромашины автоматических устройств. М.: Энергия, 1964. С. I98–2I5.

2. Астахов Н.В., Крайз Б.Л., Лопухина Е.М., Сомихина Г.С., Юферов Ф.И. Лабораторные работы по электрическим микромашинам. М.: МЭИ, 1962. С.166–182.

3. Лабораторные работы по курсу «Вычислительные машины непрерывного действия» /Под общ. ред. А. Н.Лебедева и В.Б.Смолова. М.: Высш.шк., 1965. С. 47–65.

4. Долматов Р.Г., Каляева А.А., Мазур А.Я. Пособие и лаборатории по курсу «Электрические машины». Таганрог, 1961. С. 109–118. ««

Лабораторная работа № 6

ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ФЕРРИТОВЫХ СЕРДЕЧНИКОВ С ПРЯМОУГОЛЬНОЙ ПЕТЛЕЙ ГИСТЕРЕЗИСА
Цель работы — освоение методики определения динамических характеристик и параметров ферритовых сердечников с ППГ.
Общие сведения

При отсутствии импульсов тока в обмотках сердечник находится в одном из устойчивых состояний с остаточной индукцией +Вr или –Вr. Для его перемагничивания по полному циклу необходимо иметь последовательность двух импульсов тока, создающих напряженности разных знаков. Импульс А перемагничивает сердечник из точки 0 в точку 1, импульс В – из точки 1 в точку 0  (рис. 6.1). Скорость перемагничивания сердечника, а также величина импульса, возникающего в выходной обмотке, зависят от величины действующего поля.

На рис. 6.2 приведен наиболее общий пример импульсного перемагничивания сердечника. Если сердечник находился в состоянии r, то импульс
1 перемагничивает его за время в состояние, соответствующее изменению индукции ΔВm (т. А). При этом величину ЭДС на выходной обмотке можно оценить как

(6.1)

По окончании импульса сердечник изменяет свое состояние от А до В «1», что соответствует ЭДС помехи:

. (6.2)

Под действием импульса 2 сердечник изменяет свое состояние от r до m и обратно от m до r; при этом в первом случае
, (6.3)

а во втором – определяется уравнением (6.2).

Импульс 3 переводит сердечник в r, ЭДС сигнала и помеха будут выражаться приведенными выше соотношениями. После воздействия импульса 4 происходит перемагничивание сердечника по частотному циклу петли гистерезиса, который соответствует перемагничиванию только части внутренних слоев сердечника. Сердечник из состояния –Вr перейдет в точку Ор, где его состояние будет отличаться от –Вr. Такое состояние сердечника называется состоянием разрушенного «О». Аналогичное состояние возникает под действием импульса 6 и называется разрушенной «1».



Рис. 6.1. Петля гистерезиса
и перемагничивающие импульсы

Рис. 6.2. Петля гистерезиса
и программа для снятия импульсных параметров сердечников


Форма ЭДС в выходной обмотке при действии указанной программы импульсов показана на рис. 6.3.

Переходные процессы при импульсном перемагничивании сердечника с ППГ достаточно хорошо описываются уравнением динамического состояния (уравнением вязкости):

, (6.4)
где r(B) – приведенное динамическое сопротивление, (Ом/c); H – напряжен-ность поля, перемагничивающего сердечник; Hcmнапряженность, характеризующая поле реакции ферромагнетика при импульсном перемагничивании.

Разность между напряженностью внешнего поля и напряженностью поля реакции может быть названа напряженностью действующего поля, которая определяет скорость изменения индукции в процессе импульсного перемагничивания:

Hq = HHcm . (6.5)
Уравнение (6.4) дает достаточно хорошее совпадение с экспериментом лишь при условии Н>Нгр. При Н<Нгр связь между и Н не имеет линейного характера.

Уравнение (6.4) может быть представлено в интегральной форме

. (6.6)
Для средних значений магнитных полей
, (6.7)

где Нo – усредненная напряженность, называемая пороговой (стартовой);
τ – время полного перемагничивания сердечников от –Вr до r.

Из вышесказанного видно, что для расчета процесса импульсного перемагничивания сердечника по предельной петле гистерезиса необходимо знать его динамические параметры Sw, Ho, rm. Эти параметры находятся из характеристик, приведенных на рис. 6.4:

. (6.8)

Данные характеристики состоят из двух участков с напряженностями Нmгр и Hm>Hгр..

Как показывает рассмотрение совмещенных статических и динамических характеристик, напряженность Нгр не только соответствует разделению перемагничивания на полное и неполное, но и делит процессы перемагничивания на область медленных Нmгр и быстрых Hm>Hгр. процессов. В соответствии с зависимостями (6.4) и (6.7) rm и Sw определяются следующим образом:

rm =tqα; Sw=ctq β. (6.9)

При Hmгр динамические характеристики не имеют линейной зависимости и аппроксимировать их прямыми линиями затруднительно. Поэтому при Hmгр определение параметров Sw, rm и Ho производят для конкретных значений напряженности, аппроксимируя характеристики в окрестности точек, соответствующих этой напряженности. Динамические характеристики феррита зависят от температуры и геометрических параметров, а также от нагрузки, которая подключается к выходной обмотке. Влияние температуры, нагрузки и геометрических размеров сердечника на характеристику показано на рис. 6.5.



следующая страница >>