Вращающиеся трансформаторы: устройство, принцип действия и особенности
Вращающиеся трансформаторы - удивительные электротехнические устройства, позволяющие преобразовывать механическое вращение в электрический сигнал. Эта особенность открывает им путь в самые разные области применения - от робототехники и систем управления до измерительных приборов.
Физические основы работы вращающихся трансформаторов
В основе работы вращающихся трансформаторов лежит принцип электромагнитной индукции, открытый в 1831 году Майклом Фарадеем. Когда через катушку (обмотку) пропускают переменный электрический ток, вокруг нее возникает переменное магнитное поле. Если в это поле поместить другую катушку (обмотку), то изменение магнитного потока будет наводить в ней электродвижущую силу (ЭДС).
Вращающийся трансформатор состоит из двух основных частей:
- Статора - неподвижной части с обмоткой, подключенной к источнику переменного тока;
- Ротора - вращающейся части с другой обмоткой.
При подаче переменного тока на обмотку статора вокруг нее возникает вращающееся магнитное поле. Оно пересекает обмотку ротора и наводит в ней электродвижущую силу (ЭДС), пропорциональную углу поворота ротора относительно статора.
Конструкция и основные типы вращающихся трансформаторов
По конструкции вращающиеся трансформаторы бывают:
- Контактные и бесконтактные;
- С ограниченным и неограниченным углом поворота ротора;
- Одно- и многослойные.
По способу преобразования угла поворота в электрический сигнал различают:
- Синусно-косинусные трансформаторы;
- Линейные вращающиеся трансформаторы;
- Резольверы.
Наиболее распространены двухполюсные вращающиеся трансформаторы с двумя обмотками на статоре и двумя на роторе, сдвинутыми на 90° для формирования "синуса" и "косинуса".
В 1885 году американский изобретатель Джордж Вестингауз создал первый успешный прототип вращающегося трансформатора, ставший важным шагом к безопасной передаче электроэнергии.
Схемы включения и режимы работы
Вращающиеся трансформаторы могут работать в двух режимах:
- Режим поворота ротора с фиксацией угловых положений;
- Режим непрерывного вращения.
Для повышения точности применяют симметрирование первичной и вторичной цепей. Это позволяет скомпенсировать искажения, вносимые намагничивающим действием нагрузки.
Различают синусные, косинусные и линейные схемы включения вращающихся трансформаторов. В зависимости от используемых обмоток ротора и способа их соединения можно получать на выходе напряжение, пропорциональное sinα, cosα или самому углу поворота α.
| Схема включения | Функциональная зависимость Увых(α) |
| Синусная | Увых = ksinα |
| Косинусная | Увых = kcosα |
| Линейная | Увых = kα, α ∈ [0°, 60°] |
Области применения вращающихся трансформаторов
Благодаря своим уникальным свойствам вращающиеся трансформаторы нашли широкое применение в различных областях. Рассмотрим основные из них.
- Системы автоматического управления. В АСУ ТП вращающиеся трансформаторы используются в качестве датчиков обратной связи для определения углового положения регулирующих органов. Они позволяют получать точную информацию о текущем состоянии системы.
- Робототехника и мехатроника. В роботах вращающиеся трансформаторы применяются для измерения углов поворота в суставах манипуляторов. Это дает возможность точно позиционировать рабочий орган и координировать движения.
- Измерительные комплексы. Благодаря высокой точности вращающиеся трансформаторы используются в высокоточных угловых измерителях, применяемых в геодезии, навигации, военном деле.
- Энергетика. В энергетике вращающиеся трансформаторы входят в состав генераторов и электродвигателей для измерения частоты вращения и углового положения ротора.
Особенности и достоинства вращающихся трансформаторов
Рассмотрим основные особенности и преимущества вращающихся трансформаторов:
- Высокая точность. Современные вращающиеся трансформаторы обеспечивают очень высокую точность преобразования угла от 0,01% и лучше. Это позволяет использовать их в прецизионных системах управления и измерительной технике.
- Широкий диапазон мощностей. Выпускаются вращающиеся трансформаторы мощностью от долей ватта до сотен киловатт. Это дает возможность подобрать оптимальный вариант для конкретной задачи.
- Работа в составе сельсинов. Вращающиеся трансформаторы могут использоваться в составе электрических сельсинов - устройств для передачи угла поворота на расстояние. В отличие от сельсинов, они обеспечивают более высокую точность, но требуют дополнительных усилителей из-за меньшей мощности выходного сигнала.
Помехоустойчивость
Благодаря отсутствию непосредственного электрического контакта между обмотками, вращающиеся трансформаторы обладают повышенной помехоустойчивостью по сравнению с другими типами датчиков угла. Это важно при работе в условиях сильных электромагнитных полей.
Долговечность
Из-за простоты конструкции, отсутствия трущихся частей и щеточного аппарата, вращающиеся трансформаторы отличаются высокой механической и электрической долговечностью. Срок службы может достигать десятков лет непрерывной работы.
Перспективы развития вращающихся трансформаторов
Несмотря на достигнутый прогресс, разработки в области вращающихся трансформаторов продолжаются. К перспективным направлениям относятся:
- Повышение быстродействия и чувствительности. Создание вращающихся трансформаторов с расширенным частотным и динамическим диапазоном расширит их применение в высокоскоростных системах управления.
- Расширение температурного диапазона. Разработка термостойких и криогенных вращающихся трансформаторов обеспечит их работоспособность в экстремальных условиях космоса, атомной энергетики, Севера.
Создание интегральных вращающихся трансформаторов
Перспективным направлением является создание интегральных (микросхемных) вращающихся трансформаторов на основе тонкопленочных технологий. Это позволит значительно уменьшить их габариты и массу.
- Применение в аэрокосмической отрасли. Бесконтактность и высокая надежность вращающихся трансформаторов открывает перспективы их использования в измерительных комплексах ракетно-космической техники, авиации, кораблестроения.
- Разработка специализированных исполнений. В зависимости от конкретных областей применения, разрабатываются вращающиеся трансформаторы со специализированными характеристиками: повышенной линейностью, температурной стабильностью, взрывобезопасные и т.д.
Правила безопасной эксплуатации вращающихся трансформаторов
Несмотря на кажущуюся простоту, при эксплуатации вращающихся трансформаторов следует соблюдать определенные правила безопасности.
Для исключения поражения электрическим током обмотки и токопроводящие элементы должны быть надежно изолированы или заключены в защитный корпус.