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1、第7章 旋转变压器,7.1 概 述,7.2 正余弦旋转变压器,7.3 线性旋转变压器,7.4 旋转变压器的误差分析及主要技术指标,7.5 旋转变压的应用,旋转变压器是自动控制装置中的一类精密控制微电机。从物理本质看，可以认为是一种可以旋转的变压器，这种变压器的原、副边绕组分别放置在定子和转子上。当旋转变压器的原边施加交流电压励磁时，其副边输出电压将与转子的转角保持某种严格的函数关系，从而实现角度的检测、解算或传输等功能。,7.1 概 述,7.1.1旋转变压器的分类,按有无电刷与滑环之间的滑动接触分，可分为有刷和无刷两种；按电机的极数多少分，可分为两极式和多极式；按输出电压与转子转角间的函数关系
2、，又可分为正余弦旋转变压器、线性旋转变压器和比例式旋转变压器等。,根据应用场合的不同，旋转变压器又可以分为两大类：一类是解算用旋转变压器，如利用正余弦旋转变压器进行坐标变换、角度检测等，这已在数控机床及高精度交流伺服电动机控制中得以应用；另一类是随动系统中角度传输用旋转变压器，这与控制式自整角机的作用相同，也可以分为旋变发送机、旋变差动发送机和旋变变压器等，只是利用旋转变压器组成的位置随动系统，其角度传送精度更高，因此多用于高精度随动系统中。,7.1.2旋转变压器的结构特点,旋转变压器的基本结构与隐极转子的控制式自整角机相似,图7-1旋转变压器定、转子绕组结构示意图,结构示意图 绕组原理图,S
3、1-S2定子励磁绕组，S3-S4定子交轴绕组， R1-R2转子余弦输出绕组，R3-R4转子正弦输出绕组。,7.2 正余弦旋转变压器,正余弦旋转变压器输出绕组的电压与转子转角呈正弦和余弦函数关系,7.2.1正余弦旋转变压器的工作原理,1空载运行,图7-2旋转变压器的工作原理,设S1-S2轴线与R1-R2轴线的夹角为,输出绕组R1-R2和R3-R4以及定子交轴绕组S3-S4开路，在励磁绕组S1-S2施加交流励磁电压此时气隙中将产生一个脉振磁场 ，该脉振磁场的轴线在定子励磁绕组S1-S2的轴线上，,励磁磁通在励磁绕组S1-S2、正弦绕组R3-R4和余弦R1-R2中感应电势分别为,旋转变压器的变比,忽
4、略励磁绕组的电阻和漏抗，则,7.2.1正余弦旋转变压器的工作原理,输出电动势与转子转角有严格的正、余弦关系。,2负载运行,图7-3正弦绕组接负载,正弦输出绕组R3-R4带上负载以后，其输出电压不再是转角的正余弦函数，这种输出特性偏离正余弦规律的现象称为输出特性的畸变。,7.2.1正余弦旋转变压器的工作原理,7.2.1正余弦旋转变压器的工作原理,由此得出正弦输出回路的电压平衡方程式为,将在其中感应电动势,将 和 代入,可以看出，负载时由于交轴磁场的存在，在输出电压中多出 项，使旋转变压器的输出特性不再是转角的正弦函数，而是发生了畸变。并且负载阻抗越小，畸变愈严重。,7.2.1正余弦旋转变压器的工
5、作原理,7.2.2输出特性的补偿,1 二次侧补偿的正余弦旋转变压器,当正余弦旋转变压器一个输出绕组工作，另一个输出绕组作补偿时，称为二次测补偿。,图7-5副边补偿正余弦旋转变压器,要达到完全补偿，正、余弦输出绕组中感应电动势的大小和相位应与空载时一样，即,在正、余弦绕组中产生的磁场分别为,7.2.2输出特性的补偿,此时，转子绕组中的电流 和 分别为,完全补偿应满足下式,所以应使,要达到完全补偿必须保证在任何条件下两输出绕组的负载阻抗总是相等，当负载阻抗 变化时，补偿阻抗 也应跟着作相应的变化，这在实际使用中存在一定难度，这是二次侧补偿存在的缺点。,7.2.2输出特性的补偿,2一次侧补偿的正余弦
6、旋转变压器,7.2.2输出特性的补偿,图7-6 一次侧补偿的正余弦旋转变压器,定子交轴绕组 对交轴磁通来说是一个阻尼线圈。因为交轴磁通在绕组中要产生感应电流，根据楞次定律，该电流所产生的磁通是反对交轴磁通变化的，因而对交轴磁通起去磁作用，从而达到补偿的目的。,3一、二次侧同时补偿的正余弦旋转变压器,7.2.2输出特性的补偿,图7-7 一、二次侧同时补偿的正余弦旋转变压器,采用一、二次测同时补偿，副边接不变的阻抗，负载变动时副边未补偿的部分由原边补偿，从而达到全补偿的目的。,7.2.3旋转变压器的应用,1用一对旋转变压器测量差角,图7-8 用一对旋转变压器测量差角的原理图,旋变发送机转子绕组加交
7、流励磁电压，旋变发送机和旋变变压器的定子绕组相互联接。在旋变变压器的转子绕组 两端输出一个与两转轴的差角的正弦函数成正比的电动势，当差角较小时，该输出电动势近似正比于差角。因此，一对旋转变压器可以用来测量差角。,7.2.3旋转变压器的应用,2用旋转变压器检测转子位置,图7-9 永磁交流同步伺服电动机速度控制系统框图,7.3 线性旋转变压器,将正、余弦旋转变压器的定子和转子绕组进行改接，就可变成线性旋转变压器。线性旋转变压器输出绕组的输出电压与转子转角成线性关系。,7-10线性旋转变压器原理图,7.3 线性旋转变压器,若不计S1-S2和R1-R2绕组的漏阻抗压降，根据电动势平衡关系可得,因输出绕
8、组的电压为,所以旋转变压器输出绕组的电压为,7-11 线性旋转变压器输出特性曲线,7.3 线性旋转变压器,由上图可见，在转角很小时，即在 范围内其输出电压可以看成是随转角的线性函数,可绘制出输出电压 与转子转角 的关系曲线,7.4 旋转变压器的误差分析及主要技术指标,7.4.1旋转变压器的误差分析,产生误差的原因主要有以下几点,（1）当绕组中流过电流时，由于磁路饱和的影响，它所产生的磁场在空间为非正弦分布，所以在绕组中要感应谐波电动势。 （2）因定、转子铁心的齿槽影响，要在绕组中产生齿谐波电动势。 （3）材料和制造工艺的影响造成定、转子偏心，引起电机中气隙不均匀，造成两套绕组的不对称。 （4）
9、实际使用中由于未能达到完全补偿的条件，使电机中存在交轴磁场，造成输出电压的误差。,开路输 入阻抗,短路输 出阻抗,变压比,表7-1 旋转变压器的主要技术指标,7.4.2旋转变压器的主要技术指标,正余弦函 数误差,交轴误差,线性误差,电气误差,零位电压,相位移,7.4.2旋转变压器的主要技术指标,7.4.3产品的选择及使用注意事项,在使用中主要应注意以下几点,（1）因旋转变压器要求在接近空载的状态下工作，其开路输入阻抗应远大于旋转变压器的输出阻抗。两者的比值越大，输出特性的畸变就越小。 （2）使用前首先应准确的调整零位，否则误差将加大，精度降低。 （3）只接一相励磁绕组时，另一相要短接或接一与励
10、磁电源内阻相等的阻抗。 （4）当采用两相绕组同时励磁时，因只能采用副方补偿的方法，两相输出绕组的阻抗应尽可能相等。,6.4 线性旋转变压器,输出电压与转角成正比，即 U=k 的旋转变压器叫作线性旋转变压器。,正余弦旋转变压器在转角 很小时，sin ，输出电压近似可以看成是转角的线性函数；若要求线性度在0.1%范围内（输出特性与理想直线偏差的相对值），则角不能超过4.5o。若转角范围较大，则旋转变压器不能满足要求。,为使输出电压在较大的转角范围内与转角成正比，即 U=k ，则需改变接线。,ER2 = - k ED sin,ER1 = k ED cos,Us1 = ED + k ED cos,UR
11、2 ER2 = k ED sin ,经数学推导证明，当k 0.52 时，在= 60。范围内，输出电压和转角成线性关系，并且与理想直线相比较，误差不超过0.1%。,6.5 旋转变压器的主要性能指标,一、正余弦函数误差n,n的含义为：正余弦旋转变压器原边一相加激磁电压，另一相短接，在不同转角时，两相输出绕组的感应电势与理论正余弦函数之差对最大理论输出电压之比。误差范围为：（0.020.3）%。这种误差直接影响作为解算元件的解算精度。,ER1 = k ED cos,ER2 = - k ED sin,二、线性误差x,x的含义为：线性旋转变压器在工作转角范围内，在不同转角时，实际输出电压和理论值之差对理
12、论最大输出电压之比。误差范围为：（0.050.3）%。工作转角范围一般为 60。,理论线,实际线,三、电气误差d,正余弦旋转变压器在不同转角位置范围，其两个输出绕组电压之比等于相应的理论电气角的正切（或余切）时，实际电气位置与理论电气位置的机械角度差叫做电气误差。误差范围为： 3 ， 18，。,四、零位误差0,正余弦旋转变压器定子一相绕组短接，另一相绕组加额定激磁电压时，两相输出绕组电压的基波同相分量为 0 时叫做电气零位。实际电气零位与理论电气零位（0 。，90 。，180 。，270 。）之差叫做零位误差。误差范围为： 3 ， 22，。,ER1 = k ED cos,ER2 = - k E
13、D sin,五、零位电压U0,转子处于实际电气零位时的输出电压称为零位电压，其误差范围为额定电压的（0.010.04）%。,ER2 = - k ED sin,六、输出相位移,输出电压基波分量与输入电压基波分量的相位差叫输出相位移。误差范围为： 3 。 22。,电气误差、正余弦函数误差和零位误差直接影响解算装置和数据传递系统的精度，所以正余弦旋转变压器的精度等级由这三种误差来决定。,6.5 旋转变压器的应用举例,一、测量角度差,磁场空间位置如图,旋变发送机,旋变接收机,转子相对标准位置分别偏移1和2 。,二、利用旋转变压器求反三角函数,已知E1和E2值，利用旋转变压器求反余弦函数：,转子加E1大
14、小的励磁；定子余弦绕组与外加电源E2串联，输出控制伺服电动机；伺服电动机驱动旋变转子转动。,伺服电动机控制电压为； ER1- E2 = E1cos- E2。,伺服电动机在该电压控制下驱动旋变转子旋转。,当转子旋转到E1cos= E2时，电机停止。,变比K=1,当转子旋转到E1cos= E2时，电机停止。,转子转过的角度刚好，满足要求的反余弦函数：,转子转角就是所求的结果。,2. 感应移相器感应移相器是在旋转变压器的基础上演变而来的一种自控元件，其输出电压的幅值恒定，而相位角与转子转角成线性关系，常用于测角、测距及随动系统中。,第一章 旋转变压器,忽略绕组的漏阻抗压降，根据式（1-1），可得转子
15、正余弦输出绕组的电压平衡方程,第一章 旋转变压器,（1-20）,（1-21）,选择移相回路参数，,第一章 旋转变压器,（1-22）,（1-23）,式（1-20）,当忽略绕组漏阻抗压降时， ， 因此上式表明，在满足一定的参数配合关系时，输出电压 的幅值保持不变，而相位角是转角 的线性函数。,当感应移相器外接负载时，为保持上述相位角的线性关系，感应移相器本身和外接电路的参数必须满足,第一章 旋转变压器,（1-24）,感应移相器本身 输出阻抗的电阻分量,感应移相器本身 输出阻抗的电抗分量,事实上，要满足 的关系是比较困难的， 尤其在高频移相器中 。为保证移相器的精度， 可以在转子正弦输出绕组R3-R4支路中再串接一个补偿电阻Rc，如图1-10所示，并且满足,第一章 旋转变压器,加、减、乘、除运算若有两个量x1、x2以转角的形式给出，欲用电气方法相加或相减时，可利用两台线性旋转变压器RT1和RT2来进行。如图4.37，先将需要进行加、减的两个量、变换成正比于它们的电压，然后再把两台旋变的转子输出绕组串联起来，串联后的输出电压正比于x1、x2的和或差：,
