微特电机第四章旋转变压器

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1、,4.旋转变压器,4.1 旋转变压器概述,4.3 线性旋转变压器,4.5 旋转变压器主要性能指标,4.4 旋转变压器的应用举例,第4章 旋转变压器,4.2 正余弦旋转变压器的结构特点、工作原理,本章要求：,掌握正余弦变压器的结构特点,熟练掌握正余弦变压器的工作原理,掌握线性旋转变压器的工作原理,了解旋转变压器的主要性能指标,掌握旋转变压器的主要应用,旋转变压器是一种将转子转角变换成与之呈某一函数关系电信号的元件，是自动控制系统中的精密电磁感应式微电机，也称同步分解器。 旋转变压器是一种能转动的变压器。这种变压器的原、付绕组分别放置在定、转子上。原、付绕组之间的电磁耦合程度与转子的转角有关，因此

2、，转子绕组的输出电压也与转子的转角有关。 特点： 精度高，误差小于0.3%，特殊应用小于0.05% 工作环境要求低、稳定，可替代旋转编码器。 可数字化应用。,4.1 旋转变压器概述,4.1 旋转变压器概述,主要用途： 解算元件：坐标变换、函数运算（圆函数、弹道函数、锯齿波函数等） 传感元件：远距离测量、传输或再现一个角度、角位移、角速度. 主要类型 输出函数关系： 正余弦旋转变压器：输出电压与转子转角成正余弦函数 线性旋转变压器：输出电压与转子转角成正比 比例式旋转变压器：输出电压与转子转角成比例 极对数： 单极对 多极对 结构： 接触式（转子有电刷和集电环） 无接触式 教材61页说明,结构特

3、点： 结构与绕线式异步电机相似，定转子均由冲有齿和槽的电工钢片叠成，成隐极式，定、转子之间的气隙是均匀的。定子和转子槽中各布置两个轴线相互垂直的交流分布绕组。,4.1 旋转变压器概述,4.2.1 正余弦旋转变压器的结构,旋转变压器由定、转子两大部分组成。定子作为变压器的一次侧，励磁频率400/3000/5000Hz。转子绕组为变压器的二次侧。,在定子槽中分别布置有两个空间互成90o的绕组，一个是定子激磁绕组，一个为定子交轴绕组(补偿)，两套绕组的结构是完全相同的。,在转子槽中分别布置有两个空间互成90o的绕组，一个正弦输出绕组，一个余弦输出绕组，两套绕组的结构是完全相同的。,Z1Z2余弦输出绕

4、组,Z3Z4正弦输出绕组,两绕组感应磁场、电势的相位相差？,定、转子间的气隙是均匀的，气隙磁场一般为两极。定子绕组引出线可直接引出或接到固定的接线板上，而转子绕组引出线则通过滑环和电刷引出。,对于线性旋转变压器，因为转子转角有限，所以可以用软导线直接将转子绕组接到固定的接线板上。,旋转变压器是能旋转的变压器，定子加励磁交流电压，转子感应电压与励磁电压的耦合系数随转子的转角而变化。根据输出电压，测量转子转角的大小。 转子输出电压幅值与励磁电压幅值成正比，相对位移是转子转角，达到测量角位移的目的。,励磁绕组,定子交轴绕组,转子正弦输出绕组,转子余弦输出绕组,定子的励磁绕组接上励磁交流电压，设某瞬间

5、线圈中电流I 的方向和产生气隙磁通方向如图4.12所示。,电磁耦合到转子绕组上，输出的电动势与转角成函数关系。 输出电压：,US=Umsin 在Z1-Z2中 UC=Umcos 在Z3-Z4中,励磁绕组的感应电势：,Z1-Z2，Z3-Z4和D3-D4开路 ，假设转子绕组匝数相同,转子感应电势（=0时）：,转子定子电势比：,正余弦旋转变压器空载运行,转子绕组轴线与励磁绕组轴线夹角为：,结论：空载时，当电源电压不变，输出电动势与转角有正余弦关系,实验表明，图中正弦输出绕组Z3Z4带上负载以后，其输出电压不再是转角的正弦函数。,4.2 正、余弦旋转变压器,输出特性偏离正余弦规律的现象称为输出特性的畸变

6、,畸变的原因是什么？如何消除？,正余弦旋转变压器负载运行,输出特性畸变原因,Z3 Z4 接上负载ZL时，绕组中有电流IR2 ， IR2在气隙中产生相应的脉振磁场BZ 。,将BZ 分解为 BZd和BZq 。其中BZd对BD起去磁作用，定子外加交流电源将输出电流增加，以维持D轴方向的合成磁通（主磁通）基本不变（比空载略微减小）。 负载交轴分量BZq无外加励磁与其平衡。因此，负载时，气隙中出现了交轴分量BZq磁场。,4.2 正、余弦旋转变压器,BZd对BD起去磁作用，直轴主磁通（ BD ）基本不变，所以负载直轴磁通对输出电压畸变的影响小。,引起输出电压畸变的主要原因是副边电流所产生的交轴磁场分量BZ

7、q 。,BZq = BZ cos , q BZ cos , q34 = q cos , q34 BZ cos2 ,4.2 正、余弦旋转变压器,磁通 q34的在Z3Z4绕组中所产生的感应电势也是一个变压器电势，其有效值为,Eq34= 4. 44 f WRq34 BZ cos2 ,旋转变压器正弦输出绕组Z3Z4接上负载后， 除了存在ER2 = -ke Uf cos 电势外，还附加了正比于BZ cos2 的电势Eq34 。,Eq34的出现破坏了输出电压随转角作正弦变化的关系，造成输出特性的畸变。,在一定的转角下， Eq34 正比于 BZ ，而BZ正比于 IR2 ，所以负载电流越大， Eq34也越大，

8、输出特性偏离正弦函数关系就越远。,4.2 正、余弦旋转变压器,消除畸变方法,1 原边补偿的正余弦旋转变压器,定子交轴绕组D3D4对交轴磁通 q来说是一个阻尼线圈。,转子Z3-Z4的电流产生的磁动势分解成直轴和交轴分量。 横轴磁动势的等效绕组与D3-D4构成变压器的原边与副边，D3-D4产生的磁场与横轴磁场大小相等，方向相反，进行抵消，达到补偿。,F zq,4.2 正、余弦旋转变压器,1 原边补偿的正余弦旋转变压器,补偿绕组的负载ZL与定子绕组D1-D2的电源内阻抗相等时，转子绕组的畸变得到完全补偿。 使用时常把补偿绕组D3-D4直接短接,4.2 正、余弦旋转变压器,2、 二次侧补偿的正余弦旋转

9、变压器,二次侧边接对称负载。,正弦输出绕组Z3Z4接上负载ZL ，余弦输出绕组Z1Z2接阻抗Ze ，ZC=Zs,Z1,Z3,Z4,ZL,Ze,I12,I34,励磁电压Uf,转子感应电动势EC、ES,转子电流IC、IS,绕组磁动势FC、FS,4.2 正、余弦旋转变压器,2、 二次侧补偿的正余弦旋转变压器,分解转子各绕组产生的磁动势,要使交轴磁通势完全抵消的条件是：,4.2 正、余弦旋转变压器,2、 二次侧补偿的正余弦旋转变压器,直轴合成磁通势：,结论： 1、二次侧完全补偿的条件为：补偿阻抗等于负载阻抗 2、转子绕组产生的合成磁通势的方向始终和励磁绕组 轴线相一致。转子两个绕组产生的合成直轴磁通势

10、Fd 与转角 无关，是一个常数。,一次侧补偿与二次侧补偿比较？,二次侧补偿时，阻抗补偿 的大小与旋转变压器所带的负载 ZL 的大小有关。对于变动的负载阻抗，不能实现完全补偿。,一次侧补偿时，交轴绕组短路，这与负载阻抗无关，因此原边补偿易于实现。 常采用一、二次同时补偿。,4.2 正、余弦旋转变压器,4.3 线性旋转变压器,4.3.1 线性旋转变压器结构,线性旋转变压器与正余弦变压器结构一致，但是定转子匝数比有要求且接线不同。,输出电压与转角成正比，即 U=Ks 的旋转变压器叫作线性旋转变压器。,当角度 很小时，和sin 近似相等，在转角很小时，正弦旋转变压器可以作为线性旋转变压器使用。 当转角

11、小于4.5时，输出电压相对于线性函数的偏差小于0.1% ， 当转角小于14时，输出电压相对于线性函数的偏差小于1% 。,当更大时候，需要改变旋转变压器的接线，实现较好的线性关系。,4.3 线性旋转变压器,4.3.2 线性旋转变压器工作原理,接线方式的改变,D1-D2与Z3-Z4串联，励磁绕组轴线上的磁通由（D1-D2）+（Z3-Z4的分量）构成。,忽略绕组的漏阻抗压降，所需励磁电压为,4.3 线性旋转变压器,4.3.2 线性旋转变压器工作原理,Z1-Z2绕组输出的电动势为：,输出电动势与励磁电压：,忽略输出绕组漏阻抗压降,输出电压=ES,4.3 线性旋转变压器,4.3.2 线性旋转变压器工作原

12、理,输出特性曲线,Ke= 0. 52,实际应用中，最佳线性特性一般取Ke为0.550.57。,正常输出电压 -60+60范围内有线性关系，线性误差0.1%,4.4 旋转变压器的使用,4.4.1 工作方式,鉴相式：由转子绕组的感应电动势的相位确定被测位移 鉴幅式：由转子绕组的感应电动势的幅值确定被测位移,四极绕组式,1、鉴相式,励磁电压,转子绕组的感应电动势：,E2与励磁电压同频不同相，转子的空间转角可以通过输出电压测定,4.4 旋转变压器的使用,2、鉴幅式,励磁电压,cos,转子绕组的感应电动势：,电气角，激磁交变电压信号的相位角 电压幅值变化,机械角，转子与定子轴线间的夹角,E2是以Vmsi

13、n(电-机)为幅值的交变电压。 当输出幅值为零时，就可由测量出机= 电,调整定子励磁电压的电，测转子感应电动势E2，当幅值为零时，跟踪机的变化，此时电=机，用电表现出机的大小， 电通过电子线路测量。,kVc,kVs,4.4 旋转变压器的使用,4.4.2 旋转变压器的选择与使用,应用范围 远距离传输角度 高精度随动系统：自整角机功能，误差35 解算装置：求解矢量、坐标变换、反三角函数、加减微积分运算,选择 电压：低压比较可靠 空载阻抗：空载阻抗低 实际应用中常把转子绕组加励磁，定子绕组输出，以减小电刷接触误差,使用注意事项 为了保证旋转变压器有良好的特性，在使用中必须注意： (1)原边只用一相绕

14、组激磁时，另一相绕组应连接一个与电源内阻抗相同的阻抗或直接短接。 (2)原边两相绕组同时激磁时，两个输出绕组的负载阻抗要尽可能相等。 (3)使用中必须准确调整零位，以免引起旋转变压器性能变差。,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）%。 直接影响作为解算元件的解算精度。,4.4.3 旋转变压器的性能参数,4.4.3 旋转变压器的性能参数,二、线性误差1,1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论

15、最大输出电压之比。误差范围为：（0.020.1）%。工作转角范围一般为 60。,4.4.3 旋转变压器的性能参数,三、零位误差0,正弦绕组在为0 。、 180 。时 输出为零。余弦绕组在90 。、270 。时 输出为零。实际的偏差角为零位误差，直接影响计算和数据传输系统的精度。 误差范围为： 3 ， 22，。,四、输出相位移,输出电压基波分量与励磁电压基波分量的相位差叫输出相位移。误差范围为： 3 。 22。,4.4.3 旋转变压器的性能参数,五、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。,综合反映了函数误差、零位误差、变比误差和阻抗不对称等因素发的影响。,4.4.3 旋转变压器的性能参数,变压器的精度等级,4.5 旋转变压器的应用,角度测量中的应用,一对旋转变压器工作过程类似与自整角机，精度高（15），结构复杂，成本高。适用于高精度随动系统。,注意连接方式,发送机侧：,励磁电压Uf,定子感应磁动势,定子电流,定子绕组脉振磁场，方向沿着绕组轴线,接收机D3-D4合成磁动势,接收机输出绕组Z3-Z4合成电动势,90-2+1,接收侧输出绕组感应电动势为：,两转子轴间的角度差可以通过输出电压来测量,更高精度的同步随动系统需要由两极与