第七章旋轉(zhuǎn)變壓器

第七章旋轉(zhuǎn)變壓器第1頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月

旋轉(zhuǎn)變壓器是自動控制裝置中的一類精密控制微電機(jī)。從物理本質(zhì)看，可以認(rèn)為是一種可以旋轉(zhuǎn)的變壓器，這種變壓器的原、副邊繞組分別放置在定子和轉(zhuǎn)子上。當(dāng)旋轉(zhuǎn)變壓器的原邊施加交流電壓勵磁時，其副邊輸出電壓將與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角保持某種嚴(yán)格的函數(shù)關(guān)系，從而實現(xiàn)角度的檢測、解算或傳輸?shù)裙δ堋?/p>

7.1概述7.1.1旋轉(zhuǎn)變壓器的分類

7.1.2旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)特點第2頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月7.1.1旋轉(zhuǎn)變壓器的分類

按有無電刷與滑環(huán)之間的滑動接觸分，可分為有刷和無刷兩種；按電機(jī)的極數(shù)多少分，可分為兩極式和多極式；按輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角間的函數(shù)關(guān)系，又可分為正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器、線性旋轉(zhuǎn)變壓器和比例式旋轉(zhuǎn)變壓器等。

根據(jù)應(yīng)用場合的不同，旋轉(zhuǎn)變壓器又可以分為兩大類：一類是解算用旋轉(zhuǎn)變壓器，如利用正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器進(jìn)行坐標(biāo)變換、角度檢測等，這已在數(shù)控機(jī)床及高精度交流伺服電動機(jī)控制中得以應(yīng)用；另一類是隨動系統(tǒng)中角度傳輸用旋轉(zhuǎn)變壓器，這與控制式自整角機(jī)的作用相同，也可以分為旋變發(fā)送機(jī)、旋變差動發(fā)送機(jī)和旋變變壓器等，只是利用旋轉(zhuǎn)變壓器組成的位置隨動系統(tǒng)，其角度傳送精度更高，因此多用于高精度隨動系統(tǒng)中。第3頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月7.1.2旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)特點

旋轉(zhuǎn)變壓器的基本結(jié)構(gòu)與隱極轉(zhuǎn)子的控制式自整角機(jī)相似。圖7-1旋轉(zhuǎn)變壓器定、轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)構(gòu)示意圖繞組原理圖S1-S2定子勵磁繞組，S3-S4定子交軸繞組，R1-R2轉(zhuǎn)子余弦輸出繞組，R3-R4轉(zhuǎn)子正弦輸出繞組。第4頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月7.2正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器7.2.1正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理7.2.2輸出特性的補(bǔ)償

7.2.3旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用第5頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月7.2正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器輸出繞組的電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角呈正弦和余弦函數(shù)關(guān)系。7.2.1正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理1．空載運(yùn)行

圖7-2旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理

設(shè)S1-S2軸線與R1-R2軸線的夾角為，輸出繞組R1-R2和R3-R4以及定子交軸繞組S3-S4開路，在勵磁繞組S1-S2施加交流勵磁電壓此時氣隙中將產(chǎn)生一個脈振磁場，該脈振磁場的軸線在定子勵磁繞組S1-S2的軸線上，

第6頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月勵磁磁通在勵磁繞組S1-S2、正弦繞組R3-R4和余弦R1-R2中感應(yīng)電勢分別為

為定子繞組的有效匝數(shù)；為轉(zhuǎn)子繞組的有效匝數(shù)。

旋轉(zhuǎn)變壓器的變比忽略勵磁繞組的電阻和漏抗，則7.2.1正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理輸出電動勢與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角有嚴(yán)格的正、余弦關(guān)系。

第7頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月2．負(fù)載運(yùn)行

圖7-3正弦繞組接負(fù)載

正弦輸出繞組R3-R4帶上負(fù)載以后，其輸出電壓不再是轉(zhuǎn)角的正余弦函數(shù)，這種輸出特性偏離正余弦規(guī)律的現(xiàn)象稱為輸出特性的畸變。

7.2.1正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理第8頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月為繞組電抗，為磁路的磁導(dǎo)。

7.2.1正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理由此得出正弦輸出回路的電壓平衡方程式為式中為正弦輸出繞組負(fù)載時的輸出電壓，正弦繞組的阻抗

將在其中感應(yīng)電動勢

第9頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月將和代入

可以看出，負(fù)載時由于交軸磁場的存在，在輸出電壓中多出項，使旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出特性不再是轉(zhuǎn)角的正弦函數(shù)，而是發(fā)生了畸變。并且負(fù)載阻抗越小，畸變愈嚴(yán)重。

7.2.1正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理

圖7-4輸出特性的畸變第10頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月7.2.2輸出特性的補(bǔ)償

1．二次側(cè)補(bǔ)償?shù)恼嘞倚D(zhuǎn)變壓器

當(dāng)正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器一個輸出繞組工作，另一個輸出繞組作補(bǔ)償時，稱為二次測補(bǔ)償。圖7-5副邊補(bǔ)償正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器

若和所產(chǎn)生的交軸分量互相抵消時，則旋轉(zhuǎn)變壓器中就不存在交軸磁通，也就消除了由交軸磁通引起的輸出特性的畸變。

第11頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月

要達(dá)到完全補(bǔ)償，正、余弦輸出繞組中感應(yīng)電動勢的大小和相位應(yīng)與空載時一樣，即在正、余弦繞組中產(chǎn)生的磁場分別為

7.2.2輸出特性的補(bǔ)償

此時，轉(zhuǎn)子繞組中的電流和分別為第12頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月完全補(bǔ)償應(yīng)滿足所以應(yīng)使要達(dá)到完全補(bǔ)償必須保證在任何條件下兩輸出繞組的負(fù)載阻抗總是相等，當(dāng)負(fù)載阻抗變化時，補(bǔ)償阻抗也應(yīng)跟著作相應(yīng)的變化，這在實際使用中存在一定難度，這是二次側(cè)補(bǔ)償存在的缺點。7.2.2輸出特性的補(bǔ)償

第13頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月2．一次側(cè)補(bǔ)償?shù)恼嘞倚D(zhuǎn)變壓器

7.2.2輸出特性的補(bǔ)償

圖7-6一次側(cè)補(bǔ)償?shù)恼嘞倚D(zhuǎn)變壓器定子交軸繞組對交軸磁通來說是一個阻尼線圈。因為交軸磁通在繞組中要產(chǎn)生感應(yīng)電流，根據(jù)楞次定律，該電流所產(chǎn)生的磁通是反對交軸磁通變化的，因而對交軸磁通起去磁作用，從而達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康?。?4頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月3．一、二次側(cè)同時補(bǔ)償?shù)恼嘞倚D(zhuǎn)變壓器7.2.2輸出特性的補(bǔ)償

圖7-7一、二次側(cè)同時補(bǔ)償?shù)恼嘞倚D(zhuǎn)變壓器

采用一、二次測同時補(bǔ)償，副邊接不變的阻抗，負(fù)載變動時副邊未補(bǔ)償?shù)牟糠钟稍呇a(bǔ)償，從而達(dá)到全補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

第15頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月7.2.3旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用1．用一對旋轉(zhuǎn)變壓器測量差角

圖7-8用一對旋轉(zhuǎn)變壓器測量差角的原理圖旋變發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子繞組加交流勵磁電壓，旋變發(fā)送機(jī)和旋變變壓器的定子繞組相互聯(lián)接。在旋變變壓器的轉(zhuǎn)子繞組兩端輸出一個與兩轉(zhuǎn)軸的差角的正弦函數(shù)成正比的電動勢，當(dāng)差角較小時，該輸出電動勢近似正比于差角。因此，一對旋轉(zhuǎn)變壓器可以用來測量差角。第16頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月7.2.3旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用2．用旋轉(zhuǎn)變壓器檢測轉(zhuǎn)子位置

圖7-9永磁交流同步伺服電動機(jī)速度控制系統(tǒng)框圖第17頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月7.3線性旋轉(zhuǎn)變壓器

將正、余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的定子和轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行改接，就可變成線性旋轉(zhuǎn)變壓器。線性旋轉(zhuǎn)變壓器輸出繞組的輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系。7-10線性旋轉(zhuǎn)變壓器原理圖第18頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月7.3線性旋轉(zhuǎn)變壓器若不計S1-S2和R1-R2繞組的漏阻抗壓降，根據(jù)電動勢平衡關(guān)系可得

因輸出繞組的電壓為

所以旋轉(zhuǎn)變壓器輸出繞組的電壓為第19頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月7-11線性旋轉(zhuǎn)變壓器輸出特性曲線7.3線性旋轉(zhuǎn)變壓器

由上圖可見，在轉(zhuǎn)角很小時，即在范圍內(nèi)其輸出電壓可以看成是隨轉(zhuǎn)角的線性函數(shù)

可繪制出輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線

第20頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月7.4旋轉(zhuǎn)變壓器的誤差分析及主要技術(shù)指標(biāo)

7.4.1旋轉(zhuǎn)變壓器的誤差分析7.4.2旋轉(zhuǎn)變壓器的主要技術(shù)指標(biāo)第21頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月7.4旋轉(zhuǎn)變壓器的誤差分析及主要技術(shù)指標(biāo)

7.4.1旋轉(zhuǎn)變壓器的誤差分析產(chǎn)生誤差的原因主要有以下幾點

（1）當(dāng)繞組中流過電流時，由于磁路飽和的影響，它所產(chǎn)生的磁場在空間為非正弦分布，所以在繞組中要感應(yīng)諧波電動勢。（2）因定、轉(zhuǎn)子鐵心的齒槽影響，要在繞組中產(chǎn)生齒諧波電動勢。（3）材料和制造工藝的影響造成定、轉(zhuǎn)子偏心，引起電機(jī)中氣隙不均勻，造成兩套繞組的不對稱。（4）實際使用中由于未能達(dá)到完全補(bǔ)償?shù)臈l件，使電機(jī)中存在交軸磁場，造成輸出電壓的誤差。第22頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月名稱含義范圍備注額定電壓UN勵磁繞組應(yīng)加的電壓值20V、26V、36V等額定頻率f勵磁電壓的頻率50Hz、400Hz工頻使用起來比較方便，但性能會差一些；400Hz性能好，但成本高，選擇時注意性價比。輸出端開路時，勵磁端的阻抗200~10000Ω,共9種在一定的勵磁電壓下，開路輸入阻抗越大，勵磁電流越小，所需電源容量也越小。輸入端短路時，輸出端的電抗。數(shù)十至數(shù)百歐姆應(yīng)與負(fù)載阻抗匹配，負(fù)載阻抗應(yīng)為短路輸出阻抗的數(shù)百倍，越高越好。在規(guī)定勵磁條件下，最大空載輸出電壓的基波分量與勵磁電壓的基波分量之比。0.15~2共7種應(yīng)根據(jù)所要求的輸出電壓選擇變壓比。開路輸入阻抗短路輸出阻抗變壓比表7-1旋轉(zhuǎn)變壓器的主要技術(shù)指標(biāo)7.4.2旋轉(zhuǎn)變壓器的主要技術(shù)指標(biāo)第23頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器一相勵磁繞組額定勵磁，另一相短接。在不同轉(zhuǎn)角下，兩相輸出電壓的實際值與理論值之差，對最大理論輸出電壓之比。0.05%~0.2%產(chǎn)生誤差主要原因是加工不良，齒槽影響、磁性材料非線性。作計算元件用時，影響解算精度。正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器一相勵磁繞組額定勵磁，另一相短接，所有的定子和轉(zhuǎn)子繞組在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角為0°、90°、180°、270°時的零位組合的角度偏差。磁路不對稱，定、轉(zhuǎn)子鐵心同軸度及圓柱度差，鐵心片間短路，繞組分布不對稱及匝間短路等，都會產(chǎn)生交軸誤差，它影響計算和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的精度。線性旋轉(zhuǎn)變壓器在工作轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，不同轉(zhuǎn)角時，與最大輸出電壓同相的輸出電壓的基波分量與理論值之差，對最大理論輸出電壓之比。0.06%~0.22%產(chǎn)生原因除加工不良、磁性材料非線性外，還有設(shè)計原理誤差。最大線性轉(zhuǎn)角范圍一般為±60°。旋變發(fā)送機(jī)、旋變差動發(fā)送機(jī)、旋變變壓器在不同轉(zhuǎn)角位置下，兩個輸出繞組的電壓比所對應(yīng)的正切或余切角度與實際轉(zhuǎn)角之差。它是旋轉(zhuǎn)變壓器的函數(shù)誤差、交軸誤差、變壓比誤差及阻抗不對稱等的綜合誤差。電氣誤差大，使數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的精度下降。轉(zhuǎn)子處于電氣零位時的輸出電壓(由與勵磁電壓頻率相同，但相位相差90°的基波分量和勵磁頻率奇數(shù)倍的諧波分量組成)。額定輸出電壓的0.05%~0.3%由磁性材料非線性、磁路不對稱、氣隙不均勻及繞組分布、鐵心錯位等因素所引起。零位電壓過高，使放大器飽和。在規(guī)定勵磁條件下，輸出電壓基波分量與輸入電壓基波分量之間的相位差。3°~12°由鐵損耗及勵磁繞組電阻所產(chǎn)生。正余弦函數(shù)誤差交軸誤差線性誤差電氣誤差零位電壓相位移7.4.2旋轉(zhuǎn)變壓器的主要技術(shù)指標(biāo)第24頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月7.4.3產(chǎn)品的選擇及使用注意事項在使用中主要應(yīng)注意以下幾點

（1）因旋轉(zhuǎn)變壓器要求在接近空載的狀態(tài)下工作，其開路輸入阻抗應(yīng)遠(yuǎn)大于旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出阻抗。兩者的比值越大，輸出特性的畸變就越小。（2）使用前首先應(yīng)準(zhǔn)確的調(diào)整零位，否則誤差將加大，精度降低。（3）只接一相勵磁繞組時，另一相要短接或接一與勵磁電源內(nèi)阻相等的阻抗。（4）當(dāng)采用兩相繞組同時勵磁時，因只能采用副方補(bǔ)償?shù)姆椒?，兩相輸出繞組的阻抗應(yīng)盡可能相等。第25頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月7.5多極旋轉(zhuǎn)變壓器和感應(yīng)同步器7.5.1多極旋轉(zhuǎn)變壓器

在角差測量中，用一對旋轉(zhuǎn)變壓器測量，比用一對自整角機(jī)測量可獲得更高的精度，但也只能達(dá)到幾個角分。隨著對系統(tǒng)精度要求越來越高，單靠一組高精度的旋轉(zhuǎn)變壓器已無法滿足要求。采用多極旋轉(zhuǎn)變壓器可以提高測量差角的精度，可利用兩極和多極旋轉(zhuǎn)變壓器組成雙通道同步隨動系統(tǒng)。

第26頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月7.5.1多極旋轉(zhuǎn)變壓器1.多極旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理

(a)一對極(b)

圖7-12旋轉(zhuǎn)變壓器的磁場展開圖

對極第27頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月7.5.1多極旋轉(zhuǎn)變壓器

由于旋轉(zhuǎn)變壓器每轉(zhuǎn)過一對極，即一個正弦波磁場，轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電動勢變化一個周期。所以當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過角時，一對極旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子輸出電壓為對極的輸出電壓為圖7-13旋轉(zhuǎn)變壓器輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的關(guān)系第28頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月2．多極旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用

7.5.1多極旋轉(zhuǎn)變壓器圖7-14雙通道同步隨動系統(tǒng)原理圖XFS和XBS是兩個一對極的旋轉(zhuǎn)變壓器，它們組成粗測通道；XFD和XBD是P對極的旋轉(zhuǎn)變壓器，它們組成精測通道。直流伺服電動機(jī)SZ與兩個通道的旋轉(zhuǎn)變壓器接收機(jī)XBS、XBD的轉(zhuǎn)子同軸連接。兩個通道的輸出端通過粗精轉(zhuǎn)換電路接至放大解調(diào)器，經(jīng)放大后的電壓控制直流伺服電動機(jī)，帶動負(fù)載及XBS、XBD的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。第29頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月粗測通道輸出電壓為

精測通道輸出電壓為

7.5.1多極旋轉(zhuǎn)變壓器圖7-15粗精通道的輸出電壓第30頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月7.5.2感應(yīng)同步器1．感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)特點

感應(yīng)同步器基本結(jié)構(gòu)形式為直線式和圓盤式，前者用于測量直線位移，后者用來測量轉(zhuǎn)角。

（1）直線式感應(yīng)同步器

圖7-16型直線感應(yīng)同步器的外形圖第31頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月7.5.2感應(yīng)同步器圖7-17直線感應(yīng)同步器的印刷繞組第32頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）圓盤式感應(yīng)同步器7.5.2感應(yīng)同步器圖7-18圓盤式感應(yīng)同步器的繞組分布圖2．感應(yīng)同步器的基本工作原理

就基本工作原理而言，直線式和圓盤式是一樣的，都與旋轉(zhuǎn)變壓器相同，只是結(jié)構(gòu)與運(yùn)動形式不同。下面以直線式為例來說明感應(yīng)同步器的工作原理。第33頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月7.5.2感應(yīng)同步器圖7-19直線感應(yīng)同步器的勵磁磁場分布圖將交流正弦電壓加到定尺繞組上進(jìn)行勵磁，每根導(dǎo)片中電流的方向如圖7-19(a)定尺斷面圖上所示，圖7-19(b)為滑尺斷面圖，磁通密度B1在空間沿定尺長度方向上作余弦分布（以磁極軸線為基準(zhǔn)），其變化周期為一對極距，即電弧度，如圖7-19(c)所示。

(a)定尺斷面及勵磁電流的方向；(b)滑尺斷面及感應(yīng)電動勢方向；(c)勵磁磁場波形第34頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月空間位移為處其對應(yīng)的電弧度為

7.5.2感應(yīng)同步器磁通密度的表達(dá)式為

導(dǎo)片感應(yīng)電動勢沿定尺長度位置上也作余弦變化，其有效值為

滑尺右端的兩根導(dǎo)片恰好與定尺導(dǎo)片錯開,其感應(yīng)電動勢的有效值為

第35頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月

左端導(dǎo)片構(gòu)成線圈屬于余弦繞組，右端導(dǎo)片構(gòu)成的線圈屬于正弦繞組，兩套繞組各由根導(dǎo)片串聯(lián)而成，因而輸出繞組的余弦繞組和正弦繞組中的總電動勢分別為為正弦(余弦)繞組感應(yīng)電動勢的最大有效值

上式為輸出繞組中感應(yīng)電動勢沿定尺空間位置而變化的規(guī)律。由于磁場本身在