第七章旋轉變壓器

第七章旋轉變壓器第1頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月

旋轉變壓器是自動控制裝置中的一類精密控制微電機。從物理本質看，可以認為是一種可以旋轉的變壓器，這種變壓器的原、副邊繞組分別放置在定子和轉子上。當旋轉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子的轉角保持某種嚴格的函數關系，從而實現角度的檢測、解算或傳輸等功能。

7.1概述7.1.1旋轉變壓器的分類

7.1.2旋轉變壓器的結構特點第2頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月7.1.1旋轉變壓器的分類

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；按電機的極數多少分，可分為兩極式和多極式；按輸出電壓與轉子轉角間的函數關系，又可分為正余弦旋轉變壓器、線性旋轉變壓器和比例式旋轉變壓器等。

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

旋轉變壓器的基本結構與隱極轉子的控制式自整角機相似。圖7-1旋轉變壓器定、轉子繞組結構示意圖

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

7.2.3旋轉變壓器的應用第5頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月7.2正余弦旋轉變壓器正余弦旋轉變壓器輸出繞組的電壓與轉子轉角呈正弦和余弦函數關系。7.2.1正余弦旋轉變壓器的工作原理1．空載運行

圖7-2旋轉變壓器的工作原理

設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中感應電勢分別為

為定子繞組的有效匝數；為轉子繞組的有效匝數。

旋轉變壓器的變比忽略勵磁繞組的電阻和漏抗，則7.2.1正余弦旋轉變壓器的工作原理輸出電動勢與轉子轉角有嚴格的正、余弦關系。

第7頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月2．負載運行

圖7-3正弦繞組接負載

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

7.2.1正余弦旋轉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。

7.2.1正余弦旋轉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載時的輸出電壓，正弦繞組的阻抗

將在其中感應電動勢

第9頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月將和代入

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

7.2.1正余弦旋轉變壓器的工作原理

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輸出特性的補償

1．二次側補償的正余弦旋轉變壓器

當正余弦旋轉變壓器一個輸出繞組工作，另一個輸出繞組作補償時，稱為二次測補償。圖7-5副邊補償正余弦旋轉變壓器

若和所產生的交軸分量互相抵消時，則旋轉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

要達到完全補償，正、余弦輸出繞組中感應電動勢的大小和相位應與空載時一樣，即在正、余弦繞組中產生的磁場分別為

7.2.2輸出特性的補償

此時，轉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月完全補償應滿足所以應使要達到完全補償必須保證在任何條件下兩輸出繞組的負載阻抗總是相等，當負載阻抗變化時，補償阻抗也應跟著作相應的變化，這在實際使用中存在一定難度，這是二次側補償存在的缺點。7.2.2輸出特性的補償

第13頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月2．一次側補償的正余弦旋轉變壓器

7.2.2輸出特性的補償

圖7-6一次側補償的正余弦旋轉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生感應電流，根據楞次定律，該電流所產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，從而達到補償的目的。第14頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月3．一、二次側同時補償的正余弦旋轉變壓器7.2.2輸出特性的補償

圖7-7一、二次側同時補償的正余弦旋轉變壓器

采用一、二次測同時補償，副邊接不變的阻抗，負載變動時副邊未補償的部分由原邊補償，從而達到全補償的目的。

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

圖7-8用一對旋轉變壓器測量差角的原理圖旋變發(fā)送機轉子繞組加交流勵磁電壓，旋變發(fā)送機和旋變變壓器的定子繞組相互聯接。在旋變變壓器的轉子繞組兩端輸出一個與兩轉軸的差角的正弦函數成正比的電動勢，當差角較小時，該輸出電動勢近似正比于差角。因此，一對旋轉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旋轉變壓器的應用2．用旋轉變壓器檢測轉子位置

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

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

因輸出繞組的電壓為

所以旋轉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線性旋轉變壓器輸出特性曲線7.3線性旋轉變壓器

由上圖可見，在轉角很小時，即在范圍內其輸出電壓可以看成是隨轉角的線性函數

可繪制出輸出電壓與轉子轉角的關系曲線

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

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

7.4.1旋轉變壓器的誤差分析產生誤差的原因主要有以下幾點

（1）當繞組中流過電流時，由于磁路飽和的影響，它所產生的磁場在空間為非正弦分布，所以在繞組中要感應諧波電動勢。（2）因定、轉子鐵心的齒槽影響，要在繞組中產生齒諧波電動勢。（3）材料和制造工藝的影響造成定、轉子偏心，引起電機中氣隙不均勻，造成兩套繞組的不對稱。（4）實際使用中由于未能達到完全補償的條件，使電機中存在交軸磁場，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。數十至數百歐姆應與負載阻抗匹配，負載阻抗應為短路輸出阻抗的數百倍，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種應根據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旋轉變壓器的主要技術指標7.4.2旋轉變壓器的主要技術指標第23頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月正余弦旋轉變壓器一相勵磁繞組額定勵磁，另一相短接。在不同轉角下，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，所有的定子和轉子繞組在轉子轉角為0°、90°、180°、270°時的零位組合的角度偏差。磁路不對稱，定、轉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，都會產生交軸誤差，它影響計算和數據傳輸系統的精度。線性旋轉變壓器在工作轉角范圍內，不同轉角時，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%產生原因除加工不良、磁性材料非線性外，還有設計原理誤差。最大線性轉角范圍一般為±60°。旋變發(fā)送機、旋變差動發(fā)送機、旋變變壓器在不同轉角位置下，兩個輸出繞組的電壓比所對應的正切或余切角度與實際轉角之差。它是旋轉變壓器的函數誤差、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，使數據傳輸系統的精度下降。轉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生。正余弦函數誤差交軸誤差線性誤差電氣誤差零位電壓相位移7.4.2旋轉變壓器的主要技術指標第24頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月7.4.3產品的選擇及使用注意事項在使用中主要應注意以下幾點

（1）因旋轉變壓器要求在接近空載的狀態(tài)下工作，其開路輸入阻抗應遠大于旋轉變壓器的輸出阻抗。兩者的比值越大，輸出特性的畸變就越小。（2）使用前首先應準確的調整零位，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阻相等的阻抗。（4）當采用兩相繞組同時勵磁時，因只能采用副方補償的方法，兩相輸出繞組的阻抗應盡可能相等。第25頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月7.5多極旋轉變壓器和感應同步器7.5.1多極旋轉變壓器

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

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

(a)一對極(b)

圖7-12旋轉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多極旋轉變壓器

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

7.5.1多極旋轉變壓器圖7-14雙通道同步隨動系統原理圖XFS和XBS是兩個一對極的旋轉變壓器，它們組成粗測通道；XFD和XBD是P對極的旋轉變壓器，它們組成精測通道。直流伺服電動機SZ與兩個通道的旋轉變壓器接收機XBS、XBD的轉子同軸連接。兩個通道的輸出端通過粗精轉換電路接至放大解調器，經放大后的電壓控制直流伺服電動機，帶動負載及XBS、XBD的轉子轉動。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感應同步器1．感應同步器的結構特點

感應同步器基本結構形式為直線式和圓盤式，前者用于測量直線位移，后者用來測量轉角。

（1）直線式感應同步器

圖7-16型直線感應同步器的外形圖第31頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月7.5.2感應同步器圖7-17直線感應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）圓盤式感應同步器7.5.2感應同步器圖7-18圓盤式感應同步器的繞組分布圖2．感應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，都與旋轉變壓器相同，只是結構與運動形式不同。下面以直線式為例來說明感應同步器的工作原理。第33頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月7.5.2感應同步器圖7-19直線感應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行勵磁，每根導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），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的電弧度為

7.5.2感應同步器磁通密度的表達式為

導片感應電動勢沿定尺長度位置上也作余弦變化，其有效值為

滑尺右端的兩根導片恰好與定尺導片錯開,其感應電動勢的有效值為

第35頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月

左端導片構成線圈屬于余弦繞組，右端導片構成的線圈屬于正弦繞組，兩套繞組各由根導片串聯而成，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)繞組感應電動勢的最大有效值

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