第六章 選擇變壓器和自整角機(jī)

第六章旋轉(zhuǎn)變壓器與感應(yīng)同步器

9.1旋轉(zhuǎn)變壓器

9.1.1概述測(cè)量轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)角差，屬于控制微電機(jī)。外形結(jié)構(gòu)和電機(jī)相似，有定子和轉(zhuǎn)子。從原理上看，是一種可以旋轉(zhuǎn)的變壓器，原邊、副邊在定子和轉(zhuǎn)子上。原、副繞組之間的電磁耦合程度與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角有關(guān)，因此輸出電壓也與轉(zhuǎn)角有關(guān)。函數(shù)關(guān)系：正余弦旋變，線性旋轉(zhuǎn)變壓器。極數(shù)：兩極旋轉(zhuǎn)變壓器和多極旋轉(zhuǎn)變壓器。

9.1.2旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)與繞線式異步電動(dòng)機(jī)相似。定子鐵心內(nèi)圓和轉(zhuǎn)子鐵心外圓上都有齒槽。兩極兩相分布繞組,軸線互相垂直。

9.1.3正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理一、空載運(yùn)行旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出繞組是、?？蛰d時(shí)輸出繞組開(kāi)路。定子繞組接交流激磁電壓，頻率為400Hz或50Hz。產(chǎn)生脈振磁場(chǎng)，位于的軸線上，并在繞組中感應(yīng)出電勢(shì)。設(shè)繞組軸線與脈振磁場(chǎng)軸線的夾角為

θ，該繞組的磁通的最大值Φ為該繞組感應(yīng)電勢(shì)有效值E為

軸線夾角為θ，兩個(gè)輸出繞組的感應(yīng)電勢(shì)的有效值分別為

是余弦繞組，是正弦繞組。旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出繞組接到阻抗很大的負(fù)載上時(shí)，可視為空載。

二、負(fù)載運(yùn)行帶上負(fù)載的旋轉(zhuǎn)變壓器輸出電壓與正余弦函數(shù)之間出現(xiàn)誤差，誤差的大小與轉(zhuǎn)角和負(fù)載電流有關(guān)。轉(zhuǎn)角為45°時(shí)誤差最大。負(fù)載電流越大，誤差也越大。輸出電壓的大小取決于磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子負(fù)載電流改變磁場(chǎng)，引起輸出誤差。定量分析。將轉(zhuǎn)子電流磁密分解為直軸分量和交軸分量。副邊電流產(chǎn)生的直軸磁密被激磁繞組電流的負(fù)載分量抵消。原邊電流不能產(chǎn)生交軸磁勢(shì)，不能抵消轉(zhuǎn)子負(fù)載電流磁密的交軸分量，轉(zhuǎn)子電流磁密的交軸分量將完全存在于磁場(chǎng)中。交軸磁密使磁場(chǎng)發(fā)生了改變。

轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的磁勢(shì)為交軸磁勢(shì)為負(fù)載電流越大，交軸磁勢(shì)以及由它引起的輸出特性誤差也越大。

，交軸磁勢(shì)和交軸磁密最大，負(fù)載特性與空載特性之間出現(xiàn)最大偏差。負(fù)載時(shí)輸出電壓誤差是由負(fù)載電流的交軸磁勢(shì)引起的。

三、副邊補(bǔ)償?shù)恼嘞倚D(zhuǎn)變壓器副邊補(bǔ)償原理是，副邊兩個(gè)繞組都接負(fù)載，使交軸磁勢(shì)互相抵消。兩個(gè)磁勢(shì)的直軸分量方向相同，交軸分量則方向相反，互相抵消。若能使二者幅值相等，交軸磁勢(shì)就完全抵消。交軸磁勢(shì)完全抵消的條件是稱(chēng)為副邊對(duì)稱(chēng)補(bǔ)償。

三、副邊補(bǔ)償?shù)恼嘞倚D(zhuǎn)變壓器交軸磁勢(shì)完全抵消的條件是

稱(chēng)為副邊對(duì)稱(chēng)補(bǔ)償。轉(zhuǎn)子直軸磁勢(shì)副邊對(duì)稱(chēng)補(bǔ)償時(shí)轉(zhuǎn)子直軸磁勢(shì)與轉(zhuǎn)角無(wú)關(guān)，旋變的輸入電流及輸入阻抗與轉(zhuǎn)角無(wú)關(guān)。

四、原邊補(bǔ)償?shù)恼嘞倚D(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器定子上還有一個(gè)繞組，軸線方向正是交軸方向。在這個(gè)繞組中通上電流，就可能抵消交軸磁勢(shì)。這個(gè)繞組中有感應(yīng)電勢(shì)，使該繞組通過(guò)阻抗閉合，就有電流。稱(chēng)為原邊補(bǔ)償。補(bǔ)償繞組或

交軸繞組。補(bǔ)償阻抗。激磁電源內(nèi)阻抗

。負(fù)載電流產(chǎn)生的交軸磁勢(shì)完全被抵消，稱(chēng)原邊對(duì)稱(chēng)補(bǔ)償。電源內(nèi)阻很小，所以可以把補(bǔ)償繞組直接短路。優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單。

缺點(diǎn)：輸入電流及阻抗與轉(zhuǎn)角有關(guān)。

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，為了減小誤差，可以同時(shí)采用原邊補(bǔ)償和副邊補(bǔ)償。小結(jié)采用了補(bǔ)償措施的正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的磁場(chǎng)是直軸方向，當(dāng)轉(zhuǎn)子相對(duì)于基準(zhǔn)繞組軸線轉(zhuǎn)動(dòng)角時(shí)，正弦和余弦輸出繞組輸出交流電壓，相位相同，頻率相同。輸出電壓的有效值分別為

式中為最大的輸出電壓有效值。9.1.4線性旋轉(zhuǎn)變壓器

正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)角小時(shí)是線性元件，非線性誤差小于0.1%；，非線性誤差小于1%。忽略繞組的阻抗壓降時(shí)有

K為0.56～0.57，線性特性最佳。士60°范圍內(nèi)，誤差不超過(guò)0.1%。有效值符號(hào)不同時(shí)，表明對(duì)應(yīng)的交流電壓的相位相反，經(jīng)相敏檢波（解調(diào)）后的直流電壓極性相反。

9.1.5旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用

1.角度測(cè)量元件小角度，線性測(cè)量元件。在大角度范圍內(nèi),使用旋變轉(zhuǎn)換器模塊，將旋變的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出。2.特殊應(yīng)用用1對(duì)旋變測(cè)量在機(jī)械上不相連的兩個(gè)軸的轉(zhuǎn)角差。這時(shí)旋變的輸出電壓與兩軸的轉(zhuǎn)角差的正弦成正比，由于系統(tǒng)正常工作時(shí)轉(zhuǎn)角差較小，所以輸出電壓與兩軸的轉(zhuǎn)角差成正比，而與軸的轉(zhuǎn)角大小無(wú)關(guān)。左邊旋變轉(zhuǎn)軸與發(fā)送軸相連，稱(chēng)旋變發(fā)送機(jī)，轉(zhuǎn)子繞組為激磁繞組和補(bǔ)償繞組。右邊的旋變轉(zhuǎn)軸與接收軸相連，稱(chēng)為旋變變壓器，轉(zhuǎn)子繞組輸出電壓信號(hào)。兩機(jī)的定子繞組按相序?qū)?。旋變發(fā)送機(jī)的轉(zhuǎn)角為，旋變變壓器轉(zhuǎn)角為。旋變變壓器磁場(chǎng)與定子繞組軸線的夾角為。轉(zhuǎn)子繞組的感應(yīng)電勢(shì)有效值為9.2多極旋轉(zhuǎn)變壓器測(cè)量精度提高。1.結(jié)構(gòu)定子和轉(zhuǎn)子，兩相多極交流繞組。2.工作原理感應(yīng)電勢(shì)的產(chǎn)生原理與兩極旋變相同。但氣隙磁場(chǎng)是多極的，輸出電壓有效值隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角變化的周期不同。周期是360°/p

3.應(yīng)用測(cè)轉(zhuǎn)角或兩軸轉(zhuǎn)角差。注意在0°～360°范圍內(nèi)，多極旋轉(zhuǎn)變壓器輸出電壓是周期函數(shù)，從輸出電壓不能唯一確定轉(zhuǎn)角。實(shí)際系統(tǒng)中總是把兩極旋變與多極旋變配合使用，組成雙通道測(cè)角裝置，其中兩極旋變擔(dān)當(dāng)粗測(cè)，多極旋變實(shí)現(xiàn)精測(cè)，由粗精轉(zhuǎn)換電路完成數(shù)據(jù)組合。工作原理類(lèi)似于游標(biāo)卡尺，大數(shù)看長(zhǎng)尺，小數(shù)看游標(biāo)小尺。9.3感應(yīng)同步器高精度的轉(zhuǎn)角和線位移測(cè)量元件。直線式檢測(cè)直線位移，旋轉(zhuǎn)式檢測(cè)轉(zhuǎn)角。結(jié)構(gòu)固定部件和運(yùn)動(dòng)部件，其上都有繞組。兩部件上的平面繞組面對(duì)面地放置，氣隙為0.25mm。工作原理同多極旋變。在一個(gè)部件的繞組上通交流電壓激磁，在另一個(gè)部件的繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，該電勢(shì)的有效值與相互位置有關(guān)。特點(diǎn)采用印制繞組，極數(shù)很多，可達(dá)幾百、上千個(gè)。配上適當(dāng)?shù)男盘?hào)處理電路可以達(dá)到很高的測(cè)量精度。激磁電壓頻率一般是1～20kHz。感應(yīng)同步器的優(yōu)點(diǎn)：

1.具有很高的精度和分辯率。直線式感應(yīng)同步器的精度可達(dá)到1μm，直徑為300mm的旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器的精度可達(dá)1″。

2.抗干擾能力強(qiáng)。

3.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、使用壽命長(zhǎng)。固定部件和運(yùn)動(dòng)部件互不接觸，沒(méi)有摩擦。4.工藝性好，制造精度的要求不很高，成本較低。感應(yīng)同步器的缺點(diǎn)：

輸出信號(hào)弱，信號(hào)處理麻煩，配套信號(hào)處理設(shè)備（數(shù)顯表）復(fù)雜，價(jià)格高。9.3.1感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)直線式感應(yīng)同步器由定尺和滑尺兩部分組成，滑尺比定尺短。

印制繞阻屏蔽層基板厚度為10mm。目前高精度感應(yīng)同步器多采用非鐵磁材料作基板，如采用鋁基材料、玻璃等，這些材料沒(méi)有鐵磁物質(zhì)，可以減小誤差和提高精度。也有采用鐵磁材料作基板。繞組定尺繞組是連續(xù)的單相繞組，滑尺的繞組是分段繞組，按所處的磁場(chǎng)位置分為正弦繞組s和余弦繞組c，交替排列，各自串聯(lián)形成正弦和余弦兩相繞組。旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器由定子和轉(zhuǎn)子組成。繞組是由輻射狀的導(dǎo)片組成。轉(zhuǎn)子上的繞組是單相連續(xù)繞組，其徑向?qū)瑪?shù)也是極數(shù)。定子繞組是分段繞組，分為正弦和余弦兩大組，交替排列，各自串聯(lián)形成兩相繞組。直徑越大，精度越高。

9.3.2感應(yīng)同步器的工作原理一、直線式感應(yīng)同步器的工作原理極距τ是相鄰金屬片中心線間的距離。節(jié)距L=2τ，也稱(chēng)檢測(cè)周期。正弦繞組s

和余弦繞組c相距3L/4。定尺繞組通交流電激磁，產(chǎn)生一個(gè)多極的脈振磁場(chǎng)，磁極之間的距離是τ，磁場(chǎng)分布周期是節(jié)距L

。脈振磁場(chǎng)在滑尺繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，有效值隨滑尺位移作周期性變化，周期為節(jié)距L

。

有效值輸出電勢(shì)分解為基波和一系列諧波之和，其中諧波很小，所以輸出電勢(shì)可用基波分量表示。由于周期為L(zhǎng)，所以正弦繞組s和余弦繞組c中的感應(yīng)電勢(shì)有效值是瞬時(shí)值繞組的感抗遠(yuǎn)小于電阻，選擇適當(dāng)?shù)恼较蚝螅烧J(rèn)為感應(yīng)電勢(shì)領(lǐng)先激磁電壓90°。若二、旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器的工作原理單相繞組通電時(shí)形成磁場(chǎng)，磁極數(shù)與徑向?qū)瑪?shù)

N

相等。兩相鄰導(dǎo)片間的夾角就是磁極之間的距離，稱(chēng)為極距（rad）。（rad）也稱(chēng)為節(jié)距或檢測(cè)周期，它是磁場(chǎng)分布的周期。極對(duì)數(shù)p

為

感應(yīng)電勢(shì)有效值以L為周期，故有感應(yīng)電勢(shì)的瞬時(shí)值領(lǐng)先激磁電壓90°。若激磁電壓為三、關(guān)于感應(yīng)同步器感應(yīng)電勢(shì)的幾個(gè)結(jié)論定義電角，可將感應(yīng)電勢(shì)公式統(tǒng)一。直線式感應(yīng)同步器

rad旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器

rad采用完全相同的方法還可以得出下述結(jié)論：當(dāng)正弦繞組s和余弦繞組c中分別接上有效值為U的正弦（或余弦）交流激磁電壓時(shí)，它們?cè)趩蜗噙B續(xù)繞組中感應(yīng)的電勢(shì)有效值分別為（下標(biāo)2表示副端）無(wú)論是單相繞組激磁還是兩相繞組激磁，感應(yīng)電勢(shì)都屬于同頻率的正弦電勢(shì)，感應(yīng)電勢(shì)與激磁電壓的相位差是90°。一般取感應(yīng)電勢(shì)超前激磁電壓90°。9.3.3感應(yīng)同步器的信號(hào)處理方式感應(yīng)同步器作為測(cè)量元件，還需解決幾個(gè)問(wèn)題。l）正余弦函數(shù)在一個(gè)周期內(nèi)并不是單值對(duì)應(yīng)關(guān)系。2）當(dāng)電角超出一個(gè)周期的范圍，這時(shí)必須記錄周期的個(gè)數(shù)才能確定電角。3）輸出電壓的誤差大。有鑒相型和鑒幅型兩種信號(hào)處理方式。兩類(lèi)激磁方式。兩相繞組激磁——兩相激磁式。單相繞組激磁——單相激磁式。前面介紹工作原理時(shí)是以單相激磁式為例。目前在實(shí)用中多數(shù)用兩相激磁方式。

一、鑒相型處理方式

根據(jù)輸出電勢(shì)的相位來(lái)鑒別電角。

1）兩相激磁式在感應(yīng)同步器正弦繞組s、余弦繞組c上加幅值和頻率相同、相位差90°的交流激磁電壓?jiǎn)蜗嗬@組上感應(yīng)的電勢(shì)應(yīng)用疊加原理可知單相繞組總感應(yīng)電勢(shì)

2）單相激磁式單相繞組加激磁電壓移相90°后得輸出電勢(shì)

二、鑒幅型處理方式根據(jù)輸出信號(hào)的幅值鑒別電角。

1）兩相激磁式激磁電壓幅值變化。為指令位移角，是已知的。單相連續(xù)繞組的總感應(yīng)電勢(shì)為2）單相激磁式單相繞組中加激磁電壓：在正弦繞組s和余弦繞組c

的感應(yīng)電勢(shì)分別為：送入函數(shù)變壓器或其他裝置中處理：送入加法器相加后作為輸出信號(hào)輸出9.3.4鑒相型數(shù)字

編碼裝置一、鑒相型編碼原理將被測(cè)信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的相位進(jìn)行比較，求出相位差并轉(zhuǎn)換成脈沖個(gè)數(shù)。整形電路，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，上升沿觸發(fā)。計(jì)數(shù)器只在

，

…時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)。

曲線是由曲線向左平移得到的。一個(gè)脈沖所代表的相位移取決于，可見(jiàn)相位一數(shù)字轉(zhuǎn)換的精度和分辨率取決于時(shí)鐘脈沖周期。二、鑒相型數(shù)顯表三大部分1．位移變成電信號(hào)包括時(shí)鐘脈沖、絕對(duì)相位基準(zhǔn)、激磁、感應(yīng)同步器和濾波整形電路。2.求電信號(hào)相位并轉(zhuǎn)成數(shù)字包括時(shí)鐘脈沖、相對(duì)相位基準(zhǔn)和鑒相器。

3.計(jì)數(shù)及顯示包括計(jì)數(shù)脈沖門(mén)、顯示計(jì)數(shù)器、加減計(jì)數(shù)邏輯、絕對(duì)零點(diǎn)、譯碼顯示等。

9.3.5鑒幅型數(shù)顯表

兩相激磁式直線感應(yīng)同步器，激磁電壓輸出電勢(shì)的幅值指令角是已知的，代表感應(yīng)同步器的激磁電壓幅值。轉(zhuǎn)換計(jì)數(shù)器使數(shù)模轉(zhuǎn)換器改變滑尺激磁電壓的幅值即改變。

關(guān)健使感應(yīng)同步器激磁電壓的幅值隨著按正、余弦關(guān)系變化。函數(shù)變壓器這種變壓器的副端有很多抽頭，再配上電子開(kāi)關(guān)線路就可以實(shí)現(xiàn)電壓的改變。脈沖調(diào)寬方法用方波信號(hào)激磁。

第一項(xiàng)基波與所要求的激磁電壓相似。用轉(zhuǎn)換計(jì)數(shù)脈沖改變激磁電壓方波的寬度可以精確地調(diào)整激磁電壓。優(yōu)點(diǎn)：集成化。

9.4自整角機(jī)分類(lèi)：控制式自整角機(jī)和力矩式自整角機(jī)一、力矩式自整角機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理自整角機(jī)是一種能對(duì)角位移或角速度的偏差自動(dòng)整步的感應(yīng)式控制電機(jī)。屬于測(cè)位用微特電機(jī)。一般成對(duì)或多臺(tái)組合使用。9.4.1自整角機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理通常采用兩極結(jié)構(gòu)，絕大部分采用凸極式結(jié)構(gòu)，頻率高、尺寸大的力矩式自整