第六章 選擇變壓器和自整角機

第六章旋轉變壓器與感應同步器

9.1旋轉變壓器

9.1.1概述測量轉角或轉角差，屬于控制微電機。外形結構和電機相似，有定子和轉子。從原理上看，是一種可以旋轉的變壓器，原邊、副邊在定子和轉子上。原、副繞組之間的電磁耦合程度與轉子轉角有關，因此輸出電壓也與轉角有關。函數關系：正余弦旋變，線性旋轉變壓器。極數：兩極旋轉變壓器和多極旋轉變壓器。

9.1.2旋轉變壓器的結構與繞線式異步電動機相似。定子鐵心內圓和轉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正余弦旋轉變壓器的工作原理一、空載運行旋轉變壓器的輸出繞組是、?？蛰d時輸出繞組開路。定子繞組接交流激磁電壓，頻率為400Hz或50Hz。產生脈振磁場，位于的軸線上，并在繞組中感應出電勢。設繞組軸線與脈振磁場軸線的夾角為

θ，該繞組的磁通的最大值Φ為該繞組感應電勢有效值E為

軸線夾角為θ，兩個輸出繞組的感應電勢的有效值分別為

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

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

轉子電流產生的磁勢為交軸磁勢為負載電流越大，交軸磁勢以及由它引起的輸出特性誤差也越大。

，交軸磁勢和交軸磁密最大，負載特性與空載特性之間出現最大偏差。負載時輸出電壓誤差是由負載電流的交軸磁勢引起的。

三、副邊補償的正余弦旋轉變壓器副邊補償原理是，副邊兩個繞組都接負載，使交軸磁勢互相抵消。兩個磁勢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，交軸磁勢就完全抵消。交軸磁勢完全抵消的條件是稱為副邊對稱補償。

三、副邊補償的正余弦旋轉變壓器交軸磁勢完全抵消的條件是

稱為副邊對稱補償。轉子直軸磁勢副邊對稱補償時轉子直軸磁勢與轉角無關，旋變的輸入電流及輸入阻抗與轉角無關。

四、原邊補償的正余弦旋轉變壓器旋轉變壓器定子上還有一個繞組，軸線方向正是交軸方向。在這個繞組中通上電流，就可能抵消交軸磁勢。這個繞組中有感應電勢，使該繞組通過阻抗閉合，就有電流。稱為原邊補償。補償繞組或

交軸繞組。補償阻抗。激磁電源內阻抗

。負載電流產生的交軸磁勢完全被抵消，稱原邊對稱補償。電源內阻很小，所以可以把補償繞組直接短路。優(yōu)點：簡單。

缺點：輸入電流及阻抗與轉角有關。

實際應用時，為了減小誤差，可以同時采用原邊補償和副邊補償。小結采用了補償措施的正余弦旋轉變壓器的磁場是直軸方向，當轉子相對于基準繞組軸線轉動角時，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線性旋轉變壓器

正余弦旋轉變壓器轉角小時是線性元件，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有

K為0.56～0.57，線性特性最佳。士60°范圍內，誤差不超過0.1%。有效值符號不同時，表明對應的交流電壓的相位相反，經相敏檢波（解調）后的直流電壓極性相反。

9.1.5旋轉變壓器的應用

1.角度測量元件小角度，線性測量元件。在大角度范圍內,使用旋變轉換器模塊，將旋變的輸出信號轉換成數字量輸出。2.特殊應用用1對旋變測量在機械上不相連的兩個軸的轉角差。這時旋變的輸出電壓與兩軸的轉角差的正弦成正比，由于系統正常工作時轉角差較小，所以輸出電壓與兩軸的轉角差成正比，而與軸的轉角大小無關。左邊旋變轉軸與發(fā)送軸相連，稱旋變發(fā)送機，轉子繞組為激磁繞組和補償繞組。右邊的旋變轉軸與接收軸相連，稱為旋變變壓器，轉子繞組輸出電壓信號。兩機的定子繞組按相序對接。旋變發(fā)送機的轉角為，旋變變壓器轉角為。旋變變壓器磁場與定子繞組軸線的夾角為。轉子繞組的感應電勢有效值為9.2多極旋轉變壓器測量精度提高。1.結構定子和轉子，兩相多極交流繞組。2.工作原理感應電勢的產生原理與兩極旋變相同。但氣隙磁場是多極的，輸出電壓有效值隨轉子轉角變化的周期不同。周期是360°/p

3.應用測轉角或兩軸轉角差。注意在0°～360°范圍內，多極旋轉變壓器輸出電壓是周期函數，從輸出電壓不能唯一確定轉角。實際系統中總是把兩極旋變與多極旋變配合使用，組成雙通道測角裝置，其中兩極旋變擔當粗測，多極旋變實現精測，由粗精轉換電路完成數據組合。工作原理類似于游標卡尺，大數看長尺，小數看游標小尺。9.3感應同步器高精度的轉角和線位移測量元件。直線式檢測直線位移，旋轉式檢測轉角。結構固定部件和運動部件，其上都有繞組。兩部件上的平面繞組面對面地放置，氣隙為0.25mm。工作原理同多極旋變。在一個部件的繞組上通交流電壓激磁，在另一個部件的繞組上產生感應電勢，該電勢的有效值與相互位置有關。特點采用印制繞組，極數很多，可達幾百、上千個。配上適當的信號處理電路可以達到很高的測量精度。激磁電壓頻率一般是1～20kHz。感應同步器的優(yōu)點：

1.具有很高的精度和分辯率。直線式感應同步器的精度可達到1μm，直徑為300mm的旋轉式感應同步器的精度可達1″。

2.抗干擾能力強。

3.結構簡單、工作可靠、使用壽命長。固定部件和運動部件互不接觸，沒有摩擦。4.工藝性好，制造精度的要求不很高，成本較低。感應同步器的缺點：

輸出信號弱，信號處理麻煩，配套信號處理設備（數顯表）復雜，價格高。9.3.1感應同步器的結構直線式感應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，這些材料沒有鐵磁物質，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，按所處的磁場位置分為正弦繞組s和余弦繞組c，交替排列，各自串聯形成正弦和余弦兩相繞組。旋轉式感應同步器由定子和轉子組成。繞組是由輻射狀的導片組成。轉子上的繞組是單相連續(xù)繞組，其徑向導片數也是極數。定子繞組是分段繞組，分為正弦和余弦兩大組，交替排列，各自串聯形成兩相繞組。直徑越大，精度越高。

9.3.2感應同步器的工作原理一、直線式感應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，也稱檢測周期。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，產生一個多極的脈振磁場，磁極之間的距離是τ，磁場分布周期是節(jié)距L

。脈振磁場在滑尺繞組上產生感應電勢，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，所以輸出電勢可用基波分量表示。由于周期為L，所以正弦繞組s和余弦繞組c中的感應電勢有效值是瞬時值繞組的感抗遠小于電阻，選擇適當的正方向后，可認為感應電勢領先激磁電壓90°。若二、旋轉式感應同步器的工作原理單相繞組通電時形成磁場，磁極數與徑向導片數

N

相等。兩相鄰導片間的夾角就是磁極之間的距離，稱為極距（rad）。（rad）也稱為節(jié)距或檢測周期，它是磁場分布的周期。極對數p

為

感應電勢有效值以L為周期，故有感應電勢的瞬時值領先激磁電壓90°。若激磁電壓為三、關于感應同步器感應電勢的幾個結論定義電角，可將感應電勢公式統一。直線式感應同步器

rad旋轉式感應同步器

rad采用完全相同的方法還可以得出下述結論：當正弦繞組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，它們在單相連續(xù)繞組中感應的電勢有效值分別為（下標2表示副端）無論是單相繞組激磁還是兩相繞組激磁，感應電勢都屬于同頻率的正弦電勢，感應電勢與激磁電壓的相位差是90°。一般取感應電勢超前激磁電壓90°。9.3.3感應同步器的信號處理方式感應同步器作為測量元件，還需解決幾個問題。l）正余弦函數在一個周期內并不是單值對應關系。2）當電角超出一個周期的范圍，這時必須記錄周期的個數才能確定電角。3）輸出電壓的誤差大。有鑒相型和鑒幅型兩種信號處理方式。兩類激磁方式。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是以單相激磁式為例。目前在實用中多數用兩相激磁方式。

一、鑒相型處理方式

根據輸出電勢的相位來鑒別電角。

1）兩相激磁式在感應同步器正弦繞組s、余弦繞組c上加幅值和頻率相同、相位差90°的交流激磁電壓單相繞組上感應的電勢應用疊加原理可知單相繞組總感應電勢

2）單相激磁式單相繞組加激磁電壓移相90°后得輸出電勢

二、鑒幅型處理方式根據輸出信號的幅值鑒別電角。

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)繞組的總感應電勢為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

的感應電勢分別為：送入函數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輸出9.3.4鑒相型數字

編碼裝置一、鑒相型編碼原理將被測信號與基準信號的相位進行比較，求出相位差并轉換成脈沖個數。整形電路，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，上升沿觸發(fā)。計數器只在

，

…時間內計數。

曲線是由曲線向左平移得到的。一個脈沖所代表的相位移取決于，可見相位一數字轉換的精度和分辨率取決于時鐘脈沖周期。二、鑒相型數顯表三大部分1．位移變成電信號包括時鐘脈沖、絕對相位基準、激磁、感應同步器和濾波整形電路。2.求電信號相位并轉成數字包括時鐘脈沖、相對相位基準和鑒相器。

3.計數及顯示包括計數脈沖門、顯示計數器、加減計數邏輯、絕對零點、譯碼顯示等。

9.3.5鑒幅型數顯表

兩相激磁式直線感應同步器，激磁電壓輸出電勢的幅值指令角是已知的，代表感應同步器的激磁電壓幅值。轉換計數器使數模轉換器改變滑尺激磁電壓的幅值即改變。

關健使感應同步器激磁電壓的幅值隨著按正、余弦關系變化。函數變壓器這種變壓器的副端有很多抽頭，再配上電子開關線路就可以實現電壓的改變。脈沖調寬方法用方波信號激磁。

第一項基波與所要求的激磁電壓相似。用轉換計數脈沖改變激磁電壓方波的寬度可以精確地調整激磁電壓。優(yōu)點：集成化。

9.4自整角機分類：控制式自整角機和力矩式自整角機一、力矩式自整角機的結構與工作原理自整角機是一種能對角位移或角速度的偏差自動整步的感應式控制電機。屬于測位用微特電機。一般成對或多臺組合使用。9.4.1自整角機的結構與工作原理通常采用兩極結構，絕大部分采用凸極式結構，頻率高、尺寸大的力矩式自整