第七章旋转变压器课件

旋转变压器是自动控制装置中的一类精密控制微电机。从物理本质看，可以认为是一种可以旋转的变压器，这种变压器的原、副边绕组分别放置在定子和转子上。当旋转变压器的原边施加交流电压励磁时，其副边输出电压将与转子的转角保持某种严格的函数关系，从而实现角度的检测、解算或传输等功能。7.1 概概 述述7.1.1旋转变压器的分类旋转变压器的分类 7.1.2旋转变压器的结构特点旋转变压器的结构特点 旋转变压器是自动控制装置中的一类精密控制微电17.1.1旋转变压器的分类旋转变压器的分类 按有无电刷与滑环之间的滑动接触分，可分为有刷和无刷两种；按电机的极数多少分，可分为两极式和多极式；按输出电压与转子转角间的函数关系，又可分为正余弦旋转变压器、线性旋转变压器和比例式旋转变压器等。根据应用场合的不同，旋转变压器又可以分为两大类：一类是解算用旋转变压器，如利用正余弦旋转变压器进行坐标变换、角度检测等，这已在数控机床及高精度交流伺服电动机控制中得以应用；另一类是随动系统中角度传输用旋转变压器，这与控制式自整角机的作用相同，也可以分为旋变发送机、旋变差动发送机和旋变变压器等，只是利用旋转变压器组成的位置随动系统，其角度传送精度更高，因此多用于高精度随动系统中。7.1.1旋转变压器的分类 按有无电刷与滑环之27.1.2旋转变压器的结构特点旋转变压器的结构特点 旋转变压器的基本结构与隐极转子的控制式自整角机相似。图7-1旋转变压器定、转子绕组结构示意图 结构示意图 绕组原理图S1-S2定子励磁绕组，S3-S4定子交轴绕组，R1-R2转子余弦输出绕组，R3-R4转子正弦输出绕组。7.1.2旋转变压器的结构特点 旋转变压器的基37.2 正余弦旋转变压器正余弦旋转变压器7.2.1正余弦旋转变压器的工作原理正余弦旋转变压器的工作原理7.2.2输出特性的补偿输出特性的补偿 7.2.3旋转变压器的应用旋转变压器的应用7.2 正余弦旋转变压器7.2.1正余弦旋转变压器的工作原47.2 正余弦旋转变压器正余弦旋转变压器正余弦旋转变压器输出绕组的电压与转子转角呈正弦和余弦函数关系。7.2.1正余弦旋转变压器的工作原理正余弦旋转变压器的工作原理1空载运行空载运行 图7-2旋转变压器的工作原理 设S1-S2轴线与R1-R2轴线的夹角为 ，输出绕组R1-R2和R3-R4以及定子交轴绕组S3-S4开路，在励磁绕组S1-S2施加交流励磁电压此时气隙中将产生一个脉振磁场 ，该脉振磁场的轴线在定子励磁绕组S1-S2的轴线上，7.2 正余弦旋转变压器正余弦旋转变压器输出绕组的电压与转5励磁磁通在励磁绕组S1-S2、正弦绕组R3-R4和余弦R1-R2中感应电势分别为 为定子绕组的有效匝数；为转子绕组的有效匝数。旋旋转变压器的器的变比比忽略励磁绕组的电阻和漏抗，则7.2.1正余弦旋转变压器的工作原理正余弦旋转变压器的工作原理输出电动势与转子转角有严格的正、余弦关系。励磁磁通在励磁绕组S1-S2、正弦绕组R3-R4和余弦R1-62负载运行负载运行 图7-3正弦绕组接负载 正弦输出绕组R3-R4带上负载以后，其输出电压不再是转角的正余弦函数，这种输出特性偏离输出特性偏离正余弦规律的现象称为输出特性正余弦规律的现象称为输出特性的畸变。的畸变。7.2.1正余弦旋转变压器的工作原理正余弦旋转变压器的工作原理2负载运行 图7-3正弦绕组接负载 正弦输出绕7为绕组电抗，为磁路的磁导。7.2.1正余弦旋转变压器的工作原理正余弦旋转变压器的工作原理由此得出正弦输出回路的电压平衡方程式为式中为正弦输出绕组负载时的输出电压，正弦绕组的阻抗 将在其中感应电动势 为绕组电抗，为磁路的磁导。7.2.1正余弦旋转变压器的工作8将 和 代入 可以看出，负载时由于交轴磁场的存在，在输出电压中多出 项，使旋转变压器的输出特性不再是转角的正弦函数，而是发生了畸变。并且负载阻抗越小，畸变愈严重。7.2.1正余弦旋转变压器的工作原理正余弦旋转变压器的工作原理 图7-4输出特性的畸变将 97.2.2输出特性的补偿输出特性的补偿 1 二次侧补偿的正余弦旋转变压器二次侧补偿的正余弦旋转变压器 当正余弦旋转变压器一个输出绕组工作，另一个输出绕组作补偿时，称为二次测补偿。图7-5副边补偿正余弦旋转变压器 若 和 所产生的交轴分量 互相抵消时，则旋转变压器中就不存在交轴磁通，也就消除了由交轴磁通引起的输出特性的畸变。7.2.2输出特性的补偿 1 二次侧补偿的正余弦旋转变压10 要达到完全补偿，正、余弦输出绕组中感应电动势的大小和相位应与空载时一样，即 在正、余弦绕组中产生的磁场分别为 7.2.2输出特性的补偿输出特性的补偿 此时，转子绕组中的电流 和 分别为 要达到完全补偿，正、余弦输出绕组中感应电动势的11完全补偿应满足 所以应使要达到完全补偿必须保证在任何条件下两输出绕组的负载阻抗总是相等，当负载阻抗 变化时，补偿阻抗 也应跟着作相应的变化，这在实际使用中存在一定难度，这是二次侧补偿存在的缺点。7.2.2输出特性的补偿输出特性的补偿 完全补偿应满足 所以应使要达到完全补偿必须保证在任何条件下两12 2一次侧补偿的正余弦旋转变压器一次侧补偿的正余弦旋转变压器 7.2.2输出特性的补偿输出特性的补偿 图7-6 一次侧补偿的正余弦旋转变压器 定子交轴绕组 对交轴磁通来说是一个阻尼线圈。因为交轴磁通在绕组 中要产生感应电流，根据楞次定律，该电流所产生的磁通是反对交轴磁通变化的，因而对交轴磁通起去磁作用，从而达到补偿的目的。2一次侧补偿的正余弦旋转变压器 7.2.2输出特性的补133一、二次侧同时补偿的正余弦旋转变压器一、二次侧同时补偿的正余弦旋转变压器7.2.2输出特性的补偿输出特性的补偿 图7-7 一、二次侧同时补偿的正余弦旋转变压器 采用一、二次测同时补偿，副边接不变的阻抗，负载变动时副边未补偿的部分由原边补偿，从而达到 全 补 偿 的 目 的。3一、二次侧同时补偿的正余弦旋转变压器7.2.2输出特性的147.2.3旋转变压器的应用旋转变压器的应用 1用一对旋转变压器测量差角用一对旋转变压器测量差角 图7-8 用一对旋转变压器测量差角的原理图旋变发送机转子绕组加交流励磁电压，旋变发送机和旋变变压器的定子绕组相互联接。在旋变变压器的转子绕组 两端输出一个与两转轴的差角 的正弦函数成正比的电动势，当差角较小时，该输出电动势近似正比于差角。因此，一对旋转变压器可以用来测量差角。7.2.3旋转变压器的应用 1用一对旋转变压器测量差角 图157.2.3旋转变压器的应用旋转变压器的应用 2用旋转变压器检测转子位置用旋转变压器检测转子位置 图7-9 永磁交流同步伺服电动机速度控制系统框图7.2.3旋转变压器的应用 2用旋转变压器检测转子位置 167.3 线性旋转变压器线性旋转变压器 将正、余弦旋转变压器的定子和转子绕组进行改接，就可变成线性旋转变压器。线性旋转变压器输出绕组的线性旋转变压器输出绕组的输出电压与转子转角成线性关系。输出电压与转子转角成线性关系。7-10线性旋转变压器原理图 7.3 线性旋转变压器 将正、余弦旋转变压器的177.3 线性旋转变压器线性旋转变压器若不计S1-S2和R1-R2绕组的漏阻抗压降，根据电动势平衡关系可得 因输出绕组的电压为 所以旋转变压器输出绕组的电压为7.3 线性旋转变压器若不计S1-S2和R1-R2绕组的漏18 7-11 线性旋转变压器输出特性曲线 7.3 线性旋转变压器线性旋转变压器 由上图可见，在转角很小时，即在 范围内其输出电压可以看成是随转角的线性函数 可绘制出输出电压 与转子转角 的关系曲线 7-11 线性旋转变压器输出特性曲线 7.3 线性旋转变197.4 旋转变压器的误差分析及主要技术指标旋转变压器的误差分析及主要技术指标 7.4.1旋转变压器的误差分析旋转变压器的误差分析7.4.2旋转变压器的主要技术指标旋转变压器的主要技术指标7.4 旋转变压器的误差分析及主要技术指标 7.4.1旋转207.4 旋转变压器的误差分析及主要技术指标旋转变压器的误差分析及主要技术指标 7.4.1旋转变压器的误差分析旋转变压器的误差分析产生误差的原因主要有以下几点产生误差的原因主要有以下几点（1）当绕组中流过电流时，由于磁路饱和的影响，它所产生的磁场在 空间为非正弦分布，所以在绕组中要感应谐波电动势。（2）因定、转子铁心的齿槽影响，要在绕组中产生齿谐波电动势。（3）材料和制造工艺的影响造成定、转子偏心，引起电机中气隙不均 匀，造成两套绕组的不对称。（4）实际使用中由于未能达到完全补偿的条件，使电机中存在交轴磁 场，造成输出电压的误差。7.4 旋转变压器的误差分析及主要技术指标 7.4.1旋转21开路输入阻抗短路输出阻抗变压比表7-1 旋转变压器的主要技术指标 7.4.2旋转变压器的主要技术指标旋转变压器的主要技术指标开路输短路输变压比表7-1 旋转变压器的主要技术指标 7.422正余弦函数误差交轴误差线性误差电气误差零位电压相位移7.4.2旋转变压器的主要技术指标旋转变压器的主要技术指标正余弦函交轴误差线性误差电气误差零位电压相位移7.4.2旋转237.4.3产品的选择及使用注意事项产品的选择及使用注意事项在使用中主要应注意以下几点在使用中主要应注意以下几点（1）因旋转变压器要求在接近空载的状态下工作，其开 路输入阻抗应远大于旋转变压器的输出阻抗。两者 的比值越大，输出特性的畸变就越小。（2）使用前首先应准确的调整零位，否则误差将加大，精度降低。（3）只接一相励磁绕组时，另一相要短接或接一与励磁 电源内阻相等的阻抗。（4）当采用两相绕组同时励磁时，因只能采用副方补偿 的方法，两相输出绕组的阻抗应尽可能相等。7.4.3产品的选择及使用注意事项在使用中主要应注意以下几点247.5 多极旋转变压器和感应同步器多极旋转变压器和感应同步器7.5.1多极旋转变压器多极旋转变压器 在角差测量中，用一对旋转变压器旋转变压器测量，比用一对自整角机自整角机测量可获得更高的精度，但也只能达到几个角分。随着对系统精度要求越来越高，单靠一组高精度的旋转变压器已无法满足要求。采用多极旋转变压器可以提高测量差角的精度，可利用两极和多极旋转变压器组成双通道同步随动系统。7.5 多极旋转变压器和感应同步器7.5.1多极旋转变压器257.5.1多极旋转变压器多极旋转变压器 1.多极旋转变压器的工作原理多极旋转变压器的工作原理(a)一对极 (b)图7-12旋转变压器的磁场展开图 对极7.5.1多极旋转变压器 1.多极旋转变压器的工作原理(a267.5.1多极旋转变压器多极旋转变压器 由于旋转变压器每转过一对极，即一个正弦波磁场，转子绕组中感应电动势变化一个周期。所以当转子转过 角时，一对极旋转变压器的转子输出电压为 对极的输出电压为图7-13旋转变压器输出电压与转子转角的关系 7.5.1多极旋转变压器 由于旋转变压器每转过27 2多极旋转变压器的应用多极旋转变压器的应用 7.5.1多极旋转变压器多极旋转变压器图7-14双通道同步随动系统原理图XFS和XBS是两个一对极的旋转变压器，它们组成粗测通道；XFD和XBD是P对极的旋转变压器，它们组成精测通道。直流伺服电动机SZ与两个通道的旋转变压器接收机XBS、XBD的转子同轴连接。两个通道的输出端通过粗精转换电路接至放大解调器，经放大后的电压控制直流伺服电动机，带动负载及XBS、XBD的转子转动。2多极旋转变压器的应用 7.5.1多极旋转变压器图7-128粗测通道输出电压为 精测通道输出电压为 7.5.1多极旋转变压器多极旋转变压器图7-15 粗精通道的输出电压粗测通道输出电压为 精测通道输出电压为 7.297.5.2感应同步器感应同步器 1感应同步器的结构特点感应同步器的结构特点 感应同步器基本结构形式为直线式和圆盘式，前者用于测量直线位移，后者用来测量转角。（1）直线式感应同步器）直线式感应同步器 图7-16 型直线感应同步器的外形图7.5.2感应同步器 1感应同步器的结构特点 307.5.2感应同步器感应同步器图7-17 直线感应同步器的印刷绕组 7.5.2感应同步器图7-17 直线感应同步器的印刷绕组 31（2）圆盘式感应同步器）圆盘式感应同步器7.5.2感应同步器感应同步器图7-1 8 圆盘式感应同步器的绕组分布图2感应同步器的基本工作原理感应同步器的基本工作原理 就基本工作原理而言，直线式和圆盘式是一样的，都与旋转变压器相同，只是结构与运动形式不同。下面以直线式为例来说明感应同步器的工作原理。（2）圆盘式感应同步器7.5.2感应同步器图7-1 8 圆327.5.2感应同步器感应同步器图7-19直线感应同步器的励磁磁场分布图将交流正弦电压 加到定尺绕组上进行励磁，每根导片中电流的方向如图7-19(a)定尺断面图上所示，图7-19(b)为滑尺断面图，磁通密度B1在空间沿定尺长度方向上作余弦分布（以磁极轴线为基准），其变化周期为一对极距，即 电弧度，如图7-19(c)所示。(a)定尺断面及励磁电流的方向；(b)滑尺断面及感应电动势方向；(c)励磁磁场波形 7.5.2感应同步器图7-19直线感应同步器的励磁磁场分布图33空间位移为 处其对应的电弧度为 7.5.2感应同步器感应同步器磁通密度的表达式为 导片感应电动势沿定尺长度位置上也作余弦变化，其有效值为 滑尺右端的两根导片恰好与定尺导片错开 ,其感应电动势的有效值为 空间位移为 处其对应的电弧度为 7.5.2感应同步34 左端导片构成线圈属于余弦绕组，右端导片构成的线圈属于正弦绕组，两套绕组各由 根导片串联而成，因而输出绕组的余弦绕组和正弦绕组中的总电动势分别为 为正弦(余弦)绕组感应电动势的最大有效值 上式为输出绕组中感应电动势沿定尺空间位置而变化的规律。由于磁场本身在定尺绕组轴线上随时间作正弦交变，这样，在空间任意位置上感应电动势又同时随时间作正弦规律变化，所以各感应电动势为正弦量的有效值。7.5.2感应同步器感应同步器 左端导片构成线圈属于余弦绕组，右端导片构成的353感应同步器的信号处理感应同步器的信号处理 7.5.2感应同步器感应同步器主要有鉴相型和鉴幅型两种 (1)鉴相型鉴相型 鉴相型是根据输出电动势的相位来鉴别位移量。在滑尺的正弦绕组和余弦绕组上分别施加同频等幅，相位差90的两相电压，即 当励磁电压分别单独作用时，在定子连续绕组将分别感应电动势为绕组变比 3感应同步器的信号处理 7.5.2感应同步器主要有鉴相型和367.5.2感应同步器感应同步器若励磁电压同时作用，连续绕组中感应电动势为二者之和，即 (2)鉴幅型鉴幅型 将同频同相，但不等幅的电压分别加到滑尺的正、余弦绕组上励磁，设稳定的交流电源电压式中为指令位移角 连续绕组输出电动势 的幅值为恒值，与位移量无关，而其相位则取决于直线感应同步器定、滑尺的相对位移量7.5.2感应同步器若励磁电压同时作用，连续绕组中感应电动势377.5.2感应同步器感应同步器若两励磁电压分别单独作用，在连续绕组中分别感应电动势为 同时作用时，连续绕组的输出电动势为 连续绕组输出电动势 的相位(指时间)与空间位移无关，而其幅值正比于指令位移角和滑尺位移角之差的正弦函数。7.5.2感应同步器若两励磁电压分别单独作用，在连续绕组中分38 4感应同步器的应用举例感应同步器的应用举例7.5.2感应同步器感应同步器图7-20鉴幅型感应同步器在数控机床上的应用 当工作台位移量 未达到指令要求值 时，定尺上感应电动势 该电动势经检波放大控制伺服驱动机构带动工作台移动至 。4感应同步器的应用举例7.5.2感应同步器图7-239