1、河北工程大学信电学院,控制电机,第 4 章 旋 转 变 压 器,4.1 概述,第4章 旋转变压器,4.2 正余弦旋转变压器的工作原理,第4章 旋转变压器,本章要求：,掌握正余弦变压器的结构特点,熟练掌握正余弦变压器的工作原理,4.1 概 述,旋转变压器是一种能转动的变压器。这种变压器的原、付绕组分别放置在定、转子上。原、付绕组之间的电磁耦合程度与转子的转角有关，因此，转子绕组的输出电压也与转子的转角有关。,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。,一、旋转变压器的分类,（按输出电压与转子转角间的函数关系）,
2、正余弦旋转变压器,比例式旋转变压器,线性旋转变压器,其它,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。,2595旋转变压器,用途 ： 在随动系统中提供位置反馈或解算信号，本产品已用于某装备的惯性定位、定向系统中。,2914旋转差动变压器,用途：在旋转运动的随动系统
3、中，提供位置反馈信号。已用于某系统中。,2909旋转变压器(低频),用途 ： 在随动系统中提供位置反馈或解算信号，本产品已用于某惯性导航的稳定平台中。,用途 ： 在随动系统中提供位置反馈或解算信号， 本产品已用于某惯性导航的稳定平台中。,2532旋转变压器(高频),本章以单极、接触式旋转变压器为对象进行详细介绍。,二、旋转变压器的结构特点,旋转变压器由定、转子两大部分组成。定、转子铁心由导磁性能良好的硅钢片叠成，定子铁心内圆和转子铁心外圆上均布有齿槽。,在定子槽中分别布置有两个空间互成90o的绕组，一个是定子激磁绕组，一个为定子交轴绕组(补偿)，两套绕组的结构是完全相同的。,在转子槽中分别布置
4、有两个空间互成90o的绕组，一个正弦输出绕组，一个余弦输出绕组，两套绕组的结构是完全相同的。,Z1Z2余弦输出绕组,Z3Z4正弦输出绕组,定、转子间的气隙是均匀的，气隙磁场一般为两极。定子绕组引出线可直接引出或接到固定的接线板上，而转子绕组引出线则通过滑环和电刷引出。,对于线性旋转变压器，因为转子转角有限，所以可以用软导线直接将转子绕组接到固定的接线板上。,4.2 正余弦旋转变压器的工作原理,一、旋转变压器空载时,输出绕组Z1 Z2和Z3 Z4以及定子交轴绕组D3D4开路，激磁绕组施加交流激磁电压Us1 。,此时气隙中将产生一个脉振磁场BD ，该磁场的轴线在定子激磁绕组D1D2的轴线上。,脉振
5、磁场将在转子的输出绕组Z1 Z2和Z3 Z4中感应变压器电势。,设定子绕组D1D2轴线和余弦输出绕组Z1 Z2轴线的夹角为，旋转变压器激磁磁通D在余、正弦输出绕组Z1Z2和Z3 Z4中的感应电势分别为：,ER1= 4. 44 f WRD cos= ER cos,ER2= 4. 44 f WRD cos(+90o) = -ER sin,ER1= 4. 44 f WRD cos = ER cos,ER2= 4. 44 f WRD cos(+90o) = -ER sin,ER为激磁绕组和输出绕组轴线重合时磁通D在该输出绕组中的感应电势。,若D在激磁绕组中的感应电势为ED ，则：,ER / ED =
6、WR / WD = k,WR 和 WD分别为输出绕组和激磁绕组的有效匝数； k表示变比或匝数比。,ER1 = k ED cos,则得：,ER2 = - k ED sin,忽略激磁绕组的电阻和漏抗，则ED = Us1 ，得：,ER1 = k Us1 cos,ER2 = - k Us1 sin,上式表明当电源电压不变时，输出电势与转子转角有严格的正、余弦关系。,二、旋转变压器带载时,实验表明，图中正弦输出绕组Z3Z4带上负载以后，其输出电压不再是转角的正弦函数。,左图表示了旋转变压器空载和负载时输出特性的对比。,负载电流越大，二者的差别也越大。,这种输出特性偏离正余弦规律的现象称为输出特性的畸变。
7、,畸变的原因是什么？如何消除？,三、输出特性畸变原因,Z3 Z4 接上负载ZL时，绕组中有电流IR2 ， IR2在气隙中产生相应的脉振磁场BZ 。,将BZ 分解为 BZd和BZq 。其中BZd对BD起去磁作用，定子外加交流电源将输出电流增加，以维持D轴方向的合成磁通（主磁通）基本不变（比空载略微减小）。 负载交轴分量BZq无外加励磁与其平衡。因此，负载时，气隙中出现了交轴分量BZq磁场。,BZd对BD起去磁作用，直轴主磁通（ BD ）基本不变，所以负载直轴磁通对输出电压畸变的影响小。,引起输出电压畸变的主要原因是副边电流所产生的交轴磁场分量BZq 。,BZq = BZ cos, q BZ co
8、s,设 q与输出绕组Z3Z4交链的磁通为 q34 ，则, q34 = q cos, q34 BZ cos2,磁通 q34在Z3Z4绕组中所产生的感应电势也是一个变压器电势，其有效值为,Eq34= 4. 44 f WRq34 BZ cos2,旋转变压器正弦输出绕组Z3Z4接上负载后，除了存在ER2 = - k Us1 sin电势外，还附加了正比于BZ cos2 的电势Eq34 。,Eq34的出现破坏了输出电压随转角作正弦变化的关系，造成输出特性的畸变。,Eq34 BZ cos2,在一定的转角下， Eq34 正比于 BZ ，而BZ正比于 IR2 ，所以负载电流越大， Eq34也越大，输出特性偏离正
9、弦函数关系就越远。,因此，旋转变压器有载时，输出特性的畸变，主要是由交轴磁通引起的。为了消除畸变，就必须设法消除交轴磁通的影响。消除畸变的方法称为补偿。,四、消除畸变方法,1 原边补偿的正余弦旋转变压器,旋转变压器接线如图。由图可以看出，定子交轴绕组D3D4对交轴磁通 q来说是一个阻尼线圈。,因为交轴磁通在绕组D3D4中要产生感应电势及其感应电流。,根据楞次定律，该感应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。,为了更好地抵消交轴磁通，因此常把交轴绕组直接短路。,2、副边补偿的正余弦旋转变压器,副边补偿的正余弦旋转变压器，就是指副边接对称负载，如图。,
10、正弦输出绕组Z3Z4接上负载ZL ，余弦输出绕组Z1Z2接阻抗Z ，Z=ZL此时输出电压和转角之间可以保持严格的正余弦关系。,交轴磁场抵消等于零； 总负载磁场与励磁磁场反向。,Z1,Z3,Z4,ZL,Z,BZ,I12,BZ12,I34,BZ34,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,此时，转子绕组中的电流 和 分别为,完全补偿应满足下式,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。原边补偿
11、时，交轴绕组短路，这与负载阻抗无关，因此原边补偿易于实现。,对于减小误差来说，同时采用原、副边补偿是最有利的，此时旋转变压器的四个绕组全部用上。如图所示。,3、原副边同时补偿的正余弦旋转变压器,4.3 线性旋转变压器,输出电压与转角成正比，即 U=k 的旋转变压器叫作线性旋转变压器。,正余弦旋转变压器在转角 很小时，sin ，输出电压近似可以看成是转角的线性函数；若要求线性度在0.1%范围内（输出特性与理想直线偏差的相对值），则角不能超过4.5o。若转角范围较大，则旋转变压器不能满足要求。,为使输出电压在较大的转角范围内与转角成正比，即 U=k ，则需改变接线。,ER2 = - k ED si
12、n,ER1 = k ED cos,Us1 = ED + k ED cos,UR2 ER2 = k ED sin ,经数学推导证明，当k 0.52 时，在= 40。范围内，输出电压和转角成线性关系，并且与理想直线相比较，误差不超过0.1%。,4.4 旋转变压器的主要性能指标,一、正余弦函数误差n,n的含义为：正余弦旋转变压器原边一相加激磁电压，另一相短接，在不同转角时，两相输出绕组的感应电势与理论正余弦函数之差对最大理论输出电压之比。误差范围为：（0.020.3）%。这种误差直接影响作为解算元件的解算精度。,ER1 = k ED cos,ER2 = - k ED sin,二、线性误差x,x的含义
13、为：线性旋转变压器在工作转角范围内，在不同转角时，实际输出电压和理论值之差对理论最大输出电压之比。误差范围为：（0.050.3）%。工作转角范围一般为 40。,理论线,实际线,三、电气误差d,正余弦旋转变压器在不同转角位置范围，其两个输出绕组电压之比等于相应的理论电气角的正切（或余切）时，实际电气位置与理论电气位置的机械角度差叫做电气误差。误差范围为： 3 ， 18，。,四、零位误差0,正余弦旋转变压器定子一相绕组短接，另一相绕组加额定激磁电压时，两相输出绕组电压的基波同相分量为 0 时叫做电气零位。实际电气零位与理论电气零位（0 。，90 。，180 。，270 。）之差叫做零位误差。误差范
14、围为： 3 ， 22，。,ER1 = k ED cos,ER2 = - k ED sin,五、零位电压U0,转子处于实际电气零位时的输出电压称为零位电压，其误差范围为额定电压的（0.010.04）%。,ER2 = - k ED sin,六、输出相位移,输出电压基波分量与输入电压基波分量的相位差叫输出相位移。误差范围为： 3 。 22。,电气误差、正余弦函数误差和零位误差直接影响解算装置和数据传递系统的精度，所以正余弦旋转变压器的精度等级由这三种误差来决定。,4.5 旋转变压器的应用举例,一、测量角度差,磁场空间位置如图,旋变发送机,旋变接收机,转子相对标准位置分别偏移1和2 。,二、利用旋转变
15、压器求反三角函数,已知E1和E2值，利用旋转变压器求反余弦函数：,转子加E1大小的励磁；定子余弦绕组与外加电源E2串联，输出控制伺服电动机；伺服电动机驱动旋变转子转动。,伺服电动机控制电压为； ER1- E2 = E1cos- E2。,伺服电动机在该电压控制下驱动旋变转子旋转。,当转子旋转到E1cos= E2时，电机停止。,变比K=1,当转子旋转到E1cos= E2时，电机停止。,转子转过的角度刚好，满足要求的反余弦函数：,转子转角就是所求的结果。,发送机,接收机,图示旋转变压器作控制式运行, 1=150, 2=100。试求输出绕组的协调位置和失调角？,失调角= 1 -2 15-10=5,本章结束,
