6-旋转变压器

第6章旋转变压器6.1旋转变压器概述6.4线性旋转变压器6.6多级和双通道旋转变压器6.5旋转变压器的应用举例第6章旋转变压器6.2正余弦旋转变压器的结构特点6.3正余弦旋转变压器的工作原理第6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掌握线性旋转变压器的工作原理了解旋转变压器如何提高精度掌握旋转变压器的主要应用6.1概述旋转变压器——能转动的变压器，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。旋转变压器用途：坐标变换三角函数计算和数据传输将旋转角度变为电压信号Z4Z3D1D2Z1Z2控制电机2595旋转变压器2914旋转差动变压器2909旋转变压器(低频)2532旋转变压器(高频)控制电机分类•正余弦旋变XZ•线性旋变XX•比例式旋变XL•单极对旋变•多级对旋变——提高精度•旋变发送机XF•旋变差动发送机XC•旋变变压器XB•接触式旋变——有电刷和滑环间的滑动接触•无接触式旋变6.2正余弦旋转变压器的结构特点D1D2D3D4定子转子电刷—固定在后端盖上，与滑环摩擦接触铁心—电工钢片叠成，外圆上均布有齿槽绕组交轴绕组D3D4励磁绕组D1D2铁心—电工钢片叠成，外圆上均布有齿槽绕组滑环（4个）—与转子绕组引出线相接余弦绕组Z1Z2正弦绕组Z3Z4Z1Z2Z3Z4旋变控制电机旋变——高精度测位用控制电机•互成90度绕组分布——提高精度•金属合金电刷、滑环——提高接触可靠性及寿命•转轴——不锈钢•机壳——经阳极氧化处理的铝合金•全封闭结构—以适应冲击、振动、污染、潮湿精密加工、特殊设计采用多级式——提高精度6.3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Z1Z2和Z3Z4以及定子交轴绕组D3D4开路，激磁绕组施加交流激磁电压Uf1。此时气隙中将产生一个脉振磁场BD，该磁场的轴线与定子激磁绕组D1D2的轴线重合。Z1Z2Z3Z4Uf1D1D2D3D4BDθ设定子绕组D1D2轴线和余弦输出绕组Z1Z2轴线的夹角为θ控制电机D1D2D3D4Uf1BDZ1Z2Z3Z4θ脉振磁场将在转子的输出绕组Z1Z2和Z3Z4中感应变压器电势。思考：1、输出绕组Z1Z2和Z3Z4中感应变压器电势的相位如何？2、输出绕组Z1Z2和Z3Z4中感应变压器电势的大小与什么有关？控制电机旋转变压器激磁磁通φD在正、余弦输出绕组Z3Z4和Z1Z2中感应变压器电势。ER1=4.44fWRφDcosθ=ERcosθER2=4.44fWRφDcos(θ+90o)=-ERsinθD1D2D3D4Uf1BDZ1Z2Z3Z4θER1ER2假设脉振磁场BD的磁通为φDφDφDsinθφDcosθ控制电机ER1=4.44fWRφDcosθ=ERcosθER2=4.44fWRφDcos(θ+90o)=-ERsinθER为激磁绕组和输出绕组轴线重合时磁通φD在该输出绕组中的感应电势。若φD在激磁绕组中的感应电势为ED，则：ER/ED=WR/WD=kμWR和WD分别为输出绕组和激磁绕组的有效匝数；kμ表示变比或匝数比。Z1Z2Z3Z4Uf1D1D2D3D4BDER1ER2ED控制电机ER1=kμEDcosθ则得：ER2=-kμEDsinθ忽略激磁绕组的电阻和漏抗，则ED=Uf1，得：ER1=kμUf1cosθER2=-kμUf1sinθ上式表明当电源电压不变时，输出电势与转子转角θ有严格的正、余弦关系。Z1Z2Z3Z4Uf1D1D2D3D4BDER1ER2ED控制电机二、旋转变压器带载时D1D2D3D4Uf1BDZ1Z2Z3Z4θZL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。负载空载UmUm90o0控制电机负载空载UmUm90o0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。畸变的原因是什么？如何消除？Why?控制电机D1D2D3D4Uf1BDZ1Z2Z3Z4θZL三、输出特性畸变原因IR2BzBZqBZdZ3Z4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。其中直轴分量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）。交轴分量BZq无外加励磁与其平衡。因此，交轴分量BZq是引起输出电压畸变的主要原因。控制电机BZq=BZcosθqBZcosθ设q与输出绕组Z3Z4交链的磁通为q34，则q34=qcosθq34BZcos2θD1D2D3D4Uf1∑BDZ1Z2Z3Z4θZLIR2BzBZqBZdBDθ控制电机磁通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=4.44fWRφq34BZcos2θ旋转变压器正弦输出绕组Z3Z4接上负载后，除了存在ER2=-kμUf1sinθ电势外，还附加了正比于BZcos2θ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。Z1Z2Z3Z4θZLIR2BzBZqBZdEq34Bq34ER2控制电机Eq34BZcos2θ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。Z1Z2Z3Z4θZLIR2BzBZqBZdEq34Bq34ER2控制电机四、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。Z1Z2Z3Z4θZLD1D2D3D4Uf1BDZq控制电机根据楞次定律，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。Z1Z2Z3Z4θZLD1D2D3D4Uf1BDZqq1优缺点？优点：简单，成本低缺点：负载变化，去磁磁场不变，不能完全消除输出畸变。控制电机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。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。D1D2D3D4Uf1BDZ1Z3Z4θZLZ’BZI12BZ12I34BZ34θθ控制电机副边补偿时，阻抗Z’的大小与旋转变压器所带的负载ZL的大小有关(Z’=ZL)。这种补偿方法，对于变动的负载阻抗，不能实现完全补偿。原边补偿时，交轴绕组短路，这与负载阻抗无关，因此原边补偿易于实现。D1D2D3D4Uf1BDZ1Z2Z3Z4θZLZ’Z1Z2Z3Z4θZLD1D2D3D4Uf1BDZ控制电机Z1Z2Z3Z4θZLZ’D1D2D3D4Uf1BDZ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6.4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。U0控制电机uDuR2f1DuDukEsinθksinθUUE+kEcosθ1+kcosθ=uuksinθR2f11+kcosθU=UER2=-kμEDsinθER1=kμEDcosθUf1=ED+kμEDcosθUR2ER2=kμEDsinθZ1Z2Z3Z4θZLD1D2D3D4Uf1UR2原边补偿的线性旋转变压器ER2ER2ER1EDBD控制电机UR2(V)uuksinθR2f11+kcosθU=U经数学推导证明，当kμ0.52时，在θ=±60。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%。6.5旋转变压器的应用举例一、测量角度差磁场空间位置如图E2111221-2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。E2=E2msin(1-2)接收机的输出与转角之差（1-2）的正弦成正比。γZ1Z2γ=900-2-(900-1)=1-2协调位置控制电机二、利用旋转变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：12EEarccos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。E1Z1Z2Z3Z4BDE2ER1M变比K=1控制电机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。E1Z1Z2Z3Z4BDE2ER1变比K=1控制电机当转子旋转到E1cos=E2时，电机停止。E2ER1转子转过的角度刚好，满足要求的反余弦函数：12EEarccos转子转角就是所求的结果。控制电机6.6多极和双通道旋转变压器一、原理单极旋变多极旋变单极磁场多极磁场（p对）1对极对应360o圆心角p对极对应360o圆心角转子转过1对极(360o)输出E变化一个周期转子转过1对极(360o/p)输出E变化一个周期E的变化周期为360oE的变化周期为360o/pU2(1)=Um(1)sinθU2(p)=Um(p)sin(pθ)控制电机转子360o转子线圈轴线定子360o电角度转子线圈轴线360o机械角度机械角度单极旋转变压器转子定子多极旋转变压器360o/p控制电机从电磁观点，转子在旋转时，每经过一对磁极，其电磁量就相应变化一个周期，称为360o电角度。•P对极电机，其定子内圆一周(机械角度360o)对应的电角度为360o×p；•电角度=机械角度×极对数；•电角度和电压/电势，电流的时间相位角对应相等；转子360o/p转子线圈轴线定子360o控制电机思考：多级旋变如何提高精度？•单极旋变B点(θ0)—U2(1)=Um(1)sinθ不能驱动伺服电动机•多极旋变A点(θ0)—U2(p)=Um(p)sin(pθ)能够驱动伺服电动机•系统误差由θ0下降到θ’0，精度提高转子360o/p定子360oθU2(p)θ0θ’0oABU2(1)“假”零位控制电机消除“假”零位协调——双通道旋变SW—电子开关，当失调角大时，SW输出Um(1)sinθ当失调角小时，SW输出Um(p)sinpθθ11×XFn×XF1×XB粗测通道n×XB精测通道SWMθ2Um(1)sinθUm(p)sinpθ失调角临界值是多少？360o/(2p)6.5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：（0.02~0.3）%。这种误差直接影响作为解算元件的解算精度。Z1Z2Z3Z4Uf1D1D2D3D4BDER1ER2EDER1=kμEDcosθER2=-kμEDsinθ控制电机二、线性误差xx的含义为：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：（0.05~0.3）%。工作转角范围一般为±60。。UR2(V)理论线实际线控制电机三、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