自控原件旋转变压器第6章

第6章旋转变压器中国矿大信电学院第6章

旋转变压器旋转变压器概述正余弦旋转变压器的结构特点正余弦旋转变压器的工作原理线性旋转变压器旋转变压器的应用举例旋转变压器主要性能指标第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的主要性能指标掌握旋转变压器的主要应用6.1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。旋转变压器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。Z4

Z3D1D2Z1Z22595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)这些旋转变压器的用途主要是用来进行坐标变换，三角运算和角度数据传输，信号转换，等等。旋转变压器按电机的极对数来分，可分为单对极和多对极两种。本章以单极、接触式旋转变压器为对象进行详细介绍。Z4

Z3D1D2Z1Z26.2

正余弦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电工钢片叠成，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。D1D2D3D4D1D2定子激磁绕组D3D4定子交轴绕组Z4D1D2Z

Z31Z2Z1Z2Z3Z4在转子槽中分别布置有两个空间互成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D1D2D3D4D1D2定子激磁绕组D3D4定子交轴绕组Z4D1D2Z

Z31Z2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。Z4D1D2Z1

Z3Z26.3

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。Z1Z4Z3Z2Us1D2D3D1D4BDD1D2D3D4Us1BDZ1Z2Z3Z4θ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

2

3

41

、输出绕组Z Z

和Z Z

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？设定子绕组D1D2轴线和余弦输出绕组Z1Z2轴线的夹角为θ，旋转变压器激磁磁通

φD在正、余弦输出绕组Z3Z4和Z1

Z2

中的感应电势分别为：DcosθER1=

4.

44

f

WRφ=

ER

cosθR2

RDE =

4.

44

f

W

φ

cos(θ+90o)=

-ER

sinθD1D2D3D4Us1BDZ2Z3Z4θZ1ER1ER2ER1=

4.

44

f

WRφD

cosθ

= ER

cosθDRoER2=

4.

44

f

WRφ cos(θ+90

)

= -E

sinθER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φ

在激磁绕组中的感应电势为DED

，则：ER

/

ED

=

WR

/

WD=

kμR

DW

和W

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。Z1Z2Z3Z4Us1D3D1D4BDER2EDD2qER1则得：ER1

= kμ

ED

cosθER2

=

-

kμ

ED

sinθ忽略激磁绕组的电阻和漏抗，D

s1则E

=

U

，得：ER1

= kμ

Us1

cosθER2=-

kμ

Us1

sinθ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。Z1Z2Z3Z4Us12BDD3ER1ER2D1D4EDDq二、旋转变压器带载时D1D2D3D4Us1BDZ1Z2Z3Z4θZL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UmDUm90oq0负载空载UmDUm90oq0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？D1D2D3D4Us1BDZ1Z23Z4θIR2Z

BBZqz

BZd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）。ZL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。D1D2D3D4Us1∑BDZ1Z23Z4θ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

。Ir2

ZlZ

BBZqz

BZdBDZqZB =

B

cosθf

q

BZ

cosθ设f

q与输出绕组Z3Z4交链的磁通为f

q34

，则f

q34f

q342=

f

q

cosθBZ

cos

θD1D2D3D4Us1∑BDZ1Z23Z4θIr2

ZlZ

BBZqz

BZdBD磁通f

q34的在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2Eq34=

4.

44

f

WRφq34

BZ

cos

θ旋转变压器正弦输出绕组Z3Z4接上负载后，除了存在ER2

=

-kμ

Us1

sinθ电势外，还附加了正比Z

q34于B cos2θ

的电势E

。Eq34的出现破坏了输出电压随转角作正弦变化的关系，造Z1Z2Z4Z

成输出特性的畸变。LIR2BZqBz

BZdθ

Eq34Bq34Z3ER2Eq342BZ

cos

θ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Z1Z2Z4Z

畸变，就必须设法消除交轴L磁通的影响。消除畸变的方法称为补偿。IR2BZqBz

BZdθ

Eq34Bq34Z3ER2四、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f

q来说是一个阻尼线圈。因为交轴磁通在绕组3

4D

D

中要产生感应电势及其感应电流。Z1Z2Z3Z4θZLD1D23D4Us1DBDZf

q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。Z2Z3Z4θZLD1D23D4Us1DBDZZf

q

1f

q12、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。D1D3D4Us1BDZ1

D2Z4θZLZ’BZI12BZ12I34BZ34Z3θθ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。D1D3D4Us1BDZ1

D2Z2Z3Z4θZLZ’Z1Z2Z3Z4θZLD1D23D4Us1DBDZZ1Z2Z3Z4θZLZ’D2D3D4Us1BDD1Z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U=kq

，则需改变接线。输出电压与转角成正比，即U=kq

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q

很小时，sin

q»q

，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q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。U为使输出电压在较大的转角范围内与转角成正比，即q0ku

sinqku

ED

sinq1+ku

cosqED

+ku

ED

cosq=»s

1R

2Uku

sinq1+ku

cosqU

=ER2

=

-

kμ

ED

sinθER1

= kμ

ED

cosθUs1

=

ED

+

kμ

ED

cosθUR2

»

ER2

= kμ

ED

sin

θZ1Z2Z3Z4θUR

2ZL

Us

1D1D2D3D4Us1UR2原边补偿的线性旋转变压器ER2ER2ER1EDBDUR2

(V)qs

1R

2Uku

sinq1+ku

cosqU

=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

旋转变压器的主要性能指标一、正余弦函数误差dndn的含义为：正余弦旋转变压器Z1Z2Z3Z4Us1D2D3D1D4BDER1ER2EDq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。ER1

= kμ

ED

cosθER2

=

-

kμ

ED

sinθ二、线性误差dxdx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q三、电气误差Dqd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。，

，Z1Z2Z3Z4

误差范围为：

3

~18

。Us1D2BDD3ER2D1D4EDqER1R1Eq

=

arctg

ER

2四、零位误差Dq0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ZZ2Z3Z4Us1D2BDD31ER1ER2D1D4EDq差。误差范围为：3

，~22，。ER1

= kμ

ED

cosθER2

=

-

kμ

ED

sinθ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（0.01~0.04）%。Z1Z2Z3Z4Us1D2D1D4BDD3ER2EDqER1ER2

=

-

kμ

ED

sinθ六、输出相位移j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。。Z1Z2Z3Z4Us1D2D3BDER2D1D4EDqER1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。Z1Z2Z