旋转变压器.ppt

1、第4章 旋转变压器,第4章 旋转变压器,概述 正余弦旋转变压器的工作原理 线性旋转变压器的工作原理 旋转变压器的误差及其改进方法 感应移相器,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,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。,4-1 概述,第4章 旋转变压器,4-1 概述,一次侧单相交流励磁电压 二次侧输出电压（跟转角严格保持某种函数关系） 用途： 解算元

2、件（坐标变换，三角运算） 随动系统（传输与转角相应的电信号） 移相器 角度-数字转换装置,第4章 旋转变压器,4-1 概述-分类,有无电刷 接触式 无接触式（有限转角，无限转角） 极数 单极对 多极对 使用要求 用于解算装置 用于随动系统,第4章 旋转变压器,4-1 概述-分类,用于解算装置中的旋变 正余弦旋转变压器 线性旋转变压器 在一定工作转角范围内，输出电压与转角成线性关系 正余弦旋转变压器绕组不同连接/单绕组线性旋转变压器 比例式旋转变压器 增加调整和锁紧转子位置的装置，其他与正余弦旋转变压器结构相同 特殊函数旋转变压器 用于随动系统中的旋变 旋变发送机 旋变差动发送机 旋转变压器,三

3、相四线制,第4章 旋转变压器,4-1 概述-结构特点,旋转变压器的结构 类似于绕线式感应电机 2极隐极式结构 定、转子间的气隙均匀 高磁导率的铁镍软磁合金片或高硅钢片 旋转叠片法 定、转子槽内各有2组空间轴线相互垂直的绕组 通常采用高精度的正弦绕组,第4章 旋转变压器,4-1 概述,接触式结构XZ XX XL 定子绕组引出线可直接引出或接到固定的接线板上 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 封闭式 适用于恶劣环境 小机座号采用一刀通结构 12 20小机座号机壳采用不锈钢 36 45 55 大机座号采用硬铝

4、28号两者都用 无接触式：有限转角 无限转角,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。,本章以单极、接触式旋转变压器为对象进行详细介绍。,第4章 旋转变压器,4-2 正余弦旋转变压器的工作原理,正余弦旋转变压器的空载运行 正余弦旋转变压器的负载运行 二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 正余弦旋转变压器的主要技术指标,第4章 旋转变压器,一、空载运行,4-2 正余弦旋转变压器的工作原理,2极隐极式结构 定子：励磁绕组，交轴绕组，匝数形式完全相同（正弦式绕组），空间互差90度，定义励磁绕组轴线方向为直轴 转子：正弦输出绕组，余弦输

5、出绕组，空间互差90度,Z1Z2余弦 输出绕组,Z3Z4正弦 输出绕组,第4章 旋转变压器,一、空载运行,4-2 正余弦旋转变压器的工作原理,直轴脉振磁通励磁绕组中的感应电势：,脉振磁场将在转子的输出绕组Z1 Z2和Z3 Z4中感应变压器电势。,思考：,1 、输出绕组Z1 Z2和Z3 Z4中感应变压器电势的相位如何？,2、输出绕组Z1 Z2和Z3 Z4中感应变压器电势的大小与什么有关？,第4章 旋转变压器,一、空载运行,4-2 正余弦旋转变压器的工作原理,正弦绕组感应电压,余弦绕组开路电压：,变比,：转子转角,直轴磁通分解,开路电压值：,第4章 旋转变压器,一、空载运行,当励磁电压恒定，输出绕

6、组开路时 正弦输出绕组电压与转角成正弦函数关系 余弦输出绕组电压与转角成余弦函数关系,4-2 正余弦旋转变压器的工作原理,第4章 旋转变压器,二、负载运行,交轴绕组，余弦输出绕组回路开路，正弦输出绕组回路外接负载 输出绕组电流磁势磁通直轴分量，交轴分量 直轴分量励磁绕组直轴磁通相平衡 交轴分量在正弦输出绕组中感应电势 正弦输出绕组的合成电势=励磁绕组感应电势+输出绕组电枢反应磁通交轴分量感应电势,4-2 正余弦旋转变压器的工作原理,第4章 旋转变压器,二、负载运行,由变压器原理 绕组中：自阻抗压降+互感电抗压降 绕组间的互感电抗随转子转角改变而改变,4-2 正余弦旋转变压器的工作原理,第4章

7、旋转变压器,二、负载运行,4-2 正余弦旋转变压器的工作原理,：旋转变压器主磁路磁导,最大互感电抗,Xm ：定子绕组主电抗（励磁电抗）,转子绕组主电抗：,第4章 旋转变压器,二、负载运行,4-2 正余弦旋转变压器的工作原理,基尔霍夫第二定律,第4章 旋转变压器,二、负载运行,4-2 正余弦旋转变压器的工作原理,第4章 旋转变压器,二、负载运行,正余弦旋转变压器负载运行的时候，输出电压发生畸变。 负载阻抗越大，畸变越小。 励磁绕组电流随着转角的变化而变化，即输入阻抗随着转角的变化而变化，输出绕组开路时为常数。 输出电压发生畸变，原因在于负载电流产生交轴磁场。,4-2 正余弦旋转变压器的工作原理,

8、输出特性畸变原因,Bz,BZq,BZd,Z1 Z2 接上负载ZL时，绕组中有电流IR1 ，,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。 负载交轴分量BZq无外加励磁与其平衡，负载时，气隙中出现了交轴分量BZq磁场。,IR1在气隙中产生相应的脉振磁场BZ 。,BD,BD,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 。,在一定的转角下， Eq12 正比于 BZ ，而BZ正比于 IR1

9、，所以负载电流越大， Eq12也越大，输出特性偏离正弦函数关系就越远。,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。,第4章 旋转变压器,三、二次侧补偿,利用余弦输出绕组中电流产生的交轴磁势抵消正弦绕组中电流产生的交轴磁势。,4-2 正余弦旋转变压器的工作原理,第4章 旋转变压器,三、二次侧补偿,交轴绕组开路 励磁绕组外施电压 正余弦绕组分别接入负载阻抗 正余弦输出绕组间的互感为0,4-2 正余弦旋转变压器的工作原理,第4章 旋转变压器,三、二次侧补偿,励磁绕组和正余弦输出绕组中的电流,4-2 正余弦旋转变压器的

10、工作原理,第4章 旋转变压器,三、二次侧补偿,当负载阻抗和补偿侧串联阻抗的值相同的时候,4-2 正余弦旋转变压器的工作原理,第4章 旋转变压器,三、二次侧补偿,正余弦输出绕组的电压分别为：,4-2 正余弦旋转变压器的工作原理,第4章 旋转变压器,三、二次侧补偿,正余弦输出绕组的交轴磁势互相抵消,励磁绕组电流，输入阻抗，输入功率不随着转角的变化而变化,4-2 正余弦旋转变压器的工作原理,第4章 旋转变压器,三、二次侧补偿,当电机中一次侧由单相交流电源励磁，其轴线方向为d轴，又二次侧为多相对称绕组、并接入对称负载阻抗。这时随着转子转角的改变，二次侧多相绕组的各绕组电流将随之变化。 二次侧多相绕组电

11、流产生的合成磁势总是为d轴方向的脉振磁势。 在励磁绕组外施电压恒定，又负载阻抗一定时，合成磁势的幅值为一常量，不随转子转角的改变而变化。 励磁绕组的电流、输入功率和输入阻抗都不随转子转角的改变而变化。,4-2 正余弦旋转变压器的工作原理,第4章 旋转变压器,三、二次侧补偿,优点 输入阻抗不随着转角的变化而变化 缺点 对于变动负载，二次侧对称补偿不容易实现,4-2 正余弦旋转变压器的工作原理,第4章 旋转变压器,四、一次侧补偿,交轴绕组接入阻抗，余弦输出绕组开路 正弦输出绕组的交轴磁场在交轴绕组中感应电势交轴绕组电流产生交轴磁势交轴绕组磁场在正弦输出绕组中感应电势 交轴绕组磁场在正弦输出绕组中感

12、应电势和输出绕组的交轴磁场感应电势相互抵消,4-2 正余弦旋转变压器的工作原理,第4章 旋转变压器,四、一次侧补偿,4-2 正余弦旋转变压器的工作原理,第4章 旋转变压器,四、一次侧补偿,励磁绕组电流，交轴绕组电流，正弦输出绕组电流为,4-2 正余弦旋转变压器的工作原理,Zq怎么变化，使Ir1与角度正弦成比例？,第4章 旋转变压器,四、一次侧补偿,交轴补偿绕组短路的时候,4-2 正余弦旋转变压器的工作原理,第4章 旋转变压器,四、一次侧补偿,正弦绕组的输出电压,4-2 正余弦旋转变压器的工作原理,二次侧补偿时正弦绕组的输出电压,第4章 旋转变压器,四、一次侧补偿,4-2 正余弦旋转变压器的工作

13、原理,第4章 旋转变压器,四、一次侧补偿,励磁电流，输入阻抗，输入功率随转子转角的变化而变化 输出电压不受负载阻抗变化的影响 为达到完善补偿的目的，一次侧和二次侧同时加以补偿,4-2 正余弦旋转变压器的工作原理,第4章 旋转变压器,四、一次侧补偿,4-2 正余弦旋转变压器的工作原理,交轴磁势完全补偿,第4章 旋转变压器,五、主要技术指标,正余弦函数误差 零位误差 零位电压 电气误差 输出相位移 线性误差,4-2 正余弦旋转变压器的工作原理,一、正余弦函数误差fe,fe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

14、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。,二、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最小值为 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。误差范围为： 3 ， 22，。,三、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）%。 过高会引起绕组外接放大器的饱和。,四、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

15、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，。,电气误差：包括函数误差、零位位差、变比误差及阻抗不对称因素的影响。,五、输出相位移,正余弦旋转变压器原边一相加激磁电压，另一相短接，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。,影响因素：励磁绕组的电阻和铁心的铁损耗。,六、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：（0.050.3）%。工作转角范围一般为 60。,理论线,实际线,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

16、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。,第4章 旋转变压器,4-3 线性旋转变压器,输出电压的大小和转子转角成正比的旋转变压器 在转角较小的时候，正余弦旋转变压器可以作为线性旋转变压器使用 误差不超过0.1%，转角范围仅为4.5 转角范围14，误差达1%,第4章 旋转变压器,4-3 线性旋转变压器,变比Ku等于0.5时，在37.5度范围内输出电压和转角呈线性关系（误差不超过0.1%）,等于0处，泰勒级数展开,第4章 旋转变压器,4-3 线性旋转变压器,变比值为0.5时，线性误差不超过0.1%，转角范围在 37.4 变比值为0.54时，线性误差不超过0.1%，转角范围在 60

17、 变比值通常选0.56-0.57 机座号小的线性旋变，其最佳变比取较大值,第4章 旋转变压器,一、一次侧补偿线性旋转变压器,4-3 线性旋转变压器,励磁绕组和余弦绕组串联，回路电流产生励磁磁势和余弦绕组磁势 余弦绕组磁势分解为直轴磁势和交轴磁势 交轴磁场被一次侧补偿，只存在直轴磁场 直轴磁场分别在励磁绕组，正弦绕组，余弦绕组中感应电势,第4章 旋转变压器,一、一次侧补偿,直轴脉振磁势在绕组中的感应电势在时间上同相位,4-3 线性旋转变压器,空载时,第4章 旋转变压器,一、一次侧补偿,直轴磁通,正弦绕组开路电压,4-3 线性旋转变压器,第4章 旋转变压器,一、一次侧补偿,当正弦输出绕组接入负载阻

18、抗后，这时虽有负载电流通过该绕组，但因采用了一次侧补偿，其负载电流所产生的磁势的交轴分量仍然可以被完全抵消。正弦输出绕组中的感应电势也和空载时一样，所以在一定的转角范围内，输出电压与转子转角仍能满足线性函数关系。,4-3 线性旋转变压器,第4章 旋转变压器,二、二次侧补偿,交轴绕组和正弦绕组串联 余弦绕组按照二次侧补偿接阻抗 励磁电流-直轴磁场-正弦绕组感应电势-正弦绕组回路电流-交轴绕组磁势-交轴磁场-正弦绕组感应电势,4-3 线性旋转变压器,第4章 旋转变压器,二、二次侧补偿,直轴磁通在正弦绕组中的感应电势,交轴磁通,交轴磁通感应电势,4-3 线性旋转变压器,第4章 旋转变压器,二、二次侧

19、补偿,正弦绕组的感应电势,4-3 线性旋转变压器,Z0定子绕组的空载阻抗,第4章 旋转变压器,二、二次侧补偿,二次侧补偿线性旋变的输出电压,4-3 线性旋转变压器,第4章 旋转变压器,二、二次侧补偿,具有正余弦旋变二次侧补偿的特点,输出特性,4-3 线性旋转变压器,第4章 旋转变压器,三、单绕组线性旋转变压器,线性感应电位计 XDX 二极隐极式结构 定子直径方向上冲有2个大槽，整距集中输出绕组 转子铁心上冲有均匀分布的4个槽，对径方向上分别放置2个整距绕组，励磁绕组，自行短接的交轴绕组,4-3 线性旋转变压器,第4章 旋转变压器,三、单绕组线性旋转变压器,铁心磁路不饱和 忽略磁阻影响 矩形脉振

20、波,4-3 线性旋转变压器,第4章 旋转变压器,三、单绕组线性旋转变压器,转子转动后，输出绕组所链匝的磁通,输出绕组的感应电势,输出绕组的感应电势有效值,4-3 线性旋转变压器,第4章 旋转变压器,三、单绕组线性旋转变压器,励磁电压恒定，忽略漏阻抗，主磁通为常数，输出电势与转子转角成正比 气隙磁密分布不均匀，转角范围受限制，线性误差不超过0.3%时，转角范围为 35，线性误差不超过0.5%时，转角范围为 60 交轴绕组短接，相当于一次侧补偿 主磁通随转角有所变动，输出电压的相位角随转子转角的改变而变化,4-3 线性旋转变压器,第4章 旋转变压器,引起误差的主要原因 磁势在空间的非正弦分布，引起

21、绕组的谐波 定、转子齿槽引起的齿谐波 磁路饱和引起的谐波电势 材料和制造工艺的影响 铁心材料各向异性 短路匝(电机绕组或铁心部分) 偏心 齿槽分度不均 补偿不当（补偿阻抗不匹配）,4-4 旋转变压器的误差及其改进方法,第4章 旋转变压器,4-4 旋转变压器的误差及其改进方法,工艺误差 电路误差 绕组结构形式引起的误差 绕组谐波 铁心齿槽影响引起的齿谐波 铁心磁路饱和引起的谐波 正弦绕组 定转子的齿槽配合及斜槽,第4章 旋转变压器,一、正弦绕组,消除谐波 双层短距分布绕组 工艺性较好 仅能消除或削弱低次谐波（3、5、7），用于精度要求不高或尺寸较大的旋转变压器中 同心式正弦绕组 70#，90#，

22、0.06%（双层短距）0.03%（正弦） 45#，0.22% （双层短距）0.03%（正弦） 小尺寸电机工艺误差对精度影响大 正弦绕组的缺点是：工艺性较双层短距绕组要差，绕组系数较低,4-4 旋转变压器的误差及其改进方法,第4章 旋转变压器,一、正弦绕组,结构形式,匝数和磁势的空间分布图,4-4 旋转变压器的误差及其改进方法,第一类,第二类,第4章 旋转变压器,一、正弦绕组,各槽的匝数,4-4 旋转变压器的误差及其改进方法,Ncm：假设的最大匝数元件的匝数，i=1/2的匝数,Z：旋变的定子（转子）槽数,第4章 旋转变压器,一、正弦绕组,绕组每相的实际匝数,最大匝数元件的匝数,4-4 旋转变压器

23、的误差及其改进方法,第4章 旋转变压器,一、正弦绕组,基波绕组系数,4-4 旋转变压器的误差及其改进方法,Ne：正弦绕组每相有效匝数,第4章 旋转变压器,一、正弦绕组,Z足够大的时候,基波绕组系数为0.785,4-4 旋转变压器的误差及其改进方法,第4章 旋转变压器,一、正弦绕组,次谐波的绕组系数为：,4-4 旋转变压器的误差及其改进方法,第4章 旋转变压器,一、正弦绕组,根据空载输入阻抗值决定绕组的有效匝数估算值,然后计算各槽的匝数，圆整取整数值，要消除特定次谐波，必须使各元件匝数之间满足一定的关系,4-4 旋转变压器的误差及其改进方法,第4章 旋转变压器,一、正弦绕组,消除特定次谐波磁势，各绕组元件的匝数需满足的关系,4-4 旋转变压器的误差及其改进方法,第4章 旋转变压器,二、定、