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第6章旋转变压器 第6章旋转变压器 6 1旋转变压器的类型和用途6 2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思考题与习题 旋转变压器简称旋变 是一种输出电压随转子转角变化的信号元件 当励磁绕组以一定频率的交流电压励磁时 输出绕组的电压幅值与转子转角成正弦 余弦函数关系 或保持某一比例关系 或在一定转角范围内与转角成线性关系 它主要用于坐标变换 三角运算和角度数据传输 也可以作为两相移相器用在角度 数字转换装置中 旋转变压器的生产厂家有很多 其中日本多摩川是专业制造厂家 其生产的旋转变压器有分体式和一体式两种 旋变由转子和定子构成 并且两者在结构上相互独立 初级和次级线圈都绕在定子上 转子由两组相差90 线圈组成 采用无刷设计 转子和定子分离 下图就是一款分体式旋变 下图是一款专门用于混合动力汽车的旋转变压器 其转子是由硅钢片垫成 因此有很高的防护等级 具有耐高温 防震等特点 比较适合在恶劣环境下使用 结构上采用转子和定子分离设计 安装方便 易于维护 右图所示是一体式旋变 电气上和分体式一样 但是结构上已经采用一体化设计 所以安装非常方便 且有电磁屏蔽功能 所以被广泛应用在电梯 数控等行业 6 1旋转变压器的类型和用途 按旋转变压器的输出电压和转子转角间的函数关系 旋转变压器可分为正余弦旋转变压器 代号为XZ 线性旋转变压器 代号为XX 以及比例式旋转变压器 代号为XL 类型 用途 坐标变换 三角函数计算和数据传输 将旋转角度转换成信号电压 按电机极对数的多少来分 可将旋转变压器分为单极对和多极对两种 按有无电刷与滑环间的滑动接触来分类 旋转变压器可分为接触式和无接触式两大类 6 2旋转变压器的结构特点 正余弦旋转变压器 定子绕组有两个 分别叫定子励磁绕组 其引线端为D1 D2 和定子交轴绕组 其引线端为D3 D4 两个绕组结构上完全相同 它们都布置在定子槽中 而且两绕组的轴线在空间互成90 定子铁心由导磁性能良好的硅钢片叠压而成 定子硅钢片内圆处冲有一定数量的规定槽形 用以嵌放定子绕组 定子铁心外圆是和机壳内圆过盈配合 机壳 端盖等部件起支撑作用 是旋转电机的机械部分 定子 转子绕组也有两个 分别为正弦输出绕组 Z3 Z4 和余弦输出绕组 Z1 Z2 两绕组轴线也成空间90 角 转子外圆有槽用来装转子绕组 转子 正弦输出 余弦输出 6 3正余弦旋转变压器的工作原理 6 3 1空载运行时的情况 6 3 2负载后输出特性的畸变 6 3 3副边补偿的正余弦旋转变压器 旋转变压器可以看作是原边 定 与副边 转 绕组之间的电磁耦合程度能随着转子转角改变而改变的变压器 6 3 1空载运行时的情况 转子输出绕组和定子交轴绕组开路 仅将定子绕组D1 D2加交流励磁电压 那么气隙中将产生一个脉振磁密 其轴线在定子励磁绕组的轴线上 据自整角机的电磁理论 磁密将在副边即转子的两个输出绕组中感应出变压器电势 空载 副边感应的两相电势在时间上同相位 而有效值与对应绕组的位置有关 感应电势 Z1Z2绕组 Z3Z4绕组 D1D2绕组 副边绕组感应电动势的最大值为 WR表示输出绕组的有效匝数 WD表示励磁绕组的有效匝数 变比 Z1Z2绕组 Z3Z4绕组 与变压器类似 若忽略定子励磁绕组的电阻和漏电抗 则ED Us1 Z1Z2绕组 Z3Z4绕组 如果输入电源电压不变 则两输出电压分别与转角 有着严格的正 余弦关系 输出电压 Z1Z2绕组 Z3Z4绕组 6 3 2负载后输出特性的畸变 负载后 输出特性的畸变 畸变原因分析 直轴分量 负载后 由于副方引入电流 原方必将增加一个电流的负载分量I1L 一般变压器 负载不变则感应电势不变 对输出畸变影响很小 相当于变压器建立的处于饱和状态的主磁通 交轴磁通 q必定和BZq成正比 交轴分量Bzq 设匝链Z3 Z4输出绕组的磁通为 q34 q34在Z3 Z4的感应电势为 旋转变压器Z3 Z4绕组接上负载后 除了电压UR2 kuUs1sin 以外 还附加了正比于BZcos2 的电势Eq34 这个电势的出现破坏了输出电压随转角作正弦函数变化的规律 即造成输出特性的畸变 而且在一定转角下 Eq34正比于BZ 而BZ又正比于Z3 Z4绕组中的电流IR2 即IR2愈大 Eq34也愈大 输出特性曲线畸变也愈严重 畸变原因 Eq34 4 44fWZ q34 BZcos2 为了消除输出特性畸变 必须给予补偿 即消除Eq34的影响 自整角机分析时 定子绕组只产生与转角 无关的直轴磁场 并不产生交轴磁场 根本原因是由于定子绕组及其所连接的负载是对称的 三相对称 同理 若旋转变压器两转子绕组接上相等的阻抗Z ZL 使副边电路成为对称 两相对称 后 能使得FR1q FR2q 就能消除交轴磁通 q34的作用 从而消除输出畸变 6 3 3副边补偿的正余弦旋转变压器 副边对称的正余弦旋转变压器 其励磁绕组D1 D2加交流励磁电压 D3 D4绕组开路 转子Z1 Z2输出绕组接阻抗Z 应使阻抗Z 等于负载阻抗ZL 方能使 q12 q34 即FR1q FR2q 以便得到全面补偿 6 3 3副边补偿的正余弦旋转变压器 实质 设K为常数 通过Z1 Z2绕组的电流为 产生的磁势为 通过Z3 Z4绕组的电流为 产生磁势为 则 证明 交轴磁势 电路关系 tobecontinued 如果要求全补偿即FR1q FR2q时 则只有Z ZL 以上两式的正负号也恰恰说明了不论转角 是多少 只要保持Z ZL 就可以使要补偿的交轴磁势FR2q 对应于 q34 和另一绕组产生的磁势FR1q大小相同 方向相反 从而消除了输出特性曲线的畸变 证明 续 定子交轴绕组对交轴磁通 q34来说是具有阻尼作用的一个绕组 根据楞次定律 旋转变压器在工作时交轴磁通 q34在绕组D3 D4中要感生电流 该电流所产生的磁通对交轴磁通 q34有着强烈的去磁作用 从而达到了补偿的目的 同证明副边补偿的方法类似 可以证明 当定子交轴绕组外接阻抗Z等于励磁电源内阻抗Zn 即Z Zn时 由转子电流所引起的输出特性畸变可以得到完全的补偿 因为一般电源内阻抗Zn值很小 所以实际应用中经常把交轴绕组直接短路 同样可以达到完全补偿的目的 原理 6 3 4原边补偿的正余弦旋转变压器 用原边补偿的方法也可以消除交轴磁通的影响 定子D1 D2励磁绕组接通交流电压 定子交轴绕组D3 D4端接阻抗Z 转子Z3 Z4正弦绕组接负载ZL 并在其中输出正弦规律的信号电压 Z1 Z2绕组开路 6 3 4原边补偿的正余弦旋转变压器 接线方式 原边和副边都补偿时的正余弦旋转变压器如图6 7所示 此时其四个绕组全部用上 转子两个绕组接有外接阻抗ZL和Z 允许ZL有所改变 和单独副边或单独原边补偿的两种方法比较 采用原 副边都补偿的方法 对消除输出特性畸变的效果更好 这是因为 单独副边补偿时补偿所用阻抗Z 的数值和旋转变压器所带的负载阻抗ZL的值必须相等 对于变动的负载阻抗来说 这样不能实现完全补偿 而单独原边补偿时 交轴绕组短路 此时负载阻抗改变将不影响补偿程度 即与负载阻抗值的改变无关 所以原边补偿显得容易实现 但是同时采用原 副边补偿 对于减小误差 提高系统性能将是更有利的 6 3 5原 副边都补偿的正余弦旋转变压器 思考题与习题 1 消除旋转变压器输出特性曲线畸变的方法是什么 2 正余弦旋转变压器副方全补偿的条件是什么 原方全补偿的条件又是什么 3 旋转变压器副方全补偿时只产生与转角如何 有关 无关 的直轴磁场 而能否 不 可以 产生交轴磁场 其原因是什么 4 采用原方全补偿时 旋转变压器在工作时交轴磁通在某绕组中感生电流 该电