旋转变压器原理种类及选用PPT课件

1、-1- 旋转变压器是输出电压与转子转角成一定函数关系的特种电机，其一、二次侧绕组分别放在定、转子上，一次侧绕组与二次侧绕组之间的电磁耦合程度与转子的转角密切相关。从原理上看，旋转变压器相当于一台可以转动的变压器；从结构上看，旋转变压器相当于一台两相的绕线转子异步电动机。 第一章 旋转变压器第1页/共41页-2- 按照输出电压与转子转角间的函数关系，旋转变压器可以分为正余弦旋转变压器、线性旋转变压器、特种函数旋转变压器等。正余弦旋转变压器的输出电压与转子转角成正余弦函数关系，而线性旋转变压器的输出电压在一定转角范围内与转子转角成正比。 可见，旋转变压器是将角度信号转换成与其成某种函数关系的电压信

2、号，其主要用途就是进行三角函数计算、坐标变换和角度数据传输等。 第一章 旋转变压器第2页/共41页-3-第一节 正余弦旋转变压器一、基本结构第一章 旋转变压器励磁绕组补偿绕组余弦输出绕组正弦输出绕组第3页/共41页-4-二、工作原理1. 空载运行分析 （1-1）第一章 旋转变压器脉振磁场D励磁电压1U感应电动势 sincos2R22R1EEEEsincos1uR21uR1EkEEkE12uEEk （1-3） 变比第4页/共41页-5- 与普通变压器类似，可以忽略定子励磁绕组的漏阻抗压降，空载时转子输出绕组的感应电动势在数值上就等于输出电压，所以 （1-4）第一章 旋转变压器sincos1uR2

3、1uR1UkUUkU 上式表明，旋转变压器空载时其输出电压分别是转角的余弦函数和正弦函数，这样转子绕组R1-R2就称为余弦输出绕组，而绕组R3-R4称为正弦输出绕组。 第5页/共41页-6-2. 负载运行分析 当输出绕组接了负载以后，其输出电压便不再是转角的正、余弦函数。例如在图1-2中，正弦输出绕组R3-R4接有负载，其输出电压如图1-3所示，它偏离了期望的正弦值，这种现象称为输出特性的畸变。 畸变是必须消除的，下面首先分析畸变产生的原因，然后介绍消除畸变的措施。第一章 旋转变压器第6页/共41页-7-第一章 旋转变压器sinLdcosLq主要原因第7页/共41页-8- 为了消除畸变，就必须

4、设法消除交轴磁通的影响。消除的方法有两种，即一次侧补偿和二次侧补偿。 第一章 旋转变压器2Lqq2coscos2q2q2cosEq22sinEE破坏了输出电压随转角作正弦函数变化的关系。第8页/共41页-9- 3. 畸变补偿 (1) 一次侧补偿第一章 旋转变压器第9页/共41页-10- (2) 二次侧补偿第一章 旋转变压器第10页/共41页-11- 第二节 线性旋转变压器 线性旋转变压器的输出电压与转角成正比。当转角很小时， 第一章 旋转变压器sin1u1uR2sinUkUkU（1-5）当转角较大时，这种线性函数关系便不再适用。 事实上，对正余弦旋转变压器的连线进行适当改接，可以得到较大转角范

5、围内输出电压与转角呈正比关系的线性旋转变压器。 第11页/共41页-12-（1-10）第一章 旋转变压器cos1u11EkEUsin1uR2EkU1uuR2cos1sinUkkU第12页/共41页-13- 根据上式，当电源电压一定时，旋转变压器的输出电压随转角的变化曲线如图1-7所示。 第一章 旋转变压器57. 056. 0uk第13页/共41页-14-第三节 特种函数旋转变压器* 特种函数旋转变压器是一种新型的旋转变压器，它可以实现与转角成正割函数、弹道函数、对数函数等特殊函数的电压输出，在装置中可以替代体积庞大、结构复杂、制造困难的凸轮和劈锥等机构，也是自动控制系统中使用较为广泛的精密元件

6、。 第一章 旋转变压器第14页/共41页-15- 特殊函数旋转变压器的结构与正余弦旋转变压器基本相同，它采用一系列含有各次谐波的绕组，使谐波磁场产生的合成电动势在任意转角位置时逼近给定函数，从而实现输出电压与转角之间成任意函数的关系。 对于含有各次谐波的同心式不等匝绕组，根据叠加原理和谐波分析的方法，在正弦分布绕组的基础上得到下列输出电压的表达式 第一章 旋转变压器), 5 , 3 , 1(sin)(kkEUkk（1-11）12w21) 1(EkKEkkk第15页/共41页-16- 输出电压的表达式是一个项数有限的只含奇次谐波的正弦级数，只要适当地选取各项系数（即各次谐波绕组系数），就可以在范

7、围内逼近任一给定函数。 输出电压的相对值取为 第一章 旋转变压器（1-13）), 5 , 3 , 1(sin)()()(m*kkeFUUkk)(mFEekk给定函数最大值第16页/共41页-17-第一章 旋转变压器 输出电压与给定函数的相对误差为 kkkefFUFsin)()()()()(m（1-14）)()()(mFFf第17页/共41页-18-第一章 旋转变压器 选取n个转角值，记下对应的给定函数值，由式（1-14）可以得到下面n个方程 （1-15）)sin5sin3sinsin()()()sin5sin3sinsin()()()sin5sin3sinsin()()()sin5sin3si

8、nsin()()(531531225232122115131111nnnnnnjjjjjjeeeefeeeefeeeefeeeef第18页/共41页-19-第一章 旋转变压器 应用最小二乘法，令相对误差的平方和 最小，即令偏导数 ，由此得到方程组 （1-16）njjjnjjjnjjjnjjjnjjjnjjjnjjjnjjjnjjjnjjjnjjjnjjjnjjjnjjjnjjjnjjjeeefkekekekfeeefeeef113111113111113111113111sinsinsin3sinsinsinsin)(sinsinsin3sinsinsinsin)(3sinsin3sin3si

9、n3sinsin3sin)(sinsinsin3sinsinsinsin)(njjj12)()(0)(kje第19页/共41页-20-第一章 旋转变压器 求解上述代数方程组，得到 。根据式（1-12），可以计算出所需各次谐波的绕组系数 （1-17）eeee531,), 5 , 3 , 1() 1(1221wkeekKkkk进而根据基波绕组的设计完成各次谐波绕组的设计。 第20页/共41页-21-第一章 旋转变压器 最后说明函数逼近时如何选取谐波项数的问题。上面是利用最小二乘法进行函数逼近的，为使式（1-16）有解，欲求解的未知量 的个数 显然应小于给定函数所取的点数n，即要求 。另外，所能选取

10、的谐波项数受到槽数限制，不可过多，否则齿谐波的影响不可忽略。因此，项数不能随意选取，值越大，函数逼近的计算精度就越高，但计算也越复杂，齿谐波的影响也越严重。实际设计时应合理选择值，并通过与实验样机的对比进行必要的修正。 eeee531,21n21第21页/共41页-22-第四节 旋转变压器的选用一、旋转变压器的主要技术数据 (1) 额定电压。 指励磁绕组应加的电压，有12、16、26、36、60、90、110、115、220V等几种。 (2) 额定频率。 指励磁电压的频率，有50Hz和400Hz两种。选择时应根据自己的需要，一般工频50Hz的使用起来比较方便，但性能会差一些，而400Hz的性能

11、较好，但成本较高，故应选择性价比比较适中的产品。第一章 旋转变压器第22页/共41页-23- (3) 变比。指在规定的励磁一方的励磁绕组上加上额定频率的额定电压时，与励磁绕组轴线一致的处于零位的非励磁一方绕组的开路输出电压与励磁电压的比值，有0.15、0.56、0.65、0.78、1.0和2.0等几种。 (4) 输出相位移。 指输出电压与输入电压的相位差。该值越小越好，一般约在3l2电角度左右。 (5) 开路输入阻抗（空载输入阻抗）。 输出绕组开路时，从励磁绕组看进去的等效阻抗值。标准开路输入阻抗有200、400、600、1000、2000、3000、4000、6000和10000等几种。第一

12、章 旋转变压器第23页/共41页-24-二、旋转变压器的误差和精度1. 旋转变压器的误差种类 (1) 函数误差。 函数误差是评价正余弦旋转变压器性能的主要指标， 它是指旋转变压器励磁绕组加上额定电压，补偿绕组短路时， 在不同的转子转角下，两个输出绕组实际输出特性和理想输出特性间的最大差值与理论上输出电压的最大值的百分比，其误差范围一般为0.02% 0.1% 。函数误差直接影响作为解算元件的解算精度。第一章 旋转变压器第24页/共41页-25- (2) 零位误差。 零位误差也是评价正余弦旋转变压器性能的主要指标，它是指旋转变压器励磁绕组加上额定电压，补偿绕组短路时，两个输出绕组的实际电气零位与理

13、论电气零位之差。以角分表示，误差范围一般为210。零位误差直接影响计算和数据传输系统的精度。第一章 旋转变压器第25页/共41页-26- (3) 线性误差。 线性误差是评价线性旋转变压器性能的主要指标， 它是指旋转变压器在一定的转角范围(一般为60)， 在采用线性旋转变压器方式接线时， 转子的实际转角与理想特性上所对应转角的最大差值。 (4) 电气误差。 电气误差是评价数据传输用旋转变压器性能的主要指标， 它是指转子的实际转角与对应的理论转角之差，以累积误差的形式表示。第一章 旋转变压器第26页/共41页-27-2. 旋转变压器的精度等级 旋转变压器的精度等级表示其所允许的误差值。 第一章 旋

14、转变压器第27页/共41页-28-三、旋转变压器的使用原则 (1) 旋转变压器应尽可能在接近空载的状态下工作。因此，负载阻抗应远大于旋转变压器的输出阻抗。两者的比值越大，输出电压的畸变就越小。 (2) 使用时首先要准确地调准零位，否则会增加误差，降低精度。 (3) 励磁一方只用一相绕组时，另一相绕组应该短路或接一个与励磁电源内阻相等的阻抗。 (4) 励磁一方两相绕组同时励磁时，即只能采用二次侧补偿方式时，两相输出绕组的负载阻抗应尽可能相等。第一章 旋转变压器第28页/共41页-29-四、旋转变压器的应用实例1. 解算元件第一章 旋转变压器sin122RUUU12arcsinUU02R2UUU第

15、29页/共41页-30-2. 感应移相器 感应移相器是在旋转变压器的基础上演变而来的一种自控元件，其输出电压的幅值恒定，而相位角与转子转角成线性关系，常用于测角、测距及随动系统中。第一章 旋转变压器第30页/共41页-31- 忽略绕组的漏阻抗压降，根据式（1-1），可得转子正余弦输出绕组的电压平衡方程 第一章 旋转变压器CIEURIEUj1sincosR222R122（1-20）CREIj1)sin(cos2R1（1-21）R2R1II第31页/共41页-32-选择移相回路参数， 第一章 旋转变压器（1-22）（1-23）j11)sin(cos2R1REICR1)45( j22o2eEU式（1

16、-20） 当忽略绕组漏阻抗压降时， ， 因此上式表明，在满足一定的参数配合关系时，输出电压 的幅值保持不变，而相位角是转角 的线性函数。 1u2UkE2U第32页/共41页-33- 当感应移相器外接负载时，为保持上述相位角的线性关系，感应移相器本身和外接电路的参数必须满足 第一章 旋转变压器（1-24）r2r2r2r21XCRRXR感应移相器本身输出阻抗的电阻分量 感应移相器本身输出阻抗的电抗分量 第33页/共41页-34- 事实上，要满足 的关系是比较困难的， 尤其在高频移相器中 。为保证移相器的精度， 可以在转子正弦输出绕组R3-R4支路中再串接一个补偿电阻Rc，如图1-10所示，并且满足

17、 第一章 旋转变压器r2r2XRr2r2XR2rCr2XRR第34页/共41页-35-感应移相器可应用于同步随动系统中，如图1-11所示。第一章 旋转变压器第35页/共41页-36-3. 位置传感器 在伺服系统中，往往需要实时地检测电动机转子的位置，包括转子的绝对位置和增量式位置，同时还需检测出电动机的转速，以实现对电动机转矩、转速及驱动机构的高精度控制。第一章 旋转变压器第36页/共41页-37-本章小结 旋转变压器是一种输出电压与转子转角成一定函数关系的特种变压器，其一、二次侧绕组分别装在两相绕线转子异步电动机的定、转子上。本章主要介绍正余弦旋转变压器、线性旋转变压器和特种函数旋转变压器的基本结构和工作原理，并给出相应的输出特性。第一章 旋转变压器第37页/共41页-38- 对于正余弦旋转变压器，由于在负载时出现的交轴磁动势，破坏了输出电压随转角作正余弦函数变化的规律，因此必须进行相应的补偿。通过一、二次侧补偿，可以大大削弱或消除输出电压的畸变。 线性旋转变压器是正余弦旋转变压器的一种特殊接法，对正余弦旋转变压器的连线进行适当改接，可以得到较大转角范围内输出电压与转角呈正比关系的输出特性。第一章 旋转变压器第38页/共41页-39- 特种函数旋转变压器也是在正余弦变压器旋转变压器的基础上发展起来的，可以实现与转角成正割函数、弹道函数、对数函数等特殊函数的电压输出。它采用