《旋转变压器》ppt课件

1、旋转变压器旋转变压器 旋转变压器旋转变压器 6.1 旋转变压器的类型和用途旋转变压器的类型和用途 6.2 旋转变压器的构造特点旋转变压器的构造特点 6.3 正余弦旋转变压器的任务原理正余弦旋转变压器的任务原理 6.4 线性旋转变压器线性旋转变压器 6.5 旋转变压器的典型运用旋转变压器的典型运用 6.6 多极和双通道旋转变压器多极和双通道旋转变压器 6.7 感应移相器感应移相器 6.8 感应同步器感应同步器 思索题与习题思索题与习题 旋转变压器旋转变压器 6.1 旋转变压器的类型和用途旋转变压器的类型和用途 旋转变压器可以单机运转, 也可以像自整角机那样成对或三机组合运用。 旋转变压器的输出电

2、压与转子转角呈一定的函数关系, 它又是一种精细测位用的机电元件, 在伺服系统、 数据传输系统和随动系统中也得到了广泛的运用。 旋转变压器旋转变压器 从电机原理来看, 旋转变压器又是一种能旋转的变压器。 这种变压器的原、 副边绕组分别装在定、 转子上。 原、 副边绕组之间的电磁耦合程度由转子的转角决议, 意味着：转子绕组的输出电压大小及相位必然与转子的转角有关。 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)。其中, 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; 线性旋转变

3、压器的输出电压与转子转角在一定转角范围内成正比; 比例式旋转变压器在构造上添加了一个锁定转子位置的安装。 旋转变压器旋转变压器 这些旋转变压器的用途主要是用来进展坐标变换、 三角函数计算和数据传输、 将旋转角度转换成信号电压, 等等。 根据数据传输在系统中的详细用途, 旋转变压器又可分为旋变发送机(代号为XF)、 旋变差动发送机(代号为XC)和旋变变压器(代号为XB)。 其实, 这里数据传输的旋转变压器在系统中的作用与相应的自整角机的作用是一样的。 旋转变压器旋转变压器 假设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。 采用多极对是为了提高系统的精度。 假设按有无电刷与滑环

4、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。 本章将以单极对、 接触式旋转变压器为研讨对象阐明旋转变压器的任务原理、 典型构造和误差补偿等。旋转变压器旋转变压器 6.2 旋转变压器的构造特点旋转变压器的构造特点 旋转变压器的典型构造与普通绕线式异步电动机类似。 它由定子和转子两大部分组成, 每一大部分又有本人的电磁部分和机械部分, 如图 6 - 1所示, 下面以正余弦旋转变压器的典型构造分析之。 旋转变压器旋转变压器 图 6 1 旋转变压器构造表示图旋转变压器旋转变压器 图 6 - 2 正余弦旋转变压器原理表示图 旋转变压器旋转变压器 定子的电磁部分依然由可导电的绕组和能导磁

5、的铁心组成。 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)。 两个绕组构造上完全一样, 它们都布置在定子槽中, 而且两绕组的轴线在空间互成90, 如图 6 - 2 所示。 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。 旋转变压器旋转变压器 6.3 正余弦旋转变压器的任务原理正余弦旋转变压器的任务原理 原理：定子通入电流、电流产生磁场磁场匝链定子中的绕组产生感应电势ED磁场匝链转子中的绕组产

6、生感应电势ER两电压之比等于定子绕组和转子绕组的匝数之比。旋转变压器旋转变压器 6.3.1 空载运转时的情况空载运转时的情况 如图如图 6 - 2 中中, 设该旋转变压器空载设该旋转变压器空载, 即转子输出绕即转子输出绕组和定子交轴绕组开路组和定子交轴绕组开路, 仅将定子绕组仅将定子绕组D1-D2加交流励加交流励磁电压磁电压 。 那么气隙中将产生一个脉振磁密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。其轴线在定子励磁绕组的轴线上。 据自整角机的电磁据自整角机的电磁实际实际, 磁密磁密 将在副边即转子的两个输出绕组中感应将在副边即转子的两个输出绕组中感应出变压器电势。出变压器

7、电势。 1fUDBDB 旋转变压器旋转变压器 只是自整角机的副边为发送机定子三相绕组, 而这里的旋转变压器的副边为转子两相绕组。 这些变压器电势在时间上同相位, 而有效值与对应绕组的位置有关。 设图中余弦输出绕组Z1-Z2轴线与脉振磁密 轴线的夹角为, 仿照自整角机中所得出的结论公式(式 5 - 4), 可以写出这里的励磁磁通 在正、 余弦输出绕组中分别感应的电势。 ER1=ERcos 在Z1-Z2中 ER2=ER cos(+90)=-ERsin 在Z3-Z4中 DBD(6 - 1)旋转变压器旋转变压器 式中, ER为转子输出绕组轴线与定子励磁绕组轴线重合时, 磁通D在输出绕组中感应的电势。

8、假设假设D在励磁绕组D1-D2中感应的电势为ED, 那么旋转变压器的变比为 式中, WR表示输出绕组的有效匝数; WD表示励磁绕组的有效匝数。 DRDRuWWEEk(6 - 2) ER1=ERcos 在Z1-Z2中 ER2=ER cos(+90)=-ERsin 在Z3-Z4中 旋转变压器旋转变压器 把式(6 - 2)代入式(6 - 1)得 ER1=kuED cos ER2=-kuED sin (6 - 3) 与变压器类似, 可忽略定子励磁绕组的电阻和漏电抗, 那么ED=Us1, 空载时转子输出绕组电势等于电压, 于是式(6 - 3)可写成 UR1=kuUs1cos UR2=-kuUs1sin

9、(6 - 4) 旋转变压器旋转变压器 6.3.2 负载后输出特性的畸变负载后输出特性的畸变 旋转变压器在运转时总要接上一定的负载旋转变压器在运转时总要接上一定的负载, 如图如图 6 - 3中中Z3、 Z4输出绕组接入负载阻抗输出绕组接入负载阻抗ZL。 由实验得出由实验得出, 旋转变压器的输出电压随转角的变化已偏旋转变压器的输出电压随转角的变化已偏离正弦关系离正弦关系, 空载和负载时输出特性曲线的对比方图空载和负载时输出特性曲线的对比方图 6 - 4 所示。所示。 旋转变压器旋转变压器 图 6 - 3 正弦输出绕组接负载ZL 旋转变压器旋转变压器 引起畸变的主要缘由：交轴分量磁通密度引起畸变的主

10、要缘由：交轴分量磁通密度BZq的作用。的作用。Why？假设负载电流越大, 两曲线的差别也越大。这种输出特性偏离实际上的正余弦规律的景象被称为输出特性的畸变。 但是, 这种畸变必需加以消除, 以减少系统误差和提高准确度。 接入负载，绕组中产生电流接入负载，绕组中产生电流电流产生脉振磁场电流产生脉振磁场该磁场分解为两个方向该磁场分解为两个方向旋转变压器旋转变压器 第一个分量：直轴分量，作用相当于普通变压器的磁通。第一个分量：直轴分量，作用相当于普通变压器的磁通。 实际上：由磁势平衡原理，副方接入负载流过电流实际上：由磁势平衡原理，副方接入负载流过电流I时，时，原方电流也必然添加一个负载分量，以坚持

11、主磁通根本不变。原方电流也必然添加一个负载分量，以坚持主磁通根本不变。 实践中：实践中： 由于电流添加，漏阻抗压降也添加，从而主磁通由于电流添加，漏阻抗压降也添加，从而主磁通会略有减少。因此原、副边感应电势也会略有下降。会略有减少。因此原、副边感应电势也会略有下降。在旋转变压器中，该直轴分量的磁通也相当于此作用。在旋转变压器中，该直轴分量的磁通也相当于此作用。 不同的是，在普通变压器中，副方负载不变，原副边电势不变不同的是，在普通变压器中，副方负载不变，原副边电势不变 旋转变压器中，副方电流及其所产生的直轴磁通所感应的旋转变压器中，副方电流及其所产生的直轴磁通所感应的电势大小随转角的变化而变化

12、。但是就输出电压曲线畸变的电势大小随转角的变化而变化。但是就输出电压曲线畸变的问题而言，对其影响很小。该情况和普通变压器中主磁通和问题而言，对其影响很小。该情况和普通变压器中主磁通和感应电势的情况一样，只需原方电压不变，变压器从空载到感应电势的情况一样，只需原方电压不变，变压器从空载到负载的主磁通和感应电势根本不变。负载的主磁通和感应电势根本不变。旋转变压器旋转变压器 第二个分量：显然, 由于BZq=BZ cos, 故它所对应的交轴磁通q必定和BZ cos成正比: qBZ cos (6 - 5) 由图 6 - 3可以看出, q与Z3-Z4输出绕组轴线的夹角为, 设q匝链Z3-Z4输出绕组的磁通

13、为q34, 那么 q34=q cos旋转变压器旋转变压器 将式(6 - 5)代入上式, 那么 q34BZ cos 2 磁通q34在Z3-Z4绕组中感应电势仍属变压器电势, 其有效值为: Eq34=4.44fWZq34BZ cos 2 (6 - 6) 式中, WZ为转子上Z3-Z4输出绕组的有效匝数旋转变压器旋转变压器 由上式知, 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BZ cos 2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, 即呵斥输出特性的畸变。 而且在一定转角下, Eq34正比于BZ, 而BZ又正比于Z

14、3-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。 旋转变压器旋转变压器 6.3.3 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本质上就是副边对称的正余弦旋转变压器, 其电气接线图如图6 - 5所示。 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。 1sU 为消除该磁通的影响，采取相应的措施。消除特性畸变的方法也称为补偿。一种是：副边补偿；另一种是：原边补偿。旋转变压器旋转变压器 图 6 - 5 副

15、边补偿的正余弦旋转变压器 旋转变压器旋转变压器 证明 设K为常数, 经过Z1-Z2绕组的电流为 , 产生的磁势为 ; 经过Z3-Z4绕组的电流为 , 产生磁势为 , 那么 FR1=KIR1 FR2=KIR2 1RI1RF2RI2RF(6 - 7) 由图 6 - 5知, 交轴磁势为 FR1q=FR1sin=KIR1sin FR2q=FR2cos=KIR2cos (6 - 8) 旋转变压器旋转变压器 由图 6 - 5 的电路关系得cossin111122ZZUkZZUIZZUkZZUIsuRRLsuLRR(6 - 9) 将式(6 - 9)代入式(6 - 8)得以下两式: cossincossinc

16、ossin122111ZZUkKIKFZZUkKIKFLsuRqRsuRqR(6 - 11) (6 - 10)旋转变压器旋转变压器 比较以上两式, 假设要求全补偿即FR1q=FR2q 时, 那么只需Z=ZL。 以上两式的正负号也恰恰阐明了不论转角是多少, 只需坚持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 大小一样, 方向相反。 从而消除了输出特性曲线的畸变。 旋转变压器旋转变压器 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。 接线图如图 6 - 6所示, 此时定子D1-D2励磁绕组接通交流电压 , 定子交轴绕

17、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。 1sU旋转变压器旋转变压器 从图 6 - 6 可以看出, 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, 旋转变压器在任务时交轴磁通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有着剧烈的去磁作用, 从而到达了补偿的目的。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。 由于普通电源内阻抗Zn值很小, 所以实践运用中经

18、常把交轴绕组直接短路, 同样可以到达完全补偿的目的。 旋转变压器旋转变压器 6.3.5 原、 副边都补偿的正余弦旋转变压器 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有所改动。 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。这是由于, 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的值必需相等。 对于变动的负载阻抗来说, 这样不能实现完全补偿。 旋转变压器旋转变压器 而单独原边补偿时, 交轴绕组短路, 此时负载阻抗改动将不影响补偿程

19、度, 即与负载阻抗值的改动无关, 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。 旋转变压器旋转变压器 图 6 - 7 原、 副边同时补偿的正余弦旋转变压器 旋转变压器旋转变压器 6.4 线性旋转变压器线性旋转变压器 线性旋转变压器是由正余弦旋转变压器改动衔接线而得到的。 即将正余弦旋转变压器的定子D1-D2绕组和转子Z1-Z2绕组串联, 并作为励磁的原边。 如图6 -8所示, 定子交轴绕组D3-D4端短接作为原边补偿, 转子输出绕组Z3-Z4端接负载阻抗ZL, 假设将原边施加交流电压 后,转子Z3-Z4绕组所感应的电压UR2与转子转角有如

20、下关系: 1sU旋转变压器旋转变压器 图 6 - 8 原边补偿的线性旋转变压器 旋转变压器旋转变压器 式中, 当变压比ku取为0.560.59之间, 那么转子转角在60范围内, 输出电压UR2 随转角的变化将呈良好的线性关系。 如图 6 - 9 曲线所示。cos1sin12usuRkUkU (6 - 12) 旋转变压器旋转变压器 图 6 - 9 曲线 12cos1sinsuuRUkkU旋转变压器旋转变压器 输出电压UR2与转角成正比即UR2=K的旋转变压器被称为线性旋转变压器。 当转角很小时, sin, 所以当正余弦旋转变压器的转角很小时, 输出电压近似是转角的线性函数。 但是, 假设要求在更

21、大的角度范围内得到与转角成线性关系的输出电压, 直接运用原来的正余弦旋转变压器就一定不能满足要求。 因此, 将接线图改为图 6 - 8 的方式, 与此图对应的表达式(6 - 12)就成了线性旋转变压器的原理公式。 该式推导方法如下: 旋转变压器旋转变压器 在图 6 - 8 中, 由于采用了原边补偿(当然也可采用副边补偿), 其交轴绕组被短接, 即以为电源内阻抗Zn很小。 交轴绕组的作用抵消了绝大部分的交轴磁通, 可以近似以为该旋转变压器中只需直轴磁通D。 D在定子D1-D2绕组中感应电势ED,那么在转子Z3-Z4绕组中感应的电势为 ER2=-kuED sin 在转子Z1-Z2绕组中感应的电势为

22、: ER1=kuED cos旋转变压器旋转变压器 由于定子D1-D2绕组和转子Z1-Z2绕组串联, 所以假设忽略绕组的漏阻抗压降时, 那么有 Us1=ED+kuED cos 又由于转子输出绕组的电压有效值UR2在略去阻抗压降时就等于ER2, 即 UR2=-ER2=kuED sin 故以上两式的比值为cos1sin12uusRkkUU旋转变压器旋转变压器 上式和式(6 - 12)是一致的, 根据此式, 当电源电压Us1一定时, 旋转变压器的输出电压UR2随转角变化曲线与图 6 - 9 曲线一致。 从数学推导可知, 当转角=60 范围内, 而且变压比ku=0.56时, 输出电压和转角之间的线性关系

23、与理想直线相比较, 误差远远小于0.1%, 完全可以满足系统要求。 旋转变压器旋转变压器 6.5 旋转变压器的典型运用旋转变压器的典型运用 旋转变压器广泛运用于解算安装和高精度随动系统中及系统的安装电压调理和阻抗匹配等。在解算安装中主要用来求解矢量或进展坐标转换、 求反三角函数、 进展加减乘除及函数的运算等等; 在随动系统中进展角度数据的传输或丈量知输入角的角度和或角度差; 比例式旋转变压器那么是匹配自控系统中的阻抗和调理电压。 以下引见三种典型例子。 旋转变压器旋转变压器 6.5.1 用旋转变压器求反三角函数 当旋转变压器作为解算元件时, 其变比系数ku常设计为1。 它和有关元件配合可以进展

24、数学计算、 坐标变换等。 以下仅以求反三角函数为例来阐明。 即知E1和E2值, 如何求反余弦函数=arccos(E2/E1)的问题。 旋转变压器旋转变压器 图 6 - 10 求=arccos(E2/E1)的接线图 旋转变压器旋转变压器 接线图如图 6 - 10所示。 电压U1加在旋转变压器的转子绕组Z1 - Z2端,略去转子绕组阻抗压降那么电势E1=U1; 定子绕组D1 - D2端和电势E2串联后接至放大器, 经放大器放大后加在伺服电动机的电枢绕组中, 伺服电动机经过减速器与旋转变压器转轴之间机械耦合。 旋转变压器旋转变压器 Z1 - Z2 绕组和D1 - D2绕组设计制造的匝数一样, 即ku

25、=1, 所以Z1 - Z2绕组经过电流后所产生的励磁磁通在D1 - D2绕组中感应电势为E1cos。 放大器的输入端电势便为E1 cos-E2。 假设E1 cos=E2, 此时伺服电动机将停顿转动, 那么E2/E1=cos, 因此转子转角=arccos(E2/E1), 这正是我们所要求的结果。 可见利用这种方法可以求取反余弦函数。 旋转变压器旋转变压器 6.5.2 比例式旋转变压器 比例式旋转变压器的用途是用来匹配阻抗和调理电压的。 假设在旋转变压器的定子绕组D1-D2端施以励磁电压 , 转子绕组Z1-Z2从基准电压零位逆时针转过角, 那么转子绕组Z1 - Z2端的输出电压为 UR1=kuUf

26、1cos 此式与式(6 - 4)的第一式一样。 此时, 定子D3-D4绕组直接短路进展原边补偿, 转子Z3-Z4 绕组开路。 将上式改写成: 1fUcos11ufRkUU旋转变压器旋转变压器 上式中的转子转角在0360之间变化, 也就是cos在+1.0-1.0范围内变动。 因变比ku为常数, 故比值UR1/Uf1将在ku的范围内变化。 假设调理转子转角到某定值, 那么可得到独一的比值UR1/Uf1。 这就是比例式旋转变压器的任务原理, 在自控系统中, 假设前级安装的输出电压与后级安装需求的输入电压不匹配, 可以在其间放置一比例式旋转变压器。 将前级安装的输出电压加在该旋转变压器的输入端, 调整

27、比例式旋转变压器的转子转角到适当值, 即可得到输出后级安装所需求的输入信号电压。旋转变压器旋转变压器 6.5.3 由XF、 XC、 XB构成的角度数据传输系统 旋变发送机XF、 旋变差动发送机XC及旋变变压器XB的构造和本身的原理与正余弦旋转变压器完全一样。 由XF、 XC、 XB构成的角度数据传输系统(如图 6 - 11 所示)与由ZKF、 ZKC、 ZKB组成的自整角机角度数据传输系统具有一样的功用。 旋转变压器旋转变压器 由旋转变压器所构成的角度传输系统也能准确地传输旋变发送机转子转角1与旋变差动发送机转子转角2之差角1-2。 1和2的正方向应按照逆时针方向取正, 顺时针方向取负的原那么

28、来取。 旋转变压器旋转变压器 图 6 - 11 XF-XC-XB组成的角度数据传输系统 旋转变压器旋转变压器 当旋变变压器XB的输出绕组接一相或两相不对称负载时, 负载电流产生电枢反响, 使气隙中的正弦磁场发生畸变, 会导致旋转变压器输出电压与转子转角成正余弦函数的关系产生偏向, 呵斥解算精度和数据传输精度下降。 为了提高精度消除偏向, 依然采用原、 副边补偿的方法, 效果将更好。 旋转变压器旋转变压器 6.6 多极和双通道旋转变压器多极和双通道旋转变压器 为了提高系统对检测的精度要求, 采用了由两极和多极旋转变压器组成的双通道伺服系统。 这样可以使精度从角分级提高到角秒级。 双通道中粗测道由

29、一对两极的旋转变压器组成, 精测道由一对多极的旋转变压器组成。 旋转变压器旋转变压器 6.6.1 采用多极旋转变压器提高系统精度的原理 对于多极旋转变压器来说, 其任务原理和两极旋转变压器一样, 不同的只是定、 转子绕组所经过的电流会建立多极的气隙磁场。 因此使旋转变压器输出电压值随转角变化的周期不同。 图 6 - 12中图(a)表示两极旋转变压器的磁场分布展开图, 图(b)表示多极旋转变压器的磁场分布展开图。 图中设线圈的跨距等于一个极距。 旋转变压器旋转变压器 当定子励磁相加电压时, 沿定子内圆建立p对极的磁场, 每对极所对应的圆心角为360/p。 不难想象, 转子每转过360/p, 转子

30、就转过一对极的间隔, 输出绕组电势变化一个周期, 变化情况与两极旋转变压器转子转过一转360的变化情况一样。 旋转变压器旋转变压器 图 6 - 12 旋转变压器的展开图(a) 两极旋转变压器; (b) 多极旋转变压器 旋转变压器旋转变压器 与自整角机的情况一样, 当一对旋转变压器作差角丈量时, 其输出电压的大小是差角的正弦函数。 两极和多极旋转变压器的不同之处是, 两极时输出电压有效值大小随差角作正弦变化的周期是360, 多极时周期为360/p。 亦即差角变化360时, 多极的旋转变压器的输出电压就变化了p个周期, 如图 6 - 13 所示。 假设用表示差角, 用U2(l)、 U2(p)分别表

31、示两极和多极旋转变压器输出电压的有效值, 那么 U2(l)=Um(l)sin (6 - 14) U2(p)=Um(p)sinp (6 - 15) 旋转变压器旋转变压器 1两极旋转变压器; 2多极旋转变压器图 6 - 13 一对旋转变压器作差角丈量时的输出电压波形 旋转变压器旋转变压器 式中, Um(l)、 Um(p)分别为两极、 多极旋转变压器的最大输出电压有效值。 留意到多极旋转变压器每对极在定子内圆上所占的角度360/p指的是实践的空间几何角度, 这个角度被称为机械角度。 在四极及以上极数的电机中经常把一对极所占的360定义为电角度, 这是由于绕组中感应电势变化一个周期为360。 对于两极

32、电机, 其定子内圆所占电角度和机械角度相等均为360; 而p对极电机, 其定子内圆全部电角度为360p, 但机械角度却仍为360。 所以二者存在以下关系: 电角度=机械角度极对数 (6 - 16) 旋转变压器旋转变压器 这样以来, 式(6 - 14)和式(6 - 15)中正弦函数所对应的角度实践上是用电角度表示的, 这个电角度当然和电压(或电势、 电流)的时间相位角是对应相等的。 式(6 - 14)中为两极时的电角度, 式(6 - 15)中p为p对极时的电角度。 经比较可知， 多极旋转变压器把两极时的角度放大了p倍。 这就是采用多极旋转变压器组成的丈量角度系统可以大幅度提高精度的缘由。 旋转变

33、压器旋转变压器 提高精度的缘由可以用图6 - 14的例子再加解释。 图中曲线1表示作角度丈量时两极旋转变压器的输出电压有效值波形, 曲线2表示此时多极旋转变压器的输出电压有效值波形。 设在0角时, 两极旋转变压器的输出电压U0经放大后尚不能驱动交流伺服电动机。 但假设改用多极旋转变压器, 在同样的0时,由于电角度比两极时放大到p倍, 图中仍为0处, 所以输出电压U2(p)=Um(p)sinp0 的值比较高, 即图中的A点。该点电压放大后可以使交流伺服电动机转动, 直到U2(p)=U0时才停转到图中B点。 旋转变压器旋转变压器 图 6 - 14 两极旋转变压器与多极 旋转变压器的误差比较 旋转变

34、压器旋转变压器 此时系统的误差由0减少到0。 由图可知, 0较0小得多, 故使系统的精度大大提高。 普通情况下, 多极旋转变压器的极数越多, 系统的精度就越高。 假设仅运用一对多极旋转变压器组成的测角系统, 如图 6 - 13中在机械角度等于360/p, 2(360/p), 3(360/p), 这些位置上时, 其输出电压都为0。 那么系统就会在这些“假零位上协调, 以致呵斥莫大错误。 为了防止发生这种情况, 故开展了双通道同步随动系统。 其原理图如图 6 - 15所示。 旋转变压器旋转变压器 图 6 - 15 电气变速双通道同步随动系统 旋转变压器旋转变压器 图中1XF、 1XB分别表示两极的

35、旋变发送机和两极旋变变压器, 它们组成了粗测通道。 nXF、 nXB分别表示多极旋变发送机和多极旋变变压器, 它们组成精测通道。 两个通道的旋变发送机和旋变变压器的轴分别直接耦合, 如图中点划线所示。 精测和精测旋变变压器的输出都接到选择电路(或叫电子开关, 见本节附注)SW。其作用如下: 当发送轴和接纳轴处于大失调角时, SW只将精测通道的电压输出, 使系统任务在粗测信号下; 而当发送轴和接纳轴处于小失调角时, SW只将精测通道的电压输出, 使系统的精测通道断开。 因此, 这种双通道系统既充分利用了采用多极旋转变压器时的优点, 又防止了假零位协调的缺陷。 旋转变压器旋转变压器 假设将角位移时

36、的转速用电角度来表示， 那么多极旋转变压器在系统中可将电气转速提高到p倍, 因此这种系统又称之为电气变速式双通道同步随动系统。 这时的极对数p也以为是电气速比。 这种同步随动系统具有很高的精度, 普通可以到达系统精度小于1。 其精度高的缘由: 一方面是依托添加电气速比p来减少系统误差; 另一方面也是由于多极旋变电机本身较两极旋变的精度提高很多。 旋转变压器旋转变压器 由于当极对数添加时, 每对极沿定子内圆所占的弧长就减短, 那么在某一对极下, 由于气隙不均匀等要素所引起的磁通密度非正弦分布的程度就小得多。 假设各对极极面下的平均气隙仍不相等, 那么可经过各对应极对下的绕组之间进展串联以到达平均

37、补偿, 这样便使得多极旋变较两极旋变的精度大大提高。 例如, 普通两极旋变的精度只能做到几个或几十个角分, 而多极旋变那么可到达几十个角秒甚至到达37。 旋转变压器旋转变压器 6.6.2 多极旋转变压器的构造 用于电气变速的同步随动系统中的双通道旋转变压器, 是由两极旋转变压器(粗机)和多极旋转变压器(精机)组合成一体的旋转变压器。 从磁路组合情况可将它分为组装式和分装式两大类, 如图 6 - 16的图(c)和(d)所示。 组装式的定、 转子装在同一机壳内, 经过轴伸、 啮合齿轮和主轴联接, 并经过电刷和滑环引入或输出电信号; 分装式的转子普通为大内孔, 可直接套在被测安装的主轴上, 省略了传

38、动齿轮, 有利于提高整体的精度, 分装式构造通常不带电刷和滑环, 而且便于与总机配套。 旋转变压器旋转变压器 从机械组合情况看, 又可将双通道旋转变压器分为平行式和重叠式两类, 如图 6 - 16的图(a)和(b)所示。 机械组合式的构造, 其精机和粗机在电磁方面互不干扰, 容易保证精机的精度, 而且使粗精机零位可调。 但是磁路组合式构造简单, 工艺性好, 体积小, 是机械组合式所不及的。 旋转变压器旋转变压器 图 6 - 16 多极旋转变压器的根本构造方式 (a) 机械组合(平行式); (b) 机械组合(重叠式); (c) 磁路组合(组装式); (d) 磁路组合(分装式) 旋转变压器旋转变压

39、器 多极旋转变压器除了上述粗精机组合在一同的组合构造外, 也有单独精机构造的多极旋转变压器, 其构造方式也可分为组装式和分装式两种。 它和磁路组合式的构造根本上是一样的,只不过其定、 转子绕组均为多极绕组, 并非两极绕组。 多极旋转变压器除了用于角度传输系统中之外, 还可以用于解算安装和模数转换安装中。 多极双通道旋转变压器的常用极对数有: 5、 15、 30、 36、 60、 72, 或2、 4、 8、 16、 32、 64、 128等。 其常用机座号有: 45、 70、 110、 160、 200、 250、 320、 400等几种。 旋转变压器旋转变压器 6.6.3 阐明 (1) 按照前

40、述旋转变压器提高精度的原理, 自整角机也和旋转变压器一样, 可以制成多极的构造, 以大幅度地提高系统和自整角机本身的精度。 多极自整角机也广泛运用于双通道甚至三通道的同步系统中。 其实际和多极旋变类似, 这里不再赘述了。 旋转变压器旋转变压器 1精测通道输出绕组; 2粗测通道输出绕组 图 6 - 17 无触点电子切换开关 旋转变压器旋转变压器 (2) 关于图 6 - 15中的选择电路SW问题, 它本质上是一种电子开关。 目前常用的一种电子开关如图 6 - 17所示。 它又叫无触点电子切换开关。 这种开关的任务原理是利用了半导体元件非线性的伏安特性。 在精测通道电路中, 电阻R2远大于R1。 当

41、失调角较大, 输出电压较大时, 整流器B1、 B2的电阻很小, 就相当于将精测通道的输出电压短路, 旋转变压器旋转变压器 而粗测通道的输出电压那么大部分降落在电阻R3上, 因此, 这时在输出端上只需粗测通道的输出电压起作用; 当失调角很小时, 输出电压不大, 整流器B1的电阻变得很大, 那么精测通道的大部分电压降落在电阻R2上, 而粗测通道的输出电压降落在整流器B2上。 此时, 在电子切换开关的输出端上, 实践上只需精测通道的输出电压在起作用。 旋转变压器旋转变压器 (3) 磁路组合式多极旋转变压器主要技术数据举例。 例 1 多极旋变发送机: 型号为110XFS1/30a; 极对数为1/30对

42、极(粗机/精机); 励磁方在转子上; 额定电压36 V; 频率为400 Hz; 开路输入阻抗2000/150 ()(粗机/精机); 开路输入功率0.5/6.5(W)(粗机/精机); 最大输出电压为12 V; 粗精机零位偏向030。 例 2 多极旋变变压器: 型号为110XBS1/30a; 极对数为1/30对极(粗机/精机); 励磁方在定子上; 额定电压为12 V; 频率为400 Hz; 开路输入阻抗为3000/200(); 开路输入功率为0.03/1(W); 最大输出电压为6 V; 粗精机零位偏向为330。 旋转变压器旋转变压器 6.7 感感 应应 移移 相相 器器 感应移相器是在旋转变压器根

43、底上演化而成的一种自控元件。 它作为移相元件常用于测角或测距及随动系统中。 其主要特点是输出电压的相位与转子转角成线性关系, 而且其输出电压的幅值能坚持恒定。 旋转变压器旋转变压器 感应移相器的根本构造与旋转变压器一样, 假设将旋转变压器的输出绕组接上移相电路, 如图6 - 18所示, 当其中电阻R和电容C以及旋转变压器本身的参数满足一定的条件时, 那么旋转变压器就转变成感应移相器了。 当定子边加上单相励磁电压 时, 感应移相器的输出电压 将是一个幅值不变、 相位与转子转角成线性关系的交流电压。 1fURU旋转变压器旋转变压器 图 6 - 18 感应移相器任务原理图 旋转变压器旋转变压器 6.

44、7.1 空载时的输出电压 先经过推导感应移相器空载时的输出电势来加以阐明。 为简便起见, 忽略绕组的漏阻抗压降。 按照分析变压器时的规定正方向, 根据基尔霍夫第二定律列出该正方向下(如图 6 - 18 所示)的转子边正、 余弦绕组的电势平衡方程式：CjIEURIEURRRRRR1)(sincos(6 - 17)(6 - 18) 旋转变压器旋转变压器 由于以上两式的右边均等于 , 故可将它们相等, 从中解得RUCjREEIRRR1sincos旋转变压器旋转变压器 假设使移相回路的参数能满足如下条件: jREIXRCRRRC11)sin(cos1(6 - 19) 旋转变压器旋转变压器 将式(6 -

45、 19)代入式(6 - 17)得 )45(21)(sin(cos1)cos(sin11)sin(coscosjRRRRRReEjjjEjjERjREEU 从式(6 - 20)看出, 输出电压UR可满足幅值不变的要求, 而相位与转子转角成线性关系。 (6 - 20)旋转变压器旋转变压器 6.7.2 负载时感应移相器的输出电压 为了使感应移相器在负载后仍能坚持上述关系, 感应移相器本身的参数和外接电路必需满足以下两个条件: RRRRRCRRXR22221 (6 - 21)旋转变压器旋转变压器 式中, R2R为感应移相器本身输出阻抗中的电阻分量; X2R为感应移相器本身输出阻抗中的电抗分量。 此时,

46、 输出电压公式也和式(6 - 20)相符合, 即)45(2jRReEU旋转变压器旋转变压器 要证明负载后式(6 - 20)成立是比较复杂的。 首先要列出原、 副边4个回路的电势平衡方程式, 在列写的过程中要留意思索它们之间的互感作用; 再求解方程组得出负载电流及负载电压公式, 并对电压公式进展变换; 最后再代入上述两个条件, 那么式(6 - 21)即可证得。 详细推导从略。 旋转变压器旋转变压器 在某些频率较高的感应移相器中, 其电容相回路往往还串有电阻RC(见图 6 - 19)。 由于感应移相器本身普通是X2RR2R的情况, 很难到达X2R=R2R。 为了使感应移相器输出电压坚持正常要求,

47、还须加上补偿电阻RC, 这里的RC值就满足下式: RC=X2R-R2R 旋转变压器旋转变压器 图 6 - 19 感应移相器加补偿电阻RC的原理图 旋转变压器旋转变压器 6.7.3 感应移相器的运用举例 1.感应移相器运用于随动系统中 由一对感应移相器组成的同步随动系统如图 6 - 20 所示。 当发送机和两转角处于失调位置时, 两机输出电压的相位不一致, 经过相位比较器得到相位差值。 相位比较器的输出电压经过放大器送到伺服电动机的控制绕组使之转动。 伺服电动机经过齿轮箱又带动接纳机转子转动, 直到接纳机的位置与发送机的位置一致为止。 此时, 发送机转子和接纳机转子协调, 两机输出电压相位一致,

48、 相位比较器输出电压在零值, 伺服电动机即停顿转动。 旋转变压器旋转变压器 图6 - 20 由一对感应移相器组成的同步随动系统 旋转变压器旋转变压器 2.感应移相器运用于测角安装中 在测角安装中可以将感应移相器作为角度相位转换器, 然后对相位进展丈量。 图6 - 21 是该转换器的电气原理表示图。 旋转变压器旋转变压器 图 6 - 21 感应移相器作为角度相位转换器 旋转变压器旋转变压器 图中感应移相器的作用是将机械转角变换成输入电压和输出电压的相位差, 输入电压和输出电压分别经过限幅放大并整形后送入检相安装。 检相安装输出一个宽度为t的脉冲, t正比于相位差, 再经过控制门使该脉冲在t时间内

49、被来自石英振荡器的高频脉冲所填满。 另外, 石英晶体振荡器的输出经分频器和触发器输出一个宽度为规范时间(例如 1 s)的脉冲, 去控制一个门, 这样送到计数器的信号, 就是一个规范时间内总的脉冲数。 显然, 脉冲总数正比于t, 而t正比于, 又正比于被测转角, 因此计数器所表示的脉冲数标志着被测转角的大小, 这样, 就完成了角度相位的转换。 最后经过检相、 分频、计数器等电子线路将转角丈量出来。 旋转变压器旋转变压器 6.8 感感 应应 同同 步步 器器 感应同步器是一种高精度测位用的机电元件, 其根本原理是基于多极双通道旋转变压器之上。 它的定、 转子(或叫初、 次级)绕组均采用了印制绕组,

50、 从而使之具有一些独有的特性,它广泛运用于精细机床数字显示系统和数控机床环伺服系统以及高精度随动系统中。 感应同步器由几伏的电压励磁, 励磁电压的频率为10 kHz, 输出电压较小, 普通为励磁电压的1/10到几百分之一。 感应同步器的构外型式有直线式和圆盘式两大类, 现分述如下。旋转变压器旋转变压器 图 6 - 22 直线式感应同步器 旋转变压器旋转变压器 图 6 - 28 旋转式感应同步器绕组陈列表示图 旋转变压器旋转变压器 6.8.1 直线式感应同步器 直线式感应同步器表示图如图 6 - 22所示。 它由定尺和滑尺组成, 用于检测直线位移。 定尺和滑尺的基板通常采用厚度约为10 mm的钢

51、板, 基板上敷有约0.1 mm厚的绝缘层, 并粘压一层约0.06 mm厚的铜箔, 采用与制造印制电路板一样的工艺作出感应同步器的印制绕组。 为防止绕组损坏, 在绕组外表再喷涂一层绝缘漆。旋转变压器旋转变压器 图 6 - 22 直线式感应同步器 旋转变压器旋转变压器 图 6 - 23仅显示定尺和滑尺的印制绕组。由此图看出, 定尺绕组为单相的, 它由许多具有一定宽度的导片串联组成。 普通导片间的间隔定为1 mm, 定尺总长分别为 mm, 250 mm, 750 mm, 1000 mm四种, 最常用的是250 mm。 滑尺上有许多组绕组, 图中S、 C分别表示正弦和余弦绕组。 由图 6 - 23 可

52、知, 一切各相绕组的导片分别各自串联, 滑尺那么构成两相绕组。 旋转变压器旋转变压器 图 6 - 23 直线式感应同步器定、 滑尺的印制绕组 旋转变压器旋转变压器 直线感应同步器在机床上安装运用时, 如图 6 - 24所示。 将定尺 1 固定在机床的静止部件 3 上, 滑尺 2 固定在机床的运动部件5上, 两者相互平行, 间隙约为0.25 mm。 定尺外表已喷涂一层耐热的绝缘漆, 用以维护尺面。 滑尺上还粘合一层铝箔以防止静电感应。 为了任务可靠, 还装有坚持罩 4, 以防铁屑等异物落入而影响正常任务。 旋转变压器旋转变压器 任务原理：1、定尺上加励磁电压，在其中产生脉振磁场。2、该磁场在滑尺

53、上产生感应电势。3.由于滑尺与定尺之间的间隔，使得感应电势同直线位移相联络起来。从而可以经过电势判别位移。到达测位的功能。旋转变压器旋转变压器 当一个矩形线圈通以电流 后，如下图，两根竖直部分的单元导线周围空间将构成环形封锁磁力线横向段导线暂不思索.旋转变压器旋转变压器 由单元导线1所构成的磁场在12区间的磁感应强度1由到2逐渐减弱，如近似斜线 所示。而由单元导线2所构成的磁场在12区间的磁感应强度2由到1逐渐减弱，如近似斜线 所示。由于2和1电流方向相反，故在12区间产生的磁力线方向一致。 和 合成后使12区间构成一个近似均匀磁场。旋转变压器旋转变压器 磁通在任一瞬间的空间分布为近似矩形波，

54、而它的幅值那么按激磁电流的瞬时值以正弦规律变化。这种在空间位置固定、而大小随时间变化的磁场称为脉振磁场。(P83)对上述矩形波采用谐波分析的方法，可获得基波、三次谐波，五次谐波。图3-47c用虚线画出了方波的基波和三次谐波。在下面的讨论中将只思索基波部分，即把基波的正弦曲线作为 的分布曲线，谐波部分将设法消除或减弱。旋转变压器旋转变压器 因此，磁通密度 将按位置 作余弦规律分布，而且幅值与电流 成正比，即1( )sincos(/ )mBk Iwtb1k 是比例系数b 是矩形线圈的宽度旋转变压器旋转变压器 当把另一个矩形线圈接近上述通电线圈时，当把另一个矩形线圈接近上述通电线圈时，该线圈将产生感

55、应电动势，其感应电动势将随该线圈将产生感应电动势，其感应电动势将随两个线圈的相对位置的不同而不同。两个线圈的相对位置的不同而不同。设感应线圈A的中心从励磁线圈中心右移的间隔为x, 那么穿过线圈 的磁通为/2/2( )x bx bBd旋转变压器旋转变压器 把把B的公式代入可得：的公式代入可得：1(2 /)sincos(/ )Ambk Iwtx b当 x=b的整数倍 时，其匝链的磁通为最大当 x=b/2的奇数倍 时，其匝链的磁通为最小，即不匝链磁通。旋转变压器旋转变压器 由此可得感应线圈的感应电动势为：1(2 /)coscos(/ )mebk wIwtx b旋转变压器旋转变压器 旋转变压器旋转变压

56、器 加定尺绕组上励磁电压，在垂直于定、滑尺导片某位置作一剖面，如上图所示。由右手螺旋定那么可判别出磁力线的方向。由于所加励磁电流是交变的，可知该磁场是脉振磁场。该磁场在滑尺上产生感应电势。旋转变压器旋转变压器 图 6 - 26 定、 滑尺相对位置改动时滑尺导片所匝链磁通的变化 a位置其匝链磁通最大，位置其匝链磁通最大，电势也最大。电势也最大。b位置其匝链磁通为零，位置其匝链磁通为零，电势也为零。电势也为零。c位置其匝链磁通最大，位置其匝链磁通最大，电势也最大。方向同电势也最大。方向同a位置位置相反。相反。旋转变压器旋转变压器 图 6 - 27 滑尺导片电势有效值旋转变压器旋转变压器 滑尺导片电

57、势也可用函数式来表示。 首先将对应于位移x的电角度表达出来。 知一对极间隔为2, 对应的电角度为360, 那末对应于位置x(米)的电角度为xx1802360 (电角度) (6 - 22) 然后就可以写出一个导片的感应电势有效值为xEEEmm180coscos1 式中, E1m是一个导片在x=0, 2, 4, 位置时感应电势的有效值, 也是导片的最大有效值电势。 旋转变压器旋转变压器 滑尺上的余弦绕组是由许多导片串联起来的, 假设导片数为C1, 那么余弦绕组总电势为xExCEECEmmC180cos180cos111(6 - 23) 式中, Em为余弦绕组最大的相电势, 单位为“V; x为余弦绕

58、组轴线相对励磁绕组轴线的位移, 单位为长度“m。 旋转变压器旋转变压器 由图 6 - 22 可知, 正弦绕组s与余弦绕组c两轴线在空间移过半个极距即/2, 亦即二者相差90电角度, 故正弦绕组的感应电势表达式可以写成xExEEmms180sin90180cos(6 - 24) 旋转变压器旋转变压器 由以上两式可以看出, 滑尺挪动一对极距即2的长度, 感应电势变化一个周期。 假设滑尺挪动p对极距, 那么感应电势就变化p个周期。 因此, 感应同步器滑尺上正、 余弦绕组的输出电势和多极旋转变压器的输出电势是完全相仿的, 区别是这里用(180/)x来表示电角度。 xExCEECEmmC180cos18

59、0cos111xExEEmms180sin90180cos旋转变压器旋转变压器 6.8.2 旋转式感应同步器 图 6 - 28 是旋转式感应同步器定、 转子绕组表示图。 它又称为盘式感应同步器。 与直线感应同步器一样, 其定、 转子(相当于直线感应同步器的定尺、 滑尺)绕组也做成印制绕组。 其中, 转子绕组由许多辐射状的导片串联而成为单相绕组, 定子绕组和直线感应同步器的滑尺绕组类似, 是由正弦绕组和余弦绕组组成的两相绕组, 每相绕组又分成假设干组, 正、 余弦绕组的每一组是间隔陈列并各自串联衔接(参考图 6 - 23), 因此相邻两个组均相差90电角度。应留意到, 这里旋转感应同步器的转子对

60、应于直线式的定尺, 而其定子对应于直线式的滑尺。 旋转变压器旋转变压器 图 6 - 28 旋转式感应同步器绕组陈列表示图 旋转变压器旋转变压器 旋转式感应同步器的任务原理与直线式感应同步器和多极旋变相类似。 转子单相绕组经过电刷滑环加励磁电压后, 其每一个导片便构成一极, 相邻两导片间的间隔就等于一个极距, 那么极对数p等于导片数的1/2, 并且经过设计分析, 使气隙磁密沿圆周方向作p个周期的正弦分布。 旋转变压器旋转变压器 设定子上的余弦绕组与转子励磁绕组轴线间的夹角为, 相应的电角度为p。 那么与多极旋变相类似, 其定子上的正、 余弦绕组的输出电势应该是对应电角度的正、 余弦函数。 即 E