控制电机(第四版)第6章 旋转变压器
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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 6.4 线性旋转变压器 6.5 旋转变压器的典型应用 6.6 多极和双通道旋转变压器 6.7 感应移相器 6.8 感应同步器 思考题与习题
6.1 旋转变压器的类型和用途
旋转变压器可以单机运行, 也可以像自整角机那样 成对或三机组合使用。旋转变压器的输出电压与转子 转角呈一定的函数关系, 它又是一种精密测位用的机电 元件, 在伺服系统、 数据传输系统和随动系统中也得到 了广泛的应用。
6.2 旋转变压器的结构特点
旋转变压器的典型结构与一般绕线式异步电动机 相似。 它由定子和转子两大部分组成, 每一大部分又有 自己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结构分析之。
图 6 – 1 旋转变压器结构示意图
定子的电磁部分仍然由可导电的绕组和能导磁的 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°, 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。
这些旋转变压器的用途主要是用来进行坐标变换、 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具体用途, 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 作用是相同的。
论, 磁密 BD 将在副边即转子的两个输出绕组中感应出
变压器电势。
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 BD 轴线的夹
角为θ, 仿照自整角机中所得出的结论公式(式 5 - 4), 可
若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。
若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。
本章将以单极对、 接触式旋转变压器为研究对象 阐明旋转变压器的工作原理、 典型结构和误差补偿等。 最后再简单介绍感应同步器和感应移相器如何分别被 用作精密位移测量和移相的元件。
Φq34=Φq cosθ 将式(6 - 5)代入上式, 则
Φq34∝BZ cos 2θ 磁通Φq34在Z3-Z4绕组中感应电势仍属变压器电势, 其有效值为:
Φq34=4.44fWZΦq34∝BZ cos 2θ (6 - 6)
式中, WZ为转子上Z3-Z4输出绕组的有效匝数。 由 上式知, 旋转变压器Z3-Z4绕组接上负载后, 除了电压 UR2=-kuUs1sinθ以外, 还附加了正比于BZ cos2θ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
以写出这里的励磁磁通 D在正、 余弦输出绕组中分
别感应的电势。
ER1=ERcosθ
在Z1-Z2中
ER2=ER cos(θ+90°)=-ERsinθ 在Z3-Z4中
(6 - 1)
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ΦD在输出绕组中感应的电势。 若假设ΦD 在励磁绕组D1-D2中感应的电势为ED, 则旋转变压器的 变比为
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 决定, 故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 转变压器在结构上增加了一个锁定转子位置的装置。
UR1=kuUs1cosθ UR2=-kuUs1sinθ
(6 - 4)
6.3.2 负载后输出特性的畸变
旋转变压器在运行时总要接上一定的负载, 如图 6 3中Z3、 Z4输出绕组接入负载阻抗ZL。 由实验得出, 旋 转变压器的输出电压随转角的变化已偏离正弦关系, 空 载和负载时输出特性曲线的对比如图 6 - 4 所示。 如果 负载电流越大, 两曲线的差别也越大。这种输出特性偏 离理论上的正余弦规律的现象被称为输出特性的畸变。 但是, 这种畸变必须加以消除, 以减少系统误差和提高 精确度。
图 6 - 2 正余弦旋转变压器原理示意图
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 如图 6 - 2 中, 设该旋转变压器空载, 即转子输出绕
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 Uf 1 。那么气隙中将产生一个脉振磁密 BD , 其
轴线在定子励磁绕组的轴线上。 据自整角机的电磁理
图 6 - 3 正弦输出绕组接负载ZL
图 6 - 4 输出特性的畸变
交轴分量磁通密度BZq的作用是引起旋转变压器输 出电压畸变的主要原因。 显然, 由于BZq=BZ cosθ, 故它 所对应的交轴磁通Φq必定和BZ cosθ成正比:
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Φq∝BZ cosθ
(6 - 5)
由图 6 - 3可以看出, Φq与Z3-Z4输出绕组轴线的夹 角为θ, 设Φq匝链Z3-Z4输出绕组的磁通为Φq34, 则
ku
ER ED
WR WD
(6 -2)
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。
把式(6 - 2)代入式(6 - 1)得 ER1=kuED cosθ ER2=-kuED sinθ
(6 - 3)
与变压器类似, 可忽略定子励磁绕组的电阻和漏电 抗, 则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
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 6.4 线性旋转变压器 6.5 旋转变压器的典型应用 6.6 多极和双通道旋转变压器 6.7 感应移相器 6.8 感应同步器 思考题与习题
6.1 旋转变压器的类型和用途
旋转变压器可以单机运行, 也可以像自整角机那样 成对或三机组合使用。旋转变压器的输出电压与转子 转角呈一定的函数关系, 它又是一种精密测位用的机电 元件, 在伺服系统、 数据传输系统和随动系统中也得到 了广泛的应用。
6.2 旋转变压器的结构特点
旋转变压器的典型结构与一般绕线式异步电动机 相似。 它由定子和转子两大部分组成, 每一大部分又有 自己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结构分析之。
图 6 – 1 旋转变压器结构示意图
定子的电磁部分仍然由可导电的绕组和能导磁的 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°, 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。
这些旋转变压器的用途主要是用来进行坐标变换、 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具体用途, 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 作用是相同的。
论, 磁密 BD 将在副边即转子的两个输出绕组中感应出
变压器电势。
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 BD 轴线的夹
角为θ, 仿照自整角机中所得出的结论公式(式 5 - 4), 可
若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。
若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。
本章将以单极对、 接触式旋转变压器为研究对象 阐明旋转变压器的工作原理、 典型结构和误差补偿等。 最后再简单介绍感应同步器和感应移相器如何分别被 用作精密位移测量和移相的元件。
Φq34=Φq cosθ 将式(6 - 5)代入上式, 则
Φq34∝BZ cos 2θ 磁通Φq34在Z3-Z4绕组中感应电势仍属变压器电势, 其有效值为:
Φq34=4.44fWZΦq34∝BZ cos 2θ (6 - 6)
式中, WZ为转子上Z3-Z4输出绕组的有效匝数。 由 上式知, 旋转变压器Z3-Z4绕组接上负载后, 除了电压 UR2=-kuUs1sinθ以外, 还附加了正比于BZ cos2θ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
以写出这里的励磁磁通 D在正、 余弦输出绕组中分
别感应的电势。
ER1=ERcosθ
在Z1-Z2中
ER2=ER cos(θ+90°)=-ERsinθ 在Z3-Z4中
(6 - 1)
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ΦD在输出绕组中感应的电势。 若假设ΦD 在励磁绕组D1-D2中感应的电势为ED, 则旋转变压器的 变比为
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 决定, 故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 转变压器在结构上增加了一个锁定转子位置的装置。
UR1=kuUs1cosθ UR2=-kuUs1sinθ
(6 - 4)
6.3.2 负载后输出特性的畸变
旋转变压器在运行时总要接上一定的负载, 如图 6 3中Z3、 Z4输出绕组接入负载阻抗ZL。 由实验得出, 旋 转变压器的输出电压随转角的变化已偏离正弦关系, 空 载和负载时输出特性曲线的对比如图 6 - 4 所示。 如果 负载电流越大, 两曲线的差别也越大。这种输出特性偏 离理论上的正余弦规律的现象被称为输出特性的畸变。 但是, 这种畸变必须加以消除, 以减少系统误差和提高 精确度。
图 6 - 2 正余弦旋转变压器原理示意图
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 如图 6 - 2 中, 设该旋转变压器空载, 即转子输出绕
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 Uf 1 。那么气隙中将产生一个脉振磁密 BD , 其
轴线在定子励磁绕组的轴线上。 据自整角机的电磁理
图 6 - 3 正弦输出绕组接负载ZL
图 6 - 4 输出特性的畸变
交轴分量磁通密度BZq的作用是引起旋转变压器输 出电压畸变的主要原因。 显然, 由于BZq=BZ cosθ, 故它 所对应的交轴磁通Φq必定和BZ cosθ成正比:
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Φq∝BZ cosθ
(6 - 5)
由图 6 - 3可以看出, Φq与Z3-Z4输出绕组轴线的夹 角为θ, 设Φq匝链Z3-Z4输出绕组的磁通为Φq34, 则
ku
ER ED
WR WD
(6 -2)
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。
把式(6 - 2)代入式(6 - 1)得 ER1=kuED cosθ ER2=-kuED sinθ
(6 - 3)
与变压器类似, 可忽略定子励磁绕组的电阻和漏电 抗, 则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