第6章旋转变压器解析ppt课件.ppt

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1、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思考题与习题,6.1 旋转变压器的类型和用途,旋转变压器是一种能旋转的变压器。旋转变压器是自动控制装置中的一类精密电机。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。 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、 将旋转角度转换成信号电压, 等等。,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

2、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。,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

3、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和典型结构等。,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。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。,6.2 旋转变压器的结构特点,图6-2,图 6 - 2 正余弦旋转变压器原理示意图,返回,转子的电磁部分仍然由可导电的绕组和能导磁的铁心组成。 转子绕组有两个,

4、分别叫余弦输出绕组(其引线端为Z3、 Z4)和正弦输出绕组(其引线端为Z1、 Z2)。 两个绕组结构上完全相同, 它们都布置在转子槽中, 而且两绕组的轴线在空间互成90, 如下图所示。,注意：,线性旋转变压器，由于转子并非连续旋转而是仅转过一定角度，所以一般是用软导线直接将转子绕组接到固定的接线柱上，可以省去滑环和电刷装置，使结构简单；,旋转变压器的精度比自整角机高，整个电机经过了精密的加工，电机绕组也进行了特殊设计，各部分材料也进行过严格选择和处理。,6.3 正余弦旋转变压器的工作原理,如图 6 - 3 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

5、交流励磁电压 。那么气隙中将产生一个脉振磁通 , 其轴线在定子励磁绕组的轴线上。 据电磁理论, 磁通 将在副边即转子的两个输出绕组中感应出变压器电势。,图6-3,6.3.1 空载运行时的情况,设图中余弦输出绕组Z1-Z2轴线与脉振磁密 轴线夹角为 ，仿照自整角机结论公式5-4可写出励磁磁通 在正、余弦输出绕组中的感应电势：,图 6-3 正余弦旋转变压器的空载运行,返回,Z1-Z2中,Z3-Z4中,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 在输出绕组中感应的电势。,假设 在励磁绕组中感应的电势为ED，则旋转变压器变比为：,(6-2),式中，WR表示输出绕组的有效匝数；WD表示励

6、磁绕组的有效匝数。,(6-1),式（6-2）代入式（6-1）得,(6-3),与变压器类似，忽略定子励磁绕组内阻和漏电抗，则ED=Uf1，空载时转子输出绕组电势等于电压，则式6-3可写成：,(6-4),旋转变压器在运行时总要接上一定的负载, 如图6-3中Z1、 Z2输出绕组接入负载阻抗ZL1。 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 4 - 5 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6-3,6.3.2 负载后输出特

7、性的畸变,图 6 - 3 正弦旋转变压器的负载运行,返回,发生畸变的原因：,Z3-Z4输出绕组接负载ZL后，该绕组有电流 流过，必然在电机内部产生幅值在Z3-Z4轴线上的相应脉振磁场，用磁密空间相量 表示。,为方便起见，把 分解为两个分量：一个直轴分 ，其方向与D1-D2定子绕组轴线一致；另一个为交轴分量 ，其方向和D1-D2绕组轴线成900。,交轴分量磁密 的作用引起磁场畸变，也是引起旋转变压器输出电压畸变的主要原因。,副边补偿的正余弦旋转变压器实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Uf1 , D3-D4绕组开路; 转子Z3

8、-Z4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。,图6-5,6.3.3 副边补偿的正余弦旋转变压器,图 6 -5 副边补偿的正余弦旋转变压器,返回,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。,图6-6,6.3.4 原边补偿的正余弦旋转变压器,分析：,根据楞次定律，旋转变压器工作时交轴磁通 在绕组D3-D4中要感生电流

9、，该电流产生的磁通对交轴磁通 有着强烈的去磁作用，从而达到补偿的目的。,图 6 - 6 原边补偿的正余弦旋转变压器,返回,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。,原边和副边都补偿时的正余弦旋转变压器如下图 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：

10、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。,6.3.5 原、副边都补偿的正余弦旋转变压器,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，但是原边补偿对电源内阻要求较高。 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。,原、 副边同时补偿的正余弦旋转变压器,6.4 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变连接线而得到的。 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

11、为励磁的原边。 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。,图6-8,接线方式：,图 6 - 8 原边补偿的线性旋转变压器,返回,输出电压推导：,图6-8采用原边补偿，消除绝大部分交轴磁通，只有直轴磁通 ，其在定子D1-D2绕组中感应电势ED，在转子绕组中感应电势为:,Z1-Z2中,Z3-Z4中,因为定子D1-D2绕组和转子Z1-Z2绕组串联，忽略漏阻抗压降，则有,转子输出绕组输出电压为：,式中, 当变压比ku取为0.560.59之间, 则转子转角在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。,式（2）与

12、（1）的比值为：,则线性旋转变压器输出电压公式为：,（6-12）,图 6 - 9,6.5 旋转变压器的典型应用,旋转变压器广泛应用于解算装置和高精度随动系统中及系统的装置电压调节和阻抗匹配等。在解算装置中主要用来求解矢量或进行坐标转换、 求反三角函数、 进行加减乘除及函数的运算等等; 在随动系统中进行角度数据的传输或测量已知输入角的角度和或角度差; 比例式旋转变压器则是匹配自控系统中的阻抗和调节电压。,6.5.1 用旋转变压器求反三角函数,图 6 - 10 求=arccos(E2/E1)的接线图,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行数学计算、坐标变换

13、等。以下仅以求反三角函数为例来说明。即已知E1和E2值, 如何求反余弦函数=arccos(E2/E1)的问题。,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则电势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, 伺服电动机通过减速器与旋转变压器转轴之间机械耦合。,Z1-Z2 绕组和D1-D2绕组设计制造的匝数相同, 即ku=1, 所以Z1-Z2绕组通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E1cos-E2。如果E1cos=E2, 此时伺

14、服电动机将停止转动, 则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。,6.5.2 比例式旋转变压器,用途：匹配阻抗和调节电压。,若旋转变压器定子绕组D1-D2施加励磁电压 ，D3-D4绕组直接短接进行原边补偿，转子Z3-Z4绕组开路，转子绕组Z1-Z2从基准电压零位逆时针转过 角，则转子绕组Z1-Z2端输出电压为,改写为：,（6-13）,式中，转角 在0o-360o之间变化， 在+1-1范围内变动，因为变比 为常数，故比值 将在 范围内变化。如果调节 到某定值，则得到唯一的 ，这就是比例式旋转变压器的工作原理。,