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1、第四章 旋转变压器4-1概述 旋转变压器是自动装置中较常用的精密控制电机。当旋转变压器的定子绕组施加单相交流电时，其转子绕组输出的电压与转子转角成正弦余弦关系或线性关系等函数关系。在自动控制系统中可以用作解算元件，实现坐标变换和三角运算等，在随动系统中，用来传输与角度对应的电信号，此外还可以用作移相器和角度-数字转换装置等等。一、旋转变压器分类1、按有无滑动接触分类 接触式(多用)无接触式 又分为有限转角和无限转角,2、按极对数分类 单极对数（多用）多极对数：主要用于电气变速的高精度双通道系统中3、按使用要求分类 解算装置：正余弦旋转变压器 输出电压与转子转角成正余 弦函数关系 线性旋转变压器
2、 输出电压与转子转角成线性关系 比例式旋转变压器 作为调整电压的比例元件 特殊函数旋转变压器 随动系统：旋转变压器发送机 旋转变压器差动发送机 旋变变压器,二、旋转变压器结构旋转变压器结构与绕线式异步电动机类似。铁芯:定子、转子铁芯采用高磁导率的铁镍硅钢片冲叠而成;绕组：在定子铁芯和转子铁芯上分别安装有两个在空间上互相垂直的高精度正弦绕组；通常设计为2极，转子绕组经电刷和集电环引出。正余弦旋转变压器结构图如图所示。,4-2 正余弦旋转变压器一、正余弦旋转变压器的空载运行 转子绕组输出的电压是转子转角的正余弦函数关系的旋转变压器叫正余弦旋转变压器。旋转变压器的定子铁芯槽中装有两套完全相同的绕组D
3、1D2和D3D4，但在空间上相差90。每套绕组的有效匝数为NS，其中D1D2为直轴绕组，D3D4绕组为交轴绕组。转子铁芯槽中也装有两套完全相同的绕组Z1Z2和Z3Z4和，在空间上也相差90，每套绕组的有效匝数为Nr。转子上的输出绕组的轴线Z1Z2与定子的交轴之间的角度叫做转子的转角。,通常把交流电源Uf接入定子直轴绕组中，那么直轴绕组D1D2就成为励磁绕组，如果转子上的输出绕组开路，那么此时就是正余弦旋转变压器的空载运行，如图所示。,励磁绕组D1D2通过交流电流If在气隙中建立一个正弦分布的脉振磁场d,若忽略励磁绕组的压降，则认为Uf=Ef。当Uf恒定时，可认为直轴磁通的幅值d为常数。,输出绕
4、组Z1Z2与交轴的夹角为，故气隙磁场与输出绕组Z1Z2相交链的磁通为r1=dsin。输出绕组Z3Z4的轴线与交轴的夹角为90-，那么气隙磁场与输出绕组Z3Z4相交链的磁通为r2=dcos。据上述分析，气隙磁场d在励磁绕组中所感生的电动势为气隙磁通的两个分量r1和r2分别在输出绕组Z1Z2和Z3Z4中所感生的电动势为,输出绕组与励磁绕组的有效匝数比为K。空载时有如果忽略励磁绕组和输出绕组的漏阻抗，则输出绕组的端电压分别为：,输出绕组Z1Z2 称为正弦绕组,输出绕组Z3Z4 称为余弦绕组,二、正余弦旋转变压器的负载运行 在实际应用中，输出绕组都接有负载，如控制元件，放大器等，输出绕组有电流流过，从
5、而产生磁通势，使气隙磁场产生畸变，从而使输出电压产生畸变，不再是转角的正、余弦函数关系。如图所示，输出绕组Z1Z2接上负载Zl1，产生的负载电流Ir1,Ir1建立一个按正弦规律分布的脉振磁势Fr1，其幅值轴线就是Z1Z1绕组轴线，Fr1在直轴和交轴两个方向上分为两个分量：直轴分量为 Fr1d=Fr1sin交轴分量为 Fr1q=Fr1cos,利用等效电路分析,根据电工理论，激磁绕组与正弦绕组间存在互感电抗。当两绕组轴线重合时交链的磁通最大，互感电抗最大。,画出定子激磁绕组与转子正弦绕组等值电路,按基尔霍夫第二定律，列写直轴绕组回路和正弦绕组回路电压平衡方程,解得,可见(1)Ur1与转子转角不再保
6、持严格的正弦函数关系。(2)输出电压发生畸变的程度取决于Zl1的大小，Zl1越大输出电压畸变越小。(3)激磁绕组电流随转子转角而改变，不是常数，只有当负载阻抗无穷大时才为常数。,结论,正余弦旋转变压器在负载时，输出电压发生了畸变，其原因在于负载电流产生的交轴磁场。,三、二次侧补偿的正余弦旋转变压器（副方补偿）1、补偿原理 负载运行的正余弦旋转变压器的补偿方法是从消除或减弱造成电压畸变的交轴分量磁势入手。如图所示，正弦输出绕组Z1Z2接负载Zl1，余弦输出绕组Z3Z4作为补偿绕组也接入负载Zl2。,输出绕组Z3Z3接上负载Zl2，产生的负载电流Ir2,Ir2建立一个按正弦规律分布的脉振磁势Fr2
7、，其幅值轴线就是Z3Z4绕组轴线，Fr2在直轴和交轴两个方向上分为两个分量：直轴分量为 Fr2d=Fr2cos交轴分量为 Fr2q=Fr2sin,为消除或减弱造成电压畸变的交轴分量磁势使Fr2q=Fr1q，交轴分量磁势完全补偿。,按基尔霍夫第二定律：,解方程组得,如果取Zl1=Zl2，则可去掉分母中与转子转角有关的项。这时:,则输出电压,可见，当二次侧补偿时，若使Zl1=Zl2=Zl，则正弦输出绕组输出电压,余弦输出绕组输出电压,结论,采用二次侧补偿，余弦输出绕组所加阻抗与正弦绕组所加负载阻抗相等时，可以消除交轴磁势对输出电压的影响。使,同时，输入的电流与转子转角无关，则输入的功率也与转子转角
8、无关。,四、一次侧补偿的正余弦旋转变压器（原方补偿）1、补偿原理消除或减弱造成电压畸变的交轴分量磁势，接线图如图所示。即原方交轴绕组接入负载阻抗Zq，余弦绕组开路。,输出绕组Z1Z2接上负载Zl1，产生的负载电流Ir1,Ir1建立一个按正弦规律分布的脉振磁势Fr1，其幅值轴线就是Z1Z1绕组轴线，Fr1在直轴和交轴两个方向上分为两个分量：直轴分量为 Fr1d=Fr1sin 交轴分量为 Fr1q=Fr1cos 交轴绕组中接入负载阻抗Zq，产生的负载电流Iq，Iq在交轴方向产生交轴磁势Fq。当Fq与Fr1q大小相等方向相反时，交轴磁势完全补偿。,画出一次侧补偿接线时旋转变压器等效电路图,列写回路电
9、压平衡方程式,解得,分析：,为使正弦输出绕组输出电压正比于sin，就必须使Ir1正比于sin，因此必须使A与无关，为此必须使Zq=0。我们称Zq=0时一次侧补偿为对称补偿。,一次侧对称补偿时正弦输出绕组输出电压：,结论,将交轴绕组短接,可得到一次侧对称补偿,使正弦输出绕组输出电压一次侧对称补偿法和二次侧对称补偿法有相同的输出结果.此时，输入的电流与转子转角有关，则输入的功率也与转子转角有关。,五、正余弦旋转变压器的主要技术指标 正余弦旋转变压器作为解算元件时，其精度由函数误差和零位误差来决定。若作为回线自整角机系统使用，其精度便由电气误差来决定。(一)正余弦函数误差fe 当正余弦旋转变压器的励
10、磁绕组外施额定单相交流电压励磁，且交轴绕组短接。在不同的转子转角位置时，转子上两个输出绕组的感应电势与理论的正弦(或余弦)函数值之差对最大理论输出电压之比，称为该旋转变压器的正余弦函数误差。在实际测试中，常常将百分值所表示的函数误差折算成相应的角度误差来表示。,(二)零位误差0 当正余弦旋转变压器的励磁绕组外施额定的单相交流电压励磁，且交轴绕组短接。转动转子使两个输出绕组中任意一个的输出电压为最小值时转子位置称为电气零位。零位误差是实际的电气零位与理论电气零位(即转子转角为0、90、180、270)之差，以角分表示，零位误差的大小将直接影响到解算装置和角度传输系统的精度。(三)零位电压U0 正
11、余弦旋转变压器的转子处于电气零位时的输出电压的大小，称为零位电压。旋转变压器的最大零位电压与额定电压之比应不超过规定值。零位电压由两部分组成：一部分是与励磁电压的频率相同，但相位相差90电角度的基波正交分量；另一部分是频率为励磁频率奇数倍的高次谐波分量。零位电压过高将引起输出电压外接的放大器饱和。,(四)电气误差e 当正余弦旋转变压器的励磁绕组外施额定的单相交流电压励磁，且交轴绕组短接。在不同的转子转角时，两个输出绕组的输出电压之比所对应的正切或余切的角度与实际转角之差值称为电气误差，通常以角分来表示。(五)输出相位移 当正余弦旋转变压器的励磁绕组外施额定的单相交流电压励磁，且交轴绕组短接。它的输出电压基波分量和励磁电压基波分量之间的相位差，称为输出相位移。引起输出电压相位移的主要因素为励磁绕组的电阻和铁心的铁损耗。,使用注意事项：1、负载阻抗应远大于输出阻抗2、注意调准零位3、励磁方只用一相绕组时，另一相绕组应短路或接一个与励磁电源内阻相同的阻抗。4、励磁方两相绕组同时励磁时，只能采用副方补偿方式，两相绕组阻抗尽可能相等。,
