第4章-旋转变压器-.ppt
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1、第四章 旋转变压器1.本章教学目标与要求了解旋转变压器的发展历史掌握旋转变压器的基本构成及分类掌握正余弦的旋转变压器的工作原理及补偿方法掌握线性旋转变压器的工作原理掌握旋转变压器的使用方式了解旋转变压器的应用2.本章知识架构3.旋转变压器(Rotational transformer或 resolver)是一种电磁式传感器,是一种精密的测位用的机电元件,又称同步分解器。它的输出电信号与转子转角成某种函数关系,它也是一种测量角度用的小型交流电动机,属自动控制系统中的精密感应式微电机的一种,主要用来测量旋转物体的转轴角位移和角速度。旋转变压器图4.1 4.旋转变压器作为 一种最常用的转角检测元件,
2、结构简单,工作可靠,且其精度能满足一般的检测要求,被广泛应用在各类数控机床上。诸如各类机床、镗床、回转工作台、加工中心、转台等。图4.2 应用旋转变压器数控机床5.近来旋转变压器的发展主要是解决满足数字化的要求,应用数字转换器件对旋转变压器输出互为正余弦关系的模拟信号进行采样,将其转换成数字信号,以便于各种CPU进行处理,目前多用单片机控制意在完成旋转变压器的数字化角度和长度测量显示,并达到比较高的精度水平。旋转变压器数字类转换模块图4.36.4.1 旋转变压器的类型和用途 按着输出电压和转子转角间的函数关系,旋转变压器主要可以分:正、余弦旋转变压器(代号为XZ)和线性旋转变压器(代号为XX)
3、、比例式旋转变压器(代号为XL),矢量旋转变压器(代号为XS)及特殊函数旋转变压器等。7.按旋转变压器在系统中用途可分为解算用旋转和数据传输用旋转变压器。根据数据传输用旋转变压器在系统中的具体用途,又可分为旋变发送机(代号为XF),旋变差动发送机(代号为XC),旋变变压器(又名旋变接收器)(代号为XB)。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。其中旋转变压器无接触式,无电刷和滑环的滑动接触 运行可靠,抗振动,适应恶劣环境。旋转变压器接触式旋转变压器无接触式图4.
4、4图4.58.4.2 正余弦旋转变压器 旋转变压器是由定子、转子两大部分组成的。每一大部分又有自己的电磁部分和机械部分,总体说它和两相绕线式异步电机的结构更为相似。4.2.1 正余弦旋转变压器的结构 旋转变压器大多设计成两极隐极式的定、转子的结构和定转子对称两套绕组。电磁部分仍然由可导电的绕组和能导磁的铁心组成,旋转变压器的定、转子铁心是采用导磁性能良好的硅钢片薄板冲成的槽状心片叠装而成。为提高精度,通常采用铁镍软磁合金或高硅电工钢等高磁导率材料,并采用频率为400Hz的励磁电源。在定子铁心的内周和转子铁心外圆周上都冲有一定数量的规格均匀的槽,里面分别放置两套空间轴线互相垂直的绕组,以便在运行
5、时可以得到原边或副边补偿。9.图4.7正余弦旋转变压器的结构图10.旋转变压器定子绕组和转子绕组都安装两套在空间互差90电角度,结构上完全相同的对称分布绕组。定子绕组有两个,一般是相同的,即导线截面和接线方式以及绕组匝数都相同。分别叫定子励磁绕组(其引线端为D1-D2)和定子交轴绕组 又叫(补偿绕组其引线端为D3-D4)。如图带有圆圈的表示转子,转子上两套绕组与定子一样匝数相等分别用Z1-Z2 和 Z3-Z4叫正弦输出绕组和余弦输出绕组,有的时候也可在转子绕组上励磁,而从定子绕组上输出电压。旋转变压器定、转子绕组 图4.811.在结构上,旋转变压器定子和转子基本和自整角电机一样,其组件图见图4
6、.9,定子绕组通过固定在壳体上的接线柱直接引出。定子绕组端点直接引至接线板上,而转子绕组的端点要通过电刷和滑环才能引出,注意定子和转子之间的空气隙是均匀的。气隙磁场一般为两极,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。图4.9 旋转变压器定转子组件图12.旋转变压器分为有刷式和无刷式有刷式旋转变压器无刷式旋转变压器13.4.2.2正余弦旋转变压器的工作原理 旋转变压器是一个能够转动的变压器,它的定子绕组相当于普通变压器的一次侧线圈(励磁线圈)。而转子绕组就相当于普通变压器的二次侧线圈。根据测得的输出电压,就可以知道转子转角的大小。对励磁电压的相位移等于
7、转子的转动角度,检测出相位,即可测出角位移。但旋转变压器又区别于普通变压器,其区别在于转、定子间有气隙,转子可以转动,旋转变压器的二次侧线圈(输出线圈)可随转子的转动而改变其与定子线圈的相对位置。14.一、二次侧线圈间的互感发生变化,由图4.11知,定子励磁绕组D1-D2的轴线在=0 处,转子绕组Z3-Z4的轴线与励磁绕组轴线夹角为 角。图图 4.11 4.11 正余弦旋转变压器原理示意图正余弦旋转变压器原理示意图定子的励磁绕组接上交流电压,设某瞬间线圈中电流定子的励磁绕组接上交流电压,设某瞬间线圈中电流I I 的方向和产生气隙磁的方向和产生气隙磁通方向如图通方向如图4.124.12所示。所示
8、。1 1一转子一转子绕组绕组I 2I 2一定子一定子绕组绕组I I图图4.12 4.12 旋转变压器磁通分布情况旋转变压器磁通分布情况15.两极正余弦旋转变压器其输出电压与转角成正、余弦关系,它的电气工作原理图如图4.13所示,旋转变压器不带负载时。Z1-Z2、Z3-Z4开路,负载时Z1-Z2 和Z3-Z4均可带负载阻抗形成闭合回路。空载时除D1-D2 绕组中流有励磁电流If 外其余绕组中均无电流,如图4.13(a)、(b)所示,该图为了说明工作原理分别画出余弦输出绕组Z3-Z4的绕组轴线与励磁绕组轴线夹角为角如图4.13(a)所示,正弦输出绕组Z1-Z2 的绕组轴线与励磁绕组轴线的夹角为,如
9、图4.13(b)图图4.13 4.13 正余弦旋转变压器原理正余弦旋转变压器原理(a a)余弦绕组余弦绕组(b)(b)正弦绕组正弦绕组16.正弦绕组元件匝数与磁动势分布见图4.14。图图4.14 4.14 正弦绕组元件匝数与磁动势分布正弦绕组元件匝数与磁动势分布 (4-34-3)17.1、空载运行时的情况 即转子输出绕组Z1-Z2 和Z3 Z4和定子交轴绕组3-D4开路,仅将定子励磁绕组D1-D2加交流励磁电压U1。此时气隙中将产生一个脉振磁密BD,脉振磁场的轴线在定子励磁绕组的励磁轴线D1-D2上。据自整角机的电磁理论,磁场将在副边即转子的两个输出绕组中感应出变压器电势。图图4.15 4.1
10、5 正余弦旋转变压器空载的工作原理正余弦旋转变压器空载的工作原理18.与自整角机中所发生的情况一样,脉振磁场BD将在转子的输出绕组Z1-Z2 和Z3Z4中感应变压器电势,这些电势在时间上是同相位的,其有效值和该绕组的位置有关。若转子绕组,我们为了分析问题的方便,用匝数为Wr 的等效集中绕组来代替和同样励磁绕组Wf为等效集中绕组。当Wc绕组在直轴位置,即Wc 绕组轴线与励磁绕组 的轴线相重合即时,如同一台普通的双绕组变压器一样,可得到定子和转子感应电动势为 19.若转子绕组轴线偏离励磁绕组轴线位置,即转子绕组Wc 与激磁绕组Wf 轴线的夹角为角时,如图4.15(a)所示绕组(Z3-Z4)所匝链的
11、磁通的幅值为 根据变压器原理可得转子绕组的电动势为 磁通势沿气隙按余弦分布保证了穿过转子绕组Wc 的磁通矶和转子转角 成余弦的函数关系,从而保证了Wc 绕组中感应电动势和转予的转角 成余弦函数关系。20.旋转变压器和普通变压器在工作原理上是完全一样的。它们都利用一次侧线圈和二次侧线圈之间的互感进行工作的,所不同的是在普通变压器中总是使一、二次侧线圈的互感为最大且保持不变。与此相反,在旋转变压器中正是利用转子相对定子的转角的不同以改变一、二次侧线圈之间的互感来达到输出电动势和转角成正余弦函数关系,从而得到We 绕组的输出电动势为 (4-104-10)21.2、负载运行时的情况 在实际使用中,旋转
12、变压器要接上一定的负载。实验表明,如图4.16所示的旋转变压器,一旦其正弦输出绕组Z1 Z2,带上负载以后,其输出电压不再是转角的正弦函数,正弦输出绕组接上负载实验结果证明,带负载以后的旋转变压器,其输出电压不再是转角的正弦或余弦函数,而是有一定的偏差,这种现象称为输出特性发生畸变,如图4.17 所示,曲线1 和2 分别表示旋转变压器在空载和负载时的输出特性,旋转变压器的负载越大(1s 越大)。输出特性的畸变也越严重。这种畸变是必须加以消除的,为此应分析畸变的原因,寻找消除畸变的措施。图图4.16 4.16 正弦输出绕组接上负载正弦输出绕组接上负载图图4.17 4.17 正弦绕组输出电压与转角
13、的关系曲线正弦绕组输出电压与转角的关系曲线l l一空载时,一空载时,2 2一负载时一负载时22.旋转型压器的定子励磁绕组和转子输出绕组,相当于变压器中的一次绕组和二次绕组,如图4.18,表示了余弦输出绕组Z3-Z4带负载的情况,在输出绕组中应出电动势Ec。电动势产生电流.电流Ic 产生沿绕组轴线方向的磁通势Fc.它是一个脉振磁场。设该磁场的磁通密度沿定子内圆作正弦升布,为分析方便,把它看作对应转子电流达到最大时的磁通密度空间向量,Fc 可以分解为直轴方向(和激磁绕组轴线方向一致)的直轴磁通势FCd(直轴分量)和横轴方向(和轴线正交)的横轴磁通势F c q (交 轴 分 量)其 表 达 式 为
14、带负载后旋转变压器的工作情况可以用具有两部分绕组的普通变压器来表示,它的等值电路如图4.19 所示,转子电流相当于分别流过两个转子绕组,其中-个为等效的直轴绕组具有匝,另一个为等效的横轴绕组具有匝,直轴等效绕组轴线与激磁绕组轴线重合,彼此完全重合,如同普通变压器中一、二次线圈的关系-样,横轴等效绕组与激磁绕组完全不重合,因此,由 产生的磁通对定子激磁绕组DI-DZ 来说完全是漏磁通,但对定子上另一个绕组D3-D4 却完全重合。图4.19 负载时旋转变压器等值电路24.引起输出电压畸变的主要原因是副边电流所产生的交轴磁场分量,产生的磁通完全是漏磁通,由这个漏磁通产生的漏抗压降使输出绕组的输出电压
15、与空载电动势之间出现较大的畸变。显然,对应的交轴磁通必定和其成正比,即 q和输出绕组Z3 Z4的夹角为,若设匝链输出绕组 Z3 Z4的磁通 为 若 表示绕组磁密代入上式,则 最大值为 的磁通在Z3-Z4 统组中所产生的感应电势也是个变压器电势,其有效值 可见旋转变压器正弦输出绕组Z3-Z4 接上负载以后,除了仍存在 的电势以外,还附加了正比于 的电势 。显然后者的出现破坏了输出电压随转角作正弦函数变化的关系,造成输出特性的畸变。由式 (4-17)还可以看出,在一定的转角下 正比于 ,而 又正比于绕组 Z3-Z4 中的电流所以负载电流愈大,也愈大,输出特性偏离正弦函数关系就愈远。(4-14)(4
16、-15)(4-16)(4-17)25.4.2.3 正余弦旋转变压器补偿方法1、二次侧补偿的正余弦旋转变压器 二次侧补偿就是把正余弦旋转变压器按图4.20所示的接线图进行接线。同时使用两个转子绕组,一个为转子绕组Z3-Z4 接上负载ZL 作为输出绕组用;另一个转子绕组Z1-Z2 接有阻抗Z,作为补偿用。此时相当于副边对称的正余弦旋转变压器。当定子绕组D3-D4 开路,D1-D2 加上交流励磁电压Uf后,在转子两个绕组中分别感应出电动势Ec,Es。进而产生电流Ic、Is,在两电流的作用下,分别在绕组Wc、Ws 中产生磁通势Fc和Fs,由前面分析可知 式中 转子绕组 的阻抗。同理 式中 转子绕组 的
17、阻抗;Z 补偿绕组的阻抗。(4-18)(4-19)(4-20)(4-21)26.若将转子各绕组产生磁通势分解为沿直轴和横轴方向的磁通势,如图4.21所示。从图中可以看出,转子两个绕组分解的横轴磁通势方向是相反的,它们的作用是相互抵消的,在一定条件下它们可以完全抵消。图4.20 二次侧补偿的正余弦旋转变压器图4.21 转子磁通势的相量图(a)余弦绕组相量图(b)正弦绕组相量图27.转子两绕组磁通势在横轴方向的分量分别为由式(4-22)可知,要使横轴磁通势完全抵消的条件是由于绕组对称,所以 。因此,只要 即补偿绕组的所接阻抗Ze 与负载阻抗ZL 相等,则将得到完全补偿,即二次侧完全补偿条件是:补偿
18、阻抗等于负载阻抗。即 这时转子两绕组磁通势在直轴方向的分量为 直轴合成磁通势Fd式(4-22)、(4-23)和(4-27)。说明在二次侧完全补偿的条件下,转子绕组产生的合成磁通势的方向始终和励磁绕组轴线相一致。转子两个绕组产生的合成直轴磁通势Fd 与转角 无关,是一个常数。消除横轴磁场的影响除采用二次侧补偿外,还可采用一次侧补偿方法。(4-22)(4-23)(4-24)(4-25)(4-26)(4-27)28.2、一次侧补偿的正余弦旋转变压器 一次侧补偿时旋转变压器的接线如图4.22 所示,定子绕组 加励磁电源电压,绕组D3-D4 接有补偿用的阻抗Z,转子绕组接有负载作为输出绕组,另一个转子绕
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