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1、河北工程大学信电学院河北工程大学信电学院 第第 4 4 章章旋旋 转转 变变 压压 器器4.1 概述概述第第4 4章章 旋转变压器旋转变压器4.2 正余弦旋转变压器的正余弦旋转变压器的工作原理工作原理第第4 4章章 旋转变压器旋转变压器本章要求：本章要求：掌握正余弦变压器的结构特点掌握正余弦变压器的结构特点熟练掌握正余弦变压器的工作原理熟练掌握正余弦变压器的工作原理4.14.1 概概 述述 旋转变压器是一种旋转变压器是一种能转动的变压器能转动的变压器。这种。这种变压器的原、付绕组分别放置在定、转子上。变压器的原、付绕组分别放置在定、转子上。原、付原、付绕组之间的绕组之间的电磁耦合程度与转子的转
2、角电磁耦合程度与转子的转角有关有关，因此，转子绕组的，因此，转子绕组的输出电压也与转子的输出电压也与转子的转角有关转角有关。当旋转变压器的原边施加交流电压励磁时，当旋转变压器的原边施加交流电压励磁时，其副边输出电压将与转子的转角保持某种严格其副边输出电压将与转子的转角保持某种严格的函数关系，从而实现角度的检测、解算或传的函数关系，从而实现角度的检测、解算或传输等功能。输等功能。控制电机控制电机一、旋转变压器的分类一、旋转变压器的分类（按有按有无电刷无电刷与滑环与滑环）接触式旋转变压接触式旋转变压器器无接触式旋转变无接触式旋转变压器压器（按电按电机的极机的极数数）两极式两极式旋转变压旋转变压器器
3、多极式多极式旋转变压旋转变压器器（按输出电按输出电压与转子转角压与转子转角间的函数关系间的函数关系）正余弦旋转变压器正余弦旋转变压器比例式旋转变压器比例式旋转变压器线性旋转变压器线性旋转变压器其它其它控制电机控制电机 根据根据应用场合的不同应用场合的不同，旋转变压器又可以分为，旋转变压器又可以分为两两大类大类：一类是解算用旋转变压器一类是解算用旋转变压器，如利用正余弦旋转，如利用正余弦旋转变压器进行坐标变换、角度检测等，这已在数控机床变压器进行坐标变换、角度检测等，这已在数控机床及高精度交流伺服电动机控制中得以应用；及高精度交流伺服电动机控制中得以应用；另一类是另一类是随动系统中角度传输用旋转
4、变压器随动系统中角度传输用旋转变压器，这与控制式自整，这与控制式自整角机的作用相同，也可以分为角机的作用相同，也可以分为旋变发送机、旋变差动旋变发送机、旋变差动发送机和旋变变压器发送机和旋变变压器等，只是利用旋转变压器组成的等，只是利用旋转变压器组成的位置随动系统，其角度传送精度更高，因此多用于高位置随动系统，其角度传送精度更高，因此多用于高精度随动系统中。精度随动系统中。控制电机控制电机2595旋转变压器旋转变压器 用途用途：在随动系在随动系统中提供位置反馈或统中提供位置反馈或解算信号，本产品已解算信号，本产品已用于某装备的惯性定用于某装备的惯性定位、定向系统中。位、定向系统中。2914旋旋
5、转转差差动变压动变压器器 用途：在旋转运动用途：在旋转运动的随动系统中，提供的随动系统中，提供位置反馈信号。已用位置反馈信号。已用于某系统中。于某系统中。控制电机控制电机2909旋转变压器旋转变压器(低频低频)用途用途：在随动系在随动系统中提供位置反馈或统中提供位置反馈或解算信号，本产品已解算信号，本产品已用于某惯性导航的稳用于某惯性导航的稳定平台中。定平台中。用途用途：在随动系在随动系统中提供位置反馈或统中提供位置反馈或解算信号，解算信号，本产品已本产品已用于某惯性导航的稳用于某惯性导航的稳定平台中。定平台中。2532旋转变压器旋转变压器(高频高频)控制电机控制电机本章以单极、接触式旋转变压
6、器为对象本章以单极、接触式旋转变压器为对象进行详细介绍。进行详细介绍。控制电机控制电机二、二、旋转变压器的结构特点旋转变压器的结构特点旋转变压器由定、转子两大部分组成。定、转旋转变压器由定、转子两大部分组成。定、转子铁心由导磁性能良好的子铁心由导磁性能良好的硅硅钢片叠成，定子铁钢片叠成，定子铁心内圆和转子铁心外圆上均布有齿槽。心内圆和转子铁心外圆上均布有齿槽。在定子槽中分别布置有两个空在定子槽中分别布置有两个空间互成间互成90o的绕组的绕组，一个是定，一个是定子子激磁激磁绕组，一个为定子交轴绕组，一个为定子交轴绕组绕组(补偿补偿)，两套绕组的结构，两套绕组的结构是完全相同的。是完全相同的。D1
7、D2D3D4 D1D2定子定子激磁绕组激磁绕组 D3D4定子定子交轴绕组交轴绕组Z4Z3D1D2Z1Z2控制电机控制电机Z1Z2Z3Z4 在转子槽中分别布置有两个空间互成在转子槽中分别布置有两个空间互成90o的绕的绕组，一个正弦输出绕组，一个余弦输出绕组，组，一个正弦输出绕组，一个余弦输出绕组，两套绕组的结构是完全相同的。两套绕组的结构是完全相同的。Z1Z2余弦余弦输出绕组输出绕组Z3Z4正弦正弦输出绕组输出绕组D1D2D3D4 D1D2定子定子激磁绕组激磁绕组 D3D4定子定子交轴绕组交轴绕组Z4Z3D1D2Z1Z2控制电机控制电机 定、转子间的气隙是均匀的，气隙磁场一定、转子间的气隙是均匀
8、的，气隙磁场一般为两极。定子绕组引出线可直接引出或接到般为两极。定子绕组引出线可直接引出或接到固定的接线板上，而转子绕组引出线则通过滑固定的接线板上，而转子绕组引出线则通过滑环和电刷引出。环和电刷引出。对于线性旋转变压器，对于线性旋转变压器，因为转子转角有限，所以可因为转子转角有限，所以可以用软导线直接将转子绕组以用软导线直接将转子绕组接到固定的接线板上。接到固定的接线板上。Z4Z3D1D2Z1Z24.4.2 2 正余弦旋转变压器的工作原理正余弦旋转变压器的工作原理一、旋转变压器空载时一、旋转变压器空载时 输出绕组输出绕组Z1 Z2和和Z3 Z4以及定子交轴绕组以及定子交轴绕组D3D4开路，开
9、路，激磁绕组施加交流激磁电压激磁绕组施加交流激磁电压Us1。此时气隙中将产生一个脉振磁此时气隙中将产生一个脉振磁场场BD，该磁场的轴线在定子激磁该磁场的轴线在定子激磁绕组绕组D1D2的轴线上。的轴线上。Z1Z2Z3Z4Us1D1D2D3D4BD控制电机控制电机D1D2D3D4Us1BDZ1Z2Z3Z4 脉振磁场将在转子的输出脉振磁场将在转子的输出绕组绕组Z1 Z2和和Z3 Z4中中感应变压感应变压器电势。器电势。控制电机控制电机 设定子绕组设定子绕组D1D2轴线和轴线和余弦输出绕组余弦输出绕组Z1 Z2轴线的夹轴线的夹角为角为，旋转变压器激磁磁通旋转变压器激磁磁通D在在余余、正正弦输出绕组弦输
10、出绕组Z1Z2和和Z3 Z4中的感应电势分别为：中的感应电势分别为：ER1=4.44 f WRD cos =ER cosER2=4.44 f WRD cos(+90o)=-ER sinD1D2D3D4Us1BDZ1Z2Z3Z4ER1ER2控制电机控制电机ER1=4.44 f WRD cos=ER cosER2=4.44 f WRD cos(+90o)=-ER sinER为激磁绕组和输出绕组轴线重合时磁通为激磁绕组和输出绕组轴线重合时磁通D在在该输出绕组中的感应电势。该输出绕组中的感应电势。若若D在激磁绕组中的感应电势为在激磁绕组中的感应电势为ED，则：，则：ER/ED=WR /WD=k WR
11、和和 WD分别为输出绕组和激磁绕分别为输出绕组和激磁绕组的有效匝数；组的有效匝数；k表示变比或匝数表示变比或匝数比。比。Z1Z2Z3Z4Us1D1D2D3D4BDER1ER2ED 控制电机控制电机ER1=k ED cos则得：则得：ER2=-k ED sin忽略激磁绕组的电阻和漏抗，忽略激磁绕组的电阻和漏抗，则则ED=Us1，得：得：ER1=k Us1 cosER2=-k Us1 sin上式表明当电源电压不变时，上式表明当电源电压不变时，输输出电势与转子转角出电势与转子转角有严格的正、有严格的正、余弦关系余弦关系。Z1Z2Z3Z4Us1D1D2D3D4BDER1ER2ED 控制电机控制电机二、
12、旋转变压器带载时二、旋转变压器带载时D1D2D3D4Us1BDZ1Z2Z3Z4ZL 实验表明，图实验表明，图中中正弦输出绕正弦输出绕组组Z3Z4带上负载以后，其输出带上负载以后，其输出电压不再是转角的正弦函数。电压不再是转角的正弦函数。负载负载空载空载Um Um90o 0控制电机控制电机负载负载空载空载Um Um90o 0 左图表示了旋转变压左图表示了旋转变压器空载和负载时输出特性器空载和负载时输出特性的对比。的对比。负载负载电流越大，二电流越大，二者的差别也越大。者的差别也越大。这种输出特性偏离正余弦规律的现象称这种输出特性偏离正余弦规律的现象称为为输出特性的畸变输出特性的畸变。畸变的原因是
13、什么？如何消除？畸变的原因是什么？如何消除？控制电机控制电机D1D2D3D4Us1BDZ1Z2Z3Z4ZL三、输出特性畸变原因三、输出特性畸变原因IR2BzBZqBZd Z3 Z4 接上负载接上负载ZL时，绕时，绕组中有电流组中有电流IR2，IR2在在气隙中气隙中产生相应的脉振磁场产生相应的脉振磁场BZ。将将BZ 分解为分解为 BZd和和BZq。其中。其中BZd对对BD起去磁作用，定子外起去磁作用，定子外加交流电源将输出电流增加，加交流电源将输出电流增加，以维持以维持D轴方向轴方向的的合成磁通合成磁通（主磁通）基本不变（主磁通）基本不变（比空载（比空载略微减小）。略微减小）。负载交轴分量负载交
14、轴分量BZq无外加励磁与无外加励磁与其平衡。因此，其平衡。因此，负载时，气隙负载时，气隙中出现了交轴分量中出现了交轴分量BZq磁场磁场。控制电机控制电机 BZd对对BD起去磁作用，直起去磁作用，直轴主磁通（轴主磁通（BD）基本不）基本不变，所以负载直轴磁通对输变，所以负载直轴磁通对输出电压畸变的影响小。出电压畸变的影响小。引起输出电压畸变的主要引起输出电压畸变的主要原因是副边电流所产生的交原因是副边电流所产生的交轴磁场分量轴磁场分量BZq。D1D2D3D4Us1BDZ1Z2Z3Z4ZLIR2BzBZqBZdBD控制电机控制电机BZq=BZ cos q BZ cos 设设 q与与输出绕组输出绕组
15、Z3Z4交交链的磁通为链的磁通为 q34，则则 q34 =q cos q34 BZ cos2 D1D2D3D4Us1BDZ1Z2Z3Z4ZLIR2BzBZqBZdBD控制电机控制电机磁通磁通 q34在在Z3Z4绕组中所产生的感应电势也是绕组中所产生的感应电势也是一个变压器电势，其有效值为一个变压器电势，其有效值为Eq34=4.44 f WRq34 BZ cos2 旋转变压器正弦输出绕组旋转变压器正弦输出绕组Z3Z4接上负载后，除接上负载后，除了存在了存在ER2=-k Us1 sin电势外，还附加了正比电势外，还附加了正比于于BZ cos2 的的电势电势Eq34。Eq34的出现破坏了输出电压随的
16、出现破坏了输出电压随转角作正弦变化的关系，造转角作正弦变化的关系，造成输出特性的畸变。成输出特性的畸变。Z1Z2Z3Z4ZLIR2BzBZqBZdEq34Bq34ER2控制电机控制电机Eq34 BZ cos2 在一定的转角下，在一定的转角下，Eq34 正比于正比于 BZ，而，而BZ正比于正比于 IR2 ，所以负载电流越大，所以负载电流越大，Eq34也越大，输出特也越大，输出特性偏离正弦函数关系就越远。性偏离正弦函数关系就越远。因此，旋转变压器有载时，因此，旋转变压器有载时，输出特性的畸变，主要是由输出特性的畸变，主要是由交轴磁通交轴磁通引起的。引起的。为了消除为了消除畸变，就必须设法消除交轴畸
17、变，就必须设法消除交轴磁通的影响磁通的影响。消除畸变的方。消除畸变的方法称为补偿。法称为补偿。Z1Z2Z3Z4ZLIR2BzBZqBZdEq34Bq34ER2控制电机控制电机四、消除畸变方法四、消除畸变方法1 原边补偿的正余弦旋转变压器原边补偿的正余弦旋转变压器 旋转变压器接线如图。由旋转变压器接线如图。由图可以看出，定子交轴绕组图可以看出，定子交轴绕组D3D4对交轴磁通对交轴磁通 q来说是一来说是一个阻尼线圈。个阻尼线圈。因为交轴磁通在绕组因为交轴磁通在绕组D3D4中要产生感应电势及其感中要产生感应电势及其感应电流。应电流。Z1Z2Z3Z4ZLD1D2D3D4Us1BDZ q控制电机控制电机
18、 根据楞次定律，该感应电流所产根据楞次定律，该感应电流所产生的磁通是反对交轴磁通变化的，因生的磁通是反对交轴磁通变化的，因而对交轴磁通起去磁作用，从而达到而对交轴磁通起去磁作用，从而达到补偿的目的。补偿的目的。为了更好地抵消交轴磁通，因为了更好地抵消交轴磁通，因此常把交轴绕组直接短路。此常把交轴绕组直接短路。Z1Z2Z3Z4ZLD1D2D3D4Us1BDZ q q1控制电机控制电机2、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，就是指副边就是指副边接对称负载接对称负载，如图。，如图。正弦输出绕组正弦输出绕组Z3Z4接上负载接上负
19、载ZL，余弦输出绕组余弦输出绕组Z1Z2接阻抗接阻抗Z，Z=ZL此时输出电压和转角此时输出电压和转角之间可以保持严格的正余弦关之间可以保持严格的正余弦关系。系。交轴磁场抵消等于零；交轴磁场抵消等于零；总负载磁场与励磁磁场反向总负载磁场与励磁磁场反向。D1D2D3D4Us1BDZ1Z3Z4ZLZBZI12BZ12I34BZ34控制电机控制电机 要达到完全补偿，正、余弦输出绕组中感应电动势的大小和相位要达到完全补偿，正、余弦输出绕组中感应电动势的大小和相位应与空载时一样，即应与空载时一样，即 在正、余弦在正、余弦绕组绕组中中产产生的磁生的磁场场分分别为别为 此此时时，转转子子绕组绕组中的中的电电流
20、流 和和 分分别为别为控制电机控制电机完全补偿应满足下式完全补偿应满足下式 所以应使所以应使 要达到完全补偿必须保证在任何条件下两输出绕组的负要达到完全补偿必须保证在任何条件下两输出绕组的负载阻抗总是相等，当负载阻抗载阻抗总是相等，当负载阻抗 变化时，补偿阻抗变化时，补偿阻抗 也应也应跟着作相应的变化，这在实际使用中存在一定难度，这是二跟着作相应的变化，这在实际使用中存在一定难度，这是二次侧补偿存在的缺点。次侧补偿存在的缺点。原边补偿时，交轴绕组短路，这与负原边补偿时，交轴绕组短路，这与负载阻抗无关，因此原边补偿易于实现。载阻抗无关，因此原边补偿易于实现。控制电机控制电机Z1Z2Z3Z4ZLZ
21、D1D2D3D4Us1BDZ 对于减小误差来对于减小误差来说，同时采用原、副说，同时采用原、副边补偿是最有利的，边补偿是最有利的，此时旋转变压器的四此时旋转变压器的四个绕组全部用上。如个绕组全部用上。如图所示。图所示。3、原副边同时补偿的正余弦旋转变压器、原副边同时补偿的正余弦旋转变压器4.4.3 3 线性旋转变压器线性旋转变压器 输出电压与转角成正比，即输出电压与转角成正比，即 U=k 的旋转变的旋转变压器叫作线性旋转变压器。压器叫作线性旋转变压器。正余弦旋转变压器在正余弦旋转变压器在转角转角 很小时很小时，sin ，输出电压近似可以看成是转角的输出电压近似可以看成是转角的线性线性函数；函数
22、；若要求线性度在若要求线性度在0.1%范围内（输出特性与理想直范围内（输出特性与理想直线偏差的相对值），则线偏差的相对值），则 角不能超过角不能超过 4.5o。若若转转角范围较大角范围较大，则旋转变压器，则旋转变压器不能满足要求不能满足要求。为使输出电压在较大的转角为使输出电压在较大的转角范围内与转角成正比，即范围内与转角成正比，即 U=k ，则需改变接线则需改变接线。U 0控制电机控制电机ER2=-k ED sinER1=k ED cosUs1=ED+k ED cosUR2 ER2=k ED sin Z1Z2Z3Z4ZLD1D2D3D4Us1UR2原边补偿的线性旋转变压器原边补偿的线性旋转变
23、压器ER2ER2ER1EDBD控制电机控制电机UR2(V)经数学推导证明，当经数学推导证明，当k 0.52 时，在时，在=40。范围内，输出电压和转角成线性范围内，输出电压和转角成线性关系，并且与理想直线相比较，误差不超关系，并且与理想直线相比较，误差不超过过0.1%。4.4.4 4 旋转变压器的主要性能指标旋转变压器的主要性能指标一、正余弦函数误差一、正余弦函数误差 n n的含义为：正余弦旋转变压器的含义为：正余弦旋转变压器原边原边一相加激磁电压一相加激磁电压，另，另一相短一相短接接，在不同转角时，两相，在不同转角时，两相输出输出绕绕组的感应组的感应电势与理论正余弦函数电势与理论正余弦函数之
24、差之差对对最大理论最大理论输出电压之比输出电压之比。误差范围为：误差范围为：（0.020.3）%。这这种误差直接影响作为解算元件的种误差直接影响作为解算元件的解算精度。解算精度。Z1Z2Z3Z4Us1D1D2D3D4BDER1ER2ED ER1=k ED cosER2=-k ED sin控制电机控制电机二、线性误差二、线性误差 x x的含义为：线性旋转变压器在工作转角的含义为：线性旋转变压器在工作转角范围内，在不同转角时，实际输出电压和理论范围内，在不同转角时，实际输出电压和理论值之差对理论最大输出电压之比。误差范围为：值之差对理论最大输出电压之比。误差范围为：（0.050.3）%。工作转角范
25、围一般为工作转角范围一般为 40。UR2(V)理论线理论线实际线实际线控制电机控制电机三、电气误差三、电气误差d 正余弦正余弦旋转变压器在不旋转变压器在不同转角位置范围，其两个输出同转角位置范围，其两个输出绕组绕组电压之比等于相应的理论电压之比等于相应的理论电气角的正切（或余切）时电气角的正切（或余切）时，实际实际电气位置与电气位置与理论电气位置理论电气位置的的机械角度差机械角度差叫做电气误差。叫做电气误差。误差范围为：误差范围为：3，18，。Z1Z2Z3Z4Us1D1D2D3D4BDER1ER2ED 控制电机控制电机四、四、零位误差零位误差0 正余弦旋转变压器定子一正余弦旋转变压器定子一相绕
26、组短接，另一相绕组加额相绕组短接，另一相绕组加额定激磁电压时，两相定激磁电压时，两相输出输出绕组绕组电压的基波同相分量电压的基波同相分量为为 0 时叫时叫做电气零位做电气零位。实际电气零位与。实际电气零位与理论电气零位理论电气零位（0。，90。，180。，270。）之差叫做零位误差。之差叫做零位误差。误差范围为：误差范围为：3，22，。Z1Z2Z3Z4Us1D1D2D3D4BDER1ER2ED ER1=k ED cosER2=-k ED sin控制电机控制电机五、零位电压五、零位电压U0 转子转子处于实际电气零处于实际电气零位时的输出电压位时的输出电压称为零位称为零位电压，其误差范围为额定电压
27、，其误差范围为额定电压的电压的（0.010.04）%。Z1Z2Z3Z4Us1D1D2D3D4BDER1ER2ED ER2=-k ED sin控制电机控制电机六、输出相位移六、输出相位移 输出电压基波分量与输出电压基波分量与输入电压基波分量的相位输入电压基波分量的相位差叫差叫输出相位移输出相位移。误差范围。误差范围为：为：3。22。Z1Z2Z3Z4Us1D1D2D3D4BDER1ER2ED 控制电机控制电机 电气误差、正余弦函数误电气误差、正余弦函数误差和零位误差差和零位误差直接影响解算装直接影响解算装置和数据传递系统的精度，所置和数据传递系统的精度，所以正余弦旋转变压器的精度等以正余弦旋转变压
28、器的精度等级由这三种误差来决定。级由这三种误差来决定。Z1Z2Z3Z4Us1D1D2D3D4BDER1ER2ED 4.54.5 旋转变压器的应用举例旋转变压器的应用举例一、测量角度差一、测量角度差磁场空间位置如图磁场空间位置如图D1D2D3D4Eo 1Us1Z1Z2Z3Z4BDD1D2D3D4Z3Z4 1 1 2 2 1-2旋变发送机旋变发送机旋变接收机旋变接收机转子相对标准位置转子相对标准位置分别偏移分别偏移 1和和 2。Eo=Eomsin(1-2)接收机的输出与转接收机的输出与转角之差（角之差（1-2）的正弦成正比。的正弦成正比。控制电机控制电机二、利用旋转变压器求反三角函数二、利用旋转变
29、压器求反三角函数已知已知E1和和E2值，利用旋转变压值，利用旋转变压器求反余弦函数：器求反余弦函数：转子加转子加E1大小的励磁；大小的励磁；定子余弦绕组与外加电定子余弦绕组与外加电源源E2串联，输出控制伺串联，输出控制伺服电动机；服电动机；伺服电动机伺服电动机驱动旋变转子转动驱动旋变转子转动。D1D2D3D4E1Z1Z2Z3Z4BDE2ER1变比变比K=1控制电机控制电机D1D2D3D4E1Z1Z2Z3Z4BDE2ER1伺服电动机控制电压为；伺服电动机控制电压为；ER1-E2=E1cos-E2。伺服电动机在该电伺服电动机在该电压控制下驱动旋变压控制下驱动旋变转子旋转。转子旋转。当转子旋转到当转
30、子旋转到E1cos=E2时，电机停止。时，电机停止。变比变比K=1控制电机控制电机当转子旋转到当转子旋转到E1cos=E2时，电机停止。时，电机停止。D1D2D3D4E1Z1Z2Z3Z4BDE2ER1 转子转过的角度转子转过的角度 刚好刚好，满，满足要求的反余弦函数：足要求的反余弦函数：转子转角转子转角 就是所求的结果。就是所求的结果。控制电机控制电机 1 1D1D2D3D4 1Us1Z1Z2Z3Z4BDD1D2D3D4Z3Z4 2XT发送机发送机接收机接收机图示旋转变压器作控制式运行图示旋转变压器作控制式运行,1=150,2=100。试求。试求输出绕组的协调位置和失调角？输出绕组的协调位置和失调角？失调角失调角=1-215-10=5控制电机控制电机