「自控元件及线路」9 旋转变压器-Toy模板网

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本节介绍旋转变压器的结构、原理、原副边补偿方法
本节介绍线性旋变、多极旋变
本节介绍旋变在测量角度、改变相位、位置解算等方面的应用

概述

旋转变压器，简称旋变，用来测量旋转物体的角位移。其本质是一个变压器，通过电磁耦合得到感应电压。原边和副边分别处于定子和转子上，其错开的角度不同，电磁耦合程度不同，副边所得电压幅值就不同，借此测量角度。
根据输出与输入的函数关系，可以分为：

正余弦旋变：其两个输出电压分别与转角呈正弦和余弦关系。
线性旋变：在一定范围内，其输出电压与转角呈线性关系。
比例式旋变：同正余弦旋变，但转子可锁紧在任意位置，以达到比例环节的作用。

根据磁极对数可以分为：两极旋变和多极旋变。根据结构形式可分为：接触式旋变和非接触式旋变、一体式和分体式旋变。
主要用途分两类：

解算用，用于座标运算和三角运算，包括正余弦旋变、线性旋变
传输用，将角位移信息从一处传递到另一处，包括旋变发送机、旋变变压器、旋变差动发送机

旋转变压器分有刷式和无刷式，其原理相同。有刷式通过电刷和滑环将输出信号引出，无刷式通过附加变压器将输出信号引出。

旋转变压器的电路符号：
「自控元件及线路」9 旋转变压器

结构

以两极有刷旋变为例：
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结构与绕线式异步电动机相似。定、转子铁心槽中分别嵌放两个轴线相互垂直的分布式绕组（绘图为了简便，等效为集中式绕组处理）

工作原理

空载运行

空载运行时除 $S_1S_3$ 接励磁电压，其他绕组均开路。
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两个绕组中感应电势的有效值：
$E_{R13}=E_R\cos \theta \\E_{R24}=E_R\sin \theta$ ，称 $R_1R_3$ 为余弦绕组， $R_2R_4$ 为正弦绕组

负载运行

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带负载后旋变输出电压与正余弦函数之间出现误差。转角45度时误差最大。负载电流越大，误差越大。称这种输出特性偏离理想正余弦规律的现象为畸变。
产生畸变的原因：带负载后副边有了电流，进而产生磁场，感应出感应电势，影响输出。

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想要补偿负载时输出电压的畸变，则应用没有利用的两个绕组：

副边补偿

首先介绍一下交轴和直轴。一般以与励磁绕组磁场轴线平行的轴为直轴，与直轴相正交的轴为交轴。
副边补偿的原理是，将副边两个绕组都接负载，使其产生的交轴磁势相互抵消。
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交轴磁势完全抵消的条件是： $Z_L'=Z_L$
直轴：

直轴磁势与转角无关，可以通过增大励磁电流进行补偿。

副边对称补偿要求 $Z_L'=Z_L$ ，对于负载阻抗变化的情况，很难实现完全补偿

原边补偿

原边补偿的原理是将原边补偿绕组闭合，利用其中感应电流产生的磁势抵消转子产生的交轴磁势。

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可以证明，原边对称补偿的条件是： $Z_s=Z_f$ ， $Z_f$ 为励磁电源内阻。
由于电源内阻很小，所以可以近似 $Z_s=0$ ，即把补偿绕组直接短路

使用原边补偿，则负载阻抗的改变不影响补偿程度。且不需要测量负载阻抗，直接短接就好，实现简单。

但缺点是 $S_1S_3$ 输入电流与转角有关，因此输入功率与输入阻抗都随转角变化。且由于负载变化时补偿磁场不变，因此不能完全消除畸变。

一般为了更好的补偿效果，会同时采用副边补偿和原边补偿

线性旋转变压器

对于正余弦规律：
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转角小时是线性元件。但精度有限、转角范围有限。

在结构不变的情况下扩大线性区：
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使用时仍需注意转角范围限制。

旋变的主要参数

额定电压。励磁绕组应加的电压，有12、16、26、36、60、90、110、115、220V等多种
额定频率。励磁电压的频率，从50~ 20kHz都有。50Hz公频使用方便但性能较差，400Hz性能较好但成本较高
变比。就是变压器的变比那个意思，不过在旋转变压器里，要求在规定的励磁绕组上加额定频率的额定电压，非励磁绕组与励磁绕组轴线一致，处于零位，开路输出，此时的输入输出电压之比为变比。一般有0.15、0.56、0.65、0.78、1.0和2.0等。
输出相位移。输出电压与输入电压的相位差。越小越好，一般在3~12度电角左右。
开路输入阻抗。输出绕组开路，从励磁绕组看见去的等效阻抗。标准开路阻抗有200、400、600、1000、2000、3000、4000、6000、10000等
旋变的误差
- 函数误差：在旋变励磁绕组上加额定电压，补偿绕组短路，在不同转角下，两个输出绕组实际输出特性和理想输出特性间的最大差值与理论最大输出值之比，一般在0.02~ 0.1%。函数误差直接影响作为解算元件的解算精度
  $\delta_s(\%)=(\displaystyle \frac{U_\alpha}{U_{\alpha=90\degree}}-\sin \alpha)\times100 \%$
- 零位误差：在旋变励磁绕组上加额定电压，补偿绕组短路，两个输出绕组的实际零位和理论零位之差，一般在2~ 10‘（角分）。零位误差直接影响计算和数据传输系统的精度
- 线性误差：旋变在一定的转角范围（一般为±60 $\degree$ ），采用线性旋变方式接线，转子的实际转角与理想特性对应转角的最大差值，用角分表示
  $%{\delta_1(\%)=\displaystyle \frac{U_\alpha'-U_\alpha}{U_{\alpha=60\degree}}\times100\%}$
- 电气误差：在不同转角 $\alpha$ 处，由输出电压所求理论转角与实际转角之差，用角分表示。是评价数据传输用旋变性能的主要指标

误差产生的原因：绕组谐波、齿槽、磁路饱和、材料、制造工艺、交轴磁场干扰等。
改进措施：提高加工工艺、原副边补偿、采用正弦绕组、短距绕组、改为斜槽

旋转变压器的应用

角度测量元件

小角度内是线性测量元件。
大角度范围时，使用旋转变压器转换器模块，将输出信号转换成数字量输出。
测量两个轴的转角差。

在这里需要注意两个问题：
1）发送机处，转子是一次侧，定子是二次侧，与之前相反
2）直轴位置，随励磁绕组不同而不同

感应移相器

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转子开路输出

按照其并联关系列方程组：
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输出电压的相位滞后输入角度 $\alpha\ 45\degree$

以上是空载情况，在带载情况下，还需满足：
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当高频域 $\omega$ 很大时， $R_{2r}<<X_{2r}$ ，为了保证精度，往往还在正弦绕组中串连一个补偿电阻 $R_{cp}$

其他应用

解算元件：定子 $S_1S_3$ 输入 $U_1$ ，原边补偿。测量转子正弦绕组 $R_2R_4$ 电压 $U_2$ ，当两个电压相等时，转子偏转角度 $\theta=\arcsin\frac{U_2}{U_1}$
矢量运算：旋变的变比为1
- 矢量分解：定子 $S_1S_3$ 输入 $U$ ，原边补偿。正弦绕组输出其直轴分量，余弦绕组输出交轴分量
- 矢量合成：定子 $S_1S_3$ 输入 $U_y$ ， $S_2S_4$ 输入 $U_x$ 。当转子余弦绕组输出为0时，正弦绕组输出其矢量和的幅值，转子转角输出其矢量和的相角
加减乘除：两个量以转角形式给出，用两台线性旋变，将两个输出串连，得到正比于两数和差的输出

使用注意事项

旋变应尽量在接近空载的状态下工作，应使负载阻抗远大于旋变输出阻抗
使用时首先要准确调准零位
只用一相励磁绕组时，需要进行原边补偿。给另一相绕组短路或接与励磁电源内阻相同的阻抗
同时使用两相励磁绕组，则只能采用副边补偿，故应使两相输出绕组的负载阻抗尽可能相等
分体式旋变安装时要保证定、转子同心
励磁电压频率要与最大转速匹配
旋变结构尺寸、转子转动惯量要匹配机械系统要求
注意不同的励磁方式需要不同的解调电路
注意环境湿度、震动等

多极旋转变压器

旋转变压器最主要的缺点就是精度不高，而多极旋变就是为了提高测量精度而设计的。
其工作原理与两极旋变完全相同，仅是磁场极对数增加，使得输出电压的有效值随转角变化的周期不同
对于p对极的多极旋变：
$U_{s(p)}=U_{m(p)}\sin{p\theta}\\U_{c(p)}=U_{m(p)}\cos{p\theta}$
在0~360度范围内，多极旋变的输出是周期性函数，因此仅从输出电压不能唯一确定转角。
在实际系统中把两极旋变和多极旋变配合使用，组成双通道测角系统，使用两极旋变粗测，多极旋变精测