第六章 選擇變壓器和自整角機

第六章旋轉(zhuǎn)變壓器與感應(yīng)同步器

9.1旋轉(zhuǎn)變壓器

9.1.1概述測量轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)角差，屬于控制微電機。外形結(jié)構(gòu)和電機相似，有定子和轉(zhuǎn)子。從原理上看，是一種可以旋轉(zhuǎn)的變壓器，原邊、副邊在定子和轉(zhuǎn)子上。原、副繞組之間的電磁耦合程度與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角有關(guān)，因此輸出電壓也與轉(zhuǎn)角有關(guān)。函數(shù)關(guān)系：正余弦旋變，線性旋轉(zhuǎn)變壓器。極數(shù)：兩極旋轉(zhuǎn)變壓器和多極旋轉(zhuǎn)變壓器。

9.1.2旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)與繞線式異步電動機相似。定子鐵心內(nèi)圓和轉(zhuǎn)子鐵心外圓上都有齒槽。兩極兩相分布繞組,軸線互相垂直。

9.1.3正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理一、空載運行旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出繞組是、?？蛰d時輸出繞組開路。定子繞組接交流激磁電壓，頻率為400Hz或50Hz。產(chǎn)生脈振磁場，位于的軸線上，并在繞組中感應(yīng)出電勢。設(shè)繞組軸線與脈振磁場軸線的夾角為

θ，該繞組的磁通的最大值Φ為該繞組感應(yīng)電勢有效值E為

軸線夾角為θ，兩個輸出繞組的感應(yīng)電勢的有效值分別為

是余弦繞組，是正弦繞組。旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出繞組接到阻抗很大的負載上時，可視為空載。

二、負載運行帶上負載的旋轉(zhuǎn)變壓器輸出電壓與正余弦函數(shù)之間出現(xiàn)誤差，誤差的大小與轉(zhuǎn)角和負載電流有關(guān)。轉(zhuǎn)角為45°時誤差最大。負載電流越大，誤差也越大。輸出電壓的大小取決于磁場。轉(zhuǎn)子負載電流改變磁場，引起輸出誤差。定量分析。將轉(zhuǎn)子電流磁密分解為直軸分量和交軸分量。副邊電流產(chǎn)生的直軸磁密被激磁繞組電流的負載分量抵消。原邊電流不能產(chǎn)生交軸磁勢，不能抵消轉(zhuǎn)子負載電流磁密的交軸分量，轉(zhuǎn)子電流磁密的交軸分量將完全存在于磁場中。交軸磁密使磁場發(fā)生了改變。

轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的磁勢為交軸磁勢為負載電流越大，交軸磁勢以及由它引起的輸出特性誤差也越大。

，交軸磁勢和交軸磁密最大，負載特性與空載特性之間出現(xiàn)最大偏差。負載時輸出電壓誤差是由負載電流的交軸磁勢引起的。

三、副邊補償?shù)恼嘞倚D(zhuǎn)變壓器副邊補償原理是，副邊兩個繞組都接負載，使交軸磁勢互相抵消。兩個磁勢的直軸分量方向相同，交軸分量則方向相反，互相抵消。若能使二者幅值相等，交軸磁勢就完全抵消。交軸磁勢完全抵消的條件是稱為副邊對稱補償。

三、副邊補償?shù)恼嘞倚D(zhuǎn)變壓器交軸磁勢完全抵消的條件是

稱為副邊對稱補償。轉(zhuǎn)子直軸磁勢副邊對稱補償時轉(zhuǎn)子直軸磁勢與轉(zhuǎn)角無關(guān)，旋變的輸入電流及輸入阻抗與轉(zhuǎn)角無關(guān)。

四、原邊補償?shù)恼嘞倚D(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器定子上還有一個繞組，軸線方向正是交軸方向。在這個繞組中通上電流，就可能抵消交軸磁勢。這個繞組中有感應(yīng)電勢，使該繞組通過阻抗閉合，就有電流。稱為原邊補償。補償繞組或

交軸繞組。補償阻抗。激磁電源內(nèi)阻抗

。負載電流產(chǎn)生的交軸磁勢完全被抵消，稱原邊對稱補償。電源內(nèi)阻很小，所以可以把補償繞組直接短路。優(yōu)點：簡單。

缺點：輸入電流及阻抗與轉(zhuǎn)角有關(guān)。

實際應(yīng)用時，為了減小誤差，可以同時采用原邊補償和副邊補償。小結(jié)采用了補償措施的正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的磁場是直軸方向，當(dāng)轉(zhuǎn)子相對于基準(zhǔn)繞組軸線轉(zhuǎn)動角時，正弦和余弦輸出繞組輸出交流電壓，相位相同，頻率相同。輸出電壓的有效值分別為

式中為最大的輸出電壓有效值。9.1.4線性旋轉(zhuǎn)變壓器

正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)角小時是線性元件，非線性誤差小于0.1%；，非線性誤差小于1%。忽略繞組的阻抗壓降時有

K為0.56～0.57，線性特性最佳。士60°范圍內(nèi)，誤差不超過0.1%。有效值符號不同時，表明對應(yīng)的交流電壓的相位相反，經(jīng)相敏檢波（解調(diào)）后的直流電壓極性相反。

9.1.5旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用

1.角度測量元件小角度，線性測量元件。在大角度范圍內(nèi),使用旋變轉(zhuǎn)換器模塊，將旋變的輸出信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出。2.特殊應(yīng)用用1對旋變測量在機械上不相連的兩個軸的轉(zhuǎn)角差。這時旋變的輸出電壓與兩軸的轉(zhuǎn)角差的正弦成正比，由于系統(tǒng)正常工作時轉(zhuǎn)角差較小，所以輸出電壓與兩軸的轉(zhuǎn)角差成正比，而與軸的轉(zhuǎn)角大小無關(guān)。左邊旋變轉(zhuǎn)軸與發(fā)送軸相連，稱旋變發(fā)送機，轉(zhuǎn)子繞組為激磁繞組和補償繞組。右邊的旋變轉(zhuǎn)軸與接收軸相連，稱為旋變變壓器，轉(zhuǎn)子繞組輸出電壓信號。兩機的定子繞組按相序?qū)?。旋變發(fā)送機的轉(zhuǎn)角為，旋變變壓器轉(zhuǎn)角為。旋變變壓器磁場與定子繞組軸線的夾角為。轉(zhuǎn)子繞組的感應(yīng)電勢有效值為9.2多極旋轉(zhuǎn)變壓器測量精度提高。1.結(jié)構(gòu)定子和轉(zhuǎn)子，兩相多極交流繞組。2.工作原理感應(yīng)電勢的產(chǎn)生原理與兩極旋變相同。但氣隙磁場是多極的，輸出電壓有效值隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角變化的周期不同。周期是360°/p

3.應(yīng)用測轉(zhuǎn)角或兩軸轉(zhuǎn)角差。注意在0°～360°范圍內(nèi)，多極旋轉(zhuǎn)變壓器輸出電壓是周期函數(shù)，從輸出電壓不能唯一確定轉(zhuǎn)角。實際系統(tǒng)中總是把兩極旋變與多極旋變配合使用，組成雙通道測角裝置，其中兩極旋變擔(dān)當(dāng)粗測，多極旋變實現(xiàn)精測，由粗精轉(zhuǎn)換電路完成數(shù)據(jù)組合。工作原理類似于游標(biāo)卡尺，大數(shù)看長尺，小數(shù)看游標(biāo)小尺。9.3感應(yīng)同步器高精度的轉(zhuǎn)角和線位移測量元件。直線式檢測直線位移，旋轉(zhuǎn)式檢測轉(zhuǎn)角。結(jié)構(gòu)固定部件和運動部件，其上都有繞組。兩部件上的平面繞組面對面地放置，氣隙為0.25mm。工作原理同多極旋變。在一個部件的繞組上通交流電壓激磁，在另一個部件的繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電勢，該電勢的有效值與相互位置有關(guān)。特點采用印制繞組，極數(shù)很多，可達幾百、上千個。配上適當(dāng)?shù)男盘柼幚黼娐房梢赃_到很高的測量精度。激磁電壓頻率一般是1～20kHz。感應(yīng)同步器的優(yōu)點：

1.具有很高的精度和分辯率。直線式感應(yīng)同步器的精度可達到1μm，直徑為300mm的旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器的精度可達1″。

2.抗干擾能力強。

3.結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、使用壽命長。固定部件和運動部件互不接觸，沒有摩擦。4.工藝性好，制造精度的要求不很高，成本較低。感應(yīng)同步器的缺點：

輸出信號弱，信號處理麻煩，配套信號處理設(shè)備（數(shù)顯表）復(fù)雜，價格高。9.3.1感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)直線式感應(yīng)同步器由定尺和滑尺兩部分組成，滑尺比定尺短。

印制繞阻屏蔽層基板厚度為10mm。目前高精度感應(yīng)同步器多采用非鐵磁材料作基板，如采用鋁基材料、玻璃等，這些材料沒有鐵磁物質(zhì)，可以減小誤差和提高精度。也有采用鐵磁材料作基板。繞組定尺繞組是連續(xù)的單相繞組，滑尺的繞組是分段繞組，按所處的磁場位置分為正弦繞組s和余弦繞組c，交替排列，各自串聯(lián)形成正弦和余弦兩相繞組。旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器由定子和轉(zhuǎn)子組成。繞組是由輻射狀的導(dǎo)片組成。轉(zhuǎn)子上的繞組是單相連續(xù)繞組，其徑向?qū)瑪?shù)也是極數(shù)。定子繞組是分段繞組，分為正弦和余弦兩大組，交替排列，各自串聯(lián)形成兩相繞組。直徑越大，精度越高。

9.3.2感應(yīng)同步器的工作原理一、直線式感應(yīng)同步器的工作原理極距τ是相鄰金屬片中心線間的距離。節(jié)距L=2τ，也稱檢測周期。正弦繞組s

和余弦繞組c相距3L/4。定尺繞組通交流電激磁，產(chǎn)生一個多極的脈振磁場，磁極之間的距離是τ，磁場分布周期是節(jié)距L

。脈振磁場在滑尺繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電勢，有效值隨滑尺位移作周期性變化，周期為節(jié)距L

。

有效值輸出電勢分解為基波和一系列諧波之和，其中諧波很小，所以輸出電勢可用基波分量表示。由于周期為L，所以正弦繞組s和余弦繞組c中的感應(yīng)電勢有效值是瞬時值繞組的感抗遠小于電阻，選擇適當(dāng)?shù)恼较蚝?，可認為感應(yīng)電勢領(lǐng)先激磁電壓90°。若二、旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器的工作原理單相繞組通電時形成磁場，磁極數(shù)與徑向?qū)瑪?shù)

N

相等。兩相鄰導(dǎo)片間的夾角就是磁極之間的距離，稱為極距（rad）。（rad）也稱為節(jié)距或檢測周期，它是磁場分布的周期。極對數(shù)p

為

感應(yīng)電勢有效值以L為周期，故有感應(yīng)電勢的瞬時值領(lǐng)先激磁電壓90°。若激磁電壓為三、關(guān)于感應(yīng)同步器感應(yīng)電勢的幾個結(jié)論定義電角，可將感應(yīng)電勢公式統(tǒng)一。直線式感應(yīng)同步器

rad旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器

rad采用完全相同的方法還可以得出下述結(jié)論：當(dāng)正弦繞組s和余弦繞組c中分別接上有效值為U的正弦（或余弦）交流激磁電壓時，它們在單相連續(xù)繞組中感應(yīng)的電勢有效值分別為（下標(biāo)2表示副端）無論是單相繞組激磁還是兩相繞組激磁，感應(yīng)電勢都屬于同頻率的正弦電勢，感應(yīng)電勢與激磁電壓的相位差是90°。一般取感應(yīng)電勢超前激磁電壓90°。9.3.3感應(yīng)同步器的信號處理方式感應(yīng)同步器作為測量元件，還需解決幾個問題。l）正余弦函數(shù)在一個周期內(nèi)并不是單值對應(yīng)關(guān)系。2）當(dāng)電角超出一個周期的范圍，這時必須記錄周期的個數(shù)才能確定電角。3）輸出電壓的誤差大。有鑒相型和鑒幅型兩種信號處理方式。兩類激磁方式。兩相繞組激磁——兩相激磁式。單相繞組激磁——單相激磁式。前面介紹工作原理時是以單相激磁式為例。目前在實用中多數(shù)用兩相激磁方式。

一、鑒相型處理方式

根據(jù)輸出電勢的相位來鑒別電角。

1）兩相激磁式在感應(yīng)同步器正弦繞組s、余弦繞組c上加幅值和頻率相同、相位差90°的交流激磁電壓單相繞組上感應(yīng)的電勢應(yīng)用疊加原理可知單相繞組總感應(yīng)電勢

2）單相激磁式單相繞組加激磁電壓移相90°后得輸出電勢

二、鑒幅型處理方式根據(jù)輸出信號的幅值鑒別電角。

1）兩相激磁式激磁電壓幅值變化。為指令位移角，是已知的。單相連續(xù)繞組的總感應(yīng)電勢為2）單相激磁式單相繞組中加激磁電壓：在正弦繞組s和余弦繞組c

的感應(yīng)電勢分別為：送入函數(shù)變壓器或其他裝置中處理：送入加法器相加后作為輸出信號輸出9.3.4鑒相型數(shù)字

編碼裝置一、鑒相型編碼原理將被測信號與基準(zhǔn)信號的相位進行比較，求出相位差并轉(zhuǎn)換成脈沖個數(shù)。整形電路，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，上升沿觸發(fā)。計數(shù)器只在

，

…時間內(nèi)計數(shù)。

曲線是由曲線向左平移得到的。一個脈沖所代表的相位移取決于，可見相位一數(shù)字轉(zhuǎn)換的精度和分辨率取決于時鐘脈沖周期。二、鑒相型數(shù)顯表三大部分1．位移變成電信號包括時鐘脈沖、絕對相位基準(zhǔn)、激磁、感應(yīng)同步器和濾波整形電路。2.求電信號相位并轉(zhuǎn)成數(shù)字包括時鐘脈沖、相對相位基準(zhǔn)和鑒相器。

3.計數(shù)及顯示包括計數(shù)脈沖門、顯示計數(shù)器、加減計數(shù)邏輯、絕對零點、譯碼顯示等。

9.3.5鑒幅型數(shù)顯表

兩相激磁式直線感應(yīng)同步器，激磁電壓輸出電勢的幅值指令角是已知的，代表感應(yīng)同步器的激磁電壓幅值。轉(zhuǎn)換計數(shù)器使數(shù)模轉(zhuǎn)換器改變滑尺激磁電壓的幅值即改變。

關(guān)健使感應(yīng)同步器激磁電壓的幅值隨著按正、余弦關(guān)系變化。函數(shù)變壓器這種變壓器的副端有很多抽頭，再配上電子開關(guān)線路就可以實現(xiàn)電壓的改變。脈沖調(diào)寬方法用方波信號激磁。

第一項基波與所要求的激磁電壓相似。用轉(zhuǎn)換計數(shù)脈沖改變激磁電壓方波的寬度可以精確地調(diào)整激磁電壓。優(yōu)點：集成化。

9.4自整角機分類：控制式自整角機和力矩式自整角機一、力矩式自整角機的結(jié)構(gòu)與工作原理自整角機是一種能對角位移或角速度的偏差自動整步的感應(yīng)式控制電機。屬于測位用微特電機。一般成對或多臺組合使用。9.4.1自整角機的結(jié)構(gòu)與工作原理通常采用兩極結(jié)構(gòu)，絕大部分采用凸極式結(jié)構(gòu)，頻率高、尺寸大的力矩式自整