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

文章目录

• 概述
• 结构
• 工作原理
• • 空载运行
  • 负载运行
  • • 副边补偿
    • 原边补偿
  • 线性旋转变压器
  • 旋变的主要参数
• 旋转变压器的应用
• • 角度测量元件
  • 感应移相器
  • 其他应用
  • 使用注意事项
• 多极旋转变压器

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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：

1. 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。
2. 线性旋变：在一定范围内，其输出电压与转角呈线性关系。
3. 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：

1. 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
2. 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：

结构

以两极有刷旋变为例：

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$S_1{S}_3$接励磁电压，其他绕组均开路。

两个绕组中感应电势的有效值：
$$\begin{gathered} E_{R13}=E_R\cos \theta \\ {E}_{R24}=E_R\sin \theta \end{gathered}$$，称$R_1{R}_3$为余弦绕组，$R_2{R}_4$为正弦绕组

负载运行

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。

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。

交轴磁势完全抵消的条件是：$Z_L^{\prime }=Z_L$
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$Z_L^{\prime }=Z_L$，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。

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$S_1{S}_3$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：

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：

使用时仍需注意转角范围限制。

旋变的主要参数

1. 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
2. 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
3. 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。
4. 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。
5. 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
6. 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
     ${\delta }_s(\%)=(\frac{U_{\alpha }}{U_{\alpha =90°}}-\sin \alpha )\times 100\%$
   • 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$°$），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

1. 小角度内是线性测量元件。
2. 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。
3. 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

转子开路输出

按照其并联关系列方程组：

输出电压的相位滞后输入角度$\alpha 45°$

以上是空载情况，在带载情况下，还需满足：

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

1. 解算元件：定子$S_1{S}_3$输入$U_1$，原边补偿。测量转子正弦绕组$R_2{R}_4$电压$U_2$，当两个电压相等时，转子偏转角度$\theta =\arcsin \frac{U_2}{U_1}$
2. 矢量运算：旋变的变比为1
   • 矢量分解：定子$S_1{S}_3$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$S_1{S}_3$输入$U_y$，$S_2{S}_4$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
3. 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

1. 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
2. 使用时首先要准确调准零位
3. 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
4. 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
5. 分体式旋变安装时要保证定、转子同心
6. 励磁电压频率要与最大转速匹配
7. 旋变结构尺寸、转子转动惯量要匹配机械系统要求
8. 注意不同的励磁方式需要不同的解调电路
9. 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：
$$\begin{gathered} U_{s(p)}=U_{m(p)}\sin p\theta \\ {U}_{c(p)}=U_{m(p)}\cos p\theta \end{gathered}$$
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

如图：测量${\theta }_1{\theta }_2$角度差，并驱动电机使其趋于相等

粗精转换电路，当失调角小的时候输出精测通道，失调角度大的时候输出粗测通道。