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【图】旋转变压器的工作原理_旋转变压器的参数与性能指标

电工天下【变压器与电机】 编辑:dgjs123 发布时间:2015-09-16 20:23:02

旋转变压器的工作原理_旋转变压器的参数与性能指标

一、概述

1、旋转变压器的发展

旋转变压器用于运动伺服控制系统中,作为角度位置的传感和测量用。早期的旋转变压器用于计算解答装置中,作为模拟计算机中的主要组成部分之一。

其输出,是随转子转角作某种函数变化的电气信号,通常是正弦、余弦、线性等。这些函数是最常见的,也是容易实现的。在对绕组做专门设计时,也可产生某些特殊函数的电气输出。但这样的函数只用于特殊的场合,不是通用的。60年代起,旋转变压器逐渐用于伺服系统,作为角度信号的产生和检测元件。

三线的三相的自整角机,早于四线的两相旋转变压器应用于系统中。所以作为角度信号传输的旋转变压器,有时被称作四线自整角机。随着电子技术和数字计算技术的发展,数字式计算机早已代替了模拟式计算机。所以实际上,旋转变压器目前主要是用于角度位置伺服控制系统中。

由于两相的旋转变压器比自整角机更容易提高精度,所以旋转变压器应用的更广泛。特别是,在高精度的双通道、双速系统中,广泛应用的多极电气元件,原来采用的是多极自整角机,现在基本上都是采用多极旋转变压器。

旋转变压器是目前国内的专业名称,简称“旋变” 。俄文里称作“Вращающийся Трансформатор” ,词义就是“旋转变压器”。英文名字叫“resolver”,根据词义,有人把它称作为“解算器”或“分解器”。

作为角度位置传感元件,常用的有这样几种:光学编码器、磁性编码器和旋转变压器。由于制作和精度的缘故,磁性编码器没有其他两种普及。光学编码器的输出信号是脉冲,由于是天然的数字量,数据处理比较方便,因而得到了很好的应用。早期的旋转变压器,由于信号处理电路比较复杂,价格比较贵的原因,应用受到了限制。因为旋转变压器具有无可比拟的可靠性,以及具有足够高的精度,在许多场合有着不可代替的地位,特别是在军事以及航天、航空、航海等方面。

随着电子工业的发展,电子元器件集成化程度的提高,元器件的价格大大下降;另外,信号处理技术的进步,旋转变压器的信号处理电路变得简单、可靠,价格也大大下降。而且,又出现了软件解码的信号处理,使得信号处理问题变得更加灵活、方便。

这样,旋转变压器的应用得到了更大的发展,其优点得到了更大的体现。

和光学编码器相比,旋转变压器有这样几点明显的优点:①无可比拟的可靠性,非常好的抗恶劣环境条件的能力;②可以运行在更高的转速下。(在输出12 bit的信号下,允许电动机的转速可达60,000rpm。而光学编码器,由于光电器件的频响一般在200kHz以下,在12 bit时,速度只能达到3,000rpm);③方便的绝对值信号数据输出。

2、旋转变压器的应用

旋转变压器的应用,近期发展很快。除了传统的、要求可靠性高的军用、航空航天领域之外,在工业、交通以及民用领域也得到了广泛的应用。特别应该提出的是,这些年来,随着工业自动化水平的提高,随着节能减排的要求越来越高,效率高、节能显著的永磁交流电动机的应用,越来越广泛。

而永磁交流电动机的位置传感器,原来是以光学编码器居多,但这些年来,却迅速地被旋转变压器代替。可以举几个明显的例子,在家电中,不论是冰箱、空调、还是洗衣机,目前都是向变频变速发展,采用的是正弦波控制的永磁交流电动机。

目前各国都在非常重视的电动汽车中,电动汽车中所用的位置、速度传感器都是旋转变压器。

例如,驱动用电动机和发电机的位置传感、电动助力方向盘电机的位置速度传感、燃气阀角度测量、真空室传送器角度位置测量等等,都是采用旋转变压器。

在应用于塑压系统、纺织系统、冶金系统以及其他领域里,所应用的伺服系统中关键部件伺服电动机上,也是用旋转变压器作为位置速度传感器。旋转变压器的应用已成为一种趋势。

3、旋转变压器的结构

根据转子电信号引进、引出的方式,分为有刷旋转变压器和无刷旋转变压器。在有刷旋转变压器中,定、转子上都有绕组。转子绕组的电信号,通过滑动接触,由转子上的滑环和定子上的电刷引进或引出。由于有刷结构的存在,使得旋转变压器的可靠性很难得到保证。

因此目前这种结构形式的旋转变压器应用的很少,我们着重于介绍无刷旋转变压器。

目前无刷旋转变压器有两种结构形式。一种称作为环形变压器式无刷旋转变压器,另一种称作为磁阻式旋转变压器。

1)环形变压器式旋转变压器
图1示出环形变压器式无刷旋转变压器的结构。这种结构很好地实现了无刷、无接触。图中右侧部分是典型的旋转变压器的定、转子,在结构上和有刷旋转变压器一样的定、转子绕组,作信号变换。左侧是环形变压器。它的一个绕组在定子上,一个在转子上,同心放置。

转子上的环形变压器绕组和作信号变换的转子绕组相联,它的电信号的输入输出 由环形变压器完成。

旋转变压器1

2)磁阻式旋转变压器
图2是一个10对极的磁阻式旋转变压器的示意图。磁阻式旋转变压器的励磁绕组和输出绕组放在同一套定子槽内,固定不动。但励磁绕组和输出绕组的形式不一样。两相绕组的输出信号,仍然应该是随转角作正弦变化、彼此相差90°电角度的电信号。转子磁极形状作特殊设计,使得气隙磁场近似于正弦形。转子形状的设计也必须满足所要求的极数。可以看出,转子的形状决定了极对数和气隙磁场的形状。

磁阻式旋转变压器一般都做成分装式,不组合在一起,以分装形式提供给用户,由用户自己组装配合。

旋转变压器2

3)多极旋转变压器
图3多极旋转变压器的结构示意图。图3 a)、b) 是共磁路结构,粗、精机定、转子绕组公用一套铁心。所谓粗机,是指单对磁极的旋转变压器,它的精度低,所以称为粗机;精机是指多对极的旋转变压器,由于精度高,多对磁极的旋转变压器称为精机。

其中图3a) 表示的是旋转变压器的定子和转子组装成一体,由机壳、端盖和轴承将它们连在一起。称为组装式,图3b) 的定转子是分开的,称为分装式。图3c)、d) 是分磁路结构,粗、精机定、转子绕组各有自己的铁心。其中图4c)、d)都是组装式,只是粗、精机位置安放的形式不一样,图3c) 的粗、精机平行放置,图3d) 粗、精机是垂直放置,粗机在内腔。另外,很多时候也有单独的多极旋转变压器。应用时,若仍需要单对极的旋转变压器,则另外配置。

旋转变压器3

对于多极旋转变压器,一般都必须和单极旋转变压器组成统一的系统。在旋转变压器的设计中,如果单极旋转变压器和多极旋转变压器设计在同一套定、转子铁心中,而分别有自己的单极绕组和多极绕组。这种结构的旋转变压器称为双通道旋转变压器。如果单极旋转变压器和多极旋转变压器都是单独设计,都有自己的定、转子铁心。这种结构的旋转变压器称为单通道旋转变压器。

二、旋转变压器的工作原理

1、旋转变压器角度位置伺服控制系统

图4是一个比较典型的角度位置伺服控制系统。XF称作旋变发送机,XB称作旋变变压器。旋变发送机发送一个与机械转角有关的、作一定函数关系变化的电气信号;旋变变压器接受这个信号、并产生和输出一个与双方机械转角之差有关的电气信号。伺服放大器接受选变压器的输出信号,作为伺服电动机的控制信号。经放大,驱动伺服电动机旋转,并带动接受方旋转变压器转轴及其它相连的机构,直至达到和发送机方一致的角位置。

旋变发送机的初级,一般在转子上设有正交的两相绕组,其中一相作为励磁绕组,输入单相交流电压;另一相短接,以抵消交轴磁通,改善精度。次级也是正交的两相绕组。旋变变压器的初级一般在定子上,由正交的两相绕组组成;次级为单项绕组,没有正交绕组。

旋转变压器4

应该指出,由于结构的关系,磁阻式旋变只有旋变发送机,没有旋变变压器。

2、工作原理

旋转变压器有旋变发送机和旋变压器之分。作为旋变发送机它的励磁绕组是由单相电压供电,电压可以写为式(1)形式:

1)其中,U1m—励磁电压的幅值,ω—励磁电压的角频率。励磁绕组的励磁电流产生的交变磁通,在次级输出绕组中感生出电动势。(电工技术之家 www.dgjs123.com)当转子转动时,由于励磁绕组和次级输出绕组的相对位置发生变化,因而次级输出绕组感生的电动势也发生变化。又由于次级输出的两相绕组在空间成正交的90°电角度,因而两相输出电压如式(2)所示:

2)其中,U2Fs—正弦相的输出电压,U2Fc—余弦相的输出电压,U2Fm—次级输出电压的幅值;αF—励磁方和次级输出方电压之间的相位角,θF—发送机转子的转角。可以看出,励磁方和输出方的电压是同频率的,但存在着相位差。正弦相和余弦相在电的时间相位上是同相的,但幅值彼此随转角分别作正弦和余弦函数变化。

旋转变压器5

旋变发送机的两相次级输出绕组,和旋变变压器的原方两相励磁绕组分别相联。这样,式(2)所表示的两相电压,也就成了旋变变压器的励磁电压,并在旋变变压器中产生磁通φB。旋转变压器的单相绕组作为输出绕组,旋变发送机次级绕组和旋变变压器初级绕组中流过的电流为
旋转变压器6

式(4)表示在旋变发送机中,合成磁动势的轴线总是位于θF角上,亦即和励磁绕组轴线一致的位置上,和转子一起转动。可以知道,在旋变变压器中,合成磁动势的轴线相应地也是和A相绕组距θF角的位置上。只是由于电流方向相反,其方向也和在旋变发送机中相差180°。若旋变变压器转子转角为θB,则其单相输出绕组轴线和励磁磁场轴线夹角相差Δθ=θF-θB。那么,输出绕组的感应电动势应是:
旋转变压器77

将输出绕组在空间移过90°。这样,在协调位置时,输出电动势为零。此时,输出电动势和失调角的关系成为正弦函数:
旋转变压器8

图6旋变变压器输出电动势和失调角的关系曲线

从图6和式(6)可以看出,输出电动势有两个为零的位置,即Δθ=0°和在Δθ=180°。在0°和180°范围内,电动势的时间相位为正, 在 180°和 360°范围内, 电动势的时间相位变化了
180°。Δθ=180°的这个点属于不稳定点,因为在这个点上,电动势的梯度为负。当有失调角时,旋变变压器输出绕组电动势不为零,这个电动势控制伺服放大器去驱动伺服电动机,驱使旋变变压器和其它装置转到协调位置。这时,输出绕组的输出为零,伺服电动机停止工作。因此,根据信号幅值大小和正、负方向工作的伺服电动机,总是把旋变变压器的转轴带到稳定工作点Δθ= 0°的位置上。

3、旋转变压器单独作为测角元件
在很多场合下,旋转变压器可以单独作为测角元件用,直接和角度信号变换单元连接,由角度变换单元输出角度信号数据。磁阻式旋变就是只起这个作用的。下面有关信号变换的部分将会说明。

三、旋转变压器的主要参数与性能指标

旋转变压器的主要指标:

1)额定励磁电压和励磁频率 励磁电压都采用比较低的数值,一般在10V以下。旋转变压器的励磁频率通常采用400Hz、以及(5~10)kHz之间。

2)变压比和最大输出电压 变压比是指当输出绕组处于感生最大输 出电压的位置时,输出电压和原边励磁电压之比。

3)电气误差 输出电动势和转角之间应符合严格的正、余弦关系。如果不符,就会产生误差,这个误差角称为电气误差。根据不同的误差值确定旋转变压器的精度等级。不同的旋转变压器类型,所能达到的精度等级不同。多极旋转变器可以达到高的精度,电气误差可以角秒(″)来计算;一般的单极旋转变压器,电气误差在(5′~15′)之内;对于磁阻式旋转变压器,由于结构原理的关系,电气误差偏大。磁阻式旋变一般都做到两对极以上。两对极磁阻式旋变的电气误差,一般做到60′(1°)以下。但是,在现代的理论水平和加工条件下,增加极对数,也可以提高精度,电气误差也可控制在数角秒(″)之内。

4)阻抗 一般而言,旋转变压器的阻抗随转角变化而变化,以及和初、次级之间相互角度位置有关。因此,测量时应该取特定位置。
有这样4个阻抗:开路输入阻抗、开路输出阻抗、短路输入阻抗、短路输出阻抗。
在目前的应用中,作为旋转变压器负载的电子电路阻抗都很大,因而往往都把电路看作空载运行。在这种情况下,实际上只给出开路输入阻抗即可。

5)相位移 在次级开路的情况下,次级输出电压相对于初级励磁电压在时间上的相位差。相位差的大小,随着旋转变压器的类型、尺寸、结构和励磁频率不同而变化。一般小尺寸、频率低、极数多时相位移大,磁阻式旋变相位移最大,环形变压器式的相位移次之。

6)零位电压 输出电压基波同相分量为零的点称为电气零位,此时所具有的电压称为零位电压。

7)基准电气零位 确定为角度位置参考点的电气零位点称作基准电气零位。

四、旋转变压器的信号变换

旋转变压器的信号输出是两相正交的模拟信号,它们的幅值随着转角做正余弦变化,频率和励磁频率一致。这样一个信号还不能直接应用,这就需要角度数据变换电路,把这样一个模拟量变换成明确的角度量,这就是RDC(Resolver Digital converter—旋转变压器数字变换器)电路。

在数字变换中有两个明显的特征:①为了消除由于励磁电源幅值和频率的变化,所引起的副边输出信号幅值和频率的变化,从而造成角度误差,信号的检测采用正切法,即检测两相信号的比值: ,这就避免了幅值和频率变化的影响;②采用适时跟踪反馈原理测角,是一个快速的数字随动系统,属于无静差系统。

目前采用的大多都是专用集成电路,例如美国AD公司的AD2S1200、AD2S1205 带有参考振荡器的12位数字R/D变换器以及AD2S1210 10到16位数字、带有参考振荡器的数字可变R/D变换器。图7是旋转变压器和RDC的连接图示意,位置信号和速度信号都是绝对值信号,它们的位数由RDC的类型和实际需要决定(10位到16位)。有两种形式的输出,

旋转变压器9

串行或并行。上述的几种RDC芯片,还可将输出信号变换成编码器形式的输出,即正交的A、B和每转一个的Z信号。励磁电源同时接到旋转变压器和RDC,在RDC中作为相位的参考。
利用DSP(数字信号处理器)技术和软件技术,不用RDC芯片,直接用DSP作旋转变压器位置和速度变换,已经成为现实。例如采用TI公司的DSP芯片TMS320F240就得到成功的应用。

用DSP实现旋转变压器的解码,优点:①降低成本,取消了专用的RDC IC芯片;②采用数字滤波器,可以消除速度带来的滞后效应。用软件实现带宽的变换,以折中带宽和分辨率的关系,并使带宽作为速度的函数;③抗环境噪声的能力更强。

五、几种类型旋转变压器的比较

由于结构形式和原理的不同,在性能和抗恶劣环境条件能力上,各种类型的旋转变压器的特点不一样。表1给出了情况比较。
表1 各种类型的旋转变压器性能、特点比较
旋转变压器10

表1指出,有刷旋转变压器可以得到最小的电气误差、最大的精度。

但是由于在结构上,存在着电的滑动接触,因此可靠性差;环形变压器型的旋变,也可达到高的精度,工艺性、结构情况、可靠性以及成本都比较好;磁阻式旋变的可靠性、工艺性、结构性以及成本都是最好的,但精度比其它两种低。

出于可靠性的考虑,目前有刷的旋转变压器,基本上不被采用,而是采用无刷的旋转变压器。

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