控制電機(jī) 旋轉(zhuǎn)變壓器

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1、會(huì)計(jì)學(xué)1控制電機(jī)控制電機(jī) 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器n n 從電機(jī)原理來看,旋轉(zhuǎn)變壓器又是一種能旋轉(zhuǎn)的變壓器。這種變壓器的原、副邊繞組分別裝在定、轉(zhuǎn)子上。原、副邊繞組之間的電磁耦合程度由轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角決定,故轉(zhuǎn)子繞組的輸出電壓大小及相位必然與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角有關(guān)。按旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出電壓和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角間的函數(shù)關(guān)系,旋轉(zhuǎn)變壓器可分為正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器(代號(hào)為XZ)、線性旋轉(zhuǎn)變壓器(代號(hào)為XX)以及比例式旋轉(zhuǎn)變壓器(代號(hào)為XL)。其中,正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正余弦函數(shù)關(guān)系;線性旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)成正比;比例式旋轉(zhuǎn)變壓器在結(jié)構(gòu)上增加了一個(gè)鎖定轉(zhuǎn)子位置的裝置。第1頁/共122頁n

2、n 這些旋轉(zhuǎn)變壓器的用途主要是用來進(jìn)行坐標(biāo)變換、三角函數(shù)計(jì)算和數(shù)據(jù)傳輸、將旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)換成信號(hào)電壓,等等。根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸在系統(tǒng)中的具體用途,旋轉(zhuǎn)變壓器又可分為旋變發(fā)送機(jī)(代號(hào)為XF)、旋變差動(dòng)發(fā)送機(jī)(代號(hào)為XC)和旋變變壓器(代號(hào)為XB)。其實(shí),這里數(shù)據(jù)傳輸?shù)男D(zhuǎn)變壓器在系統(tǒng)中的作用與相應(yīng)的自整角機(jī)的作用是相同的。第2頁/共122頁n n 若按電機(jī)極對(duì)數(shù)的多少來分,可將旋轉(zhuǎn)變壓器分為單極對(duì)和多極對(duì)兩種。采用多極對(duì)是為了提高系統(tǒng)的精度。n n 若按有無電刷與滑環(huán)間的滑動(dòng)接觸來分類,旋轉(zhuǎn)變壓器可分為接觸式和無接觸式兩大類。n n 本章將以單極對(duì)、接觸式旋轉(zhuǎn)變壓器為研究對(duì)象闡明旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理、典型

3、結(jié)構(gòu)和誤差補(bǔ)償?shù)?。最后再?jiǎn)單介紹感應(yīng)同步器和感應(yīng)移相器如何分別被用作精密位移測(cè)量和移相的元件。第3頁/共122頁6.2 旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) n n 旋轉(zhuǎn)變壓器的典型結(jié)構(gòu)與一般繞線式異步電動(dòng)機(jī)相似。它由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成,每一大部分又有自己的電磁部分和機(jī)械部分,如圖 6-1所示,下面以正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的典型結(jié)構(gòu)分析之。第4頁/共122頁圖61旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)示意圖第5頁/共122頁n n 定子的電磁部分仍然由可導(dǎo)電的繞組和能導(dǎo)磁的鐵心組成。定子繞組有兩個(gè),分別叫定子勵(lì)磁繞組(其引線端為D1、D2)和定子交軸繞組(其引線端為D3、D4)。兩個(gè)繞組結(jié)構(gòu)上完全相同,它們都布置在

4、定子槽中,而且兩繞組的軸線在空間互成90,如圖6-2所示。定子鐵心由導(dǎo)磁性能良好的硅鋼片疊壓而成,定子硅鋼片內(nèi)圓處沖有一定數(shù)量的規(guī)定槽形,用以嵌放定子繞組。定子鐵心外圓是和機(jī)殼內(nèi)圓過盈配合,機(jī)殼、端蓋等部件起支撐作用,是旋轉(zhuǎn)電機(jī)的機(jī)械部分。第6頁/共122頁圖6-2正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器原理示意圖第7頁/共122頁6.3 正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理理 n n 6.3.1 空載運(yùn)行時(shí)的情況空載運(yùn)行時(shí)的情況n n 如圖 6-2 中,設(shè)該旋轉(zhuǎn)變壓器空載,即轉(zhuǎn)子輸出繞組和定子交軸繞組開路,僅將定子繞組D1-D2加交流勵(lì)磁電壓 。那么氣隙中將產(chǎn)生一個(gè)脈振磁密 ,其軸線在定子勵(lì)磁繞組的軸

5、線上。據(jù)自整角機(jī)的電磁理論,磁密 將在副邊即轉(zhuǎn)子的兩個(gè)輸出繞組中感應(yīng)出變壓器電勢(shì)。第8頁/共122頁n n 只是自整角機(jī)的副邊為發(fā)送機(jī)定子三相繞組,而這里的旋轉(zhuǎn)變壓器的副邊為轉(zhuǎn)子兩相繞組。這些變壓器電勢(shì)在時(shí)間上同相位,而有效值與對(duì)應(yīng)繞組的位置有關(guān)。設(shè)圖中余弦輸出繞組Z1-Z2軸線與脈振磁密 軸線的夾角為,仿照自整角機(jī)中所得出的結(jié)論公式(式 5-4),可以寫出這里的勵(lì)磁磁通 在正、余弦輸出繞組中分別感應(yīng)的電勢(shì)。n n ER1=ERcos 在Z1-Z2中n n ER2=ER cos(+90)=-ERsin 在Z3-Z4中(6-1)第9頁/共122頁n n 式中,ER為轉(zhuǎn)子輸出繞組軸線與定子勵(lì)磁繞組

6、軸線重合時(shí),磁通D在輸出繞組中感應(yīng)的電勢(shì)。若假設(shè)D在勵(lì)磁繞組D1-D2中感應(yīng)的電勢(shì)為ED,則旋轉(zhuǎn)變壓器的變比為式中,WR表示輸出繞組的有效匝數(shù);WD表示勵(lì)磁繞組的有效匝數(shù)。(6-2)第10頁/共122頁n n把式(6-2)代入式(6-1)得n n ER1=kuED cos n n ER2=-kuED sin(6-3)與變壓器類似,可忽略定子勵(lì)磁繞組的電阻和漏電抗,則ED=Us1,空載時(shí)轉(zhuǎn)子輸出繞組電勢(shì)等于電壓,于是式(6-3)可寫成 UR1=kuUs1cos UR2=-kuUs1sin(6-4)第11頁/共122頁n n 6.3.2 負(fù)載后輸出特性的畸變負(fù)載后輸出特性的畸變n n 旋轉(zhuǎn)變壓器在

7、運(yùn)行時(shí)總要接上一定的負(fù)載,如圖 6-3中Z3、Z4輸出繞組接入負(fù)載阻抗ZL。由實(shí)驗(yàn)得出,旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出電壓隨轉(zhuǎn)角的變化已偏離正弦關(guān)系,空載和負(fù)載時(shí)輸出特性曲線的對(duì)比如圖 6-4 所示。如果負(fù)載電流越大,兩曲線的差別也越大。這種輸出特性偏離理論上的正余弦規(guī)律的現(xiàn)象被稱為輸出特性的畸變。但是,這種畸變必須加以消除,以減少系統(tǒng)誤差和提高精確度。第12頁/共122頁圖6-3正弦輸出繞組接負(fù)載ZL第13頁/共122頁圖6-4輸出特性的畸變第14頁/共122頁n n 交軸分量磁通密度BZq的作用是引起旋轉(zhuǎn)變壓器輸出電壓畸變的主要原因。顯然,由于BZq=BZ cos,故它所對(duì)應(yīng)的交軸磁通q必定和BZ co

8、s成正比:n n qBZ cos (6-5)第15頁/共122頁n n 由圖 6-3可以看出,q與Z3-Z4輸出繞組軸線的夾角為,設(shè)q匝鏈Z3-Z4輸出繞組的磁通為q34,則n n q34=q cosn n 將式(6-5)代入上式,則n n q34BZ cos 2n n 磁通q34在Z3-Z4繞組中感應(yīng)電勢(shì)仍屬變壓器電勢(shì),其有效值為:n n q34=4.44fWZq34BZ cos 2 (6-6)第16頁/共122頁n n 式中,WZ為轉(zhuǎn)子上Z3-Z4輸出繞組的有效匝數(shù)。由上式知,旋轉(zhuǎn)變壓器Z3-Z4繞組接上 負(fù) 載 后,除 了 電 壓 UR2=-kuUs1sin以外,還附加了正比于BZ co

9、s2的電勢(shì)Eq34。這個(gè)電勢(shì)的出現(xiàn)破壞了輸出電壓隨轉(zhuǎn)角作正弦函數(shù)變化的規(guī)律,即造成輸出特性的畸變。而且在一定轉(zhuǎn)角下,Eq34正比于BZ,而BZ又正比于Z3-Z4繞組中的電流IR2,即IR2愈大,Eq34也愈大,輸出特性曲線畸變也愈嚴(yán)重。第17頁/共122頁n n 6.3.3 副副邊邊補(bǔ)補(bǔ)償償?shù)牡恼嘤嘞蚁倚D(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)變壓器n n 副邊補(bǔ)償?shù)恼嘞倚D(zhuǎn)變壓器實(shí)質(zhì)上就是副邊對(duì)稱的正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器,其電氣接線圖如圖6-5所示。其勵(lì)磁繞組D1-D2加交流勵(lì)磁電壓 ,D3-D4繞組開路;轉(zhuǎn)子Z1-Z2輸出繞組接阻抗Z,應(yīng)使阻抗Z等于負(fù)載阻抗ZL,方能使q12=q34(即FR1q=FR2q),以便得到

10、全面補(bǔ)償。第18頁/共122頁圖6-5副邊補(bǔ)償?shù)恼嘞倚D(zhuǎn)變壓器第19頁/共122頁n n 證明證明 設(shè)K為常數(shù),通過Z1-Z2繞組的電流為 ,產(chǎn)生的磁勢(shì)為 ;通過Z3-Z4繞組的電流為 ,產(chǎn)生磁勢(shì)為 ,則n n FR1=KIR1n n FR2=KIR2(6-7)第20頁/共122頁n n由圖 6-5知,交軸磁勢(shì)為n n FR1q=FR1sin=KIR1sinn n FR2q=FR2cos=KIR2cos (6-8)由圖6-5的電路關(guān)系得(6-9)第21頁/共122頁n n將式(6-9)代入式(6-8)得以下兩式:(6-10)(6-11)第22頁/共122頁n n 比較以上兩式,如果要求全補(bǔ)償

11、即FR1q=FR2q 時(shí),則只有Z=ZL。以上兩式的正負(fù)號(hào)也恰恰說明了不論轉(zhuǎn)角是多少,只要保持Z=ZL,就可以使要補(bǔ)償?shù)慕惠S磁勢(shì)FR2q(對(duì)應(yīng)于q34)和另一繞組產(chǎn)生的磁勢(shì)FR1q 大小相同,方向相反。從而消除了輸出特性曲線的畸變。第23頁/共122頁n n 6.3.4 原原邊邊補(bǔ)補(bǔ)償償?shù)牡恼嘤嘞蚁倚D(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)變壓器n n 用原邊補(bǔ)償?shù)姆椒ㄒ部梢韵惠S磁通的影響。接線圖如圖 6-6所示,此時(shí)定子D1-D2勵(lì)磁繞組接通交流電壓 ,定子交軸繞組D3-D4端接阻抗Z;轉(zhuǎn)子Z3-Z4正弦繞組接負(fù)載ZL,并在其中輸出正弦規(guī)律的信號(hào)電壓;Z1-Z2繞組開路。第24頁/共122頁圖6-6 原邊補(bǔ)償?shù)?/p>

12、正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器第25頁/共122頁n n 從圖 6-6 可以看出,定子交軸繞組對(duì)交軸磁通q34來說是具有阻尼作用的一個(gè)繞組。根據(jù)楞次定律,旋轉(zhuǎn)變壓器在工作時(shí)交軸磁通q34在繞組D3-D4中要感生電流,該電流所產(chǎn)生的磁通對(duì)交軸磁通q34有著強(qiáng)烈的去磁作用,從而達(dá)到了補(bǔ)償?shù)哪康?。同證明副邊補(bǔ)償?shù)姆椒愃?可以證明,當(dāng)定子交軸繞組外接阻抗Z等于勵(lì)磁電源內(nèi)阻抗Zn,即Z=Zn時(shí),由轉(zhuǎn)子電流所引起的輸出特性畸變可以得到完全的補(bǔ)償。因?yàn)橐话汶娫磧?nèi)阻抗Zn值很小,所以實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常把交軸繞組直接短路,同樣可以達(dá)到完全補(bǔ)償?shù)哪康?。?6頁/共122頁n n 6.3.5 原原、副副邊邊都都補(bǔ)補(bǔ)償償?shù)牡恼嘞?/p>

13、旋轉(zhuǎn)變壓器余弦旋轉(zhuǎn)變壓器n n 原邊和副邊都補(bǔ)償時(shí)的正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器如圖 6-7 所示,此時(shí)其四個(gè)繞組全部用上,轉(zhuǎn)子兩個(gè)繞組接有外接阻抗ZL和Z,允許ZL有所改變。n n 和單獨(dú)副邊或單獨(dú)原邊補(bǔ)償?shù)膬煞N方法比較,采用原、副邊都補(bǔ)償?shù)姆椒?對(duì)消除輸出特性畸變的效果更好。這是因?yàn)?單獨(dú)副邊補(bǔ)償時(shí)補(bǔ)償所用阻抗Z的數(shù)值和旋轉(zhuǎn)變壓器所帶的負(fù)載阻抗ZL的值必須相等。對(duì)于變動(dòng)的負(fù)載阻抗來說,這樣不能實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償。第27頁/共122頁n n 而單獨(dú)原邊補(bǔ)償時(shí),交軸繞組短路,此時(shí)負(fù)載阻抗改變將不影響補(bǔ)償程度,即與負(fù)載阻抗值的改變無關(guān),所以原邊補(bǔ)償顯得容易實(shí)現(xiàn)。但是同時(shí)采用原、副邊補(bǔ)償,對(duì)于減小誤差、提高系統(tǒng)性能

14、將是更有利的。第28頁/共122頁圖6-7原、副邊同時(shí)補(bǔ)償?shù)恼嘞倚D(zhuǎn)變壓器第29頁/共122頁6.4 線性旋轉(zhuǎn)變壓器線性旋轉(zhuǎn)變壓器 n n 線性旋轉(zhuǎn)變壓器是由正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器改變連接線而得到的。即將正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的定子D1-D2繞組和轉(zhuǎn)子Z1-Z2繞組串聯(lián),并作為勵(lì)磁的原邊。如圖6-8所示,定子交軸繞組D3-D4端短接作為原邊補(bǔ)償,轉(zhuǎn)子輸出繞組Z3-Z4端接負(fù)載阻抗ZL,如果將原邊施加交流電壓 后,轉(zhuǎn)子Z3-Z4繞組所感應(yīng)的電壓UR2與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角有如下關(guān)系:第30頁/共122頁n n 式中,當(dāng)變壓比ku取為0.560.59之間,則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角在60范圍內(nèi),輸出電壓UR2 隨轉(zhuǎn)角的變化將呈良好的線

15、性關(guān)系。如圖 6-9 曲線所示。(6-12)第31頁/共122頁圖6-8原邊補(bǔ)償?shù)木€性旋轉(zhuǎn)變壓器第32頁/共122頁圖6-9曲線第33頁/共122頁n n 輸出電壓UR2與轉(zhuǎn)角成正比即UR2=K的旋轉(zhuǎn)變壓器被稱為線性旋轉(zhuǎn)變壓器。當(dāng)轉(zhuǎn)角很小時(shí),sin,所以當(dāng)正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)角很小時(shí),輸出電壓近似是轉(zhuǎn)角的線性函數(shù)。但是,若要求在更大的角度范圍內(nèi)得到與轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系的輸出電壓,直接使用原來的正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器就肯定不能滿足要求。因此,將接線圖改為圖 6-8 的方式,與此圖對(duì)應(yīng)的表達(dá)式(6-12)就成了線性旋轉(zhuǎn)變壓器的原理公式。該式推導(dǎo)方法如下:第34頁/共122頁n n 在圖 6-8 中,由于采用

16、了原邊補(bǔ)償(當(dāng)然也可采用副邊補(bǔ)償),其交軸繞組被短接,即認(rèn)為電源內(nèi)阻抗Zn很小。交軸繞組的作用抵消了絕大部分的交軸磁通,可以近似認(rèn)為該旋轉(zhuǎn)變壓器中只有直軸磁通D。D在定子D1-D2繞組中感應(yīng)電勢(shì)ED,則在轉(zhuǎn)子Z3-Z4繞組中感應(yīng)的電勢(shì)為n n ER2=-kuED sinn n 在轉(zhuǎn)子Z1-Z2繞組中感應(yīng)的電勢(shì)為:n n ER1=kuED cos第35頁/共122頁n n 因?yàn)槎ㄗ覦1-D2繞組和轉(zhuǎn)子Z1-Z2繞組串聯(lián),所以若忽略繞組的漏阻抗壓降時(shí),則有 n n Us1=ED+kuED cosn n 又因?yàn)檗D(zhuǎn)子輸出繞組的電壓有效值UR2在略去阻抗壓降時(shí)就等于ER2,即n n UR2=-ER2=k

17、uED sinn n 故以上兩式的比值為第36頁/共122頁n n 上式和式(6-12)是一致的,根據(jù)此式,當(dāng)電源電壓Us1一定時(shí),旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出電壓UR2隨轉(zhuǎn)角變化曲線與圖 6-9 曲線一致。從數(shù)學(xué)推導(dǎo)可知,當(dāng)轉(zhuǎn)角=60 范圍內(nèi),而且變壓比ku=0.56時(shí),輸出電壓和轉(zhuǎn)角之間的線性關(guān)系與理想直線相比較,誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.1%,完全可以滿足系統(tǒng)要求。第37頁/共122頁6.5 旋轉(zhuǎn)變壓器的典型應(yīng)用旋轉(zhuǎn)變壓器的典型應(yīng)用 n n 旋轉(zhuǎn)變壓器廣泛應(yīng)用于解算裝置和高精度隨動(dòng)系統(tǒng)中及系統(tǒng)的裝置電壓調(diào)節(jié)和阻抗匹配等。在解算裝置中主要用來求解矢量或進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、求反三角函數(shù)、進(jìn)行加減乘除及函數(shù)的運(yùn)算等等;在

18、隨動(dòng)系統(tǒng)中進(jìn)行角度數(shù)據(jù)的傳輸或測(cè)量已知輸入角的角度和或角度差;比例式旋轉(zhuǎn)變壓器則是匹配自控系統(tǒng)中的阻抗和調(diào)節(jié)電壓。以下介紹三種典型例子。第38頁/共122頁圖6-10求=arccos(E2/E1)的接線圖第39頁/共122頁n n 6.5.1 用用旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變變壓壓器器求求反反三三角角函數(shù)函數(shù)n n 當(dāng)旋轉(zhuǎn)變壓器作為解算元件時(shí),其變比系數(shù)ku常設(shè)計(jì)為1。它和有關(guān)元件配合可以進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算、坐標(biāo)變換等。以下僅以求反三角函數(shù)為例來說明。即已知E1和E2值,如何求反余弦函數(shù)=arccos(E2/E1)的問題。第40頁/共122頁n n 接線圖如圖 6-10所示。電壓U1加在旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子繞組Z1-Z2

19、端,略去轉(zhuǎn)子繞組阻抗壓降則電勢(shì)E1=U1;定子繞組D1-D2端和電勢(shì)E2串聯(lián)后接至放大器,經(jīng)放大器放大后加在伺服電動(dòng)機(jī)的電樞繞組中,伺服電動(dòng)機(jī)通過減速器與旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)軸之間機(jī)械耦合。第41頁/共122頁n n Z1-Z2 繞組和D1-D2繞組設(shè)計(jì)制造的匝數(shù)相同,即ku=1,所以Z1-Z2繞組通過電流后所產(chǎn)生的勵(lì)磁磁通在D1-D2繞組中感應(yīng)電勢(shì)為E1cos。放大器的輸入端電勢(shì)便為E1 cos-E2。如果E1 cos=E2,此時(shí)伺服電動(dòng)機(jī)將停止轉(zhuǎn)動(dòng),則E2/E1=cos,因此轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角=arccos(E2/E1),這正是我們所要求的結(jié)果?？梢娎眠@種方法可以求取反余弦函數(shù)。第42頁/共122頁n n

20、 6.5.2 比例式旋轉(zhuǎn)變壓器比例式旋轉(zhuǎn)變壓器n n 比例式旋轉(zhuǎn)變壓器的用途是用來匹配阻抗和調(diào)節(jié)電壓的。若在旋轉(zhuǎn)變壓器的定子 繞 組 D1-D2端 施 以 勵(lì) 磁 電 壓 ,轉(zhuǎn)子繞組Z1-Z2從基準(zhǔn)電壓零位逆時(shí)針轉(zhuǎn)過角,則轉(zhuǎn)子繞組Z1-Z2端的輸出電壓為n n UR1=kuUf1cos n n 此式與式(6-4)的第一式相同。此時(shí),定子D3-D4繞組直接短路進(jìn)行原邊補(bǔ)償,轉(zhuǎn)子Z3-Z4 繞組開路。將上式改寫成:(6-13)第43頁/共122頁n n 上式中的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角在0360之間變化,也就是cos在+1.0-1.0范圍內(nèi)變動(dòng)。因變比ku為常數(shù),故比值UR1/Uf1將在ku的范圍內(nèi)變化。如果調(diào)節(jié)

21、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角到某定值,則可得到唯一的比值UR1/Uf1。這就是比例式旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理,在自控系統(tǒng)中,若前級(jí)裝置的輸出電壓與后級(jí)裝置需要的輸入電壓不匹配,可以在其間放置一比例式旋轉(zhuǎn)變壓器。將前級(jí)裝置的輸出電壓加在該旋轉(zhuǎn)變壓器的輸入端,調(diào)整比例式旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角到適當(dāng)值,即可得到輸出后級(jí)裝置所需要的輸入信號(hào)電壓。第44頁/共122頁n n 6.5.3 由由XF、XC、XB構(gòu)構(gòu)成成的角度數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的角度數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)n n 旋變發(fā)送機(jī)XF、旋變差動(dòng)發(fā)送機(jī)XC及旋變變壓器XB的結(jié)構(gòu)和本身的原理與正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器完全相同。由XF、XC、XB構(gòu)成的角度數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)(如圖 6-11所示)與由ZKF、ZK

22、C、ZKB組成的自整角機(jī)角度數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)具有相同的功用。由旋轉(zhuǎn)變壓器所構(gòu)成的角度傳輸系統(tǒng)也能精確地傳輸旋變發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角1與旋變差動(dòng)發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角2之差角1-2。1和2的正方向應(yīng)按照逆時(shí)針方向取正,順時(shí)針方向取負(fù)的原則來取。第45頁/共122頁圖6-11XF-XC-XB組成的角度數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)第46頁/共122頁n n 當(dāng)旋變變壓器XB的輸出繞組接一相或兩相不對(duì)稱負(fù)載時(shí),負(fù)載電流產(chǎn)生電樞反應(yīng),使氣隙中的正弦磁場(chǎng)發(fā)生畸變,會(huì)導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)變壓器輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正余弦函數(shù)的關(guān)系產(chǎn)生偏差,造成解算精度和數(shù)據(jù)傳輸精度下降。為了提高精度消除偏差,仍然采用原、副邊補(bǔ)償?shù)姆椒?效果將更好。第47頁/共122頁6

23、.6 多極和雙通道旋轉(zhuǎn)多極和雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器變壓器n n 為了提高系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)的精度要求,采用了由兩極和多極旋轉(zhuǎn)變壓器組成的雙通道伺服系統(tǒng)。這樣可以使精度從角分級(jí)提高到角秒級(jí)。雙通道中粗測(cè)道由一對(duì)兩極的旋轉(zhuǎn)變壓器組成,精測(cè)道由一對(duì)多極的旋轉(zhuǎn)變壓器組成。第48頁/共122頁n n 6.6.1 采采用用多多極極旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變變壓壓器器提提高系統(tǒng)精度的原理高系統(tǒng)精度的原理n n 對(duì)于多極旋轉(zhuǎn)變壓器來說,其工作原理和兩極旋轉(zhuǎn)變壓器相同,不同的只是定、轉(zhuǎn)子繞組所通過的電流會(huì)建立多極的氣隙磁場(chǎng)。因此使旋轉(zhuǎn)變壓器輸出電壓值隨轉(zhuǎn)角變化的周期不同。圖6-12中圖(a)表示兩極旋轉(zhuǎn)變壓器的磁場(chǎng)分布展開圖,圖(b)表示多

24、極旋轉(zhuǎn)變壓器的磁場(chǎng)分布展開圖。圖中設(shè)線圈的跨距等于一個(gè)極距。第49頁/共122頁n n 當(dāng)定子勵(lì)磁相加電壓時(shí),沿定子內(nèi)圓建立p對(duì)極的磁場(chǎng),每對(duì)極所對(duì)應(yīng)的圓心角為360/p。不難想象,轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過360/p,轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一對(duì)極的距離,輸出繞組電勢(shì)變化一個(gè)周期,變化情況與兩極旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)360的變化情況一樣。第50頁/共122頁圖6-12旋轉(zhuǎn)變壓器的展開圖(a)兩極旋轉(zhuǎn)變壓器;(b)多極旋轉(zhuǎn)變壓器第51頁/共122頁n n 與自整角機(jī)的情況一樣,當(dāng)一對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器作差角測(cè)量時(shí),其輸出電壓的大小是差角的正弦函數(shù)。兩極和多極旋轉(zhuǎn)變壓器的不同之處是,兩極時(shí)輸出電壓有效值大小隨差角作正弦變化的周期是3

25、60,多極時(shí)周期為360/p。亦即差角變化360時(shí),多極的旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出電壓就變化了p個(gè)周期,如圖 6-13 所示。若用表示差角,用U2(l)、U2(p)分別表示兩極和多極旋轉(zhuǎn)變壓器輸出電壓的有效值,則n n U2(l)=Um(l)sin (6-14)n n U2(p)=Um(p)sinp (6-15)第52頁/共122頁1兩極旋轉(zhuǎn)變壓器;2多極旋轉(zhuǎn)變壓器圖6-13一對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器作差角測(cè)量時(shí)的輸出電壓波形第53頁/共122頁n n 式中,Um(l)、Um(p)分別為兩極、多極旋轉(zhuǎn)變壓器的最大輸出電壓有效值。注意到多極旋轉(zhuǎn)變壓器每對(duì)極在定子內(nèi)圓上所占的角度360/p指的是實(shí)際的空間幾何角度,這

26、個(gè)角度被稱為機(jī)械角度。在四極及以上極數(shù)的電機(jī)中常常把一對(duì)極所占的360定義為電角度,這是因?yàn)槔@組中感應(yīng)電勢(shì)變化一個(gè)周期為360。對(duì)于兩極電機(jī),其定子內(nèi)圓所占電角度和機(jī)械角度相等均為360;而p對(duì)極電機(jī),其定子內(nèi)圓全部電角度為360p,但機(jī)械角度卻仍為360。所以二者存在以下關(guān)系:n n 電角度=機(jī)械角度極對(duì)數(shù) (6-16)第54頁/共122頁n n 這樣以來,式(6-14)和式(6-15)中正弦函數(shù)所對(duì)應(yīng)的角度實(shí)際上是用電角度表示的,這個(gè)電角度當(dāng)然和電壓(或電勢(shì)、電流)的時(shí)間相位角是對(duì)應(yīng)相等的。式(6-14)中為兩極時(shí)的電角度,式(6-15)中p為p對(duì)極時(shí)的電角度。經(jīng)比較可知，多極旋轉(zhuǎn)變壓器把

27、兩極時(shí)的角度放大了p倍。這就是采用多極旋轉(zhuǎn)變壓器組成的測(cè)量角度系統(tǒng)可以大幅度提高精度的原因。第55頁/共122頁n n 提高精度的原因可以用圖6-14的例子再加解釋。圖中曲線1表示作角度測(cè)量時(shí)兩極旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出電壓有效值波形,曲線2表示此時(shí)多極旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出電壓有效值波形。設(shè)在0角時(shí),兩極旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出電壓U0經(jīng)放大后尚不能驅(qū)動(dòng)交流伺服電動(dòng)機(jī)。但如果改用多極旋轉(zhuǎn)變壓器,在同樣的0時(shí),由于電角度比兩極時(shí)放大到p倍,圖中仍為0處,所以輸出電壓U2(p)=Um(p)sinp0 的值比較高,即圖中的A點(diǎn)。該點(diǎn)電壓放大后可以使交流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),直到U2(p)=U0時(shí)才停轉(zhuǎn)到圖中B點(diǎn)。第56頁/共

28、122頁圖6-14兩極旋轉(zhuǎn)變壓器與多極 旋轉(zhuǎn)變壓器的誤差比較第57頁/共122頁n n 此時(shí)系統(tǒng)的誤差由0減少到0。由圖可知,0較0小得多,故使系統(tǒng)的精度大大提高。一般情況下,多極旋轉(zhuǎn)變壓器的極數(shù)越多,系統(tǒng)的精度就越高。n n 如果僅使用一對(duì)多極旋轉(zhuǎn)變壓器組成的測(cè)角系統(tǒng),如圖 6-13中在機(jī)械角度等于360/p,2(360/p),3(360/p),這些位置上時(shí),其輸出電壓都為0。則系統(tǒng)就會(huì)在這些“假”零位上協(xié)調(diào),以致造成莫大錯(cuò)誤。為了避免發(fā)生這種情況,故發(fā)展了雙通道同步隨動(dòng)系統(tǒng)。其原理圖如圖 6-15所示。第58頁/共122頁圖6-15電氣變速雙通道同步隨動(dòng)系統(tǒng)第59頁/共122頁n n 圖

29、中 1XF、1XB分別表示兩極的旋變發(fā)送機(jī)和兩極旋變變壓器,它們組成了粗測(cè)通道。nXF、nXB分別表示多極旋變發(fā)送機(jī)和多極旋變變壓器,它們組成精測(cè)通道。兩個(gè)通道的旋變發(fā)送機(jī)和旋變變壓器的軸分別直接耦合,如圖中點(diǎn)劃線所示。精測(cè)和精測(cè)旋變變壓器的輸出都接到選擇電路(或叫電子開關(guān),見本節(jié)附注)SW。其作用如下:當(dāng)發(fā)送軸和接收軸處于大失調(diào)角時(shí),SW只將精測(cè)通道的電壓輸出,使系統(tǒng)工作在粗測(cè)信號(hào)下;而當(dāng)發(fā)送軸和接收軸處于小失調(diào)角時(shí),SW只將精測(cè)通道的電壓輸出,使系統(tǒng)的精測(cè)通道斷開。因此,這種雙通道系統(tǒng)既充分利用了采用多極旋轉(zhuǎn)變壓器時(shí)的優(yōu)點(diǎn),又避免了假零位協(xié)調(diào)的缺點(diǎn)。第60頁/共122頁n n 如果將角位移

30、時(shí)的轉(zhuǎn)速用電角度來表示，則多極旋轉(zhuǎn)變壓器在系統(tǒng)中可將電氣轉(zhuǎn)速提高到p倍,因此這種系統(tǒng)又稱之為電氣變速式雙通道同步隨動(dòng)系統(tǒng)。這時(shí)的極對(duì)數(shù)p也認(rèn)為是電氣速比。這種同步隨動(dòng)系統(tǒng)具有很高的精度,一般可以達(dá)到系統(tǒng)精度小于1。其精度高的原因:一方面是依靠增加電氣速比p來減少系統(tǒng)誤差;另一方面也是由于多極旋變電機(jī)本身較兩極旋變的精度提高很多。第61頁/共122頁n n 因?yàn)楫?dāng)極對(duì)數(shù)增加時(shí),每對(duì)極沿定子內(nèi)圓所占的弧長(zhǎng)就減短,那么在某一對(duì)極下,由于氣隙不均勻等因素所引起的磁通密度非正弦分布的程度就小得多。如果各對(duì)極極面下的平均氣隙仍不相等,則可通過各對(duì)應(yīng)極對(duì)下的繞組之間進(jìn)行串聯(lián)以達(dá)到平均補(bǔ)償,這樣便使得多極旋變

31、較兩極旋變的精度大大提高。例如,一般兩極旋變的精度只能做到幾個(gè)或幾十個(gè)角分,而多極旋變則可達(dá)到幾十個(gè)角秒甚至達(dá)到37。第62頁/共122頁n n 6.6.2 多多極極旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變變壓壓器器的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)n n 用于電氣變速的同步隨動(dòng)系統(tǒng)中的雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器,是由兩極旋轉(zhuǎn)變壓器(粗機(jī))和多極旋轉(zhuǎn)變壓器(精機(jī))組合成一體的旋轉(zhuǎn)變壓器。從磁路組合情況可將它分為組裝式和分裝式兩大類,如圖 6-16的圖(c)和(d)所示。組裝式的定、轉(zhuǎn)子裝在同一機(jī)殼內(nèi),通過軸伸、嚙合齒輪和主軸聯(lián)接,并通過電刷和滑環(huán)引入或輸出電信號(hào);分裝式的轉(zhuǎn)子一般為大內(nèi)孔,可直接套在被測(cè)裝置的主軸上,省略了傳動(dòng)齒輪,有利于提高整體的精度,

32、分裝式結(jié)構(gòu)通常不帶電刷和滑環(huán),而且便于與總機(jī)配套。第63頁/共122頁n n 從機(jī)械組合情況看,又可將雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器分為平行式和重疊式兩類,如圖 6-16的圖(a)和(b)所示。機(jī)械組合式的結(jié)構(gòu),其精機(jī)和粗機(jī)在電磁方面互不干擾,容易保證精機(jī)的精度,而且使粗精機(jī)零位可調(diào)。但是磁路組合式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,工藝性好,體積小,是機(jī)械組合式所不及的。第64頁/共122頁圖6-16多極旋轉(zhuǎn)變壓器的基本結(jié)構(gòu)形式(a)機(jī)械組合(平行式);(b)機(jī)械組合(重疊式);(c)磁路組合(組裝式);(d)磁路組合(分裝式)第65頁/共122頁n n 多極旋轉(zhuǎn)變壓器除了上述粗精機(jī)組合在一起的組合結(jié)構(gòu)外,也有單獨(dú)精機(jī)結(jié)構(gòu)的多極旋

33、轉(zhuǎn)變壓器,其結(jié)構(gòu)形式也可分為組裝式和分裝式兩種。它和磁路組合式的結(jié)構(gòu)基本上是一樣的,只不過其定、轉(zhuǎn)子繞組均為多極繞組,并非兩極繞組。多極旋轉(zhuǎn)變壓器除了用于角度傳輸系統(tǒng)中之外,還可以用于解算裝置和模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置中。n n 多極雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器的常用極對(duì)數(shù)有:5、15、30、36、60、72,或2、4、8、16、32、64、128等。其常用機(jī)座號(hào)有:45、70、110、160、200、250、320、400等幾種。第66頁/共122頁n n 6.6.3 說明說明n n (1)按照前述旋轉(zhuǎn)變壓器提高精度的原理,自整角機(jī)也和旋轉(zhuǎn)變壓器一樣,可以制成多極的結(jié)構(gòu),以大幅度地提高系統(tǒng)和自整角機(jī)本身的精度。多極

34、自整角機(jī)也廣泛應(yīng)用于雙通道甚至三通道的同步系統(tǒng)中。其理論和多極旋變相似,這里不再贅述了。第67頁/共122頁1精測(cè)通道輸出繞組;2粗測(cè)通道輸出繞組 圖6-17無觸點(diǎn)電子切換開關(guān)第68頁/共122頁n n (2)關(guān)于圖 6-15中的選擇電路SW問題,它實(shí)質(zhì)上是一種電子開關(guān)。目前常用的一種電子開關(guān)如圖 6-17所示。它又叫無觸點(diǎn)電子切換開關(guān)。這種開關(guān)的工作原理是利用了半導(dǎo)體元件非線性的伏安特性。在精測(cè)通道電路中,電阻R2遠(yuǎn)大于R1。當(dāng)失調(diào)角較大,輸出電壓較大時(shí),整流器B1、B2的電阻很小,就相當(dāng)于將精測(cè)通道的輸出電壓短路,第69頁/共122頁n n 而粗測(cè)通道的輸出電壓則大部分降落在電阻R3上,因

35、此,這時(shí)在輸出端上只有粗測(cè)通道的輸出電壓起作用;當(dāng)失調(diào)角很小時(shí),輸出電壓不大,整流器B1的電阻變得很大,則精測(cè)通道的大部分電壓降落在電阻R2上,而粗測(cè)通道的輸出電壓降落在整流器B2上。此時(shí),在電子切換開關(guān)的輸出端上,實(shí)際上只有精測(cè)通道的輸出電壓在起作用。第70頁/共122頁n n (3)磁路組合式多極旋轉(zhuǎn)變壓器主要技術(shù)數(shù)據(jù)舉例。n n 例 1 多極旋變發(fā)送機(jī):型號(hào)為110XFS1/30a;極對(duì)數(shù)為1/30對(duì)極(粗機(jī)/精機(jī));勵(lì)磁方在轉(zhuǎn)子上;額定電壓36 V;頻率為400 Hz;開路輸入阻抗2000/150()(粗機(jī)/精機(jī));開路輸入功率0.5/6.5(W)(粗機(jī)/精機(jī));最大輸出電壓為12 V

36、;粗精機(jī)零位偏差030。n n 例 2 多極旋變變壓器:型號(hào)為110XBS1/30a;極對(duì)數(shù)為1/30對(duì)極(粗機(jī)/精機(jī));勵(lì)磁方在定子上;額定電壓為12 V;頻率為400 Hz;開路輸入阻抗為3000/200();開路輸入功率為0.03/1(W);最大輸出電壓為6 V;粗精機(jī)零位偏差為330。第71頁/共122頁6.7 感感 應(yīng)應(yīng) 移移 相相 器器 n n 感應(yīng)移相器是在旋轉(zhuǎn)變壓器基礎(chǔ)上演變而成的一種自控元件。它作為移相元件常用于測(cè)角或測(cè)距及隨動(dòng)系統(tǒng)中。其主要特點(diǎn)是輸出電壓的相位與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系,而且其輸出電壓的幅值能保持恒定。第72頁/共122頁n n 感應(yīng)移相器的基本結(jié)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)變壓器相

37、同,若將旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出繞組接上移相電路,如圖6-18所示,當(dāng)其中電阻R和電容C以及旋轉(zhuǎn)變壓器本身的參數(shù)滿足一定的條件時(shí),則旋轉(zhuǎn)變壓器就轉(zhuǎn)變成感應(yīng)移相器了。當(dāng)定子邊加上單相勵(lì)磁電壓 時(shí),感應(yīng)移相器的輸出電壓 將是一個(gè)幅值不變、相位與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系的交流電壓。第73頁/共122頁圖6-18感應(yīng)移相器工作原理圖第74頁/共122頁n n 6.7.1 空載時(shí)的輸出電壓n n 先通過推導(dǎo)感應(yīng)移相器空載時(shí)的輸出電勢(shì)來加以說明。為簡(jiǎn)便起見,忽略繞組的漏阻抗壓降。按照分析變壓器時(shí)的規(guī)定正方向,根據(jù)基爾霍夫第二定律列出該正方向下(如圖 6-18 所示)的轉(zhuǎn)子邊正、余弦繞組的電勢(shì)平衡方程式：(6-17)(6

38、-18)第75頁/共122頁n n 由于以上兩式的右邊均等于 ,故可將它們相等,從中解得第76頁/共122頁n n若使移相回路的參數(shù)能滿足如下條件:(6-19)第77頁/共122頁n n將式(6-19)代入式(6-17)得 從式(6-20)看出,輸出電壓UR可滿足幅值不變的要求,而相位與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系。(6-20)第78頁/共122頁n n 6.7.2 負(fù)載時(shí)感應(yīng)移相器的輸出電壓n n 為了使感應(yīng)移相器在負(fù)載后仍能保持上述關(guān)系,感應(yīng)移相器本身的參數(shù)和外接電路必須滿足以下兩個(gè)條件:(6-21)第79頁/共122頁n n 式中,R2R為感應(yīng)移相器本身輸出阻抗中的電阻分量;X2R為感應(yīng)移相器本身

39、輸出阻抗中的電抗分量。n n 此時(shí),輸出電壓公式也和式(6-20)相符合,即第80頁/共122頁n n 要證明負(fù)載后式(6-20)成立是比較復(fù)雜的。首先要列出原、副邊4個(gè)回路的電勢(shì)平衡方程式,在列寫的過程中要注意考慮它們之間的互感作用;再求解方程組得出負(fù)載電流及負(fù)載電壓公式,并對(duì)電壓公式進(jìn)行變換;最后再代入上述兩個(gè)條件,則式(6-21)即可證得。具體推導(dǎo)從略。第81頁/共122頁n n 在某些頻率較高的感應(yīng)移相器中,其電容相回路往往還串有電阻RC(見圖 6-19)。因?yàn)楦袘?yīng)移相器本身一般是X2RR2R的 情 況,很 難 達(dá) 到X2R=R2R。為了使感應(yīng)移相器輸出電壓保持正常要求,還須加上補(bǔ)償電

40、阻RC,這里的RC值就滿足下式:n n RC=X2R-R2R 第82頁/共122頁圖6-19感應(yīng)移相器加補(bǔ)償電阻RC的原理圖第83頁/共122頁n n 6.7.3 感應(yīng)移相器的應(yīng)用舉例感應(yīng)移相器的應(yīng)用舉例n n 1.感感應(yīng)應(yīng)移移相相器器應(yīng)應(yīng)用用于于隨隨動(dòng)系統(tǒng)中動(dòng)系統(tǒng)中n n 由一對(duì)感應(yīng)移相器組成的同步隨動(dòng)系統(tǒng)如圖 6-20 所示。當(dāng)發(fā)送機(jī)和兩轉(zhuǎn)角處于失調(diào)位置時(shí),兩機(jī)輸出電壓的相位不一致,通過相位比較器得到相位差值。相位比較器的輸出電壓經(jīng)過放大器送到伺服電動(dòng)機(jī)的控制繞組使之轉(zhuǎn)動(dòng)。伺服電動(dòng)機(jī)通過齒輪箱又帶動(dòng)接收機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng),直到接收機(jī)的位置與發(fā)送機(jī)的位置一致為止。此時(shí),發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子和接收機(jī)轉(zhuǎn)子協(xié)調(diào),兩

41、機(jī)輸出電壓相位一致,相位比較器輸出電壓在零值,伺服電動(dòng)機(jī)即停止轉(zhuǎn)動(dòng)。第84頁/共122頁圖6-20由一對(duì)感應(yīng)移相器組成的同步隨動(dòng)系統(tǒng)第85頁/共122頁n n 2.感感應(yīng)應(yīng)移移相相器器應(yīng)應(yīng)用用于于測(cè)測(cè)角裝置中角裝置中n n 在測(cè)角裝置中可以將感應(yīng)移相器作為角度相位轉(zhuǎn)換器,然后對(duì)相位進(jìn)行測(cè)量。圖6-21 是該轉(zhuǎn)換器的電氣原理示意圖。第86頁/共122頁圖6-21感應(yīng)移相器作為角度相位轉(zhuǎn)換器第87頁/共122頁n n 圖中感應(yīng)移相器的作用是將機(jī)械轉(zhuǎn)角變換成輸入電壓和輸出電壓的相位差,輸入電壓和輸出電壓分別經(jīng)過限幅放大并整形后送入檢相裝置。檢相裝置輸出一個(gè)寬度為t的脈沖,t正比于相位差,再經(jīng)過控制門

42、使該脈沖在t時(shí)間內(nèi)被來自石英振蕩器的高頻脈沖所填滿。另外,石英晶體振蕩器的輸出經(jīng)分頻器和觸發(fā)器輸出一個(gè)寬度為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間(例如 1 s)的脈沖,去控制一個(gè)門,這樣送到計(jì)數(shù)器的信號(hào),就是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間內(nèi)總的脈沖數(shù)。顯然,脈沖總數(shù)正比于t,而t正比于,又正比于被測(cè)轉(zhuǎn)角,因此計(jì)數(shù)器所表示的脈沖數(shù)標(biāo)志著被測(cè)轉(zhuǎn)角的大小,這樣,就完成了角度相位的轉(zhuǎn)換。最后通過檢相、分頻、計(jì)數(shù)器等電子線路將轉(zhuǎn)角測(cè)量出來。第88頁/共122頁6.8 感感 應(yīng)應(yīng) 同同 步步 器器 n n 感應(yīng)同步器是一種高精度測(cè)位用的機(jī)電元件,其基本原理是基于多極雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器之上。它的定、轉(zhuǎn)子(或叫初、次級(jí))繞組均采用了印制繞組,從而使之具有一

43、些獨(dú)有的特性,它廣泛應(yīng)用于精密機(jī)床數(shù)字顯示系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床環(huán)伺服系統(tǒng)以及高精度隨動(dòng)系統(tǒng)中。感應(yīng)同步器由幾伏的電壓勵(lì)磁,勵(lì)磁電壓的頻率為10 kHz,輸出電壓較小,一般為勵(lì)磁電壓的1/10到幾百分之一。感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)型式有直線式和圓盤式兩大類,現(xiàn)分述如下。第89頁/共122頁n n 6.8.1 直線式感應(yīng)同步器直線式感應(yīng)同步器n n 直線式感應(yīng)同步器示意圖如圖 6-22所示。它由定尺和滑尺組成,用于檢測(cè)直線位移。定尺和滑尺的基板通常采用厚度約為10 mm的鋼板,基板上敷有約0.1 mm厚的絕緣層,并粘壓一層約0.06 mm厚的銅箔,采用與制造印制電路板相同的工藝作出感應(yīng)同步器的印制繞組。為防止繞

44、組損壞,在繞組表面再噴涂一層絕緣漆。圖 6-23僅顯示定尺和滑尺的印制繞組。第90頁/共122頁n n 由此圖看出,定尺繞組為單相的,它由許多具有一定寬度的導(dǎo)片串聯(lián)組成。一般導(dǎo)片間的距離定為1 mm,定尺總長(zhǎng)分別為136 mm,250 mm,750 mm,1000 mm四種,最常用的是250 mm?；呱嫌性S多組繞組,圖中S、C分別表示正弦和余弦繞組。由圖 6-23 可知,所有各相繞組的導(dǎo)片分別各自串聯(lián),滑尺則構(gòu)成兩相繞組。第91頁/共122頁圖6-22直線式感應(yīng)同步器第92頁/共122頁圖6-23直線式感應(yīng)同步器定、滑尺的印制繞組第93頁/共122頁n n 直線感應(yīng)同步器在機(jī)床上安裝使用時(shí),

45、如圖 6-24所示。將定尺 1 固定在機(jī)床的靜止部件 3 上,滑尺 2 固定在機(jī)床的運(yùn)動(dòng)部件5上,兩者相互平行,間隙約為0.25 mm。定尺表面已噴涂一層耐熱的絕緣漆,用以保護(hù)尺面?；呱线€粘合一層鋁箔以防止靜電感應(yīng)。為了工作可靠,還裝有保持罩 4,以防鐵屑等異物落入而影響正常工作。第94頁/共122頁圖6-24直線式感應(yīng)同步器在機(jī)床上的安裝簡(jiǎn)圖第95頁/共122頁圖6-25直線式感應(yīng)同步器的磁場(chǎng)第96頁/共122頁圖6-26定、滑尺相對(duì)位置改變時(shí)滑尺導(dǎo)片所匝鏈磁通的變化第97頁/共122頁圖6-27滑尺導(dǎo)片電勢(shì)有效值第98頁/共122頁n n 滑尺導(dǎo)片電勢(shì)也可用函數(shù)式來表示。首先將對(duì)應(yīng)于位移

46、x的電角度表達(dá)出來。已知一對(duì)極距離為2,對(duì)應(yīng)的電角度為360,那末對(duì)應(yīng)于位置x(米)的電角度為(電角度)(6-22)然后就可以寫出一個(gè)導(dǎo)片的感應(yīng)電勢(shì)有效值為第99頁/共122頁n n 式中,E1m是一個(gè)導(dǎo)片在x=0,2,4,位置時(shí)感應(yīng)電勢(shì)的有效值,也是導(dǎo)片的最大有效值電勢(shì)。n n 滑尺上的余弦繞組是由許多導(dǎo)片串聯(lián)起來的,如果導(dǎo)片數(shù)為C1,則余弦繞組總電勢(shì)為(6-23)第100頁/共122頁n n 式中,Em為余弦繞組最大的相電勢(shì),單位為“V”;x為余弦繞組軸線相對(duì)勵(lì)磁繞組軸線的位移,單位為長(zhǎng)度“m”。由圖 6-22 可知,正弦繞組s與余弦繞組c兩軸線在空間移過半個(gè)極距即/2,亦即二者相差90電

47、角度,故正弦繞組的感應(yīng)電勢(shì)表達(dá)式可以寫成(6-24)第101頁/共122頁n n 由以上兩式可以看出,滑尺移動(dòng)一對(duì)極距即2的長(zhǎng)度,感應(yīng)電勢(shì)變化一個(gè)周期。若滑尺移動(dòng)p對(duì)極距,則感應(yīng)電勢(shì)就變化p個(gè)周期。因此,感應(yīng)同步器滑尺上正、余弦繞組的輸出電勢(shì)和多極旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出電勢(shì)是完全相仿的,區(qū)別是這里用(180/)x來表示電角度。第102頁/共122頁n n 6.8.2 旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器n n 圖 6-28 是旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器定、轉(zhuǎn)子繞組示意圖。它又稱為盤式感應(yīng)同步器。與直線感應(yīng)同步器一樣,其定、轉(zhuǎn)子(相當(dāng)于直線感應(yīng)同步器的定尺、滑尺)繞組也做成印制繞組。其中,轉(zhuǎn)子繞組由許多輻射狀的導(dǎo)片

48、串聯(lián)而成為單相繞組,定子繞組和直線感應(yīng)同步器的滑尺繞組相似,是由正弦繞組和余弦繞組組成的兩相繞組,每相繞組又分成若干組,正、余弦繞組的每一組是間隔排列并各自串聯(lián)連接(參考圖 6-23),因此相鄰兩個(gè)組均相差90電角度。應(yīng)注意到,這里旋轉(zhuǎn)感應(yīng)同步器的轉(zhuǎn)子對(duì)應(yīng)于直線式的定尺,而其定子對(duì)應(yīng)于直線式的滑尺。第103頁/共122頁圖6-28旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器繞組排列示意圖第104頁/共122頁n n 旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器的工作原理與直線式感應(yīng)同步器和多極旋變相類似。轉(zhuǎn)子單相繞組通過電刷滑環(huán)加勵(lì)磁電壓后,其每一個(gè)導(dǎo)片便形成一極,相鄰兩導(dǎo)片間的距離就等于一個(gè)極距,則極對(duì)數(shù)p等于導(dǎo)片數(shù)的1/2,并且經(jīng)過設(shè)計(jì)分析,使

49、氣隙磁密沿圓周方向作p個(gè)周期的正弦分布。第105頁/共122頁n n 設(shè)定子上的余弦繞組與轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組軸線間的夾角為,相應(yīng)的電角度為p。則與多極旋變相類似,其定子上的正、余弦繞組的輸出電勢(shì)應(yīng)該是對(duì)應(yīng)電角度的正、余弦函數(shù)。即n n Es=Em sinp (6-25)n n Ec=Em cosp (6-26)n n 式中,Em為最大的感應(yīng)電勢(shì)。第106頁/共122頁n n 可見,旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器的轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn),正、余弦繞組的感應(yīng)電勢(shì)就變化p個(gè)周期。根據(jù)實(shí)際工作需要,該種感應(yīng)同步器的極對(duì)數(shù)可制成501000對(duì)極。例如當(dāng)極對(duì)數(shù)為180時(shí),其極距為1,其外徑制成50300 mm。第107頁/共122頁n

50、 n 綜上所述,感應(yīng)同步器有以下一些優(yōu)點(diǎn):n n (1)精度高。感應(yīng)同步器的極對(duì)數(shù)很多,各對(duì)極下的導(dǎo)片相互串聯(lián)產(chǎn)生了平均效應(yīng),補(bǔ)償了某一極所存在的局部誤差,故大大提高了精度。例如對(duì)于極距為1 mm的直線式感應(yīng)同步器,其精度可達(dá)0.25 m;外徑為300 mm、極對(duì)數(shù)為360的旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器的精度可達(dá)12,重復(fù)精度可達(dá)0.10.2。第108頁/共122頁n n (2)直線感應(yīng)同步器可直接固定在機(jī)床的運(yùn)動(dòng)部分和靜止部分,不需要經(jīng)過中間的傳動(dòng)裝置而直接測(cè)量位移,因而可以消除由于傳動(dòng)裝置帶來的齒隙誤差。同時(shí)它的定、滑尺基片的膨脹系數(shù)與機(jī)床一樣,溫度變化不會(huì)造成附加的測(cè)量誤差。n n (3)把幾個(gè)定尺

51、聯(lián)接起來,還可以長(zhǎng)距離工作,高速度移動(dòng)。n n (4)制造方便,堅(jiān)固耐用,對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng),維護(hù)簡(jiǎn)便。第109頁/共122頁n n 需要指出,由于感應(yīng)同步器輸出阻抗高,輸出電壓只有幾個(gè)毫伏,所以必須在輸出端接前置放大器。n n 由于感應(yīng)同步器具有上述一些優(yōu)點(diǎn),它在精密位移檢測(cè)、數(shù)控機(jī)床和高精度隨動(dòng)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。直線式感應(yīng)同步器主要用于長(zhǎng)度計(jì)量?jī)x器(與數(shù)字顯示儀表配套實(shí)現(xiàn)高精度的位移顯示),還能作點(diǎn)位控制和輪廓控制數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)元件。采用旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器檢測(cè)角位移可用于機(jī)床和儀器的轉(zhuǎn)臺(tái)、火炮控制、雷達(dá)天線的定位跟蹤,等等。第110頁/共122頁n n 與多極旋轉(zhuǎn)變壓器相比,同步感應(yīng)器

52、的精度高,因此它也可以與兩極旋變組成雙通道系統(tǒng),也可以與兩極旋變、多極旋變組成三通道系統(tǒng)。n n 在以感應(yīng)同步器作為位移檢測(cè)元件的自動(dòng)控制系統(tǒng)中,根據(jù)感應(yīng)同步器的勵(lì)磁方式和輸出信號(hào)處理方式的不同,把系統(tǒng)分為鑒幅工作方式和鑒相工作方式。現(xiàn)分述這兩種方式下同步感應(yīng)器勵(lì)磁信號(hào)和輸出信號(hào)的特點(diǎn)。第111頁/共122頁n n 1.鑒幅工作方式鑒幅工作方式n n 在滑尺(或定子)的正、余弦繞組上施加頻率、相位均相同,但幅值按某角度作正、余弦變化的電壓ea、eb:n n ea=E0cos1sintn n eb=E0sin1sint 第112頁/共122頁n n 式中,1稱為指令位移角。假定滑尺余弦繞組相對(duì)定

53、尺繞組位移x,其對(duì)應(yīng)的電角度=(180/)x或者旋轉(zhuǎn)式的定子余弦繞組相對(duì)轉(zhuǎn)子繞組位移電角度,根據(jù)式(6-4),余弦繞組所產(chǎn)生的磁通在定尺(或轉(zhuǎn)子)繞組中感應(yīng)的電勢(shì)為kueb cos,正弦繞組所產(chǎn)生的磁通在定尺(或轉(zhuǎn)子)繞組中感應(yīng)的電勢(shì)為-kuea sin。n n e=kueb cos-kuea sinn n =kuE0(sin1cos-cos1sin)sintn n =kuE0sin(1-)sint 第113頁/共122頁n n 可見感應(yīng)同步器輸出電勢(shì)的幅值正比于指令位移角和滑尺(或定子)位移角的差角1-的正弦函數(shù)。如果將感應(yīng)同步器的輸出經(jīng)放大后控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),那末,只有當(dāng)=1或x=1/180,

54、感應(yīng)同步器的輸出電壓為0時(shí),電機(jī)才停止轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣一來,工作臺(tái)就能嚴(yán)格按照指令轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng)。由于這種系統(tǒng)是用鑒別感應(yīng)同步器輸出電壓幅值是否為0來進(jìn)行控制的,所以稱為鑒幅工作方式或鑒零工作方式。第114頁/共122頁n n 2.鑒相工作方式鑒相工作方式n n 在正余弦繞組上施加幅值、頻率相同,但相位差為90的電壓ea、eb:n n ea=E0costn n eb=E0sintn n 則定尺(或轉(zhuǎn)子)繞組的感應(yīng)電勢(shì)為n n e=kueb cos-kuea sinn n =kuE0(sintcos-costsin)n n =kuE0sin(t-)(6-27)第115頁/共122頁n n 對(duì)于直線感應(yīng)同步

55、器,式中,為對(duì)應(yīng)滑尺位移x的電角度,即=(180/)x。對(duì)于旋式感應(yīng)同步器,為轉(zhuǎn)子的位移角(電角度)。由式(6-27)可以看出,感應(yīng)同步器把滑尺的直線位移或轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角變換成輸出電壓的時(shí)間相位移。只要通過一定的電路鑒別出輸出電壓時(shí)間相位移,就可以知道滑尺的位移距離或轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的角度。因此這種情況下的感應(yīng)同步器是處于鑒相工作方式。第116頁/共122頁n n 1.消除旋轉(zhuǎn)變壓器輸出特性曲線畸變的方法是什么?n n 2.正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器副方全補(bǔ)償?shù)臈l件是什么?原方全補(bǔ)償?shù)臈l件又是什么?n n 3.旋轉(zhuǎn)變壓器副方全補(bǔ)償時(shí)只產(chǎn)生與轉(zhuǎn)角如何(有關(guān);無關(guān))的直軸磁場(chǎng)?而能否(不;可以)產(chǎn)生交軸磁場(chǎng),其原因是什

56、么?思考題與習(xí)題思考題與習(xí)題第117頁/共122頁圖6-29題11圖第118頁/共122頁n n 4.采用原方全補(bǔ)償時(shí),旋轉(zhuǎn)變壓器在工作時(shí)交軸磁通在某繞組中感生電流,該電流所產(chǎn)生的磁通對(duì)交軸磁通有什么作用?單獨(dú)原邊全補(bǔ)償時(shí),負(fù)載阻抗改變將能否(不;可以)影響其補(bǔ)償程度,即與負(fù)載阻抗值的改變是否有關(guān)?n n 5.線性旋轉(zhuǎn)變壓器是如何從正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器演變過來的?線性旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子繞組輸出電壓UR2和轉(zhuǎn)角的關(guān)系式是什么?改進(jìn)后的線性旋變,當(dāng)誤差小于0.1%時(shí),轉(zhuǎn)角的角度范圍是什么?第119頁/共122頁n n 6.比例式旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理是什么?n n 7.感應(yīng)移相器的主要特點(diǎn)是什么?具備這些特點(diǎn)的原因是什么?n n 8.直線式感應(yīng)同步器的工作原理是什么?該電機(jī)的繞組是如何設(shè)制的?n n 9.在什么條件下,可以用一對(duì)多極旋變構(gòu)成單通道同步隨動(dòng)系統(tǒng)?第120頁/共122頁n n 10.提高電氣速比可以提高雙通道同步系統(tǒng)的精度,但是如果電氣速比p值太大將會(huì)產(chǎn)生什么問題?若進(jìn)一步提高系統(tǒng)精度,還可以采用什么辦法?n n 11.有一只旋變發(fā)送機(jī)XF和一只旋變變壓器XB定子繞組對(duì)應(yīng)聯(lián)接作控制式運(yùn)行,如圖 6-29 所示,已知:圖中的1=15,2=10,試求:n n (1)旋變變壓器轉(zhuǎn)子的輸出繞組的協(xié)調(diào)位置 ;n n (2)失調(diào)角。第121頁/共122頁