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正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器與普通變壓器的區(qū)別

發(fā)布時(shí)間:2018-10-22 責(zé)任編輯:xueqi

【導(dǎo)讀】許多人認(rèn)為,正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器一個(gè)繞組輸出正弦信號(hào),一個(gè)繞組輸出余弦信號(hào),兩者相差90°,這其實(shí)是一種錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)。正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器相當(dāng)于一臺(tái)調(diào)幅裝置,勵(lì)磁信號(hào)相當(dāng)于載波信號(hào),通常為400Hz、1000Hz或更高頻率的正弦波。
 
變壓器
 
變壓器(Transformer)是利用電磁感應(yīng)的原理來改變交流電壓的裝置,主要構(gòu)件是初級(jí)線圈、次級(jí)線圈和鐵芯(磁芯)。主要功能有:電壓變換、電流變換、阻抗變換、隔離、穩(wěn)壓(磁飽和變壓器)等。按用途可以分為:電力變壓器和特殊變壓器(電爐變、整流變、工頻試驗(yàn)變壓器、調(diào)壓器、礦用變、音頻變壓器、中頻變壓器、高頻變壓器、沖擊變壓器、儀用變壓器、電子變壓器、電抗器、互感器等)。電路符號(hào)常用T當(dāng)作編號(hào)的開頭。例: T01, T201等。
 
工作原理
 
變壓器由鐵芯(或磁芯)和線圈組成,線圈有兩個(gè)或兩個(gè)以上的繞組,其中接電源的繞組叫初級(jí)線圈,其余的繞組叫次級(jí)線圈。它可以變換交流電壓、電流和阻抗。最簡(jiǎn)單的鐵心變壓器由一個(gè)軟磁材料做成的鐵心及套在鐵心上的兩個(gè)匝數(shù)不等的線圈構(gòu)成,如圖所示。
 
鐵心的作用是加強(qiáng)兩個(gè)線圈間的磁耦合。為了減少鐵內(nèi)渦流和磁滯損耗,鐵心由涂漆的硅鋼片疊壓而成;兩個(gè)線圈之間沒有電的聯(lián)系,線圈由絕緣銅線(或鋁線)繞成。一個(gè)線圈接交流電源稱為初級(jí)線圈(或原線圈),另一個(gè)線圈接用電器稱為次級(jí)線圈(或副線圈)。實(shí)際的變壓器是很復(fù)雜的,不可避免地存在銅損(線圈電阻發(fā)熱)、鐵損(鐵心發(fā)熱)和漏磁(經(jīng)空氣閉合的磁感應(yīng)線)等,為了簡(jiǎn)化討論這里只介紹理想變壓器。理想變壓器成立的條件是:忽略漏磁通,忽略原、副線圈的電阻,忽略鐵心的損耗,忽略空載電流(副線圈開路原線圈線圈中的電流)。例如電力變壓器在滿載運(yùn)行時(shí)(副線圈輸出額定功率)即接近理想變壓器情況。
 
變壓器是利用電磁感應(yīng)原理制成的靜止用電器。當(dāng)變壓器的原線圈接在交流電源上時(shí),鐵心中便產(chǎn)生交變磁通,交變磁通用φ表示。原、副線圈中的φ是相同的,φ也是簡(jiǎn)諧函數(shù),表為φ=φmsinωt。由法拉第電磁感應(yīng)定律可知,原、副線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為e1=-N1dφ/dt、e2=-N2dφ/dt。式中N1、N2為原、副線圈的匝數(shù)。由圖可知U1=-e1,U2=e2(原線圈物理量用下角標(biāo)1表示,副線圈物理量用下角標(biāo)2表示),其復(fù)有效值為U1=-E1=jN1ωΦ、U2=E2=-jN2ωΦ,令k=N1/N2,稱變壓器的變比。由上式可得U1/ U2=-N1/N2=-k,即變壓器原、副線圈電壓有效值之比,等于其匝數(shù)比而且原、副線圈電壓的位相差為π。
 
進(jìn)而得出:
 
U1/U2=N1/N2
 
在空載電流可以忽略的情況下,有I1/ I2=-N2/N1,即原、副線圈電流有效值大小與其匝數(shù)成反比,且相位差π。
 
進(jìn)而可得
 
I1/ I2=N2/N1
 
理想變壓器原、副線圈的功率相等P1=P2。說明理想變壓器本身無功率損耗。實(shí)際變壓器總存在損耗,其效率為η=P2/P1。電力變壓器的效率很高,可達(dá)90%以上。 [1]
 
主要分類
 
一般常用變壓器的分類可歸納如下 [2] :
 
1、按相數(shù)分:
 
1)單相變壓器:用于單相負(fù)荷和三相變壓器組。
 
2)三相變壓器:用于三相系統(tǒng)的升、降電壓。
 
2、按冷卻方式分:
 
1)干式變壓器:依靠空氣對(duì)流進(jìn)行自然冷卻或增加風(fēng)機(jī)冷卻,多用于高層建筑、高速收費(fèi)站點(diǎn)用電及局部照明、電子線路等小容量變壓器。
 
2)油浸式變壓器:依靠油作冷卻介質(zhì)、如油浸自冷、油浸風(fēng)冷、油浸水冷、強(qiáng)迫油循環(huán)等。
 
3、按用途分:
 
1)電力變壓器:用于輸配電系統(tǒng)的升、降電壓。
 
2)儀用變壓器:如電壓互感器、電流互感器、用于測(cè)量?jī)x表和繼電保護(hù)裝置。
 
3)試驗(yàn)變壓器:能產(chǎn)生高壓,對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行高壓試驗(yàn)。
 
4)特種變壓器:如電爐變壓器、整流變壓器、調(diào)整變壓器、電容式變壓器、移相變壓器等。
 
4、按繞組形式分:
 
1)雙繞組變壓器:用于連接電力系統(tǒng)中的兩個(gè)電壓等級(jí)。
 
2)三繞組變壓器:一般用于電力系統(tǒng)區(qū)域變電站中,連接三個(gè)電壓等級(jí)。
 
3)自耦變電器:用于連接不同電壓的電力系統(tǒng)。也可做為普通的升壓或降后變壓器用。
 
5、按鐵芯形式分:
 
1)芯式變壓器:用于高壓的電力變壓器。
 
2)非晶合金變壓器:非晶合金鐵芯變壓器是用新型導(dǎo)磁材料,空載電流下降約80%,是節(jié)能效果較理想的配電變壓器,特別適用于農(nóng)村電網(wǎng)和發(fā)展中地區(qū)等負(fù)載率較低地方。
 
3)殼式變壓器:用于大電流的特殊變壓器,如電爐變壓器、電焊變壓器;或用于電子儀器及電視、收音機(jī)等的電源變壓器。
 
特征參數(shù)
 
工作頻率
 
變壓器鐵芯損耗與頻率關(guān)系很大,故應(yīng)根據(jù)使用頻率來設(shè)計(jì)和使用,這種頻率稱工作頻率。
 
額定功率
 
在規(guī)定的頻率和電壓下,變壓器能長(zhǎng)期工作而不超過規(guī)定溫升的輸出功率。
 
額定電壓
 
指在變壓器的線圈上所允許施加的電壓,工作時(shí)不得大于規(guī)定值。
 
電壓比
 
指變壓器初級(jí)電壓和次級(jí)電壓的比值,有空載電壓比和負(fù)載電壓比的區(qū)別。
 
空載電流
 
變壓器次級(jí)開路時(shí),初級(jí)仍有一定的電流,這部分電流稱為空載電流。空載電流由磁化電流(產(chǎn)生磁通)和鐵損電流(由鐵芯損耗引起)組成。對(duì)于50Hz電源變壓器而言,空載電流基本上等于磁化電流。
 
空載損耗
 
指變壓器次級(jí)開路時(shí),在初級(jí)測(cè)得功率損耗。主要損耗是鐵芯損耗,其次是空載電流在初級(jí)線圈銅阻上產(chǎn)生的損耗(銅損),這部分損耗很小。
 
效率
 
指次級(jí)功率P2與初級(jí)功率P1比值的百分比。通常變壓器的額定功率愈大,效率就愈高。
 
絕緣電阻
 
表示變壓器各線圈之間、各線圈與鐵芯之間的絕緣性能。絕緣電阻的高低與所使用的絕緣材料的性能、溫度高低和潮濕程度有關(guān)。
 
圖1:正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)原理
 
旋轉(zhuǎn)變壓器是一種測(cè)量用途的電機(jī),常被當(dāng)做角度或速度傳感器使用。正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器其一、二次側(cè)繞組分別放在定、轉(zhuǎn)子上,一次側(cè)繞組與二次側(cè)繞組之間的電磁耦合程度與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角密切相關(guān)。正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器正是利用它們之間的不同相對(duì)位置來改變它們之間的互感,以便在二次(轉(zhuǎn)子)繞組中獲得與旋轉(zhuǎn)θ成正、余弦函數(shù)關(guān)系的端電壓。
 
如上圖1所示,S1-S3作為勵(lì)磁繞組,S2-S4作為定子交軸繞組,兩者空間互相垂直且匝數(shù)、型式完全相同。R1-R3和R2-R4分別為轉(zhuǎn)子上的正弦輸出繞組和余弦輸出繞組,它們的結(jié)構(gòu)也完全相同。
 
對(duì)于定子勵(lì)磁,不帶補(bǔ)償繞組的正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器在任意電氣角度下輸出電壓滿足下述方程式:
 
UR1R3=KUS1S3cosθ+KUS2S4sinθ
 
UR2R4=KUS2S4cosθ-KUS1S3sinθ
 
式中:
 
UR1R3為轉(zhuǎn)子繞組R1R3之間的電壓;
 
UR2R4為轉(zhuǎn)子繞組R2R4之間的電壓;
 
US1S3為定子繞組S1S3之間的電壓;
 
US2S4為定子繞組S2S4之間的電壓;
 
θ為旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子相對(duì)定子的電氣角;
 
K為旋轉(zhuǎn)變壓器變比。
 
當(dāng)原邊定子交軸繞組短路時(shí),電壓方程式變?yōu)椋?/div>
 
UR1R3=KUS1S3cosθ
 
UR2R4=-KUS1S3sinθ
 
對(duì)正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的勵(lì)磁繞組、正弦繞組和余弦繞組的輸出信號(hào)進(jìn)行測(cè)量和分析,可以計(jì)算出旋轉(zhuǎn)變壓器的電氣角和旋轉(zhuǎn)速度,從而得到被測(cè)對(duì)象角度、轉(zhuǎn)速等參數(shù)。
 
正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器關(guān)鍵參數(shù)
 
01零位電壓
 
對(duì)于定子勵(lì)磁來講,當(dāng)圖2中S1S3與R2R4處于最小耦合時(shí)即旋變的基準(zhǔn)電氣零位。當(dāng)正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出繞組中感應(yīng)電壓最小時(shí),轉(zhuǎn)子位置就是電氣零位,輸出電壓就是零位電壓。零位電壓也稱剩余電壓(Null voltage)。
 
02函數(shù)誤差
 
正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器在任一轉(zhuǎn)子位置時(shí)函數(shù)誤差的表達(dá)式為:
 
旋轉(zhuǎn)變壓器函數(shù)誤差計(jì)算公式式中:
 
δs——函數(shù)誤差;
 
Uθ——在轉(zhuǎn)子角度為θ時(shí)輸出電壓基波同相(與最大輸出電壓同相)分量;
 
U——在轉(zhuǎn)子角度為90°時(shí)輸出電壓基波分量。
 
03相位移
 
相位移是指勵(lì)磁電壓與輸出電壓的基波分量之間的相位差。正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器相位移通常超前,對(duì)于控制系統(tǒng)而言,相對(duì)固定的相位移是可以接受的,但是,較大的、并且不穩(wěn)定的相位移則是不允許的。
 
一般而言,隨著基座號(hào)的上升、勵(lì)磁頻率的上升,相位移隨之減小。隨著溫度的上升,繞組電阻變大,相位移也會(huì)變大。
 
04變壓比
 
正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的變壓比與靜止變壓器的變比含義相同,但是,正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器在不同轉(zhuǎn)角時(shí),磁場(chǎng)耦合程度不同,輸出電壓不同。因此,正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的變壓比是指在規(guī)定勵(lì)磁條件下,最大空載輸出電壓的基波分量與勵(lì)磁電壓的基波分量之比。
 
05電氣誤差
 
電氣誤差是指轉(zhuǎn)子實(shí)際電氣角度與通過輸出測(cè)量計(jì)算獲得的電氣角度的偏差。一般不超過12′。
 
06交軸誤差
 
原邊繞組輪流勵(lì)磁(剩下繞組短路),轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子,分別測(cè)得轉(zhuǎn)子理論角度為0°、90°、180°、270°時(shí)的電氣誤差,按要求取這些電氣誤差的代數(shù)差,絕對(duì)值最大的差值為交軸誤差。
 
07開路輸入阻抗
 
旋轉(zhuǎn)變壓器的技術(shù)指標(biāo)中,在銘牌上標(biāo)稱的指標(biāo)一般只有兩個(gè),一個(gè)是變壓比,另一個(gè)就是開路輸入阻抗。旋轉(zhuǎn)變壓器的開路輸入阻抗一般在200Ω~10kΩ之間。
 
08空載電流
 
旋轉(zhuǎn)變壓器勵(lì)磁繞組的空載電流符合產(chǎn)品專用技術(shù)條件中的規(guī)定。
 
正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器輸出信號(hào)特點(diǎn)
 
許多人認(rèn)為,正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器一個(gè)繞組輸出正弦信號(hào),一個(gè)繞組輸出余弦信號(hào),兩者相差90°,這其實(shí)是一種錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)。正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器相當(dāng)于一臺(tái)調(diào)幅裝置,勵(lì)磁信號(hào)相當(dāng)于載波信號(hào),通常為400Hz、1000Hz或更高頻率的正弦波。與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度關(guān)聯(lián)的正余弦信號(hào)相當(dāng)于調(diào)制信號(hào),旋轉(zhuǎn)變壓器靜止時(shí),正余弦繞組輸出的是載波信號(hào),旋轉(zhuǎn)時(shí),輸出的是已調(diào)制的調(diào)幅信號(hào)。
 
當(dāng)旋轉(zhuǎn)變壓器為兩極,勵(lì)磁頻率為1000Hz,轉(zhuǎn)子以3000r/min旋轉(zhuǎn),正余弦繞組輸出為50Hz正弦調(diào)制波到1000Hz正弦載波上的調(diào)幅信號(hào)。如圖2所示:
 
圖2:正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的勵(lì)磁波形及正余弦繞組輸出波形
 
正弦繞組和余弦繞組輸出為調(diào)幅波,其包絡(luò)線分別為正弦波和余弦波,包絡(luò)線的頻率為50Hz,對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速,正弦繞組和余弦繞組的幅值的比值的反正切就是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角。
 
正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器測(cè)試
 
正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器輸出為調(diào)幅波,包含了轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速信號(hào),銀河電氣在充分研究正余弦變壓器輸入輸出關(guān)系的基礎(chǔ)上,研制了DH2000/RE1正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器綜合測(cè)試儀。測(cè)試儀如下圖3所示。
 
圖3:正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器綜合測(cè)試儀
 
● 全新測(cè)試手段,告別紛繁復(fù)雜的傳統(tǒng)儀器;
 
● 現(xiàn)代測(cè)試技術(shù),全面提高測(cè)試精度;
 
● 全面解碼旋變,狀態(tài)及性能參數(shù)一目了然;
 
一臺(tái)DH2000/RE1正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器綜合測(cè)試儀即可高效率實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的所有試驗(yàn),并可自動(dòng)出具試驗(yàn)報(bào)告和合格判定。(測(cè)試儀內(nèi)置高精度勵(lì)磁電源,用戶無需另外選購)
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