专题四十九 旋转变压器（课件）-河南省对口招生《电压与变压器》（第5版）(高教社）专题复习讲练测

专题四十九 旋转变压器 《电压与变压器》（第5版） 高教社 考纲解读 知识点梳理和重点概念复习 真题或常考题讲解 内容归纳小结 考纲解读--常见考点 1.旋转变压器的分类：按有无电刷分接触式与无接触式；按磁极对数分单极对与多极对；按用途分解算装置用（正余弦、线性等）和随动系统用，需掌握各类特点。 2.结构特点：定子与转子铁芯用高磁导率材料，叠片采用旋转叠片法；绕组为空间垂直的四绕组，接触式有滑环电刷，无接触式更可靠，需了解材料与结构设计目的。 3.正余弦旋转变压器工作原理：空载时输出电压与转角呈正余弦关系；负载时需补偿（二次对称或一次补偿），确保输出与转角的函数关系稳定。 01 02 03 考纲解读--考试要求 理解正余弦旋转变压器空载与负载时的磁通分解及输出电压公式，能解释补偿的必要性。 会分析线性旋转变压器的线性范围与变比选择依据，说明扩大线性范围的接线原理。 能准确描述旋转变压器的分类及各类别的典型应用（如XZ系列为正余弦型，XX系列为线性型）。 考查分类标准（如“无接触式旋转变压器的特点是”）、输出电压与转角关系（如“正余弦旋转变压器空载时，余弦绕组输出与转角的关系”）。 选择题 简答题 要求简述正余弦旋转变压器的工作原理，或说明接触式与无接触式的结构区别及适用场景。 实操分析题 考查系列型号（如“我国线性旋转变压器的系列是___”）、结构参数（如“铁芯叠片采用___法保证导磁均匀”）。 考纲解读--易考题型 知识点梳理和重点概念复习--知识点思维导图 知识点梳理和重点概念复习 旋转变压器是自动控制系统中的一种精密控制微电机。当在旋转变压器一次绕组施加单相交流电压励磁时，其二次绕组的输出电压将与转子转角严格保持某种函数关系。在控制系统中，可以作为解算元件，用于坐标变换，三角运算，实现加、减、乘、除、乘方和开方等数学运算；在随动系统中，可代替控制式自整角机，作为信号元件，传输与机械角度有关的电信号；在数-码变换装置中，可以作为电感移相器来使用。 知识点梳理和重点概念复习 一、旋转变压器的分类及结构特点 1.旋转变压器的分类 旋转变压器有多种分类方法。若按有无电刷和滑环的滑动接触分类，可分为接触式和无接触式两种。在无接触式中，还可再分为有限转角和无限转角两种。通常在无特别说明时，均指接触式旋转变压器。 若按电机的磁极对数分类，可分为单极对和多极对两种。通常在无特别说明时，均指单极对旋转变压器。在高精度双通道系统中则采用电气变速的双通道旋转变压器。 若按它的使用要求分类，可分为用于解算装置的旋转变压器和用于随动系统的旋转变压器。通常以此分类居多。 知识点梳理和重点概念复习 用于解算装置中的旋转变压器可分为以下四种基本形式： ①正余弦旋转变压器当它的一次绕组施加单相交流电源励磁时，其二次绕组的两个输出电压分别与转子转角呈正弦和余弦函数关系。我国现在生产的有XZ系列。 ②线性旋转变压器它是在一定的工作转角范围内，其输出电压与转子转角(通常单位为弧度rad)呈线性函数关系的一种旋转变压器。我国现在生产的有XX系列。 知识点梳理和重点概念复习 ③比例式旋转变压器除了在结构上增加了一个带有调整和锁紧转子位置的装置外，其他都与正余弦旋转变压器相同。在系统中作为调整电压的比例元件。我国现在生产的有XL系列。 ④特殊函数旋转变压器它是在一定转角范围内，输出电压与转子转角呈某一给定的函数关系(如正割函数、倒数函数、弹道函数、圆函数及对数函数等)的一种旋转变压器。它的工作原理和结构与正余弦旋转变压器基本相同。 知识点梳理和重点概念复习 2.旋转变压器的结构特点 旋转变压器的结构类似于普通绕线型感应电动机。为了获得良好的电气对称性，以提高旋转变压器的精度，它们都设计成两极隐极式的四绕组旋转变压器。图8-22所示为正余弦旋转变压器结构图。图8-23所示为旋转变压器的接线图。 知识点梳理和重点概念复习 旋转变压器的定子、转子铁心都是采用高磁导率的铁镍软磁合金片或高硅钢片经冲制、绝缘，叠装而成。为使旋转变压器的导磁性能沿气隙圆周各处均匀一致，在定子、转子铁心叠片时，采用每片错过一齿槽的旋转叠片法。在定子铁心的内圆周上和转子铁心的外圆周上都冲有均匀齿槽，里面各放置两套空间轴线互相垂直的绕组。其绕组通常采用高精度的正弦分布绕组。转子上的两套绕组分别通过滑环和电刷装置引出与外电路接通。 我国现在生产的XZ、XX、XL系列的旋转变压器均为接触式结构。与自整角机一样，也为封闭式。可以防止因机械撞击和环境恶劣所造成的接触不良而影响电机性能。 知识点梳理和重点概念复习 小机座号的旋转变压器，通常设计成“一刀通”结构(见图8-15),保证了电机的同心度，有利于电机精度的提高。 机壳的材料：12、20号小机座号的旋转变压器通常采用不锈钢机座；36、45、55号等较大机座号的旋转变压器通常采用铸铝机座；而28号机座中则两者都有采用。 无接触式旋转变压器，有一种是将转子绕组引出线做成弹簧卷带状，这种转子只能在一定转角范围内转动，称为有限转角的无接触式旋转变压器；另一种是将两套绕组中的一套自行短接，而另一套通过环形变压器从定子边引出。这种无接触式旋转变压器的转子转角不受限制，因此，称其为无限转角的无接触式旋转变压器。无接触式旋转变压器，由于没有电刷和滑环间的滑动接触，所以工作时更为可靠。 知识点梳理和重点概念复习 二、正余弦旋转变压器的工作原理 正余弦旋转变压器，通常为两极结构，定子上放置两套完全相同的正弦分布绕组，它们的空间位置相差90°电角度。其中一套绕组为励磁绕组，另一套绕组为补偿绕组，在一般情况下，它们的匝数及绕组系数都相同，统称定子绕组。在转子上也相似，也放置两套完全相同，空间位置相差90°电角度的绕组。其中一套绕组的输出电压与转子转角α成正弦函数关系，另一套绕组的输出电压与转子转角α成余弦函数关系，故称正余弦旋转变压器。 知识点梳理和重点概念复习 下面分两种情况分析正余弦旋转变压器的工作原理。 1.转子绕组开路——空载运行 转子绕组A、B开路，同时将定子补偿绕组C也开路，如图8-24所示。 在励磁绕组L上施加单相交流电压励磁，电压为U,并把励磁绕组的轴线方向确定为直轴，即d轴，则补偿绕组轴线方向即为交轴，即q轴。这时磁路中产生直轴脉振磁通Φ,由直轴脉振磁通在励磁绕组中产生的感应电动势为(8-10) 式中Na——励磁绕组匝数； Ka——定子绕组基波绕组系数； Φ——直轴脉振磁通幅值。 知识点梳理和重点概念复习 若忽略漏磁通，则Ea=U,当交流励磁电压恒定时，直轴磁通的幅值Φ。恒定。由于采用了正弦绕组，直轴磁场在空间成正弦分布。 如图8-24(a)所示，转子上有两套绕组A和B,在定子励磁绕组形成的直轴磁场中，此时直轴磁通Φ。与转子的正弦输出绕组B垂直交链，与余弦输出绕组A不交链。只在正弦输出绕组中产生感应电动势EB。与普通双绕组变压器比较，其励磁绕组L相当于变压器的一次绕组，正弦输出绕组B相当于变压器的二次绕组。而区别仅在于正弦输出绕组B所交链磁通的多少取决于它和励磁绕组之间的相对位置。 知识点梳理和重点概念复习 设转子正弦输出绕组B的轴线和交轴的夹角α为转子转角，如图8-24(b)所示。为了求得正弦输出绕组B的开路电压，可先将励磁绕组的直轴磁通Φ。分解为两个分量，第一个分量为Φ,它和正弦绕组B的轴线一致，能在该绕组中产生感应电动势，第二个分量为Φ2,它和正弦输出绕组B的轴线方向垂直，因此不会在该绕组B中产生感应电动势。这两个磁通分量的幅值大小为(8-11) 知识点梳理和重点概念复习 由于定子补偿绕组C与定子励磁绕组L相互垂直，当正弦输出绕组B的轴线与定子励磁绕组L重合时，余弦输出绕组A也与定子励磁绕组垂直，则此时补偿绕组C和余弦绕组A的轴线均与脉振磁场Φ』的轴线正交，绕组内都没有感应电动势产生。当转子转动离开此位置时，情况就如上所述了。 知识点梳理和重点概念复习 2.转子绕组接通负载——负载运行 假设转子正弦输出绕组B和交轴的夹角仍为转子转角α,则旋转变压器转子绕组负载接线图如图8-25所示。此时，接入负载后(其负载阻抗为ZBN),正弦输出绕组B中便有电流IB通过。余弦输出绕组A,其负载阻抗为ZAN,流过电流为IA。它们分别在各自绕组内产生磁通ΦB和ΦA。为便于分析，将ΦB、ΦA按绕组轴线方向分解为直轴和交轴磁通分量即(8-15) 知识点梳理和重点概念复习 由此可得(8-16) 当然，除了二次绕组对称外，也可以采用一次绕组对称的方法，即在定子上放置一套补偿绕组C。当转子绕组带负载后，在转子输出绕组出现交轴磁通时，则在短路的补偿绕组中产生感应电动势及电流，并产生磁通且与转子交轴磁通方向相反，起到削弱转子交轴磁通的作用。如果正好完全抵消，称为完全补偿。这种方法称为一次绕组补偿。 在实际上，由于制造或电路结构原因，通常采用一次绕组补偿和二次绕组也有补偿的四绕组结构形式，称为双重补偿。 知识点梳理和重点概念复习 三、线性旋转变压器 线性旋转变压器是指转子的输出电压的大小与转子转角α成正比关系的旋转变压器，即U₂=f(α)的函数曲线为一条直线。 正余弦旋转变压器的正弦输出绕组的输出电压大小与sinα成正比。当转子转角α用弧度作单位，且α在很小范围内时，sinα≈α。因此，正余弦旋转变压器在转子转角很小的情况下，可以作为线性旋转变压器来使用。在|α|≤14°范围内，sinα的线性误差不超过1%,如果要求线性误差不超过0.1%,则α角旋转范围应小于4.5°。 知识点梳理和重点概念复习 显然，这样小的转角范围不能满足实际使用的要求。为了扩大线性的角度范围，将四绕组旋转变压器进行适当连接，使输出电压与转子转角α呈如下函数关系 当选取最佳变比值K=0.54时，在转子偏转角α<60°范围内，线性误差不超过0.1%。但在实际设计中，因最佳变比还与其他参数有关，通常选取变比K=0.56~0.57,对机座号较小的线性旋转变压器，其最佳变比取较大值。 常考习题练习与讲解--选择题 1.下列属于解算装置用旋转变压器的是（ ） A.随动系统信号用旋转变压器 B.正余弦旋转变压器 C.多极对旋转变压器 D.无限转角无接触式旋转变压器 答案：B 解析：解算装置用旋转变压器包括正余弦、线性、比例式、特殊函数四种。 常考习题练习与讲解--选择题 2.我国生产的比例式旋转变压器的系列是（ ） A.XZ系列 B.XX系列 C.XL系列 D.XS系列 答案：C 解析：XZ系列为正余弦旋转变压器，XX系列为线性旋转变压器，XL系列为比例式旋转变压器，无XS系列，故C正确。 常考习题练习与讲解--选择题 3.正余弦旋转变压器空载时，正弦输出绕组的开路电压公式为（ ） A.UBO=KUₐcosα B.UBO=KUₐsinα C.UBO=KUₐtanα D.UBO=KUₐcotα 答案：B 解析：正余弦旋转变压器空载时，正弦绕组输出电压与转子转角α呈正弦关系。 常考习题练习与讲解--选择题 4.旋转变压器铁芯叠片采用“旋转叠片法”的目的是（ ） A.减小铜损 B.提高绝缘性 C.使导磁性能沿气隙圆周均匀 D.简化结构 答案：C 解析：旋转叠片法让每片错过一齿槽，可保证旋转变压器的导磁性能沿气隙圆周各处均匀一致，与铜损、绝缘性、结构简化无关。 常考习题练习与讲解--选择题 5.无接触式旋转变压器相比接触式更可靠的原因是（ ） A.磁极对数更多 B.无电刷与滑环的滑动接触 C.铁芯材料更好 D.绕组匝数更多 答案：B 解析：接触式有电刷和滑环的滑动接触，易因机械撞击或环境恶劣导致接触不良；无接触式无此结构，故更可靠，B正确。 常考习题练习与讲解--选择题 6.正余弦旋转变压器负载时，二次绕组对称的条件是（ ） A.绕组匝数不同 B.负载阻抗相等 C.转子转角为0° D.励磁电压恒定 答案：B 解析：二次绕组对称需绕组参数相同且负载阻抗相等（ZAN=ZBN），此时交轴磁通为零，输出电压稳定，故B正确。 常考习题练习与讲解--选择题 7.线性旋转变压器在α<60°范围内线性误差≤0.1%时，实际设计的最佳变比通常为（ ） A.0.4~0.5 B.0.56~0.57 C.0.6~0.7 D.0.8~0.9 答案：B 解析：理论最佳变比为0.54，实际因参数影响，通常取0.56~0.57，小机座号取较大值，故B正确。 常考习题练习与讲解--选择题 8.旋转变压器的定子和转子绕组通常采用（ ） A.集中绕组 B.正弦分布绕组 C.短距绕组 D.长距绕组 答案：B 解析：为保证输出电压与转角的精确函数关系，其绕组采用高精度正弦分布绕组，故B正确。 常考习题练习与讲解--填空题 1.旋转变压器的定子和转子铁心通常采用高磁导率的______或高硅钢片制成。 答案：铁镍软磁合金片 解析：这类材料磁导率高，能减少磁滞损耗，保证磁场稳定，是旋转变压器铁芯的常用材料。 常考习题练习与讲解--填空题 2.正余弦旋转变压器中，定子上两套绕组空间位置相差______电角度。 答案：90° 解析：定子上的励磁绕组与补偿绕组、转子上的正余弦绕组均为空间垂直，即相差90°电角度，以实现磁通的正交分解。 常考习题练习与讲解--填空题 3.无接触式旋转变压器中，转子转角不受限制的是______无接触式旋转变压器。 答案：无限转角 解析：无限转角无接触式通过环形变压器引出绕组，转子可无限转动；有限转角因引线为弹簧卷带，转角受限。 常考习题练习与讲解--填空题 4.当正余弦旋转变压器转子转角α用弧度表示，且α较小时，______≈α，可作为线性旋转变压器使用。 答案：sinα 解析：小转角时sinα与α近似相等，此时正余弦旋转变压器输出电压近似与转角成正比，故可作线性使用。 常考习题练习与讲解--判断题 1.旋转变压器通常设计为两极隐极式的四绕组结构，目的是获得良好的电气对称性。（ ） 答案：正确 解析：两极隐极式四绕组结构（定子、转子各两套垂直绕组）能保证电气对称性，提高输出精度，符合设计要求。 常考习题练习与讲解--判断题 2.接触式旋转变压器因有电刷和滑环，工作可靠性比无接触式更高。（ ） 答案：错误 解析：无接触式旋转变压器无电刷与滑环的滑动接触，减少了接触不良的风险，工作更可靠，故该说法错误。 常考习题练习与讲解--判断题 3.线性旋转变压器在|α|≤14°范围内，线性误差不超过1%。（ ） 答案：正确 解析：正余弦旋转变压器作线性使用时，|α|≤14°时sinα≈α的误差≤1%，符合其特性。 常考习题练习与讲解--判断题 4.正余弦旋转变压器负载时，一次绕组补偿是通过短路的补偿绕组产生反向磁通抵消交轴磁通。（ ） 答案：正确 解析：一次补偿中，补偿绕组短路，当出现交轴磁通时，绕组感应电流产生反向磁通，抵消交轴磁通，实现补偿。 常考习题练习与讲解--简答题 1.简述旋转变压器按使用要求的分类及各类的主要特点。 答案：按使用要求分为解算装置用和随动系统用。解算装置用包括：①正余弦型，输出与转角呈正余弦关系；②线性型，一定转角内输出与转角线性相关；③比例式，带转子位置调整装置；④特殊函数型，输出与转角呈特定函数关系。随动系统用可传输与机械角度相关的电信号。 常考习题练习与讲解--简答题 2.说明正余弦旋转变压器空载时，输出电压与转子转角的关系及推导依据。 答案：空载时，正弦绕组输出UBO=KUₐsinα，余弦绕组输出UAO=KUₐcosα。依据：励磁绕组产生直轴磁通，分解为与绕组平行和垂直的分量，平行分量感应电动势，结合匝数比（变比K）及三角函数关系推导得出。 常考习题练习与讲解--简答题 3.旋转变压器为何需要补偿？常用的补偿方式有哪些？ 答案：负载时转子绕组产生的磁通会影响主磁通，导致输出偏离正余弦关系，故需补偿。常用方式：①二次绕组对称，即两绕组负载阻抗相等；②一次绕组补偿，利用定子补偿绕组短路产生反向磁通抵消交轴磁通；③双重补偿，结合前两种方式。 常考习题练习与讲解--简答题 4.线性旋转变压器如何扩大线性转角范围？其关键参数是什么？ 答案：通过四绕组特定接线，使输出电压与转角呈U₂∝sinα/(1+Kₐcosα)关系。选取最佳变比K=0.56~0.57，可在α<60°范围内线性误差≤0.1%，扩大了范围。关键参数是变比，小机座号取较大值。 课堂小结 重点复习知识点： 1.分类是基础：重点掌握按用途的分类（解算装置用的四类及特点）和按接触方式的分类（接触式与无接触式的可靠性差异）。 2.结构决定性能：铁芯材料（高磁导率）、旋转叠片法、四绕组布置（空间垂直）是保证精度的关键，接触式与无接触式的结构差异影响适用场景。 3.应用看参数：系列型号（XZ、XX、XL）对应类型，线性误差与转角范围的关系，补偿方式对输出精度的影响需重点记忆。 阅读相关教材和课堂笔记，梳理重点知识点和关键概念。制作复习提纲或思维导图，以帮助理清知识框架和内部逻辑。进行练习题和例题的练习，加深对知识的理解和应用。 感谢 观看 $$