《变压器与电动机》旋转变压器的基本原理与结构 (举一反三考点练）-讲义

举一反三考点练 《变压器与电动机》旋转变压器的基本原理与结构-讲义 1. 能说出旋转变压器的基本分类和主要结构特点。 2. 能理解并描述正余弦旋转变压器在空载运行时的工作原理。 3.能列举并解释负载运行时对输出电压的影响及主要的补偿方法。 知识点一 旋转变压器的分类与结构特点 一、旋转变压器： 旋转变压器是一种精密的控制电机，在自动控制系统中扮演着重要角色。它可以用于角度检测、坐标变换和数学运算等多种功能。 图1 正弦旋转变压器结构图 图2 旋转变压器接线图 （1） 图3 旋转变压器接线图 （2） 二、旋转变压器分类： 根据接触方式的不同，旋转变压器分为接触式和无接触式两种。接触式通过电刷和滑环连接，结构简单但容易磨损；无接触式采用非接触传输方式，可靠性更高，适合长期使用。 按照磁极对数分类，有单极对和多极对旋转变压器。单极对适用于一般控制系统，多极对则用于高精度场合，如双通道系统。 按照功能用途分类，主要分为四种：正余弦旋转变压器（输出电压与转角呈正弦或余弦关系）、线性旋转变压器（输出电压与转角呈线性关系）、比例式旋转变压器（带有位置锁定装置）和特殊函数旋转变压器（输出电压与转角呈特定函数关系）。 图4 Φ与输出绕组B垂直交链 图5 Φ与输出绕组B的轴线成α角 三、旋转变压器的结构： 旋转变压器的结构类似于绕组型感应电动机，但设计更加精密。定子和转子铁心采用高导磁材料制成，绕组采用高精度正弦分布绕组。 结构上通常采用两极隐极式设计，绕组在空间中对称分布，以保证电气性能的对称性和运行精度。 四、无接触式旋转变压器分类： 无接触式旋转变压器又分为有限转角型和无限转角型，其中无限转角型通过环形变压器实现信号传输，转子可以不受限制地连续旋转。 下列哪种旋转变压器通过电刷和滑环实现信号传输（ ） A. 有限转角无接触式 B. 无限转角无接触式 C. 接触式 D. 环形变压器式 【答案】C 【解析】接触式旋转变压器正是通过电刷和滑环的滑动接触来实现转子绕组与外部电路的连接，这是它与无接触式的主要区别。 1. 在自动控制系统中，旋转变压器不能用于下列哪种功能（ ） A. 角度检测 B. 坐标变换 C. 电压放大 D. 数学运算 【答案】C 【解析】旋转变压器主要用于角度检测、坐标变换和实现加、减、乘、除等数学运算，不具有电压放大的功能。 2. 哪种旋转变压器的转子可以无限连续旋转（ ） A. 接触式 B. 有限转角无接触式 C. 采用弹簧卷带的无接触式 D. 采用环形变压器的无接触式 【答案】D 【解析】采用环形变压器从定子边引出信号的无接触式旋转变压器，其转子转角不受机械限制，可以无限连续旋转。 3. 按照功能分类，哪种旋转变压器带有转子位置调整和锁紧装置（ ） A. 正余弦旋转变压器 B. 线性旋转变压器 C. 比例式旋转变压器 D. 特殊函数旋转变压器 【答案】C 【解析】比例式旋转变压器在结构上增加了带有调整和锁紧转子位置的装置，其他方面与正余弦旋转变压器基本相同。 1. 旋转变压器的定子、转子铁心通常采用什么材料制成（ ） A. 普通钢铁 B. 铜合金 C. 高磁导率的软磁合金片或高硅钢片 D. 铝合金 【答案】C 【解析】为了获得良好的导磁性能，旋转变压器的定子、转子铁心采用高磁导率的铁镍软磁合金片或高硅钢片经冲制、绝缘后叠装而成。 2. 下列哪种不是旋转变压器按照功能分类的类型（ ） A. 正余弦旋转变压器 B. 线性旋转变压器 C. 单极对旋转变压器 D. 比例式旋转变压器 【答案】C 【解析】单极对旋转变压器是按照磁极对数分类的类型，不是按照功能用途分类的。 3. 为了保证旋转变压器的精度，定子、转子铁心叠片时采用什么方法（ ） A. 平行叠片法 B. 交错叠片法 C. 旋转叠片法 D. 随机叠片法 【答案】C 【解析】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。 · 旋转变压器按接触方式、磁极对数和功能用途有多种分类方式。 · 其结构精密，采用高导磁材料和非接触或接触式信号传输设计。 · 不同类型的旋转变压器适用于不同的控制场景和精度要求。 知识点二 正余弦旋转变压器的工作原理（空载运行） 一、正余弦旋转变压器： 正余弦旋转变压器是旋转变压器中最基本的一种类型，它的输出电压与转子转角之间保持着严格的正弦或余弦函数关系。 在结构上，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，它们在空间位置上相差90度电角度。一套作为励磁绕组，另一套作为补偿绕组。 转子上也放置两套完全相同、空间位置相差90度电角度的绕组。一套绕组的输出电压与转子转角呈正弦函数关系，称为正弦输出绕组；另一套的输出电压与转子转角呈余弦函数关系，称为余弦输出绕组。 二、空载运行： 空载运行是指转子绕组和定子补偿绕组都处于开路状态的工作情况。此时只在定子励磁绕组上施加单相交流电压。 当励磁绕组通电后，会产生一个直轴方向的脉振磁场。这个磁场在空间中的分布是正弦形式的。 三、转子绕组的输出电压： 转子绕组的输出电压取决于它与励磁绕组磁场的相对位置。当正弦输出绕组与磁场方向垂直时，它不会产生感应电动势；当它与磁场方向平行时，产生的感应电动势最大。 在实际工作中，转子转角α表示正弦输出绕组轴线与交轴方向的夹角。输出电压的大小与sinα成正比，余弦输出绕组的输出电压则与cosα成正比。 正余弦旋转变压器的定子绕组中，与励磁绕组在空间上相差多少电角度（ ） A. 45度 B. 90度 C. 180度 D. 60度 【答案】B 【解析】正余弦旋转变压器的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度电角度，一套是励磁绕组，另一套是补偿绕组。 1. 在空载运行时，正余弦旋转变压器的哪个绕组处于开路状态（ ） A. 只有定子励磁绕组 B. 只有转子正弦绕组 C. 转子绕组和定子补偿绕组 D. 只有定子补偿绕组 【答案】C 【解析】空载运行是指转子绕组（包括正弦和余弦输出绕组）和定子补偿绕组都处于开路状态，只有定子励磁绕组施加交流电压。 2. 当转子正弦输出绕组的轴线与定子励磁绕组的磁场方向平行时，会产生什么情况（ ） A. 输出电压为零 B. 输出电压最小 C. 输出电压最大 D. 输出电流最大 【答案】C 【解析】当正弦输出绕组轴线与磁场方向平行时，该绕组交链的磁通最多，因此产生的感应电动势最大，输出电压也最大。 3. 正余弦旋转变压器中，余弦输出绕组的输出电压与转子转角α呈什么关系（ ） A. 正弦关系 B. 余弦关系 C. 正切关系 D. 线性关系 【答案】B 【解析】余弦输出绕组的输出电压与转子转角α呈余弦函数关系，即UAO = KUacosα。 1. 在空载运行状态下，正余弦旋转变压器的输出电压由什么因素决定（ ） A. 仅由输入电压决定 B. 仅由转子转角决定 C. 由输入电压和转子转角共同决定 D. 由负载大小决定 【答案】C 【解析】在励磁电压恒定的条件下，输出电压的大小取决于转子转角α，输出电压的表达式为U = KUsinα或U = KUcosα，其中KU包含输入电压的影响。 2. 正余弦旋转变压器的转子通常有几套绕组 （ ） A. 一套 B. 两套 C. 三套 D. 四套 【答案】B 【解析】正余弦旋转变压器的转子上放置两套完全相同、空间位置相差90度电角度的绕组，分别是正弦输出绕组和余弦输出绕组。 3. 当转子转角α为0度时，正弦输出绕组的输出电压是多少（ ） A. 最大值 B. 最小值（零） C. 中间值 D. 负最大值 【答案】B 【解析】正弦输出绕组的输出电压与sinα成正比，当α=0度时，sinα=0，因此输出电压为零。 · 正余弦旋转变压器通过定转子绕组的正交布置实现输出电压与转角的正余弦关系。 · 空载运行时，输出电压仅由励磁电压和转子转角决定。 · 这种精确的角度-电压转换关系使其成为控制系统中重要的检测和解算元件。 知识点三 正余弦旋转变压器的负载运行与补偿方法 一、负载运行： 负载运行是指旋转变压器的转子输出绕组接上负载阻抗的工作状态。此时输出绕组中会有电流流过，这与空载运行有本质区别。 当输出绕组接上负载后，绕组中流过的电流会产生新的磁场，这个磁场称为电枢反应磁场。它会干扰原来的主磁场，导致输出电压发生畸变。 二、电枢反应磁场分类： 电枢反应磁场可以分解为两个分量：直轴分量和交轴分量。直轴分量与主磁场方向一致或相反，会影响主磁场的强度；交轴分量则与主磁场垂直，会产生额外的干扰。 交轴磁场的存在是导致输出电压畸变的主要原因。它会破坏输出电压与转子转角之间的正余弦关系，造成测量或控制误差。 三、一次侧补偿和二次侧补偿： 为了消除负载运行时的畸变影响，需要采取补偿措施。主要有两种补偿方法：一次侧补偿和二次侧补偿。 二次侧补偿又称为对称补偿，要求两个转子输出绕组的负载阻抗完全相等。这样，两个绕组产生的交轴磁场会相互抵消，从而消除畸变。 一次侧补偿是在定子侧增加补偿绕组并将其短路。当转子产生交轴磁场时，会在补偿绕组中感应出电流，这个电流产生的磁场与转子交轴磁场方向相反，从而起到抵消作用。 正余弦旋转变压器在负载运行时，输出电压发生畸变的主要原因是什么（ ） A. 输入电压不稳定 B. 转子转速不均匀 C. 电枢反应产生的交轴磁场 D. 环境温度变化 【答案】C 【答案】负载运行时，转子绕组中的电流会产生电枢反应磁场，其中的交轴分量会干扰原来的主磁场，导致输出电压与转角之间的正余弦关系被破坏，产生畸变。 1. 下列哪种方法是通过使两个转子绕组的负载阻抗相等来实现补偿的（ ） A. 一次侧补偿 B. 二次侧补偿 C. 双重补偿 D. 串联补偿 【答案】B 【解析】二次侧补偿也称为对称补偿，要求两个转子输出绕组的负载阻抗完全相等，这样它们产生的交轴磁场会相互抵消。 2. 一次侧补偿是如何实现的（ ） A. 在转子侧增加补偿绕组 B. 在定子侧增加短路的补偿绕组 C. 改变输入电压的频率 D. 调整转子绕组的匝数 【答案】B 【解析】一次侧补偿是在定子上增加一套补偿绕组并将其短路，利用感应电流产生的磁场来抵消转子产生的交轴磁场。 3. 当正余弦旋转变压器带负载运行时，输出绕组中会产生什么（ ） A. 只有感应电动势 B. 只有感应电流 C. 感应电动势和感应电流 D. 机械转矩 【答案】C 【解析】带负载运行时，输出绕组中不仅会产生感应电动势，还会因为接有负载而形成闭合回路，产生感应电流。 1. 电枢反应磁场对主磁场的哪个分量会造成输出电压的畸变（ ） A. 直轴分量 B. 交轴分量 C. 径向分量 D. 切向分量 【答案】B 【解析】电枢反应磁场的交轴分量与主磁场垂直，会产生额外的干扰，是导致输出电压畸变的主要原因。 2. 在实际应用中，最常采用的补偿方式是什么 ( ) A. 仅一次侧补偿 B. 仅二次侧补偿 C. 双重补偿 D. 无补偿 【答案】C 【解析】由于制造和电路结构的原因，通常同时采用一次绕组补偿和二次绕组补偿，这种组合方式称为双重补偿，效果最好。 3. 负载运行时，电枢反应磁场的直轴分量对主磁场有什么影响 ( ) A. 增强主磁场 B. 削弱主磁场 C. 不影响主磁场 D. 可能增强也可能削弱主磁场 【答案】D 【解析】电枢反应磁场的直轴分量可能与主磁场方向相同（增强）或相反（削弱），具体取决于电流相位和转子位置。 · 负载运行时电枢反应会导致输出电压畸变，主要通过交轴磁场产生影响。 · 补偿方法有一次侧补偿和二次侧补偿两种方式。 · 实际应用中常采用双重补偿以获得最佳性能。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！2 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $