繞組電阻對稱度對旋轉變壓器的影響分析

毛垠怡，張 瑗，劉明鑫，田延榮,錢 懿

(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

旋轉變壓器是一種精密角度、位置檢測裝置，具有靈敏度高、可靠性高、抗干擾能力強等特點，適用于各種環境條件比較惡劣的場合，被廣泛應用于伺服控制系統、機器人系統等領域中，用作傳輸與轉角相應的電信號。本文研究的隨動系統中，定子勵磁的旋轉變壓器在定子兩相繞組阻值不對稱情況下，輸出產生的誤差無法達到系統要求時，通過控制兩相繞組阻值均衡性，提高精度、減少誤差，達到系統的技術要求。

1 旋轉變壓器關鍵指標

在隨動系統中，使用一對旋轉變壓器，其中一個作為旋變發送機，另一個為旋變變壓器，其電氣原理圖如圖1所示[1]。旋變發送機轉子一相(R5R7)勵磁，定子(S5S7、S6S8)輸出信號對應接入旋變變壓器定子(S5S7、S6S8)，旋變變壓器的轉子一相(R5R7)輸出，接入系統。

圖1 隨動系統中旋轉變壓器的應用

旋變發送機以轉子勵磁狀態下輸入一個角頻率為ω、幅值為U1m的電壓：

U1=U1msin(ωt)

(1)

勵磁繞組中通過的勵磁電流產生交變磁通，在發送機定子輸出繞組中產生感生電動勢，當轉子轉動時，勵磁繞組和定子輸出繞組的相對位置發生變化，致使定子輸出繞組感生的電動勢也發生變化，其中定子兩相繞組在空間上成正交90°電氣角度，故定子兩相的輸出電壓：

U2s5s7=K1U1mcos(pθ1)sin(ωt+α)

(2)

U2s6s8=-K1U1msin(pθ1)sin(ωt+α)

(3)

式(1)～式(3)中：U1m為勵磁輸入電壓的幅值；K1為發送機變壓比；p為極對數；θ1為發送機轉子轉角；α為勵磁電壓與輸出電壓之間的相位角。

旋變變壓器定子兩相接收旋變發送機定子兩相的輸出電壓，發送機定子繞組產生的電流流入變壓器定子繞組，故電流方向相反，變壓器轉子輸出繞組磁場軸線和發送機勵磁磁場軸線的夾角Δθ=θ1-θ2。旋變變壓器輸出繞組的電動勢：

E2=K2U2mcos(Δθ)

(4)

影響式(4)中E2的主要因素就是發送機定子兩相輸出電壓的幅值U2m、變壓比K2和磁場軸線的夾角Δθ。

在旋變發送機和旋變變壓器成對接工作時，圖1形成了一個四端網絡。這樣，發送機和變壓器的阻抗上的壓降，便要影響最終施加于旋變變壓器上的電勢大小，當兩者不對稱時，就會使旋變發送機和旋變變壓器不是嚴格按照角度作一次規律變化，進而產生誤差。

2 繞組阻值不對稱的影響

根據旋轉變壓器理論分析與實驗結果統計，交軸誤差和變壓比均衡性，兩項的誤差占電氣誤差的85%[2]，而變壓比均衡性對于交軸誤差也有一定影響，故對于電氣誤差的影響較大。

一般情況下，在系統設計時，考慮旋變變壓器輸入阻抗應該盡可能地大于旋變發送機的輸出阻抗；但實際情況不可能大很多，在此種情況下，兩相繞組阻值的不對稱引起兩相繞組阻抗不對稱，則兩相的電動勢就會不相等，如式(5)、式(6)所示。代入正切函數電橋法公式后得式(7)，通過三角變換后最終得到式(8)。由式(8)可以看出，繞組不對稱產生的誤差都是2p次的，而且較為嚴重，影響精度。

EA(θ)=UPsin(pθ)

(5)

EB(θ)=(UP+ΔU)cos(pθ)

(6)

(7)

(8)

式中：UP為定子兩相輸出電動勢的幅值；ΔU為電動勢幅值的偏差值；θP為正切函數電橋法設定的電氣角度;δ為電氣誤差。

根據旋轉變壓器結構特點，與旋變變壓器變壓比、電氣誤差等關鍵指標直接相關的因素為定、轉子兩相繞組匝數和阻值均衡性等情況，因此在生產階段較好地控制繞組匝數和繞組線圈電阻值尤為重要。

3 線圈繞組的控制方法

線圈繞組控制通常需要考慮三個指標：繞組線圈尺寸、繞組匝數和繞組電阻值。繞組線圈尺寸一般可由繞線模具的尺寸來保證；繞組匝數是通過繞線時的線圈計數控制，并可通過專門的線圈匝數檢測儀器確認；繞組電阻則在線圈匝數一定的情況下，由繞線模具控制，但如果旋轉變壓器采用手工繞制的、以齒中心線對稱的同心式正弦繞組，其繞制的松緊程度將直接影響繞組阻值。

繞組阻值的控制一般采取以下三個措施：一是采用阻值均衡性較好的漆包線，二是線圈繞組繞制控制，三是繞組阻值配對控制。

以某旋轉變壓器為例，定子鐵心為72槽，線圈每組為18檔，每相繞組需要4組線圈，兩相繞組共需要8組線圈，S5S7、S6S8相繞組在鐵心槽內的連線如圖2所示。

圖2 S5S7相繞組連接示意圖

3.1 漆包線電阻均衡性

定子繞組線圈所用的漆包線線徑為0.08 mm，根據國家標準[3]，其單位長度下的電阻值應在3.133～3.703 Ω之間。在這種情況下，漆包線電阻值的容差率將會非常之高，會導致不同批次或同批次不同線軸漆包線之間的單位長度電阻值差別很大。為了更好地控制同一批次每軸漆包線之間的電阻值差異，一般可在入廠檢驗時采用SPC(統計過程控制)的方式進行電阻值把控，如采購一個批次共10軸漆包線，每軸各采集5個導體電阻試樣取平均阻值，共獲得10個電阻值，按照樣本標準差公式：

(9)

進行計算，應符合0.05 Ω以內。不同批次則采用均值-極差控制圖[4]進行SPC控制，不能超出6σ上下控制線限。

3.2 線圈繞組繞制控制

線圈繞組采用手工繞制，繞制過程中的拉力不勻將導致漆包線阻值有所差異，故在繞線模具基本一致的情況下，對于不同人員繞制的線圈分別標識，進行繞組阻值比對，尋找出阻值偏離范圍相近的人員形成一個小組，可進行同一批量產品的線圈繞制，小組人員一般不超過3～5人。

3.3 繞組阻值配對控制

繞組阻值的選配同樣為人工操作，線圈繞制規定每組線圈直流電阻為(109±10.9) Ω。因此在線圈嵌入鐵心槽內之前，對線圈1組～線圈4組直流電阻之和與另一組線圈1組～線圈4組直流電阻之和進行選配，要求它們之間的差值不大于0.5%。同樣，嵌完線圈后檢查引出線S5S7相及S6S8相的直流電阻值，要求在(436±43.6)Ω范圍內，且S5S7與S6S8兩相之間直流電阻值之差不大于0.5%。

4 測試驗證情況

采取上述線圈繞組的三項控制措施，測試5臺旋轉變壓器性能參數，包括定子繞組電阻值、旋變發送機和變壓器狀態下的電氣誤差值如表1所示，均符合技術要求。

表1 旋轉變壓器性能測試參數表

5 結 語

通過對兩相繞組阻值均衡性影響的分析，并采取三項控制措施，能夠在一定程度上改善旋轉變壓器定子兩相繞組阻值對稱性，以減少輸出產生的誤差，達到系統要求。