正余弦旋转变压器与普通变压器的区别

品慧电子讯许多人认为，正余弦旋转变压器一个绕组输出正弦信号，一个绕组输出余弦信号，两者相差90°，这其实是一种错误的认识。正余弦旋转变压器相当于一台调幅装置，励磁信号相当于载波信号，通常为400Hz、1000Hz或更高频率的正弦波。

变压器

变压器（Transformer）是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线圈、次级线圈和铁芯（磁芯）。主要功能有：电压变换、电流变换、阻抗变换、隔离、稳压（磁饱和变压器）等。按用途可以分为：电力变压器和特殊变压器（电炉变、整流变、工频试验变压器、调压器、矿用变、音频变压器、中频变压器、高频变压器、冲击变压器、仪用变压器、电子变压器、电抗器、互感器等）。电路符号常用T当作编号的开头。例： T01， T201等。

工作原理

变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。它可以变换交流电压、电流和阻抗。最简单的铁心变压器由一个软磁材料做成的铁心及套在铁心上的两个匝数不等的线圈构成，如图所示。

铁心的作用是加强两个线圈间的磁耦合。为了减少铁内涡流和磁滞损耗，铁心由涂漆的硅钢片叠压而成;两个线圈之间没有电的联系，线圈由绝缘铜线（或铝线）绕成。一个线圈接交流电源称为初级线圈（或原线圈），另一个线圈接用电器称为次级线圈（或副线圈）。实际的变压器是很复杂的，不可避免地存在铜损（线圈电阻发热）、铁损（铁心发热）和漏磁（经空气闭合的磁感应线）等，为了简化讨论这里只介绍理想变压器。理想变压器成立的条件是：忽略漏磁通，忽略原、副线圈的电阻，忽略铁心的损耗，忽略空载电流（副线圈开路原线圈线圈中的电流）。例如电力变压器在满载运行时（副线圈输出额定功率）即接近理想变压器情况。

变压器是利用电磁感应原理制成的静止用电器。当变压器的原线圈接在交流电源上时，铁心中便产生交变磁通，交变磁通用φ表示。原、副线圈中的φ是相同的，φ也是简谐函数，表为φ=φmsinωt。由法拉第电磁感应定律可知，原、副线圈中的感应电动势为e1=-N1dφ/dt、e2=-N2dφ/dt。式中N1、N2为原、副线圈的匝数。由图可知U1=-e1，U2=e2（原线圈物理量用下角标1表示，副线圈物理量用下角标2表示），其复有效值为U1=-E1=jN1ωΦ、U2=E2=-jN2ωΦ，令k=N1/N2，称变压器的变比。由上式可得U1/ U2=-N1/N2=-k，即变压器原、副线圈电压有效值之比，等于其匝数比而且原、副线圈电压的位相差为π。

进而得出：

U1/U2=N1/N2

在空载电流可以忽略的情况下，有I1/ I2=-N2/N1，即原、副线圈电流有效值大小与其匝数成反比，且相位差π。

进而可得

I1/ I2=N2/N1

理想变压器原、副线圈的功率相等P1=P2。说明理想变压器本身无功率损耗。实际变压器总存在损耗，其效率为η=P2/P1。电力变压器的效率很高，可达90%以上。 ［1］

主要分类

一般常用变压器的分类可归纳如下 ［2］ ：

1、按相数分：

1）单相变压器：用于单相负荷和三相变压器组。

2）三相变压器：用于三相系统的升、降电压。

2、按冷却方式分：

1）干式变压器：依靠空气对流进行自然冷却或增加风机冷却，多用于高层建筑、高速收费站点用电及局部照明、电子线路等小容量变压器。

2）油浸式变压器：依靠油作冷却介质、如油浸自冷、油浸风冷、油浸水冷、强迫油循环等。

3、按用途分：

1）电力变压器：用于输配电系统的升、降电压。

2）仪用变压器：如电压互感器、电流互感器、用于测量仪表和继电保护装置。

3）试验变压器：能产生高压，对电气设备进行高压试验。

4）特种变压器：如电炉变压器、整流变压器、调整变压器、电容式变压器、移相变压器等。

4、按绕组形式分：

1）双绕组变压器：用于连接电力系统中的两个电压等级。

2）三绕组变压器：一般用于电力系统区域变电站中，连接三个电压等级。

3）自耦变电器：用于连接不同电压的电力系统。也可做为普通的升压或降后变压器用。

5、按铁芯形式分：

1）芯式变压器：用于高压的电力变压器。

2）非晶合金变压器：非晶合金铁芯变压器是用新型导磁材料，空载电流下降约80%，是节能效果较理想的配电变压器，特别适用于农村电网和发展中地区等负载率较低地方。

3）壳式变压器：用于大电流的特殊变压器，如电炉变压器、电焊变压器；或用于电子仪器及电视、收音机等的电源变压器。

特征参数

工作频率

变压器铁芯损耗与频率关系很大，故应根据使用频率来设计和使用，这种频率称工作频率。

额定功率

在规定的频率和电压下，变压器能长期工作而不超过规定温升的输出功率。

额定电压

指在变压器的线圈上所允许施加的电压，工作时不得大于规定值。

电压比

指变压器初级电压和次级电压的比值，有空载电压比和负载电压比的区别。

空载电流

变压器次级开路时，初级仍有一定的电流，这部分电流称为空载电流。空载电流由磁化电流（产生磁通）和铁损电流（由铁芯损耗引起）组成。对于50Hz电源变压器而言，空载电流基本上等于磁化电流。

空载损耗

指变压器次级开路时，在初级测得功率损耗。主要损耗是铁芯损耗，其次是空载电流在初级线圈铜阻上产生的损耗（铜损），这部分损耗很小。

效率

指次级功率P2与初级功率P1比值的百分比。通常变压器的额定功率愈大，效率就愈高。

绝缘电阻

表示变压器各线圈之间、各线圈与铁芯之间的绝缘性能。绝缘电阻的高低与所使用的绝缘材料的性能、温度高低和潮湿程度有关。

图1：正余弦旋转变压器结构原理

旋转变压器是一种测量用途的电机，常被当做角度或速度传感器使用。正余弦旋转变压器其一、二次侧绕组分别放在定、转子上，一次侧绕组与二次侧绕组之间的电磁耦合程度与转子的转角密切相关。正余弦旋转变压器正是利用它们之间的不同相对位置来改变它们之间的互感，以便在二次（转子）绕组中获得与旋转θ成正、余弦函数关系的端电压。

如上图1所示，S1-S3作为励磁绕组，S2-S4作为定子交轴绕组，两者空间互相垂直且匝数、型式完全相同。R1-R3和R2-R4分别为转子上的正弦输出绕组和余弦输出绕组，它们的结构也完全相同。

对于定子励磁，不带补偿绕组的正余弦旋转变压器在任意电气角度下输出电压满足下述方程式：

UR1R3=KUS1S3cosθ+KUS2S4sinθ

UR2R4=KUS2S4cosθ-KUS1S3sinθ

式中：

UR1R3为转子绕组R1R3之间的电压；

UR2R4为转子绕组R2R4之间的电压；

US1S3为定子绕组S1S3之间的电压；

US2S4为定子绕组S2S4之间的电压；

θ为旋转变压器转子相对定子的电气角；

K为旋转变压器变比。

当原边定子交轴绕组短路时，电压方程式变为：

UR1R3=KUS1S3cosθ

UR2R4=-KUS1S3sinθ

对正余弦旋转变压器的励磁绕组、正弦绕组和余弦绕组的输出信号进行测量和分析，可以计算出旋转变压器的电气角和旋转速度，从而得到被测对象角度、转速等参数。

正余弦旋转变压器关键参数

01零位电压

对于定子励磁来讲，当图2中S1S3与R2R4处于最小耦合时即旋变的基准电气零位。当正余弦旋转变压器的输出绕组中感应电压最小时，转子位置就是电气零位，输出电压就是零位电压。零位电压也称剩余电压（Null voltage）。

02函数误差

正余弦旋转变压器在任一转子位置时函数误差的表达式为：

旋转变压器函数误差计算公式式中：

δs——函数误差；

Uθ——在转子角度为θ时输出电压基波同相（与最大输出电压同相）分量；

U——在转子角度为90°时输出电压基波分量。

03相位移

相位移是指励磁电压与输出电压的基波分量之间的相位差。正余弦旋转变压器相位移通常超前，对于控制系统而言，相对固定的相位移是可以接受的，但是，较大的、并且不稳定的相位移则是不允许的。

一般而言，随着基座号的上升、励磁频率的上升，相位移随之减小。随着温度的上升，绕组电阻变大，相位移也会变大。

04变压比

正余弦旋转变压器的变压比与静止变压器的变比含义相同，但是，正余弦旋转变压器在不同转角时，磁场耦合程度不同，输出电压不同。因此，正余弦旋转变压器的变压比是指在规定励磁条件下，最大空载输出电压的基波分量与励磁电压的基波分量之比。

05电气误差

电气误差是指转子实际电气角度与通过输出测量计算获得的电气角度的偏差。一般不超过12′。

06交轴误差

原边绕组轮流励磁（剩下绕组短路），转动转子，分别测得转子理论角度为0°、90°、180°、270°时的电气误差，按要求取这些电气误差的代数差，绝对值最大的差值为交轴误差。

07开路输入阻抗

旋转变压器的技术指标中，在铭牌上标称的指标一般只有两个，一个是变压比，另一个就是开路输入阻抗。旋转变压器的开路输入阻抗一般在200Ω~10kΩ之间。

08空载电流

旋转变压器励磁绕组的空载电流符合产品专用技术条件中的规定。

正余弦旋转变压器输出信号特点

许多人认为，正余弦旋转变压器一个绕组输出正弦信号，一个绕组输出余弦信号，两者相差90°，这其实是一种错误的认识。正余弦旋转变压器相当于一台调幅装置，励磁信号相当于载波信号，通常为400Hz、1000Hz或更高频率的正弦波。与转子旋转速度关联的正余弦信号相当于调制信号，旋转变压器静止时，正余弦绕组输出的是载波信号，旋转时，输出的是已调制的调幅信号。

当旋转变压器为两极，励磁频率为1000Hz，转子以3000r/min旋转，正余弦绕组输出为50Hz正弦调制波到1000Hz正弦载波上的调幅信号。如图2所示：

图2：正余弦旋转变压器的励磁波形及正余弦绕组输出波形

正弦绕组和余弦绕组输出为调幅波，其包络线分别为正弦波和余弦波，包络线的频率为50Hz，对应转子的转速，正弦绕组和余弦绕组的幅值的比值的反正切就是转子的转角。

正余弦旋转变压器测试

正余弦旋转变压器输出为调幅波，包含了转角及转速信号，银河电气在充分研究正余弦变压器输入输出关系的基础上，研制了DH2000/RE1正余弦旋转变压器综合测试仪。测试仪如下图3所示。

图3：正余弦旋转变压器综合测试仪

● 全新测试手段，告别纷繁复杂的传统仪器；

● 现代测试技术，全面提高测试精度；

● 全面解码旋变，状态及性能参数一目了然；

一台DH2000/RE1正余弦旋转变压器综合测试仪即可高效率实现标准规定的所有试验，并可自动出具试验报告和合格判定。（测试仪内置高精度励磁电源，用户无需另外选购）