绕组电阻对称度对旋转变压器的影响分析

毛垠怡，张 瑗，刘明鑫，田延荣,钱 懿

(中国电子科技集团公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

旋转变压器是一种精密角度、位置检测装置，具有灵敏度高、可靠性高、抗干扰能力强等特点，适用于各种环境条件比较恶劣的场合，被广泛应用于伺服控制系统、机器人系统等领域中，用作传输与转角相应的电信号。本文研究的随动系统中，定子励磁的旋转变压器在定子两相绕组阻值不对称情况下，输出产生的误差无法达到系统要求时，通过控制两相绕组阻值均衡性，提高精度、减少误差，达到系统的技术要求。

1 旋转变压器关键指标

在随动系统中，使用一对旋转变压器，其中一个作为旋变发送机，另一个为旋变变压器，其电气原理图如图1所示[1]。旋变发送机转子一相(R5R7)励磁，定子(S5S7、S6S8)输出信号对应接入旋变变压器定子(S5S7、S6S8)，旋变变压器的转子一相(R5R7)输出，接入系统。

图1 随动系统中旋转变压器的应用

旋变发送机以转子励磁状态下输入一个角频率为ω、幅值为U1m的电压：

U1=U1msin(ωt)

(1)

励磁绕组中通过的励磁电流产生交变磁通，在发送机定子输出绕组中产生感生电动势，当转子转动时，励磁绕组和定子输出绕组的相对位置发生变化，致使定子输出绕组感生的电动势也发生变化，其中定子两相绕组在空间上成正交90°电气角度，故定子两相的输出电压：

U2s5s7=K1U1mcos(pθ1)sin(ωt+α)

(2)

U2s6s8=-K1U1msin(pθ1)sin(ωt+α)

(3)

式(1)～式(3)中：U1m为励磁输入电压的幅值；K1为发送机变压比；p为极对数；θ1为发送机转子转角；α为励磁电压与输出电压之间的相位角。

旋变变压器定子两相接收旋变发送机定子两相的输出电压，发送机定子绕组产生的电流流入变压器定子绕组，故电流方向相反，变压器转子输出绕组磁场轴线和发送机励磁磁场轴线的夹角Δθ=θ1-θ2。旋变变压器输出绕组的电动势：

E2=K2U2mcos(Δθ)

(4)

影响式(4)中E2的主要因素就是发送机定子两相输出电压的幅值U2m、变压比K2和磁场轴线的夹角Δθ。

在旋变发送机和旋变变压器成对接工作时，图1形成了一个四端网络。这样，发送机和变压器的阻抗上的压降，便要影响最终施加于旋变变压器上的电势大小，当两者不对称时，就会使旋变发送机和旋变变压器不是严格按照角度作一次规律变化，进而产生误差。

2 绕组阻值不对称的影响

根据旋转变压器理论分析与实验结果统计，交轴误差和变压比均衡性，两项的误差占电气误差的85%[2]，而变压比均衡性对于交轴误差也有一定影响，故对于电气误差的影响较大。

一般情况下，在系统设计时，考虑旋变变压器输入阻抗应该尽可能地大于旋变发送机的输出阻抗；但实际情况不可能大很多，在此种情况下，两相绕组阻值的不对称引起两相绕组阻抗不对称，则两相的电动势就会不相等，如式(5)、式(6)所示。代入正切函数电桥法公式后得式(7)，通过三角变换后最终得到式(8)。由式(8)可以看出，绕组不对称产生的误差都是2p次的，而且较为严重，影响精度。

EA(θ)=UPsin(pθ)

(5)

EB(θ)=(UP+ΔU)cos(pθ)

(6)

(7)

(8)

式中：UP为定子两相输出电动势的幅值；ΔU为电动势幅值的偏差值；θP为正切函数电桥法设定的电气角度;δ为电气误差。

根据旋转变压器结构特点，与旋变变压器变压比、电气误差等关键指标直接相关的因素为定、转子两相绕组匝数和阻值均衡性等情况，因此在生产阶段较好地控制绕组匝数和绕组线圈电阻值尤为重要。

3 线圈绕组的控制方法

线圈绕组控制通常需要考虑三个指标：绕组线圈尺寸、绕组匝数和绕组电阻值。绕组线圈尺寸一般可由绕线模具的尺寸来保证；绕组匝数是通过绕线时的线圈计数控制，并可通过专门的线圈匝数检测仪器确认；绕组电阻则在线圈匝数一定的情况下，由绕线模具控制，但如果旋转变压器采用手工绕制的、以齿中心线对称的同心式正弦绕组，其绕制的松紧程度将直接影响绕组阻值。

绕组阻值的控制一般采取以下三个措施：一是采用阻值均衡性较好的漆包线，二是线圈绕组绕制控制，三是绕组阻值配对控制。

以某旋转变压器为例，定子铁心为72槽，线圈每组为18档，每相绕组需要4组线圈，两相绕组共需要8组线圈，S5S7、S6S8相绕组在铁心槽内的连线如图2所示。

图2 S5S7相绕组连接示意图

3.1 漆包线电阻均衡性

定子绕组线圈所用的漆包线线径为0.08 mm，根据国家标准[3]，其单位长度下的电阻值应在3.133～3.703 Ω之间。在这种情况下，漆包线电阻值的容差率将会非常之高，会导致不同批次或同批次不同线轴漆包线之间的单位长度电阻值差别很大。为了更好地控制同一批次每轴漆包线之间的电阻值差异，一般可在入厂检验时采用SPC(统计过程控制)的方式进行电阻值把控，如采购一个批次共10轴漆包线，每轴各采集5个导体电阻试样取平均阻值，共获得10个电阻值，按照样本标准差公式：

(9)

进行计算，应符合0.05 Ω以内。不同批次则采用均值-极差控制图[4]进行SPC控制，不能超出6σ上下控制线限。

3.2 线圈绕组绕制控制

线圈绕组采用手工绕制，绕制过程中的拉力不匀将导致漆包线阻值有所差异，故在绕线模具基本一致的情况下，对于不同人员绕制的线圈分别标识，进行绕组阻值比对，寻找出阻值偏离范围相近的人员形成一个小组，可进行同一批量产品的线圈绕制，小组人员一般不超过3～5人。

3.3 绕组阻值配对控制

绕组阻值的选配同样为人工操作，线圈绕制规定每组线圈直流电阻为(109±10.9) Ω。因此在线圈嵌入铁心槽内之前，对线圈1组～线圈4组直流电阻之和与另一组线圈1组～线圈4组直流电阻之和进行选配，要求它们之间的差值不大于0.5%。同样，嵌完线圈后检查引出线S5S7相及S6S8相的直流电阻值，要求在(436±43.6)Ω范围内，且S5S7与S6S8两相之间直流电阻值之差不大于0.5%。

4 测试验证情况

采取上述线圈绕组的三项控制措施，测试5台旋转变压器性能参数，包括定子绕组电阻值、旋变发送机和变压器状态下的电气误差值如表1所示，均符合技术要求。

表1 旋转变压器性能测试参数表

5 结 语

通过对两相绕组阻值均衡性影响的分析，并采取三项控制措施，能够在一定程度上改善旋转变压器定子两相绕组阻值对称性，以减少输出产生的误差，达到系统要求。