【導(dǎo)讀】許多人認(rèn)為，正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器一個繞組輸出正弦信號，一個繞組輸出余弦信號，兩者相差90°，這其實是一種錯誤的認(rèn)識。正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器相當(dāng)于一臺調(diào)幅裝置，勵磁信號相當(dāng)于載波信號，通常為400Hz、1000Hz或更高頻率的正弦波。
變壓器
變壓器（Transformer）是利用電磁感應(yīng)的原理來改變交流電壓的裝置，主要構(gòu)件是初級線圈、次級線圈和鐵芯（磁芯）。主要功能有：電壓變換、電流變換、阻抗變換、隔離、穩(wěn)壓（磁飽和變壓器）等。按用途可以分為：電力變壓器和特殊變壓器（電爐變、整流變、工頻試驗變壓器、調(diào)壓器、礦用變、音頻變壓器、中頻變壓器、高頻變壓器、沖擊變壓器、儀用變壓器、電子變壓器、電抗器、互感器等）。電路符號常用T當(dāng)作編號的開頭。例： T01， T201等。
工作原理
變壓器由鐵芯（或磁芯）和線圈組成，線圈有兩個或兩個以上的繞組，其中接電源的繞組叫初級線圈，其余的繞組叫次級線圈。它可以變換交流電壓、電流和阻抗。最簡單的鐵心變壓器由一個軟磁材料做成的鐵心及套在鐵心上的兩個匝數(shù)不等的線圈構(gòu)成，如圖所示。
鐵心的作用是加強兩個線圈間的磁耦合。為了減少鐵內(nèi)渦流和磁滯損耗，鐵心由涂漆的硅鋼片疊壓而成;兩個線圈之間沒有電的聯(lián)系，線圈由絕緣銅線（或鋁線）繞成。一個線圈接交流電源稱為初級線圈（或原線圈），另一個線圈接用電器稱為次級線圈（或副線圈）。實際的變壓器是很復(fù)雜的，不可避免地存在銅損（線圈電阻發(fā)熱）、鐵損（鐵心發(fā)熱）和漏磁（經(jīng)空氣閉合的磁感應(yīng)線）等，為了簡化討論這里只介紹理想變壓器。理想變壓器成立的條件是：忽略漏磁通，忽略原、副線圈的電阻，忽略鐵心的損耗，忽略空載電流（副線圈開路原線圈線圈中的電流）。例如電力變壓器在滿載運行時（副線圈輸出額定功率）即接近理想變壓器情況。
變壓器是利用電磁感應(yīng)原理制成的靜止用電器。當(dāng)變壓器的原線圈接在交流電源上時，鐵心中便產(chǎn)生交變磁通，交變磁通用φ表示。原、副線圈中的φ是相同的，φ也是簡諧函數(shù)，表為φ=φmsinωt。由法拉第電磁感應(yīng)定律可知，原、副線圈中的感應(yīng)電動勢為e1=-N1dφ/dt、e2=-N2dφ/dt。式中N1、N2為原、副線圈的匝數(shù)。由圖可知U1=-e1，U2=e2（原線圈物理量用下角標(biāo)1表示，副線圈物理量用下角標(biāo)2表示），其復(fù)有效值為U1=-E1=jN1ωΦ、U2=E2=-jN2ωΦ，令k=N1/N2，稱變壓器的變比。由上式可得U1/ U2=-N1/N2=-k，即變壓器原、副線圈電壓有效值之比，等于其匝數(shù)比而且原、副線圈電壓的位相差為π。
進而得出：
U1/U2=N1/N2
在空載電流可以忽略的情況下，有I1/ I2=-N2/N1，即原、副線圈電流有效值大小與其匝數(shù)成反比，且相位差π。
進而可得
I1/ I2=N2/N1
理想變壓器原、副線圈的功率相等P1=P2。說明理想變壓器本身無功率損耗。實際變壓器總存在損耗，其效率為η=P2/P1。電力變壓器的效率很高，可達(dá)90%以上。 ［1］
主要分類
一般常用變壓器的分類可歸納如下 ［2］ ：
1、按相數(shù)分：
1）單相變壓器：用于單相負(fù)荷和三相變壓器組。
2）三相變壓器：用于三相系統(tǒng)的升、降電壓。
2、按冷卻方式分：
1）干式變壓器：依靠空氣對流進行自然冷卻或增加風(fēng)機冷卻，多用于高層建筑、高速收費站點用電及局部照明、電子線路等小容量變壓器。
2）油浸式變壓器：依靠油作冷卻介質(zhì)、如油浸自冷、油浸風(fēng)冷、油浸水冷、強迫油循環(huán)等。
3、按用途分：
1）電力變壓器：用于輸配電系統(tǒng)的升、降電壓。
2）儀用變壓器：如電壓互感器、電流互感器、用于測量儀表和繼電保護裝置。
3）試驗變壓器：能產(chǎn)生高壓，對電氣設(shè)備進行高壓試驗。
4）特種變壓器：如電爐變壓器、整流變壓器、調(diào)整變壓器、電容式變壓器、移相變壓器等。
4、按繞組形式分：
1）雙繞組變壓器：用于連接電力系統(tǒng)中的兩個電壓等級。
2）三繞組變壓器：一般用于電力系統(tǒng)區(qū)域變電站中，連接三個電壓等級。
3）自耦變電器：用于連接不同電壓的電力系統(tǒng)。也可做為普通的升壓或降后變壓器用。
5、按鐵芯形式分：
1）芯式變壓器：用于高壓的電力變壓器。
2）非晶合金變壓器：非晶合金鐵芯變壓器是用新型導(dǎo)磁材料，空載電流下降約80%，是節(jié)能效果較理想的配電變壓器，特別適用于農(nóng)村電網(wǎng)和發(fā)展中地區(qū)等負(fù)載率較低地方。
3）殼式變壓器：用于大電流的特殊變壓器，如電爐變壓器、電焊變壓器；或用于電子儀器及電視、收音機等的電源變壓器。
特征參數(shù)
工作頻率
變壓器鐵芯損耗與頻率關(guān)系很大，故應(yīng)根據(jù)使用頻率來設(shè)計和使用，這種頻率稱工作頻率。
額定功率
在規(guī)定的頻率和電壓下，變壓器能長期工作而不超過規(guī)定溫升的輸出功率。
額定電壓
指在變壓器的線圈上所允許施加的電壓，工作時不得大于規(guī)定值。
電壓比
指變壓器初級電壓和次級電壓的比值，有空載電壓比和負(fù)載電壓比的區(qū)別。
空載電流
變壓器次級開路時，初級仍有一定的電流，這部分電流稱為空載電流。空載電流由磁化電流（產(chǎn)生磁通）和鐵損電流（由鐵芯損耗引起）組成。對于50Hz電源變壓器而言，空載電流基本上等于磁化電流。
空載損耗
指變壓器次級開路時，在初級測得功率損耗。主要損耗是鐵芯損耗，其次是空載電流在初級線圈銅阻上產(chǎn)生的損耗（銅損），這部分損耗很小。
效率
指次級功率P2與初級功率P1比值的百分比。通常變壓器的額定功率愈大，效率就愈高。
絕緣電阻
表示變壓器各線圈之間、各線圈與鐵芯之間的絕緣性能。絕緣電阻的高低與所使用的絕緣材料的性能、溫度高低和潮濕程度有關(guān)。
圖1：正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)原理
旋轉(zhuǎn)變壓器是一種測量用途的電機，常被當(dāng)做角度或速度傳感器使用。正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器其一、二次側(cè)繞組分別放在定、轉(zhuǎn)子上，一次側(cè)繞組與二次側(cè)繞組之間的電磁耦合程度與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角密切相關(guān)。正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器正是利用它們之間的不同相對位置來改變它們之間的互感，以便在二次（轉(zhuǎn)子）繞組中獲得與旋轉(zhuǎn)θ成正、余弦函數(shù)關(guān)系的端電壓。
如上圖1所示，S1-S3作為勵磁繞組，S2-S4作為定子交軸繞組，兩者空間互相垂直且匝數(shù)、型式完全相同。R1-R3和R2-R4分別為轉(zhuǎn)子上的正弦輸出繞組和余弦輸出繞組，它們的結(jié)構(gòu)也完全相同。
對于定子勵磁，不帶補償繞組的正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器在任意電氣角度下輸出電壓滿足下述方程式：
UR1R3=KUS1S3cosθ+KUS2S4sinθ
UR2R4=KUS2S4cosθ-KUS1S3sinθ
式中：
UR1R3為轉(zhuǎn)子繞組R1R3之間的電壓；
UR2R4為轉(zhuǎn)子繞組R2R4之間的電壓；
US1S3為定子繞組S1S3之間的電壓；
US2S4為定子繞組S2S4之間的電壓；
θ為旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子相對定子的電氣角；
K為旋轉(zhuǎn)變壓器變比。
當(dāng)原邊定子交軸繞組短路時，電壓方程式變?yōu)椋?/div>
UR1R3=KUS1S3cosθ
UR2R4=-KUS1S3sinθ
對正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的勵磁繞組、正弦繞組和余弦繞組的輸出信號進行測量和分析，可以計算出旋轉(zhuǎn)變壓器的電氣角和旋轉(zhuǎn)速度，從而得到被測對象角度、轉(zhuǎn)速等參數(shù)。
正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器關(guān)鍵參數(shù)
01零位電壓
對于定子勵磁來講，當(dāng)圖2中S1S3與R2R4處于最小耦合時即旋變的基準(zhǔn)電氣零位。當(dāng)正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出繞組中感應(yīng)電壓最小時，轉(zhuǎn)子位置就是電氣零位，輸出電壓就是零位電壓。零位電壓也稱剩余電壓（Null voltage）。
02函數(shù)誤差
正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器在任一轉(zhuǎn)子位置時函數(shù)誤差的表達(dá)式為：
旋轉(zhuǎn)變壓器函數(shù)誤差計算公式式中：
δs——函數(shù)誤差；
Uθ——在轉(zhuǎn)子角度為θ時輸出電壓基波同相（與最大輸出電壓同相）分量；
U——在轉(zhuǎn)子角度為90°時輸出電壓基波分量。
03相位移
相位移是指勵磁電壓與輸出電壓的基波分量之間的相位差。正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器相位移通常超前，對于控制系統(tǒng)而言，相對固定的相位移是可以接受的，但是，較大的、并且不穩(wěn)定的相位移則是不允許的。
一般而言，隨著基座號的上升、勵磁頻率的上升，相位移隨之減小。隨著溫度的上升，繞組電阻變大，相位移也會變大。
04變壓比
正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的變壓比與靜止變壓器的變比含義相同，但是，正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器在不同轉(zhuǎn)角時，磁場耦合程度不同，輸出電壓不同。因此，正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的變壓比是指在規(guī)定勵磁條件下，最大空載輸出電壓的基波分量與勵磁電壓的基波分量之比。
05電氣誤差
電氣誤差是指轉(zhuǎn)子實際電氣角度與通過輸出測量計算獲得的電氣角度的偏差。一般不超過12′。
06交軸誤差
原邊繞組輪流勵磁（剩下繞組短路），轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子，分別測得轉(zhuǎn)子理論角度為0°、90°、180°、270°時的電氣誤差，按要求取這些電氣誤差的代數(shù)差，絕對值最大的差值為交軸誤差。
07開路輸入阻抗
旋轉(zhuǎn)變壓器的技術(shù)指標(biāo)中，在銘牌上標(biāo)稱的指標(biāo)一般只有兩個，一個是變壓比，另一個就是開路輸入阻抗。旋轉(zhuǎn)變壓器的開路輸入阻抗一般在200Ω~10kΩ之間。
08空載電流
旋轉(zhuǎn)變壓器勵磁繞組的空載電流符合產(chǎn)品專用技術(shù)條件中的規(guī)定。
正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器輸出信號特點
許多人認(rèn)為，正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器一個繞組輸出正弦信號，一個繞組輸出余弦信號，兩者相差90°，這其實是一種錯誤的認(rèn)識。正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器相當(dāng)于一臺調(diào)幅裝置，勵磁信號相當(dāng)于載波信號，通常為400Hz、1000Hz或更高頻率的正弦波。與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度關(guān)聯(lián)的正余弦信號相當(dāng)于調(diào)制信號，旋轉(zhuǎn)變壓器靜止時，正余弦繞組輸出的是載波信號，旋轉(zhuǎn)時，輸出的是已調(diào)制的調(diào)幅信號。
當(dāng)旋轉(zhuǎn)變壓器為兩極，勵磁頻率為1000Hz，轉(zhuǎn)子以3000r/min旋轉(zhuǎn)，正余弦繞組輸出為50Hz正弦調(diào)制波到1000Hz正弦載波上的調(diào)幅信號。如圖2所示：
圖2：正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的勵磁波形及正余弦繞組輸出波形
正弦繞組和余弦繞組輸出為調(diào)幅波，其包絡(luò)線分別為正弦波和余弦波，包絡(luò)線的頻率為50Hz，對應(yīng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，正弦繞組和余弦繞組的幅值的比值的反正切就是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角。
正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器測試
正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器輸出為調(diào)幅波，包含了轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速信號，銀河電氣在充分研究正余弦變壓器輸入輸出關(guān)系的基礎(chǔ)上，研制了DH2000/RE1正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器綜合測試儀。測試儀如下圖3所示。
圖3：正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器綜合測試儀
● 全新測試手段，告別紛繁復(fù)雜的傳統(tǒng)儀器；
● 現(xiàn)代測試技術(shù)，全面提高測試精度；
● 全面解碼旋變，狀態(tài)及性能參數(shù)一目了然；
一臺DH2000/RE1正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器綜合測試儀即可高效率實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的所有試驗，并可自動出具試驗報告和合格判定。（測試儀內(nèi)置高精度勵磁電源，用戶無需另外選購）
