毛垠怡，張 瑗，劉明鑫，田延榮,錢(qián) 懿

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

旋轉(zhuǎn)變壓器是一種精密角度、位置檢測(cè)裝置，具有靈敏度高、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，適用于各種環(huán)境條件比較惡劣的場(chǎng)合，被廣泛應(yīng)用于伺服控制系統(tǒng)、機(jī)器人系統(tǒng)等領(lǐng)域中，用作傳輸與轉(zhuǎn)角相應(yīng)的電信號(hào)。本文研究的隨動(dòng)系統(tǒng)中，定子勵(lì)磁的旋轉(zhuǎn)變壓器在定子兩相繞組阻值不對(duì)稱(chēng)情況下，輸出產(chǎn)生的誤差無(wú)法達(dá)到系統(tǒng)要求時(shí)，通過(guò)控制兩相繞組阻值均衡性，提高精度、減少誤差，達(dá)到系統(tǒng)的技術(shù)要求。

1 旋轉(zhuǎn)變壓器關(guān)鍵指標(biāo)

在隨動(dòng)系統(tǒng)中，使用一對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器，其中一個(gè)作為旋變發(fā)送機(jī)，另一個(gè)為旋變變壓器，其電氣原理圖如圖1所示[1]。旋變發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子一相(R5R7)勵(lì)磁，定子(S5S7、S6S8)輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)接入旋變變壓器定子(S5S7、S6S8)，旋變變壓器的轉(zhuǎn)子一相(R5R7)輸出，接入系統(tǒng)。

圖1 隨動(dòng)系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用

旋變發(fā)送機(jī)以轉(zhuǎn)子勵(lì)磁狀態(tài)下輸入一個(gè)角頻率為ω、幅值為U1m的電壓：

U1=U1msin(ωt)

(1)

勵(lì)磁繞組中通過(guò)的勵(lì)磁電流產(chǎn)生交變磁通，在發(fā)送機(jī)定子輸出繞組中產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，勵(lì)磁繞組和定子輸出繞組的相對(duì)位置發(fā)生變化，致使定子輸出繞組感生的電動(dòng)勢(shì)也發(fā)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(lì)磁輸入電壓的幅值；K1為發(fā)送機(jī)變壓比；p為極對(duì)數(shù)；θ1為發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角；α為勵(lì)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(fā)送機(jī)定子兩相的輸出電壓，發(fā)送機(jī)定子繞組產(chǎn)生的電流流入變壓器定子繞組，故電流方向相反，變壓器轉(zhuǎn)子輸出繞組磁場(chǎng)軸線(xiàn)和發(fā)送機(jī)勵(lì)磁磁場(chǎng)軸線(xiàn)的夾角Δθ=θ1-θ2。旋變變壓器輸出繞組的電動(dòng)勢(shì)：

E2=K2U2mcos(Δθ)

(4)

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

在旋變發(fā)送機(jī)和旋變變壓器成對(duì)接工作時(shí)，圖1形成了一個(gè)四端網(wǎng)絡(luò)。這樣，發(fā)送機(jī)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(shì)大小，當(dāng)兩者不對(duì)稱(chēng)時(shí)，就會(huì)使旋變發(fā)送機(jī)和旋變變壓器不是嚴(yán)格按照角度作一次規(guī)律變化，進(jìn)而產(chǎn)生誤差。

2 繞組阻值不對(duì)稱(chēng)的影響

根據(jù)旋轉(zhuǎn)變壓器理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)，交軸誤差和變壓比均衡性，兩項(xiàng)的誤差占電氣誤差的85%[2]，而變壓比均衡性對(duì)于交軸誤差也有一定影響，故對(duì)于電氣誤差的影響較大。

一般情況下，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮旋變變壓器輸入阻抗應(yīng)該盡可能地大于旋變發(fā)送機(jī)的輸出阻抗；但實(shí)際情況不可能大很多，在此種情況下，兩相繞組阻值的不對(duì)稱(chēng)引起兩相繞組阻抗不對(duì)稱(chēng)，則兩相的電動(dòng)勢(shì)就會(huì)不相等，如式(5)、式(6)所示。代入正切函數(shù)電橋法公式后得式(7)，通過(guò)三角變換后最終得到式(8)。由式(8)可以看出，繞組不對(duì)稱(chēng)產(chǎn)生的誤差都是2p次的，而且較為嚴(yán)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(dòng)勢(shì)的幅值；ΔU為電動(dòng)勢(shì)幅值的偏差值；θP為正切函數(shù)電橋法設(shè)定的電氣角度;δ為電氣誤差。

根據(jù)旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，與旋變變壓器變壓比、電氣誤差等關(guān)鍵指標(biāo)直接相關(guān)的因素為定、轉(zhuǎn)子兩相繞組匝數(shù)和阻值均衡性等情況，因此在生產(chǎn)階段較好地控制繞組匝數(shù)和繞組線(xiàn)圈電阻值尤為重要。

3 線(xiàn)圈繞組的控制方法

線(xiàn)圈繞組控制通常需要考慮三個(gè)指標(biāo)：繞組線(xiàn)圈尺寸、繞組匝數(shù)和繞組電阻值。繞組線(xiàn)圈尺寸一般可由繞線(xiàn)模具的尺寸來(lái)保證；繞組匝數(shù)是通過(guò)繞線(xiàn)時(shí)的線(xiàn)圈計(jì)數(shù)控制，并可通過(guò)專(zhuān)門(mén)的線(xiàn)圈匝數(shù)檢測(cè)儀器確認(rèn)；繞組電阻則在線(xiàn)圈匝數(shù)一定的情況下，由繞線(xiàn)模具控制，但如果旋轉(zhuǎn)變壓器采用手工繞制的、以齒中心線(xiàn)對(duì)稱(chēng)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(gè)措施：一是采用阻值均衡性較好的漆包線(xiàn)，二是線(xiàn)圈繞組繞制控制，三是繞組阻值配對(duì)控制。

以某旋轉(zhuǎn)變壓器為例，定子鐵心為72槽，線(xiàn)圈每組為18檔，每相繞組需要4組線(xiàn)圈，兩相繞組共需要8組線(xiàn)圈，S5S7、S6S8相繞組在鐵心槽內(nèi)的連線(xiàn)如圖2所示。

圖2 S5S7相繞組連接示意圖

3.1 漆包線(xiàn)電阻均衡性

定子繞組線(xiàn)圈所用的漆包線(xiàn)線(xiàn)徑為0.08 mm，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[3]，其單位長(zhǎng)度下的電阻值應(yīng)在3.133～3.703 Ω之間。在這種情況下，漆包線(xiàn)電阻值的容差率將會(huì)非常之高，會(huì)導(dǎo)致不同批次或同批次不同線(xiàn)軸漆包線(xiàn)之間的單位長(zhǎng)度電阻值差別很大。為了更好地控制同一批次每軸漆包線(xiàn)之間的電阻值差異，一般可在入廠(chǎng)檢驗(yàn)時(shí)采用SPC(統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制)的方式進(jìn)行電阻值把控，如采購(gòu)一個(gè)批次共10軸漆包線(xiàn)，每軸各采集5個(gè)導(dǎo)體電阻試樣取平均阻值，共獲得10個(gè)電阻值，按照樣本標(biāo)準(zhǔn)差公式：

(9)

進(jìn)行計(jì)算，應(yīng)符合0.05 Ω以?xún)?nèi)。不同批次則采用均值-極差控制圖[4]進(jìn)行SPC控制，不能超出6σ上下控制線(xiàn)限。

3.2 線(xiàn)圈繞組繞制控制

線(xiàn)圈繞組采用手工繞制，繞制過(guò)程中的拉力不勻?qū)?dǎo)致漆包線(xiàn)阻值有所差異，故在繞線(xiàn)模具基本一致的情況下，對(duì)于不同人員繞制的線(xiàn)圈分別標(biāo)識(shí)，進(jìn)行繞組阻值比對(duì)，尋找出阻值偏離范圍相近的人員形成一個(gè)小組，可進(jìn)行同一批量產(chǎn)品的線(xiàn)圈繞制，小組人員一般不超過(guò)3～5人。

3.3 繞組阻值配對(duì)控制

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

4 測(cè)試驗(yàn)證情況

采取上述線(xiàn)圈繞組的三項(xiàng)控制措施，測(cè)試5臺(tái)旋轉(zhuǎn)變壓器性能參數(shù)，包括定子繞組電阻值、旋變發(fā)送機(jī)和變壓器狀態(tài)下的電氣誤差值如表1所示，均符合技術(shù)要求。

表1 旋轉(zhuǎn)變壓器性能測(cè)試參數(shù)表

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)兩相繞組阻值均衡性影響的分析，并采取三項(xiàng)控制措施，能夠在一定程度上改善旋轉(zhuǎn)變壓器定子兩相繞組阻值對(duì)稱(chēng)性，以減少輸出產(chǎn)生的誤差，達(dá)到系統(tǒng)要求。