差動變壓器

差動變壓器指的是一種廣泛用於電子技術和非電量檢測中的變壓器裝置。主要用於測 量位移、壓力、振動等非電量參量。它既可用於靜態測量，也可用於動態測量。

差動變壓器由初級線圈和次級線圈組成，次級線圈分成極性相反的兩部分。當交流電壓加在初級線圈上時，若鐵芯離開中心，則次級線圈上感應電動勢的差，隨著鐵芯移動，電動勢的差隨之變大。

基本介紹

• 中文名：差動變壓器
• 外文名：differential transformer
• 套用：位移變送器，保護裝置
• 測量電路：差動整流電路

概述

差動變壓器以其結構簡單、良好的環境適應性、靈敏度高、測量精度高、線性度好、輸出穩定且輸出曲線光滑以及驅動力小等特點，廣泛套用於電子技術各種線位移的測量與轉換、儀表儀器以及感測器技術當中。介紹一種差動變壓器在給定線性位移的情況下輸出一定的可控電氣量，從而實現主令控制的套用。針對設計製造、試製調試的過程中出現的各種問題，分析了差動變壓器的零點殘餘電壓產生的原因和對實際電氣控制的影響，以及差動變壓器的幾何形狀尺寸、電和磁的各種參數的對稱性對零點殘餘電壓的影響。

差動變壓器的結構與工作原理

差動變壓器的工作原理是將非電量的位移變化變換成線圈的互感變化，它本身是一種互感式變壓器。當變壓器的互感量隨位移的變化而變化時，輸出電壓將相應發生變化。常用的螺旋式差動變壓器由銜鐵、一次線圈、二次線圈和線圈骨架組成，如圖1所示。

一次線圈作為變壓器激勵用，二次線圈由兩個結構參數與電氣參數相同的線圈反相串接而成，二次線圈因互感產生感應電勢。其感應電勢的理論計算如下：

E₂₁=－jωM₁I_1；

E₂₂=－jωM₂I₂。

輸出電勢總和為：

E₀=E₂₁－E₂₂=－jω（M₁－M₂）I_1。

當銜鐵處在中間位置時，若兩個二次線圈參及磁路尺寸相等，則

M₁=M₂=M，可得E₀=－jω（M₁－M₂）I₁=0。

當銜鐵偏離中間位置時，M₁≠M₂，變壓器處在差動工作狀態，M₁=M+ΔM，M₂=M－ΔM，一定範圍內差值ΔM與銜鐵軸向位移X成正比，在負載開路的情況下，其輸出電勢為：

E₀=－jω（M₁－M₂）I₁=－jω[（M+ΔM）－（M－ΔM）]I₁=－jω₂ΔMI₁=－jω₂ΔME_i/（R₁+jωL₁）。

其中M₁、M₂分別為一次與二次線圈之間的互感；L₁、R₁為一次線圈的電感和電阻；E_i為一次線圈的激勵電壓；E₂₁、E₂₂分別為兩個二次線圈的感應輸出電勢；E0為差動輸出電勢；X軸上示出銜鐵偏離中心位置的距離。

差動變壓器在腳踏主令控制器中的套用

腳踏主令控制器是一種套用於石油電控系統中的電氣控制器件，該器件是操作人員通過腳踩踏板的方式，使一組四桿機構在一定範圍內運動，帶動一個偏心的凸輪機構轉動，傳遞給差動變壓器的銜鐵產生一定的線性位移，差動變壓器由於銜鐵的位移而輸出相應可控的電氣量，從而實現了電氣控制的要求。該器件的電氣性能要求為輸入50Hz、220V交流電壓，當腳踏板在0－26°範圍內轉動時，輸出電壓能在0－18V範圍內均勻變化。

腳踏主令控制器的結構形式如圖3所示。

腳踏板2一端開啟，另一端穿套在兩端裝有軸承的踏板軸6上，可繞軸旋轉並通過復位彈簧5復位。腳踏板2的初始位置及角度行程通過踏板調節螺母4調節並鎖緊，腳踏板2通過四桿機構3與凸輪軸8相聯，偏心凸輪7通過鍵連線固定在橫穿於基座9的凸輪軸8上，基座9與腳踏座1、圓筒17相聯，形成一密閉腔體，凸輪機構與差動變壓器安裝在腔體中。銜鐵部件10前端是一頭部嵌有可轉動滾珠的圓柱體，該圓柱體與通過螺釘連線於基座9的支撐件11的沉孔面形成可動配合，銜鐵通過螺紋連線於圓柱體上，在銜鐵彈簧12作用下可自由作往復運動；銜鐵部件10通過滾珠與偏心凸輪7邊緣緊貼，可減小摩擦，使得銜鐵驅動靈活；繞組13的一端卡在支撐件11的凹槽里，另一端用設有凹槽的壓板14通過固定螺桿壓緊；外殼是前端與支撐件11螺紋連線、後端有底蓋15的圓筒17，進出線通過固定在底蓋15上的電纜引入裝置16引入。

該器件結構簡單、緊湊，外殼材料為不鏽鋼或黃銅、鋼材經過表面光亮鍍鎳處理，外觀精緻，各螺紋連線處均設有密封圈，外殼防護等級可達到IP44以上。該器件的四桿機構3和偏心凸輪7的設計應滿足腳踏板與凸輪軸的傳動特性和凸輪機構的輸入特性要求，當腳踏板0－26°範圍內轉動時，凸輪軸可在0－90°範圍內轉動，銜鐵的位移在0－18mm範圍內呈線性變化。使用時，當腳踏板2踏下角度準時，凸輪軸8轉過角度準1，銜鐵部件10在偏心凸輪7的推動下，帶動銜鐵線上圈軸線方向產生相應的線位移S，從而兩副邊線圈中產生感應電壓差E。因此，其輸出電壓E與轉角準基本成線性關係，能滿足設計要求。

套用

位移變送器

由同心分布線上圈骨架上一初級線圈P，二個級線圈S1 和S2 組成， 線圈組件內有一個可自由移動的桿裝磁芯（鐵芯），當鐵芯線上圈內移動時，改變了空間的磁場分布,從而改變了初次級線圈之間的互感量M，當初級線圈供給一定頻率的交變電壓時，次級線圈就產生了感應電動勢， 隨著鐵芯的位置不同， 次級產生的感應電動勢也不同， 這樣， 就將鐵芯的位移量變成了電壓信號輸出。

保護裝置

變壓器的差動保護是變壓器的主保護，是按循環電流原理裝設的。 差動變壓器保護主要用來保護雙繞組或三繞組變壓器繞組內部及其引出線上發生的各種相間短路故障，同時也可以用來保護變壓器單相匝間短路故障。 在繞組變壓器的兩側均裝設電流互感器，其二次側按循環電流法接線，即如果兩側電流互感器的同級性端都朝向母線側，則將同級性端子相連，並在兩接線之間並聯接入電流繼電浪。

差動變壓器