一種差動(dòng)變壓器的應(yīng)用與分析胡萬玉，何璐，賈柄琦（天水電氣傳動(dòng)研究所，甘肅天水741018）殘余電壓產(chǎn)生的原因，討論了操作手柄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)零位輸出精度的影響，并給出了解決辦法。

　　1概述隨著機(jī)械工業(yè)控制中自動(dòng)化技術(shù)的日益發(fā)展和自動(dòng)化程度的日漸提高，可編程控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用越來越多。眾所周知，自動(dòng)檢測(cè)與轉(zhuǎn)換、儀表智能化與自動(dòng)化、傳感器技術(shù)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制必不可少的環(huán)節(jié)。差動(dòng)變壓器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性好、靈敏度高、測(cè)量精度高、線性度好、輸出穩(wěn)定、輸出曲線光滑、驅(qū)動(dòng)力小等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于上述各種線位移測(cè)量與轉(zhuǎn)換、儀表儀器以及傳感器技術(shù)應(yīng)用中。本文介紹一種差動(dòng)變壓器在給定線位移情況下輸出可控電壓，從而實(shí)現(xiàn)某種電氣控制目的的實(shí)際應(yīng)用。通過設(shè)計(jì)制造、試制調(diào)試、問題解決等，來說明差動(dòng)變壓器零點(diǎn)殘余電壓對(duì)實(shí)際應(yīng)用的影響，也討論了差動(dòng)變壓器幾何形狀、尺寸、電磁參數(shù)對(duì)稱性等對(duì)零點(diǎn)殘余電壓的影響。

　　2差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)與工作原理差動(dòng)變壓器的工作原理是將非電量位移變化變換成線圈互感變化，它本身是一種互感式變壓器。當(dāng)變壓器的互感量隨位移的變化而變化時(shí)，輸出電壓將相應(yīng)發(fā)生變化。常用的螺旋式差動(dòng)變壓器是由銜鐵、一次線圈、二次線圈和線圈骨架組成（如所示）。一次線圈作為變壓器激勵(lì)用，二次線圈由兩個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)與電氣參數(shù)相同的線圈反向串接而成。二次線圈因互感產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，其感應(yīng)電勢(shì)的理論計(jì)算式如下：差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)與原理及磁路尺寸相等，則M1=M2=M，可得：差動(dòng)工作狀態(tài)，M1=M+AM，M2=M-AM.在一定范圍內(nèi)，差值A(chǔ)M與銜鐵軸向位移X成正比。在負(fù)載開路的情況下，其輸出電勢(shì)為：次線圈的激勵(lì)電壓；E21、E22分別為兩個(gè)二次線圈的感應(yīng)輸出電勢(shì)；E為差動(dòng)輸出電勢(shì)；X軸上所示為銜鐵偏離中心位置的距離。其輸出電勢(shì)與銜鐵位移之間的關(guān)系如所示。

　　3差動(dòng)變壓器應(yīng)用實(shí)例我們?cè)O(shè)計(jì)制造的被命名為操作手柄的器件，是在差動(dòng)變壓器的上部通過一個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)傳遞給銜鐵一定的線位移，從而實(shí)現(xiàn)差動(dòng)變壓器輸出相應(yīng)的電壓值。電氣性能要求為輸入50Hz、220V交流電壓，當(dāng)手柄在0~90°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，輸出電壓能在0~24V范圍內(nèi)均勻變化。

　　其結(jié)構(gòu)形式如所示。手柄1與凸輪2通過鍵連接固定在橫穿于基座3的軸上，手柄的初始位置及角度行程可通過調(diào)整螺釘13調(diào)節(jié)，便于輸出值的調(diào)整與手柄初始定位，凸輪上設(shè)有復(fù)位彈簧，可使手柄復(fù)位；銜鐵部件5的前端是一頭部嵌有可轉(zhuǎn)動(dòng)滾珠的圓柱體，該圓柱體與通過螺釘連接于基座3的支承件4的沉孔面形成可動(dòng)配合，銜鐵通過螺紋連接于圓柱體上，在彈簧6作用下可自由作往返運(yùn)動(dòng)；銜鐵部件5通過滾珠與凸輪2邊緣緊貼，可減小摩擦，使得銜鐵驅(qū)動(dòng)靈活；線圈骨架的一端卡在支承件4的凹槽里，另一端用設(shè)有凹槽的壓板8通過固定螺桿12壓緊；外殼是一前端與支承件4螺紋連接、后端有底蓋10的圓筒9，進(jìn)出線通過固定在底蓋10上的電纜引入裝置11而被引入。該器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，外殼材料為不銹鋼或黃銅，鋼材經(jīng)過表面光亮鍍鎳處理，外觀精致，各螺紋連接處都設(shè)有密封圈，防護(hù)等級(jí)可達(dá)到IP44以上。

　　在設(shè)計(jì)凸輪2時(shí)，將其轉(zhuǎn)角與位移按所示的特性曲線關(guān)系進(jìn)行設(shè)計(jì)，當(dāng)轉(zhuǎn)角在9（T范圍內(nèi)變化時(shí)，位移在18mm范圍內(nèi)與轉(zhuǎn)角呈線性變化。

　　使用時(shí)，當(dāng)手柄1扳過角度+時(shí)，凸輪2也轉(zhuǎn)過同樣角度A銜鐵部件5在凸輪2的推動(dòng)下帶動(dòng)銜鐵在線圈軸線方向產(chǎn)生相應(yīng)的線位移S，從而兩副邊線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓差E，其輸出電壓E與位移S關(guān)系如所示，接近線性關(guān)系。因此，其輸出電壓E與轉(zhuǎn)角+基本成線性關(guān)系，能滿足設(shè)計(jì)要求。

　　4應(yīng)用中容易出現(xiàn)的問題及解決方案理論上，當(dāng)差動(dòng)變壓器銜鐵處于線圈中間位置時(shí)，兩個(gè)二次線圈的感應(yīng)電壓應(yīng)該大小相等，方向相反，輸出合成電勢(shì)應(yīng)為零。但實(shí)際上由于多種因素的影響，使輸出仍有不平衡電壓，此電壓稱為“零點(diǎn)殘余電壓”。由于零點(diǎn)殘余電壓的存在，使得操作手柄的調(diào)零成為一個(gè)關(guān)鍵性問題。

　　零點(diǎn)殘余電壓是由差動(dòng)變壓器電和磁的各種參數(shù)不對(duì)稱產(chǎn)生的。這些因素中除差動(dòng)變壓器兩副邊線圈的幾何形狀、尺寸、匝數(shù)、線徑等電的參數(shù)以外，磁回路的對(duì)稱性也是一個(gè)非常重要的因素。

　　在實(shí)際使用中，該操作手柄對(duì)零點(diǎn)輸出電壓要求雖不是特別精確，只要求在<0.2V范圍內(nèi)即可，但在比較初的試制過程中零點(diǎn)比較低輸出在0.6- 3V范圍內(nèi)均出現(xiàn)過，從我們調(diào)試整改的過程中發(fā)現(xiàn)，主要原因有以下兩方面：雖然在設(shè)計(jì)上可以對(duì)線圈的各種參數(shù)要求完dngHouse.Allrightsreserved，http://www.cnki.net全對(duì)稱，但在制造和工藝上是很難實(shí)現(xiàn)的。調(diào)試中我們發(fā)現(xiàn)，存在著因線圈的不對(duì)稱而造成零點(diǎn)輸出電壓偏高的現(xiàn)象。在測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，如果將線圈調(diào)頭安裝，再調(diào)比較低零點(diǎn)輸出電壓，其值與調(diào)頭前比較大可以相差約0.6V左右。這說明由于線圈加工中的誤差能導(dǎo)致較大的零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生。

　　（2）磁方面的影響起初設(shè)計(jì)，線圈前端的支承件4采用經(jīng)鍍鎳處理的黃銅（材質(zhì)H62）材料，后端壓板8采用酚醛層壓絕緣布板，底蓋10采用經(jīng)鍍鎳處理的黃銅（材質(zhì)H62）材料，圓筒9為不銹鋼材料，基座3采用普通鑄鋼，經(jīng)表面鍍鎳處理。其零點(diǎn)輸出電壓竟高達(dá)3V左右，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，由于支承件4和壓板8均為非鐵磁性材料，且形狀尺寸差異較大，造成磁路的不對(duì)稱，從而產(chǎn)生零點(diǎn)輸出電壓偏高較大的現(xiàn)象。

　　而底蓋10、圓筒9及基座3等部件對(duì)輸出電壓的影響則不是太大。后來，將支承件4和壓板8均采用鐵磁性不銹鋼材料（如材質(zhì)1Cr13），且對(duì)尺寸調(diào)整到近似對(duì)稱，其零點(diǎn)輸出電壓可調(diào)到0.2V以內(nèi)。從上述過程可以看出，磁路的不對(duì)稱也是產(chǎn)生較高零點(diǎn)殘余電壓的一個(gè)重要因素。

　　另外，在更高精度要求的使用中，還可以采用對(duì)輸出電壓進(jìn)行電氣補(bǔ)償?shù)霓k法，如加適當(dāng)?shù)碾娮琛㈦娙莼蚣臃答侂娐愤M(jìn)行補(bǔ)償，其方法很多，這里不再贅述；還可以采用增減線圈匝數(shù)的實(shí)驗(yàn)方法來調(diào)整零點(diǎn)殘余電壓，這理論上是可行的，但實(shí)際操作比較麻煩。

　　5結(jié)束語從我們采用差動(dòng)變壓器原理設(shè)計(jì)制造的幾種控制器件在實(shí)際使用的情況看，其性能的穩(wěn)定性、重復(fù)性都比較好。由于采用了差動(dòng)變壓器的電磁感應(yīng)方式，不產(chǎn)生摩擦，無磨損，安全可靠，使用壽命長(zhǎng)，在石油鉆機(jī)控制系統(tǒng)和礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)中均取得了很好的應(yīng)用效果。