Дифференциальные трансформаторы (ДТ). Виды и особенности

В электротехнике нередко возникает необходимость в обнаружении слабых токовых сигналов в питающих электросетях, распознать которые обычными методами достаточно сложно. Решить эту задачу без особых сложностей позволяют дифференциальные трансформаторы (ДТ), работающие по принципу определения разницы наводимых в их обмотках ЭДС.

Как устроены дифференциальные трансформаторы

Понять принцип действия ДТ проще всего, если сначала ознакомиться с их конструкцией. Типовые трансформаторы этого класса состоят из следующих основных узлов и деталей:

Первичная или сетевая катушка.
Две полностью идентичные вторичные обмотки.
Магнитный сердечник из ферромагнетика.
Корпус трансформаторного изделия.

Первичная обмотка и две вторичные катушки располагаются на сердечнике ДТ в непосредственной близости друг от друга. Такое их расположение позволяет магнитным линиям поля, наводимого в одной из них (сетевой), пересекать витки всех остальных катушек. В случае полной идентичности двух вторичных обмоток в них будут наводиться равные по величине ЭДС, вызывающие появление одинаковых токов в обмотках.

Результирующее напряжение на выходе такого трансформатора будет зависеть от того, каким образом они включены (синфазно или в противофазе). В первом случае выходные потенциалы каждой из катушек складываются и дадут на выходе удвоенное напряжение.

При встречно-параллельном включении вторичных обмоток на выходных клеммах ДТ будет действовать нулевой сигнал, поскольку равные и противоположно направленные ЭДС взаимно компенсируются.

Благодаря такому устройству дифференциальные трансформаторы приобретают способность реагировать на малейшие изменения режима работы одной из вторичных катушек.

Типичный пример применения ДТ – установка их в устройства защитного отключения (УЗО), где они используются в качестве чувствительных элементов, реагирующих на токи утечки.

Функциональное назначение и особенности сердечников ДТ

При рассмотрении дифференциальных трансформаторов большое значение придается одной из составляющих конструкций, называемой «магнитным сердечником». С этим элементом тесно связано понятие «магнитное сопротивление» измерительной системы, вводимое для учета индуктивных сил, препятствующих резким изменениям ЭДС э/м поля.

Для повышения порога насыщения индуктивного контура и возможности увеличения величины рабочих токов через витки катушек в сердечнике предусматривается специальный зазор. Его ширина во многом определяется ферромагнитными свойствами данного материала, среди которых особо выделяется его магнитное сопротивление. Поскольку индуктивность катушек напрямую зависит от этого параметра – величина зазора существенно влияет на процесс измерений, проводимых дифференциальным методом.

В настоящее время специалистами, занимающимися разработкой новых измерительных технологий, исследуются магнитные сердечники с двумя или даже тремя зазорами. Увеличение их числа позволяет сгладить все нелинейности характеристик ферромагнитных веществ, выражающих зависимость намагничивания от величины тока в обмотках.

Дифференциальные трансформаторы, используемые в составе УЗО

Для того чтобы ДТ выполнял свою функцию в электрических цепях – потребуется поставить его в питающую силовую линию непосредственно перед нагрузкой:

Одна из вторичных обмоток включается в разрыв питающей цепи таким образом, чтобы ток втекал в нее.
Другая катушка с идентичными параметрами подключается («врезается») в участок линии, условно считающийся обратной веткой протекания переменного тока.
В результате такого подключения ДТ превращается в устройство, способное реагировать на отличия втекающих и вытекающих потоков заряженных частиц (в этом случае на его выходе формируется разностный сигнал).

Если человек случайно прикоснется к оголенному проводу, подводимому к объекту потребления – проходящая через его тело микроскопическая токовая утечка приведет к появлению разности ЭДС в катушках. Сразу вслед за этим (практически мгновенно) подключенное к ним релейное исполнительное устройство отключит своими контактами питающую линию от нагрузки.

Какими бывают дифференциальные трансформаторы и где они применяются

Особенности конструкции и функционирования ДТ позволяют применять их не только в электротехнических схемах и силовых цепях. Известны две разновидности дифференциальных трансформаторов, широко используемых в метрологии при измерении самых различных физических величин.

Линейно-регулируемые датчики и области их применения

Такое изделие изготавливается в виде пассивного преобразователя (чувствительного датчика без активных элементов), в работе которого используется принцип индукции. При определенных условиях такой прибор может применяться с целью измерения таких физических параметров, как смещение, давление и вес. В данном случае нарушение согласованного режима работы вторичных катушек инициируется изменением магнитных параметров трансформатора.

Например, при определении смещений, функцию датчика обычно выполняет ферромагнитный стержень, перемещаемый в поле сердечника ДТ. Подобные измерительные приборы чаще всего применяются при необходимости фиксировать незначительные смещения (в пределах от единиц миллиметров и до нескольких сантиметров). Причем действуют они по принципу непосредственного преобразования перемещений в электрический сигнал, формируемый сравнивающей схемой трансформаторного устройства.

Differentsialnye transformatory 2

Это возможно потому, что индуктивность катушек «B» с помещенным внутрь ферромагнитным стержнем определяется его положением в пределах магнитного поля ДТ. Изменение позиции и наличие идентичной обмотки, включенной в противофазе, приводит к формированию разностного сигнала, фиксируемого электронной схемой. С помощью той же электроники полученный результат выводится на цифровое индикаторное устройство (дисплей).

Существуют специальные дифференциальные трансформаторы, способные измерять смещение по изменению фазы и амплитуды напряжения во вторичной обмотке. В качестве примера применения подобных устройств обычно рассматривается контроль положения клапанов и задвижек на химических производствах, на электростанциях и в оборудовании для сельского хозяйства. С их помощью удается наладить цепочки обратной связи в системах дистанционного управления механизмами задвижного типа.

«Классический» образец линейного преобразователя – датчик перемещения марки «LVDT», обеспечивающий точное позиционирование подвижных частей измерительного устройства относительно их корпуса. Такие приборы предназначаются для проведения контрольных измерений при погружении их рабочего органа в жидкую среду определенного качества и состава.

Differentsialnye transformatory 3

Роторно-регулируемые

Дифференциальные трансформаторы этого класса представляют собой пассивный преобразователь, работающий по принципу индукции и предназначенный для измерения угловых отклонений. По своему устройству изделия этого типа подобны линейно-регулируемым приборам, но заметно отличаются от них конструкцией магнитного сердечника.

Differentsialnye transformatory 4

Из рисунка хорошо видны следующие конструктивные особенности такого трансформатора:

Его первичная обмотка располагается снаружи и подсоединена к генератору переменного напряжения выбранной величины.
Две вторичные катушки, обозначенные как «S1» и «S2», размещены внутри системы (они имеют одинаковое количество витков и включены встречно-последовательно).
Благодаря такому включению наводимая в них результирующая ЭДС в нормальном состоянии близка к нулю.

Датчик в виде ферритовой пластины крепится в этом случае на оси вращения, расположенной внутри сердечника дифференциального трансформатора. Любое его отклонение от начального положения вызовет изменение магнитного потока через одну из катушек, что приведет к появлению дифференциальной ЭДС. Имеющийся в составе конструкции электронный модуль преобразует эти отклонения в электрический сигнал, который после обработки выводится на экран дисплея.

Преимущества трансформаторов линейного и роторного типа

К достоинствам роторных и линейных дифференциальных трансформаторов, а также изготавливаемых на их основе измерительных приборов относят:

Отсутствие непосредственного контакта между измерительным датчиком и исполнительным органом (между ферромагнитным стержнем и катушками).
Высокая чувствительность проводимых измерений.
Доступность большинства необходимых компонентов, используемых при изготовлении устройства.
Длительные сроки эксплуатации.

Последнее из преимуществ объясняется тем, что трущиеся и изнашивающиеся части в этом приборе полностью отсутствуют.

Дифференциальные трансформаторы стоят сравнительно дешево, поскольку состоят из небольшого числа комплектующих деталей. При их оценке также учитывается то, что эти изделия практически лишены недостатков.