（信号与信息处理专业论文）高准确度比例变压器的设计、构造和校验.pdf

摘要 摘要 在近代电学精密测量领域内，作为精密电桥的比例臂的高精度比例变压器的研 究已日益重要，且越来越受国际计量领域的关注，尤其应用于交流量子化霍尔电阻 基准的量值传递过程中时对其准确度有很高的要求。高精度比例变压器主要应用于 两类重要的变压器电桥交流电阻电桥和电容电桥。其中，采用感应耦合比例绕 组来提供高精度的比率是变压器电桥的关键技术。它相对于传统的电阻比例或者电 容比例式分压器，有着准确度高、输入阻抗高、输出阻抗低、稳定性好等诸多优点。 尽管如此，用于交流测量的感应耦合比例器件因为存在磁性误差和容性误差，使得 传递比率并非准确等于绕组匝数比。而要得到与电桥中标准阻抗准确度相匹配的传 递电桥，必须对溯源电桥中的变压器结构进行仔细考虑，并且对其实际比率进行准 确校验。 本文在详尽分析感应耦合器件原理的基础上，设计出一种基于分段等电位屏蔽 的组合铁芯式的比例变压器结构。并通过桥式法对其实现了高准确度校验。主要工 作如下： 1 ) 在对比例变压器的各种误差进行深入分析的基础上，采用组合铁芯结构以 减少激磁误差；同时，采用磁屏蔽来减少磁误差和采用分段等电位屏蔽结 构减少因寄生导纳引起的误差。 2 ) 基于组合铁芯结构和分段等电位屏蔽的应用，对比例变压器的构造和设计 过程作了详细的介绍，其中包括隔离式比例变压器设计以及引入过渡比例 变压器的桥式法的校验方法中用到的辅助比例变压器的设计；并对比例变 压器中应用的绕组方案进行了详细的讨论，抽头等细节方面也经过认真处 理。最后对校验方法一参考电势法和引入过渡比例变压器的桥式法作出 分析，对校验过程中系统误差进行了详细研究。 3 ) 在确定了应用引入过渡比例变压器的桥式法作为校验方法的基础上，应用 了其校验中一种简易的校验方法对被校比例变压器完成校验，最终1 0 ：1 比 例的误差不确定度：比差0 6 1 0 一，角差1 1 l o 一。 4 ) 在被校比例变压器完成校验后，对试验中遇到的问题进行了汇总，并对这 些问题提出了解决方法，为今后研究工作的继续进行奠定了基础。 关键字：比例变压器；磁误差；寄生导纳；校验 a b s t r a c t i nt h ef i e l do ft h em o d e me l e c t r i c a lm e a s u r e m e m ，t h ep r o p o r t i o n a lt r a n s f 0 1 t n e ra s t h e 钏f r no fp r e c i s eb r i d g ei sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n ta n dm o r ea t t e n t i o ni s p a i di n m e t r o l o g y i nt h ea p p l i c a t i o n , t w oi m p o r t a n tt r a n s f o r m e rb r i d g e sa r ec o n c e m e d r e s i s t a n c eb r i d g ea n dc a p a c i t a n c eb r i d g e i ti st h ek e y t e c h n o l o g yf o rt r a n s f o r m e rb r i d g e t o p r o v i d et h ep r e c i s i o n r a t i o a d o p t i n gi n d u c t i v ec o u p l i n gw i n d i n g s c o m p a r e dt o t r a d i t i o n a lr e s i s t a n c ev o l t a g ed i v i d e ra n dc a p a c i t a n c ev o l t a g ed i v i d e r , t h e r ea r es o m e a d v a n t a g e sw h i c ha l eo fh i g hp r e c i s i o n 、h i g hi n p u ti m p e d a n c e 、l o wo u ti m p e d a n c ea n d s t a b i l i t ya n ds oo n n e v e r t h e l e s s ，b e c a u s eo ft h em a g n e t i ce r r o ra n dt h ec a p a c i t i v ee r r o r , d e v i c e sp r o v i d i n gi n d u c t i v ec o u p l i n gr a t i om a k et h a tt h ed i s s e m i n a t i n gr a t i oa n dt h er a t i o o fw i n d i n gt u r n sd o n te q u a lp r e c i s e l y t og e tt h ed i s s e m i n a t i n gb r i d g em a t c h i n gt h e p r e c i s eo fi m p e d a n c es t a n d a r d ，t h es t r u c t u r eo ft r a c e a b l eb r i d g em u s tb ec o n s i d e r e d c a r e f u l l y , a n dt h e na c t u a lr a t i os h o u l db eg o tb yc a l i b r a t i n gt h et r a n s f o r m e r 1 ) b a s e do nt h es y s t e m 锕o r so ft h ep r o p o r t i o n a lt r a n s f o r m e ra l ea n a l y z e d ，t h e s t r u c t u r eo ft w o s t a g ew h i c hi si n d e p e n d e n td e s i g n e dc a nr e d u c et h em a g n e t i c e r r o r ；t h et r i a x i a lg u a r d sw h i c ha r er e s e a r c h e di nm o r ed e t a i lc a nr e d u c et h e e r r o ro fp a r a s i t i ca d m i t t a n c e 2 ) b a s e do nt h ea p p l i c a t i o no ft h et w o - s t a g ea n dt r i a x i a lg u a r d s ，t h es t r u c t u r ea n d d e s i g np r o c e s so ft h ep r o p o r t i o n a lt r a n s f o r m e ra r ei n t r o d u c e di nd e t a i l ，i n c l u d i n g t h ed e s i g no fai s o l a t i o np r o p o r t i o n a lt r a n s f o r m e ra n da n yo t h e ra u x i l i a r y t r a n s f o r m e rw h i c hw o u l db eu s e di na ni m p r o v e ds t r a d d l i n gm e t h o d n e w i n d i n gg r o u p so ft h et w o - s t a g et r a n s f o r m e ra r ed i s c u s s e d ，t h et a p sa l ed o n e c a r e f u l l y t h em e m o d s _ 1 b eb o o t s t r a pm e t h o da n dt h es t r a d d l i n gm e t h o d a r ea n a i y z e d ，a n dt h es y s t e me r r o r si n c a l i b r a t i o na r ed i s c u s s e d 3 ) a f t e ra ni m p m v e ds t r a d d l i n gm e t h o di sa d o p t e d ，u s i n ga ne a s ym e t h o do fi t c a l i b r a t e st h ep r o p o r t i o n a lt r a n s f o r m e ru n d e rt e s t ，a n dt h e ng e t st h eu n c e r t a i n t i e s o ft h er a t i o1 0 ：1 ，o n eg e t s1 1 x l o 8f o rt h ei n p h a s ea n d5 5 x 1 0 f o rt h e q u a d r a t u r e 4 ) a f t e rc o m p l e t i n gt h ec a l i b r a t i o n ，s o m ep r o b l e m si n t h ee x p e r i m e n t a r e s u m m a r i z e d ，a n ds u g g e s t i o n sp u tf o r w a r df o rs o l u t i o n , i tl a i dag o o df o u n d a t i o n f o r t h ef u t u r er e s e a r c hw o r k k e y w o r d s ：p r o p o r t i o n a lt r a n s f o r m e r ；m a g n e t i ce r r o r ；p a r a s i t i ca d m i t t a n c e ； c a l i b r a t i o n 第一章引言 第一章引言 1 1 选题的背景和意义 随着社会的发展，在近代电学精密测量领域内，高精度比例变压器压器的研究 已日益重要。其无论作为精密电桥的比例臂，万用比例臂，变压器或者衰减器，还 是应变仪的标定设备来说都要求对比率的准确度作精密的测定，尤其在非电量电测 量方面，有着广泛的用途和迫切的要求【l j 。 在交流变压器及比率臂的发展过程中，高精度比例变压器准确度的进一步提高 往往受到元件参数的稳定性以及一系列寄生参数的影响和限制。对于一般高阻抗的 变压器通常容易受到寄生泄漏导纳的影响【1 】【2 】。而低阻抗的交流变压器则易受残余 电感和残余电阻的影响，诸如导线阻抗及开关插头等连接件的接触电阻等等。这些 都将成为进一步获得更高准确度的电工仪器的主要障碍。但是有互感耦合的比例变 压器对于克服上述障碍，表现出优越的性能，它具有很高的输入阻抗，同时又具有 低的输出阻抗，从而使它有可能巧妙的避开那些寄生的残余参数的影响，而获得高 的准确度，而且它的变压比相对稳定性是很好的，温度系数也是很小的，所以它将 成为一种很有前途的交流变压器，同时，它在交流电桥、电位计、非电量电测量以 及模拟计算机等方面有较多应用价值，不过在一万伏以上的高压领域中应用，绝缘 结构方面还存在一些缺陷，但是它可以作为在较低电压下检验其他高压变压器的工 具，同时也可以解决部分高压变压器的部分校验问题。 1 2 研究现状 1 2 1 国外研究动态 国外在1 9 6 0 年已用电容轮换法对比例变压器校验到l o 9 数量级的准确度1 2 舶。 1 9 7 4 年又用同一种方法将比例变压器校准到优于l x l 0 。9 ( f = 1 5 9 2 h z ) 1 2 3 】。1 9 6 2 年制出了误差为lo 7 数量级的7 位比例变压器【2 4 l 。1 9 6 3 年出现了比差低于5 x 1 0 一， 角差低于, x 1 0 。6 弧度的比例变压器【l 引。目前国外利用电桥法也已达到了与电容轮换 法相近的校验准确度。 有两篇比较重要的外国文献应该在这里提一下。z a p f 在1 9 6 3 年指出【引，比例变 压器中比差与角差的一个重要来源是流过匝间分布导纳的电流在绕组的漏阻抗上 的压降所造成的内负载效应，并建立了一个集总参数的电阻模拟网络。对该模拟网 络的测量结果与对该网络的节点方程的求解结果能很好的吻合。从而最后证实了s 型曲线的主要成因。这一成果诱导出了一系列对比例变压器误差的补偿校正方法。 s z e 在1 9 6 7 年提出了一种不需要任何电的基准或标准的自校方法靴带法 青岛大学硕士论文 ( 即参考绕组对检法) 1 5 l 。此法在l k h z 时校验准确度为2 x l o 。该装置适用于 1 h z - 2 0 h z 的工作频率并开始利用“激磁”与“不激磁”两种状态以产生一个参考电 势。 s z e 认为“靴带法”所赖以成功的必不可少的条件是参考变压器的副边电压应不 随被校段数的改变而变化。为了保证这一点，作者采用了较复杂的双层屏蔽保护措 施。他认为在采取了这种措施以后被校比例变压器的输出端与参考变压器之间的泄 漏就与被校比例变压器的段数无关而成为一个恒定值。于是只对参考变压器呈现一 个恒定的负载。但实际上这个泄漏并没有成为恒定值，尤其在高频时就更不恒定。 作者企图保持参考变压器次级电压不变的目的并没有真正达到。由最近推导得出的 “增量法原理”【l6 】看来，作者其实是利用增量法原理才达到了较高的校验准确度而不 是主要获益于他那套复杂的双层屏蔽保护系统。即便如此，作者还是提出了一种比 前人更先进的比例变压器校验新方法。 1 2 2 国内研究动态 我国的比例变压器技术基本上是独立地发展起来的。1 9 6 2 年开始了这个领域的 最初实践。1 9 6 3 年在工频下制成了1 单盘比例变压器，并用参考电势法将其校准 到l x l o 。6 的准确度。6 4 年初次采用组合铁芯线路制成l x l o 缶的三位比例变压器， 同时对比例变压器的理论进行了研究并提出组合铁芯比例变压器的主要思想。1 9 6 5 年用桥式法对比例变压器校验l 3 x l o 瑁的准确度。同年完成了以参考电势法为基础 的准确度为3 1 0 母( 1 k h z ) 的比例变压器校验装置。这以后主要向宽频带尤其是高 频方向发展。1 9 7 7 年发表的z q s 5 型交流阻抗比较装置中的比例变压器校验准确 度在2 0 0 h z - 2 0 0 0 h z 频率范围内达到了3 x l o ，在更宽的频率范围内 ( 4 0 h z - 2 0 0 0 0 h z ) 准确度降低一级。在这一校验工作中采用了参考绕组对检法。 用分段等电位屏蔽法和参考增量法的一般性原理来消除比例变压器的容性误差的 方法得到广泛应用，使我国的比例变压器技术日臻完善。 1 3 本文研究内容和研究方法 1 3 1 主要研究内容 完成高准确度比例变压器的设计、构造和校验。其中包括主比例变压器和校验 用的辅助比例变压器等的设计以及主比例变压器的校验( 如图1 1 ) 。 2 第章引言 图1 1比例变压器的校验实物图 1 3 2 解决的主要问题 比例变压器有准确度高、输入阻抗高、输出阻抗低、稳定性好的优点。但是它 仍然存在一定的误差，而且在某些条件下误差也可能很大。比例变压器的误差可分 为两类：一类是由比例绕组各段漏磁不均匀引起的误差，简称为磁误差。另一类是 由绕组寄生电容引起的误差，简称为容性误差。在比例变压器的设计和构造中，各 种系统误差的降低和消除的研究具有重要意义。本文研究的重要工作是通过设计比 例变压器的结构和改进的校验方法得到具有高准确度、高稳定性的比例变压器。 1 3 3 主要研究方法 关于比例变压器及其误差的一般性讨论1 3 】【6 l 感应式器件是目前音频范围内最精密的比率工具。使用普通冷轧硅刚带卷制的 铁芯及漆包线绞绕构成的比例变压器的误差就可小到1 0 一1 0 缶数量级。使用高导磁 率坡莫合金材料的铁芯后，误差还可以降低一个数量级，比例变压器的校验精度则 可达l o 塔或更高。 比例变压器具有很高的输入阻抗和很低的输出阻抗，从而使它有可能减小寄生 参数的影响，获得高准确度。它的分压比基本上是由一个公共的交变磁通所感生的 电动势构成，因此各种电压比率的相对稳定性是很好的，温度系数也很小。 比例变压器的重要用途之一是用来作为交流电桥的比例臂。例如，电容电桥给 青岛大学硕士论文 出的比例臂的比值非常接近一个实数，便于用来比较低值电容( 几百p f 以下) 或 组成自动平衡电桥。此外比例变压器在电位计、衰减器、数字仪表的比较器、应变 仪的标准比例器、非电量测量以及模拟计算机等方面也有广泛的应用。比例变压器 在一万伏以上的高压领域中应用时，绝缘方面会有一些困难，但它仍不失为在较低 电压下校验其它高压比例量具的有效工具，可以解决高压情况的部分校验问题。 频率较低时，单铁芯比例变压器的误差主要来自绕组中的激磁电流。当各段绕 组的漏阻抗不等，等效激磁阻抗不够大时，激磁电流就在各段漏阻抗上产生不相等 的电压降，从而引起误差。对于这种误差可以使用组合铁芯或放大器辅助激磁。采 用此类措施后一般可使比例绕组的输入阻抗高达兆欧以上的数量级，将激磁电流引 起的低频误差降低3 - 4 个数量级。但即便如此激磁电流仍可通过互感耦合对比例绕 组产生影响。所以为了进一步减小激磁误差还要在激磁绕组外面加涡流屏蔽盒磁屏 蔽。 频率较高时，产生误差的主要原因来自绕组间的寄生电容电流在绕组阻抗上的 压降。已有不少文章对此进行详尽的讨论，并得到了这种误差值随着段数的分布规 律_ s 曲线【4 】【1 4 l 。大量的实验结果也证实了在比例变压器中的确存在着接近这一 规律的误差分布。对于寄生电容影响的深入研究引导出一系列降低高频误差的方 法。其中成功的是用屏蔽线绕制比例绕组的结构，这种方法主要用于改善变压器的 角差。以后又作了进一步的改进，即把每段屏蔽线的外皮从中点剪断，并将每段屏 蔽层的抽头接到激磁绕组的对应抽头上，从而使比例绕组的寄生电容引起的比差也 降低了2 3 个数量级1 5 j i l lj 。 尽管采用了以上所述的各种降低比例变压器高、低频的误差的方法，也只能将 比例变压器的准确度做到1 0 8 数量级。要达到更高的准确度就必须以校验结果为依 据，对比例变压器作相应的校正补偿。因此比例变压器的校验准确度就决定了比例 变压器最终所能达到的极限准确度。自从比例变压器出现以来，比例变压器的校验 方法也经历了多次改进。 关于比例变压器的校验方法 显然，如果我们有一个分压系数已知的标准比例变压器，则将被校比例变压器 与之对检就能得到被校比例变压器的各比率值。但是对于最高准确度的比例变压器 我们只能采用绝对校验的方法。 校验方法之一是“电容轮换法”。用此法曾将比例变压器校准到l o 。9 数量级的比 例准确度1 2 2 1 1 2 引。这种方法要求作为参数标准的电容器有很高的短期稳定性及很小 的电压系数。另一方面，用这种方法时在一个校验循环后只能得到一个比率值。因 而较适合于作为电桥比例臂的校验方法。如果用来校验通常的比例变压器将由于需 要得到多个比率值而显得非常繁琐。 4 第一章引言 另一类校验方法是利用一个感应耦合多级变压器以得到一个参数电势，并使之 非常接近被校比例变压器的一段压降。然后将它与被校比例变压器的各段分别比 较。如果参考电势在一个循环中保持不变，就可求得比例变压器各段之间的相互比 值及组合而成的各种比率值1 2 4 心】。图1 2 中给出了一种典型的例子。 图1 2 参考电势校验法原理图 其中一个原副边绝缘并用两层屏蔽隔开的二级变压器的次级电压魄用作参考 电动势，把它与被校比例变压器的各段相比较。 不难看出，这种方法的优势是校验一个循环后即可求得对应于每个输出端钮的 分压比，因为此法不仅可用来校验电桥的比例臂，也可用于校验通常的比例变压器。 但这种方法有一个缺点，即校验时需要改变被校比例变压器的实际工作状态。因为 比较比例变压器( 尤其是多盘比例变压器) 在实际使用时一般仅需要输入回路的两 端和输出回路的两端，而且这两回路的零端通常是公共的。各段绕组只有一段通过 开关的滑接点引出。在这种情况下为了实现参考绕组法的校验线路连接方式就必须 打开变压器的外壳和屏蔽以便接上另一端。因此可能引入一定的方法误差，特别是 在5 k h z 以上的较高频率下问题更为突出。 由于l ：l 的电压比例臂很容易用另一个电压与之相近的l ：1 参考比率器进行相 互校对而经过两次平衡测出。因此可用1 ：l 的参考变压器与被校比例变压器的相邻 的两端逐一比较而得出误差。这就是引入过渡比例变压器的桥式法【2 6 l 【3 6 j 的基本思 想，原理图如图1 3 。 青岛大学硕士论文 图1 3 引入过渡比例变压器的桥式法原理图 变压器 这种方法的优点是只要求参考电势在校验相邻两段时保持不变，而并不要求它 在整个校验循环过程中不变。因此对参考变压器的要求显然已经放宽了。但随之而 来的缺点是由于不可能使参考电势绝对准确地等于被校比例变压器的两段的电压， 这两者的差值电势u 将产生一个环流j ，这环流在被校比例变压器相应段的漏阻 抗上产生的压降就会引起校验误差。 为了克服这个缺点，曾有人在可能产生的环流的回路上安置了高阻抗的扼流 圈，从而使环流显著减小。由于扼流圈是在同一个铁芯上用双线并绕而构成，因此 两个绕组的阻抗以很高的精度相等，各自分到 u 的电压。这样就不会影响被校 比例变压器相邻两段的比率值。采用这种方法后，使环流引起的误差与比例变压器 的校验准确度相比减少到了可被忽略的程度。本文中将采用引入过渡比例变压器的 桥式法对被校比例变压器进行校验。 1 4 本章小结 通过对比例变压器的研究现状的分析，确定系统误差是影响比例变压器准确度 的主要因素，设计时，降低系统误差是提高比例变压器准确度的关键；对电容轮换 法，参考电势法和引入过渡变压器的桥式法进行讨论，最终确定应用引入过渡比例 变压器的桥式法对该比例变压器完成校验。 6 第二章比例变压器的误差研究 第二章比例变压器的误差研究 2 1 误差的主要来源 比例变压器的误差主要可分为两类【7 】：一类是由比例绕组各段漏磁不均匀引起 的误差，简称为磁误差。另一类是由绕组寄生电容引起的误差，简称为容性误差。 前一类误差在组合铁芯式比例变压器( 有单独的激磁绕组) 中又可分为两种，其一 是激磁绕组和比例绕组各段的耦合系数不等引起的误差( 当激磁绕组流过电流时， 比例绕组各段中感应电势不等) ，这种误差用加在激磁外面的涡流屏蔽盒磁屏蔽等 方法来降低，另一种磁误差是在比例绕组的等效激磁阻抗不够大时，因比例绕组中 各段漏阻抗不相等，比例绕组上有一定的电流通过时，各段绕组漏阻抗上产生的电 压降不相等而引起的误差，简称为激磁误差。用组合铁芯或用放大器能减少比例绕 组中的电流，从而降低这项误差。目前采用这些减小误差的方法可以使磁误差与容 性误差相比小到可以忽略的程度，而容性误差成了限制比例变压器准确度和频带宽 度的主要因素。特别是高电压比例变压器，即使在5 0 h z 低频，其容性误差已接近 比例变压器的综合误差，而频率高于1 0 0 h z 时，容性误差往往成为比例变压器的主 要误差，并且随着频率的增加，该项误差按正比于频率平方的规律增加，很快达到 不能允许的程度。因此，对比例变压器的容性误差进行理论分析，找出降低它们的 方法是非常必要的。 本文采用了前人比较成功的经验，在比例变压器设计时采取了两个重要方法： 组合铁芯原理以减少激磁误差和利用了分段等电位屏蔽以降低容性误差。 2 2 组合铁芯结构 为了减少漏阻抗对比例线圈的影响就必须提高比例变压器中比例线圈的输入 阻抗1 2 】【9 】。采用组合铁芯结构的方法能够更有效的提高比例变压器中比例线圈的输 入阻抗。在本实验中，采用的两级组合铁芯结构，在此仅介绍两级铁芯比例变压器 线路的原理。两级铁芯比例变压器的原理如图2 1 ，组合铁芯的等效电路如图2 2 。 圈2 1 两级组合铁芯式比例变压嚣 7 m l 锄 青岛大学硕士论文 图中：l 为铁芯i 中的磁通，2 为铁芯i i 中的磁通。 z iz vz e 图2 2 组合铁芯的等效电路 线圈w i 绕在铁芯i 上，称为激磁线圈。线圈w u 同时绕在铁芯i 和附加铁芯i i 上并从中引出比例抽头，故称作电压比例线圈。w i 和w 。的绕线匝数相等。设w i 的漏阻抗为z k i ，w 。的漏阻抗为z k u ，附加铁芯引入线圈w 。的自阻抗为z 2 2 ，由于 激磁线圈和电压比例线圈在使用时接入相同的电压，并且w i = w 。，则不难看出第 一个铁芯提供了两线圈中主要的公共磁通，也就是说，：，m ，0 ，所以激 磁电流将绝大部分在w i 中流过，w u 中的激磁电流很小，那么有z 2 ：乙。也就是 大大提高了w u 中的等效输入阻抗。激磁电流在w i 和w u 中的分配比例为 ( z 2 ：+ z h 。) 乙。所以w u 中的等效输入阻抗可表示为 7 j i71 7 7 乙= 鱼弓竽丑 z l 十气( z 2 2 + z k u ) 】争z l 2 ( 1 ) l , k i 厶虹 其中z i 【i 为绕组w i 的自阻抗，为铁芯二引入线圈w u 的自感阻抗。 这样，两铁芯线路的比例线圈的输入阻抗就比单铁芯比例变压器的提高了 z = z “倍。一般使z 2 2 z k i 等于1 0 0 - 1 0 0 0 是不困难的，因为我们可使z i n 比原来的单 级比例变压器的输入阻抗提高1 0 0 1 0 0 0 倍。如果w u 的漏阻抗的不均匀度与单级 比例变压器相同，则两级组合铁芯比例变压器的激磁误差也将按输入阻抗的增高的 倍数而降低。虽然从理论上来说比例变压器绕组的激磁阻抗将远大于线圈的内部电 容的容抗，但是如果继续增加级数就并不再带来好处。因此本文采用了两级组合铁 芯线路。采用两级组合铁芯之后，在1 5 9 2 h z 时的磁误差以比容性误差d , n 可以忽 略的程度。容性误差成了限制比例变压器准确度的主要因素。特别是在本文所要求 的宽频带条件下容性误差就更突出。 2 3 比例变压器中等电位屏蔽设计 按照通常的屏蔽原理，比例变压器一般采用电屏蔽和磁屏蔽哺l 。电屏蔽通常采 用高电导率的材料例如紫铜等做成薄膜如铜箔等罩在绕组外面并接地，这样就起到 8 第二章比例变压器的误差研究 了静电屏蔽的作用。为了防护外界磁场的影响，通常采用磁屏蔽，利用金属的高导 磁率来屏蔽或用涡流屏蔽。原则上在绕组与绕组之间，绕组外面都必须有电屏蔽和 磁屏蔽，但要注意电屏蔽不能短路，如用坡莫合金或硅钢片做屏蔽材料时，应对其 进行热处理。 在比例变压器中，杂散磁场问题很重要。激磁绕组无定向结构不完善，涡流屏 蔽和磁屏蔽效果不好而引起的杂散磁场，对于一般的比例变压器的影响不会很大。 但在工作电压较高或者工作频率较高的比例变压器中，容性电流通过比例绕组的某 一部分，这些电流不仅数值较大，而且在空间上是n 股并联，不可能做到无定向， 因而常常产生较大的杂散磁场。所以在高准确度的比例变压器中比例绕组的位置不 适当，连接点的改变都会产生较大的误差。 在分段等电位屏蔽比例变压器中，容性泄露电流引起的杂散磁场却很小。因为 每段容性泄露电流都以相反方向流过两个半段屏蔽绕组，而且这两个半段屏蔽绕组 彼此很靠近，长短又相等，使得每个容性电流都构成无定向回路，遂使比例变压器 本身产生的杂散磁场很小。 2 2 1 等电位屏蔽结构 等电位屏蔽比例变压器的绕组结构如图2 3 所示，其中容性泄露电流不直接流 入比例绕组，从而降低了容性误差【7 1 。不过由于以下两个因素的存在，这种方法不 能完善地消除这项误差：其一是各段屏蔽绕组通过的容性电流不相等，其二是第k 段屏蔽中的容性泄露电流五在第k 段比例绕组中所感应的电势为j o m k ( m 是任 一段绕组的屏蔽线与其芯线之间的互感) ，而几在其他各段中的感应电势为j o n m i x ( r i m 是任一段绕组的屏蔽线与其他段绕组芯线之间的互感，n 青岛大学硕士论文 3 5 2 自耦式比例变压器t 3 在此，自耦式比例变压器t 3 是作为过渡比例变压器使用的，t 3 的设计与主比 例臂比例变压器t 1 的设计要求基本相同，采用自耦式比例变压器结构的原因是由 于被校比例变压器t l 和过渡比例变压器t 3 的位置是可以互换的，他们可以互相校 验，也就是说，主比例臂比例变压器t l 可以作为辅助的过渡比例变压器t 3 ，而过 渡比例变压器t 3 也可以作为被校验的主比例臂比例变压器t l ，如此下来，我们将 拥有两套主比例臂比例变压器，而原先设计的主比例臂比例变压器是隔离式比例变 压器，为了拥有两套不同的主比例臂比例变压器，所以将此比例变压器设计为自耦 式比例变压器。自耦式比例变压器的设计过程与隔离式比例变压器的设计过程几乎 完全一样，其不同之处在于t 3 的主比例臂的设计时比例线圈的绞绕同轴线串联后， 两端供电同时输出比例电压，如图3 1 6 所示。 位屏蔽供电比例 图3 1 6 自耦式比例变压器原理图 3 5 31 ：1 比例变压器t 4 设计 l ：l 比例变压器采用分段等电位屏蔽的组合铁芯结构。此处组合铁芯结构为包 围式组合铁芯结构，选用此结构是充分利用实验室以前试验的剩余材料，此种结构 是可以达到实验要求的，l ：l 比例变压器在校验过程中起过渡作用，精确度要求不 高，在下面的校验理论证明中，我们将会得到。理论上，得到越高的精度越好，精 2 4 第三章比例变压器的构造和校验方法研究 度高的系统稳定性当然好，由于铁芯不是自己设计的，是以前试验的剩余材料，所 以在使用的时候，只是根据铁芯的内径，在铁芯上绕制单层可以绕下的最多匝数， 主铁芯的尺寸为1 1 5 6 7 * 3 0 。在主铁芯上绕制0 9 3 r a m 漆包线4 8 匝，其中4 0 匝正 绕，8 匝反绕。组合铁芯后，比例线圈需要绕制4 根同轴线的绞绕线，由于内径限 制，绞绕线最多可绕1 2 匝，由此可得，激磁线圈和比例线圈都需要绕制4 8 匝。由 于此处要求精度不是很高，所以满足需求即可。 引入过渡分压器的桥式法校验过程中，l ：l 比例变压器的作用是继承辅助过渡 比例变压器比例线圈上与被校比例变压器抽头对应的抽头上的电压，在接入过渡比 例变压器之前，此处还需要接入微差注入变压器，注入变压器的作用是注入一定的 同相分量和直角分量，使被校比例变压器和过渡比例变压器上对应抽头上的电压接 近相等。b l 的接法与a l 完全相同。c i 和d l 是l ：l 比例变压器的激磁电压输入端，其 输入电压是由过渡分压器的激磁线圈提供，连接抽头是与给a l 和b l 供电比例线圈 的抽头是相对应的，具有相同的电位。在校验过程中，a i 和b l 继承的是过渡比例变 压器的比例电压，其中几乎没有电流，为了保证其精确度，提供磁通的激磁电压是 由过渡分压器中提供磁通的激磁线圈提供。你接法原理如图3 1 7 。l ：l 比例变压器 分段等电位屏蔽共分为三段u h 油、u m 、u 咖。u m 端分段等电位屏蔽的供电是由激 磁中点供电的，u h i g h 和u 咖的屏蔽供电是承接过渡比例变压器的对应段的分段等 电位屏蔽电压。 u n i g h u m u l o w 图3 1 71 ：1 比例变压器原理图 a l c i d l b 3 5 4 注入比例变压器u r 、u q 和指零仪比例变压器d 设计 注入比例变压器是用来注入微差电压( 包括比差和角差) ，它设计为两种不同 的结构，一种是调节被较比例变压器两抽头电压和l ：l 比例变压器两端u h i g h 和 u l o w 继承过渡比例变压器与被校比例变压器相应端电压相等，原理图如图3 1 8 ，另 一种是调节u m 和被校变压器上述调节平衡的两抽头的中点电压平衡，而指零仪比 青岛大学硕士论文 例变压器是用来接入锁相放大器，从锁相放大器读数确定被比较比例变压器两端电 压是否相等。指零仪与第二种注入比例变压器设计在一起，构成一个试验箱b ，在 调节u h i g h 和u 伽平衡时，虽然第二种注入变压器也接入，但是注入微差电压为零， 只要保持其在全程校验中的零位误差相等即可。 两种比例变压器的结构是完全相同的，其原边是用0 9 3 m m 漆包线绕制1 0 0 匝， 副边用自制芯线为0 9 3 m m 的三同轴屏蔽线1 匝，其实物图如图3 1 9 。比例变压器 副边需要设计为三同轴结构是因为它要被接入到被校验端的桥式调节环路中，整个 桥式环路中，为了提高校验准确度，避免寄生参数的影响，都选择具有等电位屏蔽 的三同轴结构。 注入比例变压器的输入端需要同时输入比差分量和角差分量。比差分量是有6 级感应分压器供给，用来补偿比差量，而角差分量是由6 级感应分压器经过一个积 分电路，移相9 0 。后供给，用来补偿角差量，三个微差注入的方式相同。 指零仪比例变压器原边要接到锁相放大器中，在锁相放大器中读取整个桥式法 回路中同相分量和直角分量，通过调节控制注入变压器的比差注入量和角差注入量 最终使锁相放大器显示的比差量和角差量接近o 。由于指零仪比例变压器接入环路 中为一单匝，由于激磁阻抗不够高，从而引入一部分负载误差，但其影响不大。 1 0 0 ：1 a 2 图3 1 9 注入变压嚣设计的实物圈 2 6 第三章比例变压器的构造和校验方法研究 3 5 5 角差补偿电路设计 在微差注入时，不仅需要注入同相分量来平衡比差，同时还需要注入直角分量 来平衡角差。同相分量可以将电源信号通过1 0 0 ：1 降压变压器减小信号，然后输入 五盘感应分压器，然后输入注入比例变压器来平衡比差。直角分量是先将原信号通 过1 0 0 1 降压变压器减小信号，然后输入五盘感应分压器，然后将输出信号通过 一个积分放大器，如图3 2 0 所示，将同相分量移相9 0 。改变为直角分量，然后注 入比例变压器来平衡角差。在积分电路中，积分放大器只是起到移相9 0 。的作用， 放大器的放大的倍数为l ，即r c = l 而没有改变信号的大小，所以直角分量与同 相分量除了相位相差9 0 。以外，其他没任何变化。放大器型号选用的是m a x 2 5 0 ， 图中、v 毒为放大器的供电输入端，供电电压为9 v ；r 为1 0 k f 2v i s h a y 电 阻，c 为1 0 n f 聚苯乙烯电容，此类电阻和电容自身损耗很小。在实际的线路中，电 容c 上还并联了一个1 0 m q 的电阻，防止直流饱和现象的发生。+ v 毒、- v 0 在设 计中用的是9 v 电池供电。其可以实现主比例变压器的重复校验，并观察其稳定性 和精确性。 v i 。 c 图3 2 0 积分放大器原理图 3 5 6 微调比例变压器设计 在校验时，1 ：1 比例变压器的三端u 碰| h 、u m 、u 伽都需要注入同相分量和直 角分量来平衡，而每端平衡所需的同相分量和直角分量是由两个五盘感应分压器分 别提供的，所以说共需要6 对输出来提供6 个五盘感应分压器的激磁输入，u 阿曲、 u 啪的平衡是为u m 端平衡服务的，u m 端的平衡是直接影响校验的平衡精确性的， 所以在设计过程中直接采用了更为精确的五盘感应分压器，其输入有激磁输入和比 例输入。 设计微调比例变压器时，首先设计成1 0 0 ：i 降压变压器，这样再加上1 0 0 ：l 的 注入变压器和五盘感应分压器，这样就可以通过调节平衡1 0 1 0 田数量级间的角差 2 7 青岛大学硕士论文 和比差。其次，在注入同相分量和直角分量时需要正负控制，这样才能满足调节。 第三，微调比例变压器的激磁引出的正负单匝需要给u 碰吐、u 。平衡调节时的五 盘感应分压器提供输入，同时u m 平衡调节时的两个五盘感应分压器的激磁提供输 入，而微调比例变压器的比例引出的正负单匝只给u m 平衡调节时的两个五盘感应 分压器的比例提供输入。设计原理图如图。图中k l o - i 、k 2 0 - l 、k 3 0 q 、k 协i 的输 出是为u h ；吐、u ，。平衡调节的五盘感应分压器提供输入，k l 、k 2 、k 3 、瞄可以控 制k l d l 、k 2 m l 、k 3 n l 、k 舡i 输出值的正负，当接1 ，时，输出为正值，微差值为负 时可以得到补偿，当接1 时输出为负值，微差值为正时可被补偿；k s o - l 、k 5 0 - 2 、 口i 、k 6 0 - 2 为u m 平衡调节的两个五盘感应分压器提供激磁输入和比例输入，k 5 m l 、 k 晒1 分别为两个感应分压器的激磁输入，k 5 、k 6 0 2 分别为两个感应分压器的比 例输入，k 5 、为两个单刀双掷开关，同时控制两个感应分压器的激磁输入和比 例输入的正负控制，控制目的和k i 等相同，最终达到微差补偿的目的。 0 图3 2 l 微调比例变压器原理图 k i o - 1 k 2 0 - i k 3 0 i k 协i k 5 d l k 5 0 - 2 k 6 0 - i k 6 0 2 注入时，为了能够使调节顺利进行，多盘比例变压器的线性性非常重要，下表 是对多盘比例变压器线性性的测量。实验证明，多盘比例变压器的线性性在误差允 许的范围之内。其中第四盘和第五盘是将输入信号放大1 0 倍以后的结果，其目的 是为了满足锁相放大器读数量程的需求。 第三章比例变压器的构造和校验方法研究 表3 1 多盘感应分压器线性性测量 泌 第一盘第二盘第三盘第四盘第五盘 ( 埘v )( m v ) f m v 、 ( 1 1 v )( 卅v ) 0o00 oo l7 27 20 7 5o 6 3 0 0 6 9 2 1 4 6 1 4 6 1 5 21 3o 1 2 9 32 1 52 2 12 2 91 9 50 2 0 3 42 8 92 9 23 0 42 60 2 5 3 53 6 l3 73 8 l3 2 30 3 2 64 3 24 4 14 5 63 8 70 3 7 l 75 0 7 5 1 65 34 5 l0 4 6 85 7 85 8 76 0 85 1 50 5 1 4 96 5 06 6 56 8 5 5 7 80 5 7 9 1 07 2 17 3 97 66 4 20 6 3 5 3 6 比例变压器的校验方法研究 比例变压器通常被用于电桥中的比例臂来确定被测量和标准量之间的比例，因 而比例变压器的准确度对于此类电桥的测量准确度有重大影响。在这里介绍一下比 例变压器的校验问题。 电桥中，比例臂的种类有多种。电阻比例臂或其他准确度不很高的电桥比例臂， 可采用准确度级别较高的电桥或电位差计进行直接的测量来校验，也可把待校验比 例臂与准确度级别较高的比例量具进行比较来校验。 但是，比例变压器作为高准确度的比例臂，采用这样的方法就有困难，因为要 找到更高准确度的比例来作为标准是不容易的。此时可采用一些专门的测量方法来 确定比例臂的误差，“参考电势法 和“桥式法 是其中较常用的方法。下面来介 绍这两种方法，这两种方法不但可用于桥臂的校验，也可用于其他测量电路中电压 比例量具的校验。 3 6 1 参考电势法 参考电势法【3 0 】【3 的基本原理是利用一个电势痧s 作为参考电压，使它与被校分 压器的输入端电压保持相对稳定，再将它与分压器的每一段电压u i 、u 2 、u 。 进行比较( 见图3 2 2 ) ，线路平衡是就可分别得到下列平衡方程式： 青岛大学硕士论文 【厂l = u s + u l ， u 2 = u s + u 2 ， u f = u s + u l ， u 。= u s + “打 3 - ( 1 ) 其中：u ，表示参考电压u s 和被校比例变压器的第i 段电压进行比较时从补偿 器所得到的电压差值。这里的微差电压通常是通过比例变换电路从u 加得到，所以 设比j = ；【，o 。 图3 2 2 参考电势法原理图 对各段电压相等的比例变压器，设其每段的电压名义值为u o ，则有 u i = ( 1 + 。) u o u s = ( 1 + 6 ) u o 所以，各段电压之和为 主6 产刀u o + 6 。窆乞 i = l t = l 由于u o 为各段电压的名义值，则电源的输入电压u 加= n u o ，那么 乞= o 3 - ( 2 ) 3 - ( 3 ) 3 - ( 4 ) 3 - ( 5 ) 又因为 所以可得 化简后得 第三章比例变压器的构造和校验方法研究 u i = u s + 甜， ( 1 + - ) u o2 ( 1 + 8 ) u o + ju o 1 + ，2 l + 6 + f 将等式两端求和，其中i 从1 到刀。 化简得 从而可得 同理可得 江去塾 以百 u i = u s + ”i u iu s + 甜l i 一2 一 u 加刀u o u i ( 1 + 6 ) u o + a iu o = 一= 二二l 一 u 加 以u o 昙：1 ( 1 + 6 + 1 ) u 加 以 + 6 + a 2 ) + 6 + a ) 那么比例变压器的前p 段与输入电压u 加的比值为 3 i 3 ( 6 ) 3 - ( 7 ) 3 - ( 8 ) 3 - ( 9 ) 3 - ( 1 0 ) 3 - ( 1 1 ) 3 - ( 1 2 ) 。埘 +舾 +胛 = ，b 。 +挎