Почему трансформатор тока работает в режиме короткого замыкания

Устройство и принцип работы трансформаторов

Трансформатор преобразует напряжение с помощью взаимоиндукции. И по сути эта делать простая, но очень эффективная. Это происходит благодаря переменному магнитному полю, которая связывает несколько катушек друг с другом. Трансформатор преобразует только переменные и импульсные токи.

Как работает трансформатор

Трансформатор работает за счет взаимоиндукции. Для начала разберем, что такое индукция.

Что такое индукция

Если по проводу пустить электрический ток, то возникнет магнитное поле.

Магнитное поле — неотъемлемая часть электрического. И в магнитном поле сохраняется энергия электрического.

У постоянных магнитов наличие магнитного поля объясняется направлением «доменов в одну сторону». Т.е. у каждого отдельно взятого атома есть свое маленькое магнитное поле. У постоянных магнитов эти маленькие магнитные поля направлены в одну сторону. Поэтому у постоянного магнита такое сильное магнитное поле.

И другие материалы можно намагнитить, т.е. сделать так, чтобы магнитные поля были направлены в одну сторону. Так получится «искусственно созданный» магнит.

Кстати, среди ремонтников очень популярен магнит, который намагничивает и размагничивает отвертки. Таким отвертками удобно пользоваться, поскольку маленькие болтики и винтики останутся на отвертке и не упадут в случае неосторожного движения.

А индуктивность — это способность материала накапливать магнитное поле, когда по этому материалу течет электрический ток.

Чем больше материал может создать магнитное поле, тем выше его индуктивность.

Магнитное поле можно увеличить, если сделать катушку.

Достаточно взять проволоку, намотать ее на каркас. И магнитные поля витков будут складываться.

Это и есть катушка индуктивности.

Если мы подаем на катушку постоянный ток, то и магнитное поле будет постоянным. Оно не будет меняться. А что если отключить катушку от источника? Тогда наступит явление самоиндукции. Так как ток уменьшается, то магнитное поле больше нечем поддерживать. И вся так энергия, которая была в магнитном поле, переходит в электрическую.

Изменение магнитного поля создает электрическое поле.

Увеличение индуктивности сердечником

А как увеличить индуктивность? Только с помощью количества витков и диаметром провода? На индуктивность еще влияет окружающая среда. Воздух — не самый лучший материал для накопления или передачи магнитного поля. У него низкая магнитная проницаемость. Тем более, при изменении плотности и температуры воздуха, это значение меняется. Поэтому, для увеличения индуктивности используют ферромагнетики. К ним относят железо, никель, кобальт и др.

Если сделать сердечник в центре катушки из таких материалов, то можно многократно повысить индуктивность катушки.

Из ферромагнетиков делают сердечники (магнитопроводы). В основном используют электротехническую сталь, которую специально делают для этих целей.

Кстати, теперь намного проще регулировать индуктивность с сердечником. Достаточно плавно передвигать сердечник внутри катушки, и индуктивность будет плавно меняться. Это удобнее, чем двигать витки друг от друга.

Взаимоиндукция и принцип передачи тока

Раз можно накопить энергию в катушке за счет магнитного поля, то можно передать эту энергию в другую катушку.

Допустим, есть две одинаковые катушки индуктивности. Одна подключена к питанию, другая нет.

При подключении питания, у первой катушки возникнет магнитное поле. И если приблизить вторую катушку к первой, у второй катушки индуцируется ЭДС за счет магнитного поля первой.

Но ЭДС второй катушки будет не долгим явлением. Если на первую катушку подается постоянное напряжение, то и магнитное поле будет постоянным.

А электрический ток возникает только при переменном магнитное поле. Поэтому, ток во второй катушке сразу исчезнет, как только стабилизируется магнитное поле.

Если поменяем полярность на первой катушке, то и изменится ее магнитное поле. А это значит, что оно будет изменяться и во второй катушке. Это снова индуцирует ток во второй катушке, но не надолго.

Чтобы непрерывно можно было передать ток от первой катушки ко второй, нужен переменный источник тока. Переменный ток создает переменное магнитное поле. А переменное магнитное поле проницая проводник создает в нем переменный наведенный ток.

Такое явление называют взаимоиндукцией. Когда за счет индуктивности ток из одной части цепи можно передать в другую используя электромагнитное поле.

Многие путают электромагнитную индукцию и взаимоиндукцию. Но это разные явления, хоть и принцип действия во многом схож.

Кроме переменного тока можно использовать и импульсный ток, в котором плюс и минус не меняются местами. Главное выполнять правило — ток должен менять свое значение. И тогда будет переменное магнитное поле.

Кстати, когда работают блоки питания и светильники, издаваемый гул от них — это звук от катушек или их сердечников. Это из-за индукции. Магнитное поле из-за разного направления в катушках частично сдвигает витки и сердечники, отсюда и появляется тот самый звон. Это касается и электродвигателей. Поэтому такие детали заливают смолой или компаундом, чтобы уменьшить издаваемый звук.

Устройство трансформатора

А если катушки будут разными? Тогда можно преобразовать напряжение из одной величины в другую. Так и работает трансформатор. Трансформатор преобразует напряжение с первичной обмотки в напряжение другой величины на вторичной обмотке.

Трансформатор работает только с переменным, импульсным или любым другим током, у которого изменяется значение со временем.

Трансформатор преобразует ток и напряжение, но он не позволяет увеличить мощность. Даже наоборот, из-за нагрева он немного забирает мощность. И не смотря на это, его КПД может доходить вплоть до 99%.

Классический трансформатор

Разберем устройство классического трансформатора.

Основная его функция — это снижение или повышение напряжения для блока питания. Работает за счет сетевого напряжения и низкой частоты (от 50 Гц). Частота переменного тока важна для расчетов.

Классический трансформатор состоит из первичной и вторичной обмотки, а также сердечника (магнитопровода).

На первичную обмотку подается то напряжение, которое нужно преобразовать. А со вторичной обмотки снимают то напряжение, которое получилось за счет взаимоиндукции. Сердечник увеличивает магнитный поток.

Как же происходит преобразование? Все просто. Можно рассчитать индуктивность первичной и вторичной обмотки. Если нужно низкое напряжение, то вторичная обмотка имеет меньше витков, чем первичная. Раз первичная работает за счет сетевого напряжения, то и рассчитывается на 220 В с небольшим запасом из-за колебаний сети.

Напряжение на вторичной обмотке сдвинуто по фазе относительно первичной. Это связано с явлением взаимоиндукции. На графике показана примерная разница по синусоиде.

Трансформаторы могут быть источниками фазовых искажений. Они изменяют сигналы по фазе из-за индуктивности, как показано на графике выше.

На принципиальных схемах классический трансформатор обозначается двумя катушками с сердечником.

Соответственно, если у трансформатора несколько вторичных обмоток, то и количество катушек на схеме будет другим.

Количество обмоток на трансформаторе может быть любым. Могут быть и несколько первичных и вторичных обмоток. А еще есть трансформаторы с общей точкой для двуполярного питания.

Кстати, если вы думаете, что у трансформатора нет сторон, как у диодов или транзисторов, то вы ошибаетесь. У трансформатора тоже есть начало обмотки и конец обмотки. На принципиальных схемах обозначение начала обмотки обозначается точкой и цифрами.

Зачем это надо? Дело в том, что магнитная индукция имеет свое направление, и на этом заложен весь принцип работы схемы. Если подключить обмотку не так, как показано на схеме, то вся схема перестанет работать как изначально задумывалось. Еще как пример можно привести трёхфазные электродвигатели. У них и вовсе для правильной работы важно знать начало и конец обмотки.

Коэффициент трансформации

У трансформаторов есть такое понятие, как коэффициент трансформации. Это отношение его входных и выходных характеристик (отношение количества витков первичной обмотки к вторичной).

Например, если трансформатор понижающий, с 220 В до 12 В, то его коэффициент больше единицы, то есть К<1. А если понижающий, то наоборот К>1. У разделительного коэффициент равен 1.

От чего зависит мощность трансформатора

При расчете учитываются следующие параметры:

• Размеры магнитопровода (сердечника);
• Количество витков;
• Сечение провода;
• Количество обмоток;
• Частота работы.

И все эти значения меняются в зависимости от расчетной мощности и требуемых параметров.

Типы классических трансформаторов

Классические трансформаторы по типу магнитопровода и расположению катушек разделяются на три основных вида:

Броневые чаще всего состоят из Е-пластин (или Ш, как многие называют), которые изолируются друг от друга лаком. В этом типе катушки заключены внутри сердечника как под броней. Поэтому они так и называются.

А еще сердечник может быть ленточным, но расположение катушек от этого не меняется.

Однако в плане эффективности преобразования мощности — это не самый лучший вариант. Магнитный поток получается неравномерным. Да и броневой трансформатор более уязвим к наводкам и помехам извне. Но зато у такого типа есть неоспоримое преимущество. Катушка наматывается достаточно просто, а сборка магнитопровода не составляет особого труда.

Такие трансформаторы чаще всего применяются в мелкогабаритной бытовой технике. Например, их можно часто встретить в мощных звуковых колонках от компьютеров.

Стержневые отличаются особенностями расположения катушек и конструкцией магнитопровода. Такой тип трансформаторов еще называют П-образным. Это связано с тем, что конструктивно сердечник такого трансформатора ленточный, и он собирается из узкой ленты электротехнической стали. И чтобы установить катушки в сердечник, его делают из двух форм в виде буквы П.

После установки двух катушек на первую часть сердечника, вторая часть замыкает ее при окончательной сборке.

Этот тип противоположность броневому. У такого трансформатора обмотки находятся снаружи, а у броневого наоборот, внутри.

Тороидальные трансформаторы являются самыми эффективными, и в тоже время самыми сложными в изготовлении. Сложности изготовления заключаются в том, что сердечник имеет форму тора. Он замкнут, и поместить катушки в сердечник так просто как в стержневых и броневых не получится.

Можно и разъединить трансформаторное железо на две полукруглые части (как П-образный трансформатор), но обмотку не получится намотать. Она будет не такая плотная и ровная.

Поэтому наматывают витки сразу на сердечник. А это намного дольше, да и автоматизировать такой процесс сложнее. Соответственно, и цена на такой трансформатор будет выше.

Режимы работы трансформаторов

Есть три основных режима:
1. Режим холостого хода. Первичная обмотка подключена к сети, но вторичная обмотка не подключена к нагрузке.

2. Режим нагрузки. Это рабочий режим. Первичная обмотка преобразует сетевое напряжение, а вторичная принимает его и подает в нагрузку.

3. Режим короткого замыкания. Вторичная обмотка находится в коротком замыкании. Это аварийный режим для большинства трансформаторов. В этой ситуации он может быстро нагреться и выйти из строя.

Все режимы и их критические параметры также зависят и от типа трансформатора. Например, для трансформатора тока, холостой режим является аварийным.

Импульсные трансформаторы

У импульсных трансформаторов другой тип действия. Они преобразуют напряжение до высоких частот с помощью схемы управления. Конечно из-за этого усложняется схема работы, но это позволяет накапливать большое количество энергии в катушках. Большое преимущество перед классическим трансформаторов — это компактность. Если классический трансформатор на 100 Вт будет большим, то импульсный в десятки раз меньше.

Из недостатков импульсных блоков питания — это наличие импульсных помех. Но и эти помехи удается сглаживать. Поэтому, все блоки питания в компьютерах, ноутбуках и зарядных устройствах чаще всего сделаны на импульсных трансформаторах.

Еще импульсные трансформаторы питают лампы подсветки в мониторах, которые подсвечивают матрицу. Это касается TFT мониторов.

Отличия импульсных трансформаторов от классических

Тезисно можно выделить несколько различий:

• Частота работы;
• Состав сердечника;
• Размеры;
• Схема работы;
• Стоимость.

А еще, как правило, у импульсных трансформаторов больше обмоток, чем у классических.

Почему сердечник не делают сплошным

Сердечники (магнитопроводы) делают из железных пластин потому, что во время работы появляются токи Фуко. Их называют еще вихревыми токами. Эти токи появляются от наводок обмоток в сердечнике. В итоге сердечник может перегреться, и даже расплавить катушки.

Поэтому, для трансформаторов низкой частоты делают сердечники из изолированных друг от друга пластин.

Пластины могут быть покрыты лаком, или изолированы бумагой между собой. Это уменьшает короткие замыкания в пластинах.

Что делает трансформатор

У трансформатора много полезных и важных функций:

• Передает электричество на расстояние. Он способен повышать переменное напряжение. Это помогает передавать переменный ток на большие расстояния. Так как у проводов тоже есть сопротивление, от источника тока требуется высокое напряжение, чтобы преодолеть сопротивление проводов. Поэтому, трансформаторы незаменимы в электросетях, где они повышают напряжение до десятки тысяч вольт. Еще возле электростанций, которые вырабатывают электрический ток, стоят распределительные трансформаторы. Они повышают напряжение для передачи их потребителям. А возле потребителей стоит понижающий трансформатор, который уменьшает напряжение до 220 В 50 Гц.

• Питает электронику. Трансформатор — это часть блока питания. Он понижает входное сетевое напряжение, которое затем выпрямляется диодным мостом, фильтруется и подается на плату. По сути, он используется практически в любом блоке питания и преобразователе.

• Питает радиолампы и электронно-лучевые трубки. Для радиоламп нужен большой спектр напряжений. Это и 12 В и 300 В и др.

• Для этих целей и делают трансформаторы, которые понижают и повышают сетевое напряжение. Это делается за счет разных обмоток на одном сердечнике. Разновидностью ламп являются электронно-лучевые трубки (ЭЛТ). Они используются в электронных микроскопах, где с помощью пучка электронов можно получить детальные изображения микроскопических поверхностей. Для них нужны высокие напряжения, порядка нескольких десятков тысяч киловольт. Это нужно для того, чтобы в вакуумной трубке можно было разогнать пучок электронов до больших скоростей. Электрон в вакууме может повышать скорость своего передвижения за счет повышения напряжения. И здесь, кстати, используется импульсный трансформатор. Он повышает напряжение за счет работы ШИМ (широтно-импульсной модуляции). Такие трансформаторы называются строчными (или развертки).

Это название неспроста, так как такой трансформатор выполняет функцию строчной развертки. По сути кинескоп — это и есть электронно-лучевая трубка. Поэтому, для работы телевизоров, где используется кинескоп, нужен строчный трансформатор.

• Согласует сопротивления. В усилителях звука согласование источника и потребителя играет важную роль. Поэтому, есть согласующие трансформаторы, которые позволяют передать максимум мощности в нагрузку. Если бы не было такого трансформатора, то лаповые усилители, которые были рассчитаны на 100 Вт, выдавали бы менее 50 Вт в нагрузку.

Например, выход усилителя 2 кОм, а трансформатор согласует сопротивление и понижает напряжение для щадящей работы динамиков. А на его вторичной обмотке сопротивление всего несколько десятков Ом.

• Для безопасности. Трансформатор создает гальваническую развязку между сетью и блоком питания. Это последний рубеж безопасности в блоке питания, если что-то пойдет не так. Будет время для срабатывания предохранителя. Или же катушки и магнитопровод расплавятся, но потребителю не дадут сетевую нагрузку. Он физически не связан с сетью 220 В. Связь есть только с помощью магнитного поля (взаимоиндукции). И если трансформатор рассчитан на 100 Вт, то он сможет выдать только 100 Вт.

Поэтому, потребитель будет защищен от опасных высоких токов. Именно из-за этого бестрансформаторные блоки питания считаются опасными.

• Деталь оружия. В электрошокерах используются высокие напряжения. И их помогает форматировать высоковольтный трансформатор. А еще он используется в некоторых схемах Гаусс пушки.

Вопросы об устройстве трансформатора

-Почему зазор между катушками делается минимальным?
Это делается для лучшего контакта магнитных полей. Если зазор будет большим — то и эффективность трансформатора будет низкая.

-А можно ли сделать трансформатор без сердечника аналогичный мощности с сердечником?
Да, но тогда придется увеличивать количество витков, чтобы увеличить магнитный поток. Например, с сердечником у обмоток витки могут быть по несколько тысяч. А без сердечника придется увеличивать магнитный поток за счет витков. И количество витков будет по несколько десяток тысяч. Это не только увеличивает размеры катушек, но и снижает их эффективность и увеличивает шансы перегрева.

-Можно ли подключить понижающий трансформатор как повышающий?
Если у вас есть трансформатор, который понижает сетевое напряжение с 220 В в 12 В, то его можно подключить как повышающий. То есть, вы можете подать на него переменное напряжение 12 В на вторичную обмотку и получить повышенное на первичной 220 В.

-А что будет, если на вторичную обмотку понижающего трансфоратора подать сетевое напряжение?
Тогда обмотка сгорит. Её сопротивление, количество витков и сечение провода не рассчитаны на такие напряжения.

-Можно ли сделать трансформатор самостоятельно своими руками в домашних условия?
Да, это вполне реально. И многие радиолюбители и электронщики этим занимаются. А некоторые еще и зарабатывают. продавая готовую продукцию. Но стоит помнить о том, что это долгий, сложный и не простой труд. Нужны качественные материалы. Это трансформаторное железо, эмалированные медные провода различного сечения, изоляционные материалы.

Все материалы должны быть высокого качества. Если медный провод будет с плохой изоляцией, то возможно межвитковое замыкание, которое неминуемо приведет к перегреву. А для начала нужно рассчитать все параметры будущего трансформатора. Это можно сделать с помощью различных программ, которые доступны в сети.

Далее, это долгие часы сборки. Особенно если вы решили намотать тороидальные трансформатор.

Нужно плотно и равномерно наматывать витки, записывать каждый десяток, чтобы не запутаться и не изменить характеристики будущего преобразователя или блока питания.

-Что будет, если включить трансформатор без сердечника?
Так как трансформатор рассчитывался изначально с сердечником, то и преобразовать полностью напряжение он не сможет. То есть, на вторичке что-то будет, но явно не те параметры. Да и если подключите нагрузку к обмоткам без сердечника, они быстро нагреются и сгорят.

Неисправности трансформаторов

К основным неисправностям трансформаторов можно отнести:

• Коррозия и наличие ржавчины на сердечнике;
• Перегрев и нарушение изоляции;
• Межвитковое короткое замыкание;
• Деформация корпуса, обмоток и сердечника
• Попадание воды в обмотку.

Как проверить на целостность

Трансформатор можно проверить обычным мультиметром. Установите прибор в режим измерения сопротивления и проверьте обмотки.

Они не должны быть в обрыве, никогда. Если нигде обрывов нет, то можно найти первичную и вторичную обмотки при помощи измерения сопротивления. У первичной обмотки понижающего трансформатора сопротивление будет выше, чем у вторичной. Это все из-за количества витков. Чем больше витков и чем меньше диаметр провода — тем больше сопротивление обмотки.

Так же вы можете найти паспорт на свой трансформатор. В нем указываются сопротивления обмоток, и их параметры, которые нужно будет проверить мультиметром.

Безопасная проверка работы трансформатора

Если вы решили намотать свой трансформатор или проверить старый, то обязательно подключайте лампочку в разрыв цепи (последовательно!). Если что-то не так произойдет то, лампочка загорится и заберет ток на себя и сможет спасти неисправный трансформатор.

Трансформаторы много где используются. Их конструкция разная и для каждой задачи она по-своему уникальна.

Интересные факты про трансформаторы

Трансформатор — это самый эффективный преобразователь. Его КПД (коэффициент полезного действия) может доходить до 99% (силовые трансформаторы). А вот у ДВС (двигатель внутреннего сгорания), КПД обычно не выше 30%.

Самый эффективный, но в тоже время и самый сложный в изготовлении — это тороидальный трансформатор. Он эффективен благодаря расположению катушек и магнитопроводу. Это усложняет процесс изготовления, особенно в промышленных масштабах.

Трансформаторы. Режимы работы и рабочие характеристики

В первой части нашей статьи мы рассмотрели устройство трансформатора, принцип действия и виды трансформаторов. Теперь поговорим о них более детально.

Режимы работы трансформатора

Холостой ход однофазного трансформатора

Приведенные при рассмотрении принципа действии трансформа­тора соотношения справедливы лишь для идеального трансформатора, в котором пренебрегают сопротивлениями обмоток и потерями в сердечнике и считают, что магнитный поток замыкается только по сердечнику. В реальных условиях необходимо учитывать падения напряжения в обмотках и фактическую картину распределения магнитных полей. В частности, при холостом ходе МДС F₀ кроме основного магнитного потока взаимоиндукции Ф₀, замыкающегося по сердечнику, создает магнитный поток рассеяния Ф_рс1, который замыкается, в основном, по воздуху и сцепляется только с первичной обмоткой (рис. 1).

Рис. 1 — Холостой ход однофазного трансформатора

Под действием этого магнитного потока в первичной обмотке индуктируется ЭДС самоиндукции е_рс1, действующее значение которой обычно рассчитывают по соотношению

где х_рс1 — индуктивное сопротивление рассеяния первичной обмотки.

Для упрощения записи это сопротивление часто обозначают просто х₁ Оно равно

где L₁ — индуктивность рассеяния, определяемая по специальным формулам.

Таким образом, реально существующий магнитный поток рассеяния Ф_рс1 первичной обмотки и соответствующая ему ЭДС Е_рс1 учитываются путем введения некоторого индуктивного сопротивления рассеяния х₁, падение напряжения на котором уравновешивает ЭДС, т.е. в векторной форме равенство

записывают в виде

Такой подход значительно упрощает анализ и расчет режимов работы трансформатора. Сопротивление х₁ практически постоянно, а величина Е_рс1 пропорциональна току первичной обмотки.

Полное сопротивление первичной обмотки, кроме сопротивления х₁ учитывает также активное сопротивление r₁, т.е.

Электрическая схема замещения фазы первичной обмотки трансформатора на холостом ходу полностью аналогична схеме замещения катушки со стальным сердечником (рис. 2).

Рис. 2 — Электрическая схема замещения фазы трансформатора на холостом ходу

Уравнение электрического равновесия трансформатора для режима холостого хода может быть записано в виде

Таким образом, подводимое к первичной обмотке напряжение уравновешивается ЭДС самоиндукции Е₁₀ и падением напряжения на сопротивлениях r₁ и х₁ обмотки. Поскольку падение напряжения достаточно мало, последнее уравнение для режима холостого хода часто записывают в виде

Векторная диаграмма трансформатора в режиме холостого хода является графической иллюстрацией и решением уравнений

Векторы как это следует из уравнений

отстают от вектора Фом на 90° (рис.3). Величина напряжения U₂₀ =Е₂₀ отличается от Е₁₀ в отношении коэффициента трансформации. Ток холостого хода I₀ не синусоидален и его представляют в виде двух составляющих: I_0а — активной, определяющей потери энергии в стали сердечника и в обмотке; I_0р — реактивной, необходимой для создания МДС F₀ и потоков Ф₀ и Ф_рс1.

Рис. 3 — Векторная диаграмма холостого хода трансформатора

Таким образом, можно записать

Обычно I_0а<< I_0р и приближенно считают, что в режиме холостого хода ток I₀, в основном, намагничивающий, т.е.

В целом вектор тока опережает вектор Ф_о на некоторый угол ?, называемый углом потерь

где r_m и x_m – активное и индуктивное сопротивления ветви намагничивания.

Следует отметить, что на рис. 3 векторы

показаны для наглядности в сильно увеличенном масштабе.

Работа трансформатора под нагрузкой

Нагрузочным или рабочим называется режим работы трансформатора, при котором к первичной обмотке подведено напряжение U₁, а к вторичной подключены потребители Z_Н (рис. 4), так что I₂ > 0.

Рис. 4 — Нагрузочный режим однофазного трансформатора

Это основной режим, при котором вторичный ток изменяется в пределах 0<I₂ ? I_2Н , а коэффициент мощности cos?₂ определяется характером нагрузки и может изменяться от нуля до 1,0. Особенности взаимодействий в рабочем режиме трансформатора определяются тем, что ток I₂ создает МДС F₂ = I₂W₂ и соответствующий магнитный поток Ф₂, действующие встречно по отношению к МДС F₁ и потоку Ф₀, т.е. в соответствии с принципом Ленца реакция вторичной обмотки направлена на уменьшение основного магнитного потока взаимоиндукции Ф₀, созданного при холостом ходе. Однако, поскольку подводимое к первичной обмотке напряжение не изменяется, а оно, в основном, уравновешивается ЭДС Е₁₀, то поток Ф₀ не должен изменяться, что соответствует уравнению равновесия:

Для поддержания неизменным магнитного потока при переходе от холостого хода трансформатора к нагрузке МДС I₀W₁ первичной обмотки увеличивается до такой величины I₁W₁, при которой компенсируется размагничивающее действие МДС вторичной обмотки I₂W₂. При этом закон Ома для магнитной цепи трансформатора в рабочем режиме записывается в виде:

Левые части соотношений одинаковы, поэтому справедливо равенство:

которое называют уравнением равновесия МДС трансформатора.

Из последнего равенства получают уравнения равновесия токов, которые записывают в виде:

При нагрузках, близких к номинальной, током холостого хода иногда пренебрегают и уравнение второе уравнение упрощается:

откуда следует соотношение:

Таким образом, соотношение токов при нагрузках, близких к номинальной, определяется соотношением числа витков, причем оно обратно пропорционально коэффициенту трансформации. Поэтому для номинального режима можно записать приближенное равенство:

из которого следует, что полная мощность, потребляемая трансформатором из сети, примерно равна полной мощности, отдаваемой потребителю.

Схема замещения первичной обмотки при переходе от режима холостого хода к нагрузке не изменяется, однако первичный ток увеличивается до значения I₁ (рис.5, а), что должно найти отражение в уравнении равновесия ЭДС первичной обмотки при нагрузке:

Ток вторичной обмотки подобно току первичной обмотки создает магнитный поток рассеяния Ф_рс2, действие которого учитывается или величиной ЭДС самоиндукции Е_рс2, или уравновешивающим ее па­дением напряжения I₂x₂, на индуктивном сопротивлении рассеяния

где L₂ — индуктивность рассеяния вторичной обмотки.

Рис. 5 — Схемы замещения первичной (а) и вторичной (б) обмоток трансформатора при нагрузке

Электрическая схема замещения вторичной обмотки показана на рис.5, б, на которой r₂ — её активное сопротивление, а полное сопротивление нагрузки:

Уравнение электрического равновесия вторичной обмотки при нагрузке имеет вид:

Это уравнение источника электрической энергии, что и представляет собой трансформатор по отношению к нагрузке. Как видно, при работе под нагрузкой напряжение на нагрузке отличается от ЭДС Е₂ на величину падения напряжения на внутренних сопротивлениях вторичной обмотки. Следует отметить, что соотношение между ЭДС Е₂ и напряжением U₂ зависит также от характера нагрузки, о чем будет сказано ниже.

Векторные диаграммы первичной и вторичной обмоток являются графическим решением уравнений:

Для вторичной обмотки (рис. 5, б) сдвиг по фазе между током I₂ и напряжением U₂ , (угол ?₂) определяется соотношением параметров нагрузки:

а угол ?₂ — соотношением реактивных и активных сопротивлений вторичной обмотки и нагрузки, т.е.

Рис. 6 — Векторные диаграммы первичной (а) и вторичной (б) обмоток трансформатора

На рис.6 векторные диаграммы изображены для случая активно-индуктивной нагрузки.На векторной диаграмме первичной обмотки (рис. 4, а) вектор тока получают, пристраивая к вектору тока холостого хода вектор тока измененный в отношении 1/к и повернутый на 180°, т.е. вектор

Построение вектора первичного напряжения U₁ аналогично построе­нию для режима холостого хода, однако векторы падений напряжения

ориентируются по отношению к вектору тока .

Сдвиг по фазе между током I₁ и напряжением U₁ обозначают ?₁. Угол ?₁, определяет, как известно, при заданных значениях тока и напряже­ния, подводимую к трансформатору от сети активную P₁ = U₁I₁cos?₁ и реактивную Q₁ = U₁I₁sin?₁ мощности. Чем больше угол ?₁, тем меньше активная и тем больше реактивная мощности.

Режим короткого замыкания

Короткое замыкание (к.з.) трансформатора представляет собой такой режим его работы, когда вторичная обмотка замкнута накоротко (Z_н = 0) и, следовательно, вторичное напряжение U₂ равно нулю.

При внезапном коротком замыкании, когда к первичной обмотке подводится номинальное напряжение, токи в обмотках превышают номинальные значения в 10…20 раз. Такое к.з. может иметь место при эксплуатации трансформатора и является аварийным. Возникают недопустимые перегревы обмоток и значительные электродинамические усилия, которые приводят к разрушению трансформатора. Для защиты трансформатора от коротких замыканий применяются быстродействующие автоматы защиты.

В процессе испытания трансфор­маторов производят опыт короткого замыкания, но при таком понижен­ном первичном напряжении, чтобы токи в обмотках были равны номи­нальным. Это напряжение, выраженное в % от номинального (u_к %), заносится на заводскую табличку трансформатора. Измерения при таком испытательном коротком замыкании, также как и измерения при холостом ходе позволяют определить ряд важных параметров трансформатора.

Приведенный трансформатор

Приведение вторичной обмотки трансформатора к первичной

Для упрощения анализа и расчета режимов работы трансформатора пользуются способом, при котором одна из его обмоток приводится к другой. Смысл приведения состоит в том, чтобы сделать ЭДС первичной и вторичной обмоток одинаковыми, электромагнитную связь между обмотками заменить электрической связью и получить единую электрическую схему замещения трансформатора, построить другую, более простую и наглядную векторную диаграмму. Чаще всего вторичную обмотку приводят к первичной. Для этого условно заменяют реальную вторичную обмотку некоторой фиктивной обмоткой с числом витков:

т.е. увеличивают число ее витков в k раз. Таким образом, коэффициент приведения вторичной обмотки к первичной равен коэффициенту трансформации. Все параметры приведенной обмотки обозначают со штрихами:

и т.д. В приведенной обмотке в соответствии с новым числом витков увеличиваются все ЭДС, напряжения и падения напряжения, т.е.:

Важным условием приведения является то, чтобы мощности и потери энергии во вторичной обмотке не изменялись. Для этого должны выполняться равенства:

из которых получаются соотношения для тока и активного сопротивления приведенной вторичной обмотки:

Аналогично последнему соотношению изменяются индуктивное сопротивление рассеяния приведенной вторичной обмотки и параметры нагрузки:

Для полных сопротивлений справедливы соотношения:

Если таким образом изменить (условно конечно) все электрические величины вторичной обмотки, то энергетические соотношения в реальном и приведенном трансформаторе сохраняются без изменений и поэтому приведение правомерно. При этом необходимо помнить, что приведение — это чисто аналитический прием, позволяющий упростить расчеты и анализ физических процессов в реальном трансформаторе.

Схема замещения и уравнения электрического равновесия приведенного трансформатора

Поскольку в приведенной вторичной обмотке ЭДС

равна ЭДС E₁, то оказывается возможным схемы замещения первичной обмотки (рис. 5,а) и вторичной обмотки (рис. 5,б) с измененными параметрами объединить в одну схему замещения, соединив электрически точки равного потенциала. Такая полная двухконтурная схема замещения показана на рис. 7. Ее часто называют Т-образной схемой замещения приведенного трансформатора.

Рис. 7 — Т-образная схема замещения приведенного трансформатора

На этой схеме ветвь c – d с сопротивлениями r_m и x_m и током I₀ называют ветвью намагничивания, ветвь А – с с током I₁ — первичной ветвью, ветвь с – а– х – d с током

— вторичной ветвью или вторичным контуром.Параметры схемы имеют строго определенные наименования: r_m — активное сопротивление ветви намагничивания, учитывающее потери в стали магнитопровода на перемагничивание и вихревые токи:

— индуктивное сопротивление взаимоиндукции (ветви намаг­ничивания).

поэтому принимают, что:

r₁ и r₂’ — активные сопротивления первичной и приведенной вторичной обмоток; x₁ и x₂ ‘ — индуктивные сопротивления рассеяния первичной и приведенной вторичной обмоток;

— приведенное сопротивление нагрузки. Уравнения равновесия токов и ЭДС приведенного трансформатора записываются на основании 1 и 2 законов Кирхгофа:

Полная векторная диаграмма приведенного трансформатора (рис.8) является графическим решением приведенных уравнений электрического равновесия.

Рис. 8 — Векторная диаграмма приведенного трансформатора

Она объединяет векторные диаграммы первичной и вторичной обмоток, показанные на рис. 6 , при этом векторы ЭДС

между собой, а все построения для вторичной обмотки производятся для приведенных параметров.

Как отмечалось выше, в режимах номинальной нагрузки ток холостого хода I₀ очень мал по сравнению с током I_1н. Тем более он несоизмеримо мал по сравнению с током короткого замыкания, поэтому в этих режимах им можно пренебречь и в расчетах пользоваться упрощенной схемой замещения (рис. 9).

Рис. 9 — Упрощенная схема замещения приведенного трансформатора

Сопротивления r_k = r₁ +r₂ ‘ и x_k= x₁ + x₂называют сопротивлениями короткого замыкаия.

Уравнения электрического равновесия для упрощенной схемы имеют вид:

Опытное определение параметров схемы замещения трансформатора

Для определения параметров схемы замещения трансформатора проводят его испытания в режиме холостого хода и опытного короткого замыкания.

Схема опыта холостого хода приведена на рис.10 . Первичную обмотку подключают на номинальное напряжение и измеряют ток холостого хода I₀ , мощность P₀, напряжение на разомкнутой вторичной обмотке U₂₀ .

Рис. 10 — Схема опыта холостого хода

Мощность P₀, потребляемая из сети, расходуется на потери в меди ?P_m1 = I₀ 2 r₁ и потери в стали ?P_ст= I₀ 2 r_m при этом, поскольку r_m»r₁, потерями в первичной обмотке ?P_m1 пренебрегают и считают, что вся потребляемая из сети мощность расходуется на потери в стали, т.е.:

Исходя из схемы замещения (рис. 5, а ) и пренебрегая величиной z₁ по сравнению с z_m можно определить величину z_m из соотношения:

Коэффициент мощности при холостом ходе определяется из соотношения:

Коэффициент трансформации равен:

Схема опыта короткого замыкания приведена на рис. 11.

Рис. 11 — Схема опыта короткого замыкания

В этом опыте вторичная обмотка замыкается накоротко, а на первичной обмотке с помощью регулятора устанавливают такое напряжение U_1k, при котором ток в первичной обмотке равен номинальному I_1k = I_1н. Величина U_1k имеет весьма важное эксплуатационное значение и всегда указывается на щитке трансформатора. Обычно она указывается в процентах от номинального напряжения и для однофазных трансформаторов составляет 3%…5%.

Поскольку в рассматриваемом режиме U₂=0, то трансформатор не отдает потребителю полезной мощности и вся мощность P_1k, потребляемая из сети, расходуется на потери. Т.к. потери в стали ?Р_ст пропорциональны квадрату магнитной индукции ?Р_ст ? В 2 ? Е 2 ? U₁ 2 , то, ввиду малости напряжения U_1k, этими потерями пренебрегают и считают, что вся потребляемая мощность расходуется на потери в обмотках, т. е:

Полное сопротивление короткого замыкания равно:

Принимая далее, что :

получаем все параметры Т-образной схемы замещения трансформатора.

Рабочие характеристики трансформатора

Зависимость вторичного напряжения трансформатора от величины и характера нагрузки

Изменением напряжения двухобмоточного трансформатора при заданной нагрузке называется выраженная в процентах от номинального вторичного напряжения разность:

где U_2o и U_2н — вторичные напряжения при холостом ходе и при нагрузке.

Существуют определенные ГОСТом допустимые нормы изменения напряжения трансформатора при номинальной нагрузке. Часто в конструкции трансформатора предусматривается возможность в небольших пределах регулировать вторичное напряжение путем изменения числа витков первичной или вторичной обмоток, имеющих дополнительные выводы.

Физически влияние величины нагрузки на вторичное напряжение объясняется изменением (увеличением) падения напряжения на соп­ротивлениях обмоток трансформатора при увеличении тока нагрузки I₂ (или I₂’).

Логическая цепочка этого процесса такова:

При возрастании тока увеличивается и ток I1 вызывая увеличение падения напряжения в сопротивлениях первичной обмотки. Поскольку:

то это приводит к некоторому снижению ЭДС E₁, и соответствующему изменению магнитного потока взаимоиндукции, а это влечет за собой уменьшение . В свою очередь падение напряжения на сопротивлениях вторичной обмотки создают дополнительные изменения напряжения .

Влияние характера нагрузки (отношения x_н /r_н) на величину вторичного напряжения при неизменном токе нагрузки удобно проследить, пользуясь упрощенной векторной диаграммой (рис. 1), на которой показаны режимы работы трансформатора для случаев ?₂ > 0, ?₂ = 0 и ?₂ < 0, а также геометрическое место концов вектора при изменении угла ?₂ пределах :

Построение упрощенных диаграмм производятся следующим образом: из точки 0 как из центра проводится дуга окружности радиусом, равным в принятом масштабе величине напряжения ; под углом ?₂ проводятся направления вектора вторичного напряжения ; во всех случаях нагрузки треугольник короткого замыкания распо­лагается таким образом, чтобы вершина А была на дуге , вер­шина С — на направлении вектора ; а катет ВС совпадал с направлением вектора тока .

Рис. — 12. Упрощенная векторная диаграмма приведенного трансформатора при различных по характеру нагрузках

Точки С, С₁ и C₂ определяют величину приведенного вторичного напряжения при соответствующем значении ?₂ . Если треугольник ABC поместить в положение 0 B’ C’, то дуга, проведенная из вершины С радиусом, равным , пройдет через точки С, С₁ и C₂ и является, таким образом, геометрическим местом конца вектора напряжения .Из рис. 12 хорошо видно, что при активно-индуктивной (?₂ > 0) и чисто активной нагрузке (?₂ = 0) приведенное вторичное напряжение меньше первичного напряжения .

При активно-емкостной нагрузке (?₂ < 0) вторичное напряжение может стать даже больше первичного.

Физически это объясняется следующим образом. Реактивная мощность, необходимая для создания магнитного поля взаимоиндукции определяется, главным образом, реактивным сопротивлением рассеяния x_k. При активно-емкостной нагрузке эта реактивная мощность может забираться от нагрузки и при определенной величине емкости в нагрузке избыток реактивной мощности отдается в первичную сеть. При этом растет ЭДС:

что приводит к перевозбуждению трансформатора, т.е. к возрастанию потока и увеличению напряжения .

Внешняя характеристика трансформатора

Внешней характеристикой трансформатора называют зависимость:

при и cos?₁ = const (рис. 13).

Рис. 13 — Внешняя характеристика трансформатора

Из рис. 13 следует, что внешняя характеристика трансформатора при увеличении тока нагрузки до номинального является достаточно жесткой. Изменение напряжения составляет всего несколько процентов и зависит от характера нагрузки, что находится в соответствии с векторной диаграммой (рис. 12 ).

При активной и активно-индуктивной нагрузке напряжение уменьшается, при активно-емкостной нагрузке оно может несколько возрастать. На практике величина изменения напряжения обычно рассчитывается по приближенной формуле:

где ? = I₂/I_2н нагрузка трансформатора в относительных единицах;

Потери в трансформаторе и его КПД

Трансформатор потребляет из сети мощность:

где m₁ – число фаз.

Часть этой мощности, как отмечалось, теряется в виде потерь в обмотках:

другая часть — в виде потерь в сердечнике на гистерезисе и вихревые токи.

Электромагнитная мощность:

передается во вторичную обмотку посредством магнитного поля.

Полезная мощность равна:

мало изменяются при изменении нагрузки и относятся к категории постоянных потерь. Потери в обмотках:

являются переменными т.к. изменяются при изменении тока. Коэффициент полезного действия трансформатора показывает соотношение между мощностью, которая передается из первичной обмотки во вторичную и обратно, и мощностью, которая преобразуется в тепло. КПД определяется по формуле:

КПД силовых трансформаторов обычно достигает 94…98%. Рассчитывают трансформаторы таким образом, чтобы КПД имел наибольшее значение при нагрузке ? = 0,5 – 0,7 от номинальной. Обычно трансформаторы работают с некоторой недогрузкой — в области максимального значения КПД рис. 14.

Рис. 14 — Коэффициент полезного действия трансформатора

При передаче значительной реактивной мощности (при уменьшении cos?₂) КПД уменьшается, что показано на рис. 1, кривая 2.

Параллельная работа трансформаторов

Параллельная работа трансформаторов возможна лишь в том случае, если в обмотках трансформаторов не возникают уравнительные токи, а нагрузка распределяется пропорционально номинальным мощностям трансформаторов. Практически это сводится к выполнению следующих условий:

1. Напряжения обмоток высшего и низшего напряжения, указанные на заводских табличках, должны быть соответственно равны, т.е. должны быть равны коэффициенты трансформации k₁ = k₂ …k_n.

2. Напряжения короткого замыкания u_к, указываемые на заводских табличках трансформаторов, должны быть также равны; при параллельной работе трансформаторов допускают отклонения в пределах ±10 %.

3. Мощности параллельно работающих трансформаторов не должны значительно отличаться одна от другой. Допускается различие мощностей не больше чем в 3 раза.

4. Схемы и группы соединений обмоток трансформаторов, предназначенных для параллельной работы, должны быть одинаковыми. Это требование может быть выполнено, если условные обозначения схем и групп соединений, указанные на заводских табличках, будут одинаковыми.

5. Обмотки фаз трансформаторов, включенных для параллельной работы, должны совпадать, т. е. одинаково обозначенные выводы обмоток фаз должны быть присоединены к одной, а не к разным шинам.

Рассмотрим последствия нарушения названных условий.

Допустим, что не выполнено первое условие (k₁ < k₂ ). Это значит, что при одном и том же напряжении на первичных обмотках трансформаторов U₁, вторичные ЭДС трансформаторов будут неодинаковы Е₁ > Е₂. Под действием возникшей разности потенциалов в замкнутом контуре вторичных обмоток пойдет уравнительный ток, который создаст падение напряжения в обмотках. В трансформаторе 1 это вызовет уменьшение напряжения на зажимах вторичной обмотки, в трансформаторе 2 – увеличение вторичного напряжения. В результате напряжение на внешних шинах будет иметь среднее значение. При нагрузке уравнительный ток накладывается на ток нагрузки, вследствии чего трансформатор 1 будет перегружен, а трансформатор 2 – недогружен. ГОСТ допускает расхождение в коэффициентах трансформации не больше ±0,5% от их среднего значения.

Если трансформаторы имеют неодинаковые номинальные напряжения короткого замыкания u_1К ? u_2К, значит неодинаковы сопротивления короткого замыкания Z_1К ? Z_2К. При работе трансформаторов в параллель напряжения вторичных обмоток одинаковы т. е. I₁₂Z_1К = I₂₂Z_2К, а это возможно лишь при неодинаковых токах трансформаторов. Это значит, что при параллельной работе трансформаторов нагрузка между ними будет распределяться непропорционально их номинальным мощностям. Чтобы не вызвать аварии трансформатора, имеющего меньшее значение u_К, необходимо снижать общую нагрузку. Это ведет к неполному использованию трансформаторов. Согласно ГОСТ необходимо, чтобы разница напряжений короткого замыкания не превышала ±10% от их среднего значения, а соотношение номинальных мощностей параллельно работающих трансформаторов было не больше, чем 3:1.

Несоблюдение четвертого условия вызывает настолько большой уравнительный ток, что трансформаторы могут выйти из строя из-за перегрева обмоток. Даже при минимальном расхождении групп соединения трансформаторов (например, у одного группа ?/? – 0, а у другого ?/? – 11) уравнительный ток будет примерно в 5 раз больше номинального, что равносильно короткому замыканию.

Во избежание ошибок присоединение трансформаторов к сети без нулевого провода ( пятое условие ) производят следующим образом. Включают оба трансформатора со стороны высшего напряжения, затем один из них присоединяют к шинам низкого напряжения выводами обмоток всех фаз, а другой — выводами обмотки одной фазы, например С. Затем между выводами обмоток фаз В и А второго трансформатора и шинами низкого напряжения, к которым соответственно присоединены выводы обмоток фаз В и А первого трансформатора, включают вольтметр или лампу. Если обозначения выводов обмоток фаз на трансформаторах нанесены правильно, то между всеми парами одноименных выводов напряжение равно нулю (лампа не горит или вольтметр показывает нуль) и выводы В и А второго трансформатора могут быть соединены с шинами, к которым соответственно присоединены выводы В и А первого трансформатора.

Контрольные лампы или вольтметры при указанной проверке должны быть взяты на двойное рабочее напряжение трансформатора со стороны низшего напряжения.

Как работает трансформатор тока

В процессе эксплуатации энергетических систем довольно часто решаются вопросы, связанные с необходимостью каких-либо установленных электрических величин в аналогичные величины с измененными значениями в определенной пропорции. Такая возможность позволяет выполнять безопасные измерения, производить моделирование определенных процессов в электроустановках. Для этого необходимо знать, как работает трансформатор тока, действие которого основано на законе электромагнитной индукции, применяемого для электрических и магнитных полей.

В процессе работы выполняется преобразование первичной величины вектора тока, протекающего в силовой цепи, во вторичный ток с пониженным значением. Во время такого преобразования соблюдается пропорциональность по модулю и точная передача угла.

В каком режиме работает трансформатор тока

Работа трансформатора может осуществляться в нескольких режимах. Одним из них является режим холостого хода, при котором вторичная обмотка находится в разомкнутом состоянии. Потребление тока первичной цепью самое минимальное, поэтому он называется током холостого хода. Магнитное поле холостого хода образуется вокруг первичной обмотки. Данный режим считается абсолютно безвредным для трансформатора.

Основным является режим нагрузки, в который трансформатор переходит из режима холостого хода. Во вторичной обмотке начинается течение тока, создающего магнитный поток, направленный против магнитного поля в первичной обмотке. В первый момент значение этого магнитного потока уменьшается, что приводит к уменьшению ЭДС самоиндукции в первичной обмотке.

Поскольку внешнее напряжение, приложенное к генератору, не изменяется, это приводит к нарушению электрического равновесия между приложенным напряжением и ЭДС самоиндукции, а ток в первичной обмотке увеличивается. Соответственно увеличивается и магнитный поток, а также электродвижущая сила самоиндукции. Однако значение тока в первичной обмотке будет выше, чем в режиме холостого хода. Таким образом, сумма магнитных потоков первичной и вторичной обмоток в режиме нагрузки, будет равна магнитному потоку первичной обмотки трансформатора в режиме холостого хода.

В режиме нагрузки, когда появляется вторичный ток, происходит возрастание первичного тока. Это приводит к падению напряжения во вторичной обмотке и его уменьшению. В случае снижения нагрузки, при которой вторичный ток уменьшается, наступает уменьшение и размагничивающего действия вторичной обмотки. Наблюдается рост магнитного потока в сердечнике и соответствующий рост самоиндукции ЭДС. Данный процесс, касающийся электрического равновесия, продолжается до тех пор, пока оно полностью не восстановится.

Одним из основных считается и режим короткого замыкания, при котором во вторичной цепи будет практически нулевое сопротивление. Ток во вторичной цепи достигает максимального значения, магнитное поле во вторичной обмотке также будет иметь наивысший показатель. Одновременно, магнитное поле в первичной обмотке уменьшается и становится минимальным. Следовательно, происходит и снижение индуктивного сопротивления в этой обмотке. В то же время возрастает ток, потребляемый первичной цепью. Данная ситуация приводит к возникновению режима короткого замыкания, опасного не только для самого трансформатора, но и для всей цепи. Защита от короткого замыкания обеспечивается путем установки предохранителей в первичной или вторичной цепи.

Особенности работы трансформатора тока в разных условиях:

• Режим работы приближается к короткому замыканию, поскольку сопротивление нагрузки, подключаемой совместно со вторичной обмоткой, имеет минимальное значение. Фактически, работа трансформатора тока происходит в режиме короткого замыкания.
• Трансформатор тока своим режимом работы существенно отличается от других трансформаторных устройств. При изменении нагрузки в обычном трансформаторе, значение магнитного потока в сердечнике не изменяется при условии постоянно приложенного напряжения.

В каком режиме работает измерительный трансформатор напряжения

Важнейшими элементами высоковольтных цепей являются измерительные трансформаторы напряжения. Данные устройства предназначены для понижения высокого напряжения, после чего пониженное напряжение может питать измерительные цепи, релейную защиту, автоматику и учет, а также другие элементы. Таким образом, трансформаторы напряжения позволяют измерять напряжение в высоковольтных сетях, от них поступает питание на катушки реле минимального напряжения, счетчики, ваттметры, фазометры, а также на аппаратуру, контролирующую состояние изоляции сети.

С помощью трансформатора осуществляется понижение высокого напряжения до стандартных значений. С их помощью происходит разделение измерительных цепей и релейной защиты с первичными цепями высокого напряжения. Подключение первичной обмотки производится к источнику входного напряжения сети, а вторичная обмотка соединяется параллельно с катушками реле и измерительных приборов. Работа трансформатора напряжения осуществляется в режиме, приближенном к холостому ходу. Это связано с высоким сопротивлением приборов, подключенных параллельно и низким током, потребляемым ими.

Для обеспечения нормальной работы вторичных цепей установка трансформаторов напряжения может выполняться не только на шинах подстанции, но и на каждой точке подключения. Перед началом электромонтажных работ необходимо осмотреть устройство, проверить целостность изоляции, исправность узлов и элементов. С целью дальнейшей безопасной эксплуатации трансформатора, его корпус и вторичная обмотка заземляется. В результате, создается защита от возможного перехода высокого напряжения во вторичные цепи в случае пробоя изоляции.

Каждый трансформатор обладает определенной номинальной погрешностью и классами точности, составляющими 0,2; 0,5; 1; 3. Уровень погрешности зависит от конструкции магнитопровода, размеров вторичной нагрузки и других факторов. Компенсировать погрешность напряжения можно, если уменьшить количество витков первичной обмотки и компенсировать угловую погрешность специальными компенсирующими обмотками.

Устройство и принцип работы трансформатора тока

Трансформатор тока (ТТ) — статическое электромагнитное устройство, где первичная обмотка подсоединена к источнику питания, а вторая — к измерительным или защитным аппаратам, обладающим малым сопротивлением. Преобразователи широко применяются для измерения величины тока и в агрегатах релейной защиты энергетических систем. Они обеспечивают полную безопасность проведения измерений в высоковольтных линиях.

Особенности конструкции

При работе трансформатора тока вторичная обмотка всегда находится под нагрузкой, сопротивление которой регулируется требованиями к точности коэффициента трансформации. Допускается незначительное отклонение сопротивления от указанного в паспорте устройства.

Если произойдет увеличение нагрузки, то во второй обмотке резко возрастет напряжение, что может привести к пробою изоляции и поломке устройства. Такая ситуация создает угрозу безопасности сотрудникам, которые обслуживают электрический прибор. В устройство трансформатора тока входят:

• основание;
• магнитопровод (сердечник);
• первичная обмотка;
• вторичная обмотка;
• клеммник для подсоединения кабеля от источника питания;
• заземляющий контакт.

Первичная обмотка изготавливается в виде катушки, закрепленной на магнитопроводе, или как шина. Согласно конструктивного исполнения в некоторых устройствах нет встроенной первичной катушки, а дополняется она обслуживающим персоналом путем соединения отдельного провода через специальное окно.

Корпус устройства выполняет роль изоляции и предохранения обмоток от внешних повреждений. В последних моделях устройств сердечники изготавливаются из нанокристаллических сплавов, которые значительно увеличивают класс точности прибора.

Из-за больших потерь в сердечнике устройство начинает сильно нагреваться, что приводит к износу или выходу из строя его изоляции. Вторая обмотка в разомкнутом состоянии также создает негативное явление, так как происходит перегрев и выгорание магнитного провода.

Основной характеристикой прибора считается коэффициент трансформации, который обозначает отношение номинального тока в первичной обмотке к такому же значению во вторичной. Реальное значение этого коэффициента несколько отличается от номинального, что объясняется степенью погрешности прибора.

Связано это с тем, что в магнитных конструкциях имеются потери, связанные с намагничиванием и нагревом магнитопровода. Чтобы несколько сгладить эти погрешности производители используют витковую коррекцию.

Назначение устройства

По своему назначению трансформаторы тока относятся к специальным вспомогательным устройствам, применяемых в комплексе с различной измерительной аппаратурой и защитными механизмами в сетях переменного тока.

Принципом работы трансформатора тока считается преобразование любых величин, которые приобретают более воспринимаемые значения для получения информации и обеспечения питания защитных реле. Благодаря изоляции аппаратов, сотрудники обслуживающей организации надежно защищены от поражения током. Все виды трансформаторов могут служить для двух функций:

1. Измерение силы тока в цепи — с их помощью передаются данные на измерительные приборы, которые подключены ко вторичной обмотке. В этом случае трансформатор может преобразовать ток высокой величины в более приемлемые параметры.
2. Предохранительные действия — устройства в первую очередь передают данные на защитные аппараты и приборы управления. С помощью трансформаторов электрические показатели преобразуются для питания релейного оборудования.

По своему назначению и принципу действия трансформаторы тока способствуют подсоединению измерительных приборов к энергетическим линиям высокого напряжения, когда нет возможности подключить их напрямую. Они нужны для передачи снятых показаний на аппаратуру измерения, которая подключается ко вторичной обмотке.

Кроме того, преобразователи проводят наблюдение за состоянием электрического тока в цепи, к которому они подключены. При подсоединении к силовой автоматической защите устройство проводит мониторинг сетей, наличие и состояние заземления. Если ток достигает максимального значения, то автоматически включается защита и останавливается работа всего оборудования.

Принцип действия

Работает трансформатор тока на основе закона электромагнитной индукции. Из внешнего источника питания поступает напряжение на клеммы устройства, которые непосредственно связаны с первичной обмоткой, обладающей конкретным количеством витков. В результате образуется магнитный поток вокруг катушки, который улавливает сердечник.

Благодаря этому, потери показаний в процессе преобразования будут незначительными. Когда ток пересекает вторичную обмотку, то магнитный поток активирует электродвижущую силу, под влиянием которой происходит преодоление сопротивления катушки и нагрузки на выходе.

Параллельно с этим процессом происходит снижение напряжения со вторичной обмотки. Если происходит короткое замыкание во вторичной обмотке или подключение к ней нагрузки, то под воздействием электродвижущей силы в ней возможно определение вторичного тока.

Классификация приборов

Все разновидности агрегатов классифицируются в зависимости от конструкции и того, какими техническими показателями обладают. Кроме измерительных и защитных трансформаторов, бывают промежуточные виды этих преобразователей. В этом случае прибор подключается для проведения измерения в цепь релейной защиты.

Выделяются лабораторные виды преобразователей, которые обладают повышенной точностью измерения и множеством коэффициентов трансформации. Токовые трансформаторы подразделяются:

1. По способу установки — преобразователь предназначен для наружного и внутреннего монтажа. Компактные модели могут быть переносными или встраиваются в машины и электрические аппараты. Наружный и внутренний монтаж подразумевает проходной или опорный способ установки.
2. В зависимости от типа первичной обмотки — оборудование подразделяется на одновитковые, стержневые, многовитковые, катушечные и шинные устройства.
3. При изолировании трансформаторов применяются: бакелит, фарфор и другие материалы. Некоторые марки устройств для изоляции заливаются компаундом.

От того как устроен преобразователь, он может иметь одну или две ступени. Эксплуатационное напряжение устройств находится в диапазоне до 1 тыс. В и выше. Все необходимые технические данные имеют буквенные, цифровые обозначения и присутствуют на соответствующих бирках.

Популярные модели

Любая выпускаемая марка прибора обладает отдельными параметрами и техническими характеристиками. Отечественные производители выпускают большое количество этих устройств. К ним относятся:

1. ТОЛ-НТЗ-10−01 — выпускается Невским трансформаторным заводом «Волхов» и используется для передачи показаний к измерительной аппаратуре. Кроме того, его применяют в электрических цепях с устройствами защиты и управления. Преобразователь выпускается в виде опорной конструкции второй категории размещения. Прибор применяется в сетях с напряжением до 10 кВ и обладает сроком службы до 30 лет.
2. ТОП-0,66 — применяются в энергетических сетях переменного тока с напряжением до 0,66 кВ. Корпус устройства изготовлен из негорючего материала. Эксплуатация агрегата возможна в диапазоне температур от -45 до +50 °C и в любом положении. Первичная шина трансформатора состоит из меди, покрытой оловом.
3. ВВ, ВВО — проходные шинные трансформаторы тока, изготовленные в компаундном корпусе. Используют приборы в сетях переменного тока напряжением до 24 кВ. Обладают механическим изменением коэффициента трансформации на обеих обмотках.

Трехфазные устройства подключаются в сеть «треугольником» или «звездой». В первом случае удается получить большое значение тока во вторичной обмотке, а во втором — возможно отследить значение тока в каждой фазе.

Трансформаторы постоянного и переменного тока — принцип работы, схемы

Для нормализации электрической энергии, поступающей к дому или квартире, используются различные устройства. Предлагаем рассмотреть, как работают измерительные трансформаторы тока постоянного и переменного, их назначение, схема подключения, принцип работы и советы по выбору.

Общие понятия

Трансформатор тока (ТТ) маркировка ГОСТ 7746-2001 – это устройство является одним из видов «измерительного трансформатора», который предназначен для получения переменного тока в его вторичной обмотке, где величина преобразованного напряжения пропорциональна текущей измеряемой величине. Номинальная мощность трансформаторов может быть 25, 40, 63, 100, 160 кВА.

Трансформаторы тока, у которых класс точности 0,2; 0,5; 1; 3; 10 могут снизить высокие проходные токи напряжения на более низкие, этим они обеспечивают удобный способ безопасного контроля электроэнергии в переменной линии передачи с использованием стандартного амперметра. Принцип действия трансформатора тока ничем не отличается от обычного.

Существуют разные трансформаторы, типы приборов с различными пропускными способностями (суммирующий СЭЩ, ТТИ-200 5, 5 5, 300 5, 0 66, 1 1, 400 5, 150 5, ТК 20, опорный ТОЛ 10, ТВЛМ, ABB, ИЭК, ТЗЛМ, ТЛК, ТСН, ТФЗМ, ТЛМ, ТЛО, ТОП, ТПЛ, ТПОЛ).

Фото — Трансформатор тока

Видео: устройство трансформатора тока ТФРМ 750

Как работает устройство и конструкция трансформаторов

Первичная обмотка включения может быть либо плоской, либо представлять собой ролик из толстого провода, обернутого вокруг сердечника, проводника или шины через центральное отверстие.

Благодаря такой конструкции, трехфазный трансформатор переменного тока имеет первичную обмотку с минимальным количеством витков, что положительно влияет на эффективность работы, в частности, коэффициент трансформации.

Вторичная обмотка может иметь большее число витков катушки. Они намотаны на ламинированную основу магнитного материала с низкими потерями, который имеет большую площадь поперечного сечения. Плотность магнитного потока является низкой, при этом используя гораздо меньшую площадь поперечного сечения проволоки, номинальный ток практически не теряет своего напряжения. Эти вторичные обмотки обычно рассчитаны на стандартный показатель 1 Ампер или 5 Ампер. Это хорошо демонстрирует векторная диаграмма:

Фото — Векторная диаграмма

Виды трансформаторов

Всего есть три основных типа трансформаторов тока:

1. Сухие – это трансформаторы первичной обмотки, физически последовательно соединены с проводником, который несет измеренный ток, протекающий в цепи. Величина вторичного тока зависит от коэффициента трансформации трансформатора.
2. Тороидальные трансформаторы — они не содержат первичную обмотку. Вместо этого линия, которая несет ток, протекающий в сети, проводит его через специальное «окно» или отверстие тороидального трансформатора. Некоторые торроидального типа имеют «раздвоенное ядро», которое позволяет им открываться, работать и закрываться, не отключая напряжения цепи, к которой они подключены. Они широко используются для защиты от замыкания в проводке частного дома или квартиры многоэтажки.
3. Высоковольтные масляные трансформаторы (элегазовые). Эти устройства для нормализации тока используют кабель или шинные передатчики главной цепи первичной обмоткой, их периодичность эквивалентна одному ходу стандартного сухого трансформатора. Они полностью изолированы от высокого рабочего напряжения системы, как правило, присоединены болтами к нагрузочной системе устройства.
4. Также они могут быть разборные, они же разъемные, встроенные, оптические, и т.д.

Трансформаторы тока и напряжения могут уменьшать или увеличивать текущие уровни от тысячи ампер к стандартному выходу, в зависимости от марки (Circutor, ASK, Schneider Electric, АВВ, Армавир) и типа, они могут быть рассчитаны на 6 кв, 630 кв, 10 кв. Таким образом, малые и точные приборы и устройства управления могут использоваться с КТ, потому что они изолированы от любых линий электропередач высокого напряжения. Есть множество приборов учета, которые используются для трансформаторов тока, начиная с амперметра и ваттметром, и заканчивая специальными выключателями нагрузки, УЗО-автоматами и т.д.

Фото — Трансформаторы тока тор

Для чего нужны трансформаторы тока

Трансформатор тока нулевой последовательности широко используется в организации работы производства, в быту (с его помощью проводят сварочные работы, он нормализуют входящее в дом напряжение, бросок тока, он нормализует работу электросчётчика с целью увеличения безопасности).

Трансформатор является важным инструментом в области электротехники. Текущие уровни электрического тока должны контролироваться в целях безопасности и эффективности работы прочих бытовых и промышленных приборов. Измерительные устройства, подключенные к трансформаторам, позволяют совершать мониторинг в различных местах по всей системе. Они также могут быть использованы для измерения электрического использования здания и выставления счетов или целей проверки.

Трансформатор тока — схема

Как сделать свой трансформатор

Трансформаторы состоят из двух цепей, связанных с намагничивающимся материалом, которые называют «сердечником». Оба контура имеют определенную длину, она должна быть такой, чтобы катушки вокруг сердечника могли передавать энергию от одного контура к другому. В трансформаторе тока первичные цепи (энергия-передача) петли проходят через сердечник ​​только один раз. Вторичная цепь петли проходит несколько раз вокруг ядра. Сердечник может быть стационарным, т.е. находиться на месте постоянно, или быть шарнирным, чтобы соответствовать направлению тока, что лучше защищает приборы от короткого замыкания.

Для того чтобы собрать мини-трансформатор нам понадобится:

• Изоляционная лента;
• Медная проволока для намагничивания (у меди особая плотность, которая помогает создать нужное магнитное поле);
• Железное кольцо;
• Амперметр.

Как сделать малогабаритный трансформатор своими руками:

1. Медную проволоку нужно обернуть вокруг железного кольца, чтобы она охватывала практически всю поверхность кольца. Обмотки могут перекрываться или нет. Чем больше число витков, тем меньше вторичный ток будет принят через вторичную обмотку.
2. Обмотайте конструкцию изолентой, чтобы детали держались вместе;
3. Снимите покрытие с концов провода;
4. Прикрепите зачищенные провода к концам амперметра;
5. Присоедините линию напряжения сети к железному кольцу. Используйте измерения на амперметре для определения коэффициента преобразования, чтобы можно было определить параметры трансформации и сравнить их с данными из вторичной обмотки;
6. Вставьте линию питания, которая проходит тестирование к амперметру. Сравните данные, для настройки измените количество витков.

Фото — Одновитковый трансформатор

Таким образом, шинный и импульсный трансформатор может быть добавлен к линии уже на месте, съемный сердечник может быть сделан путем присоединения четырех стержней из мягкого железа к линии питания, чем ближе – тем лучше. Три стержня должны быть намотаны заранее. Четвертый при необходимости можно не обматывать, просто прикрепить при помощи изоляционной ленты.

Расчет трансформатора

Расчет силовых трансформаторов холостого хода, у которых начальное напряжение 1 и вторичное 160, с внутренним сопротивлением 0.2Ω производится по такой формуле. В нашем примере первичный ток 800 Ампер, такая методика может подстроиться под любой ток:

Is= Ip (Np/Ns) = 800 (1/160) = 5 A

Мы видим выше, что с вторичной обмотки трансформатор был подключен через амперметр, который имеет очень малое сопротивление, падение напряжения на вторичной обмотке составляет всего 1,0 вольта при полной величине первичного тока на обмотках. Если амперметр удаляют, вторичная обмотка становится открытой и трансформатор действует как повышающий, в результате очень высокого напряжения равном соотношении: Vp (Ns / NP), ток регулируется на вторичной обмотке. Формула может изменяться, если у Вас несколько обмоток или более слабый прибор, кроме того, здесь не учтен ток холостого хода трансформатора. Нужно помнить, что подключение счетчика через трансформаторы тока формула может иметь немного другой вид, т.к. будет учитываться еще и пропускная способность учетного прибора.

Чтобы подобрать нужную мощность трансформатора, нужно просчитать потребное напряжение всех электрических устройств в доме, а после суммировать полученную сумму и вольтамперные характеристики трансформатора (ВАХ). Если эти значения не учтены, то возможна перегрузка и защита не будет достигать нужного уровня при высокой нагрузке сети.

Перед тем, как подключить готовый трансформатор, нужно проконсультироваться со специалистом, он поможет определить недочеты, которые Вы могли упустить из виду.

Как выбрать трансформатор

Поверка трансформаторов тока на месте, ремонт и испытание осуществляется в обязательном порядке, многие предприятия (Самарский и Екатеринбургский завод, Калужский холдинг, Свердловский завод трансформаторов тока и прочие) предоставляют такие услуги. Замена некоторых деталей также должна производиться либо официальным дилером, либо представителем конкретной компании-производителя.

Также нужно знать, что означают условные обозначения:

Фото — Условные обозначения

Их расшифровка поможет Вам провести монтаж устройств, а также разобраться в работе. Любое обозначение стандартизировано. Следите за тем, чтобы в работе трансформатора присутствовала кратность, она может разниться в зависимости от конкретной модели, поэтому внимательно просматривайте паспорт трансформатора и каталог определенных компаний.

Установка соединения производится при полном отключении питания сети, кроме того, желательно, чтобы работу выполнял специалист. Его можно монтировать на дин-рейку, в специальные трансформаторные шкафы, на пусковой панели, открытую местность, непосредственно на электрический щит.

Средняя стоимость на такой прибор в зависимости от его назначения варьируется от 30 000 рублей до 100 000 и выше, возможны номиналы до 10 штук. Цена во многом обусловлена мощностью и пропускной способностью, чем ниже допустимая мощность – тем дешевле будет регулятор, подбор осуществляется индивидуально. Очень важно прямо на месте проверить трансформатор на его соответствие заданным характеристикам. Сроки работы устройства – до 10 лет в зависимости от того, какой мощности купить трансформатор тока, межповерочный интервал прибора 220 220 – 2 года.