Продолжаем знакомство с электронными компонентами и в этой статье рассмотрим устройство и принцип работы трансформатора .
Трансформаторы нашли широкое применение в радио и электротехнике и применяются для передачи и распределения электрической энергии в сетях энергосистем, для питания схем радиоаппаратуры, в преобразовательных устройствах, качестве сварочных трансформаторов и т.п.
Трансформатор предназначен для преобразования переменного напряжения одной величины в переменное напряжение другой величины.
В большинстве случаев трансформатор состоит из замкнутого магнитопровода (сердечника) с расположенными на нем двумя (обмотками) электрически не связанных между собой. Магнитопровод изготавливают из ферромагнитного материала, а обмотки мотают медным изолированным проводом и размещают на магнитопроводе.
Одна обмотка подключается к источнику переменного тока и называется первичной (I), с другой обмотки снимается напряжение для питания нагрузки и обмотка называется вторичной (II). Схематичное устройство простого трансформатора с двумя обмотками показано на рисунке ниже.
1. Принцип работы трансформатора.
Принцип работы трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции .
Если на первичную обмотку подать переменное напряжение U1 , то по виткам обмотки потечет переменный ток Io , который вокруг обмотки и в магнитопроводе создаст переменное магнитное поле . Магнитное поле образует магнитный поток Фo , который проходя по магнитопроводу пересекает витки первичной и вторичной обмоток и индуцирует (наводит) в них переменные ЭДС – е1 и е2 . И если к выводам вторичной обмотки подключить вольтметр, то он покажет наличие выходного напряжения U2 , которое будет приблизительно равно наведенной ЭДС е2 .
При подключении к вторичной обмотке нагрузки, например, лампы накаливания, в первичной обмотке возникает ток I1 , образующий в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф1 изменяющийся с той же частотой, что и ток I1 . Под воздействием переменного магнитного потока в цепи вторичной обмотки возникает ток I2 , создающий в свою очередь противодействующий согласно закону Ленца магнитный поток Ф2 , стремящийся размагнитить порождающий его магнитный поток.
В результате размагничивающего действия потока Ф2 в магнитопроводе устанавливается магнитный поток Фo равный разности потоков Ф1 и Ф2 и являющийся частью потока Ф1 , т.е.
Результирующий магнитный поток Фo обеспечивает передачу магнитной энергии из первичной обмотки во вторичную и наводит во вторичной обмотке электродвижущую силу е2 , под воздействием которой во вторичной цепи течет ток I2 . Именно благодаря наличию магнитного потока Фo и существует ток I2 , который будет тем больше, чем больше Фo . Но и в то же время чем больше ток I2 , тем больше противодействующий поток Ф2 и, следовательно, меньше Фo .
Из сказанного следует, что при определенных значениях магнитного потока Ф1 и сопротивлений вторичной обмотки и нагрузки устанавливаются соответствующие значения ЭДС е2 , тока I2 и потока Ф2 , обеспечивающие равновесие магнитных потоков в магнитопроводе, выражаемое формулой приведенной выше.
Таким образом, разность потоков Ф1 и Ф2 не может быть равна нулю, так как в этом случае отсутствовал бы основной поток Фo , а без него не мог бы существовать поток Ф2 и ток I2 . Следовательно, магнитный поток Ф1 , создаваемый первичным током I1 , всегда больше магнитного потока Ф2 , создаваемого вторичным током I2 .
Величина магнитного потока зависит от создающего его тока и от числа витков обмотки, по которой он проходит.
Напряжение вторичной обмотки зависит от соотношения чисел витков в обмотках . При одинаковом числе витков напряжение на вторичной обмотке будет приблизительно равно напряжению, подаваемому на первичную обмотку, и такой трансформатор называют разделительным .
Если вторичная обмотка содержит больше витков, чем первичная, то развиваемое в ней напряжение будет больше напряжения, подаваемого на первичную обмотку, и такой трансформатор называют повышающим .
Если же вторичная обмотка содержит меньшее число витков, чем первичная, то и напряжение ее будет меньше, чем напряжение подаваемое на первичную обмотку, и такой трансформатор называют понижающим .
Следовательно. Путем подбора числа витков обмоток, при заданном входном напряжении U1 получают желаемое выходное напряжение U2 . Для этого пользуются специальными методиками по расчету параметров трансформаторов, с помощью которых производится расчет обмоток, выбирается сечение проводов, определяются числа витков, а также толщина и тип магнитопровода.
Трансформатор может работать только в цепях переменного тока . Если его первичную обмотку подключить к источнику постоянного тока, то в магнитопроводе образуется магнитный поток постоянный во времени, по величине и направлению. В этом случае в первичной и вторичной обмотках не будет индуцироваться переменное напряжение, а следовательно, не будет передаваться электрическая энергия из первичной цепи во вторичную. Однако если в первичной обмотке трансформатора будет течь пульсирующий ток, то во вторичной обмотке будет индуцироваться переменное напряжение частота которого будет равна частоте пульсации тока в первичной обмотке.
2. Устройство трансформатора.
2.1. Магнитопровод. Магнитные материалы.
Назначение магнитопровода заключается в создании для магнитного потока замкнутого пути, обладающего минимальным магнитным сопротивлением. Поэтому магнитопроводы для трансформаторов изготавливают из материалов, обладающих высокой магнитной проницаемостью в сильных переменных магнитных полях. Материалы должны иметь малые потери на вихревые токи, чтобы не перегревать магнитопровод при достаточно больших значениях магнитной индукции, быть достаточно дешевыми и не требовать сложной механической и термической обработки.
Магнитные материалы
, используемые для изготовления магнитопроводов, выпускаются в виде отдельных листов, либо в виде длинных лент определенной толщины и ширины и называются электротехническими сталями
.
Листовые стали (ГОСТ 802-58) изготавливаются методом горячей и холодной прокатки, ленточные текстурованные стали (ГОСТ 9925-61) только методом холодной прокатки.
Также применяют железноникелевые сплавы с высокой магнитной проницаемостью, например, пермаллой, перминдюр и др. (ГОСТ 10160-62), и низкочастотные магнитомягкие ферриты.
Для изготовления разнообразных относительно недорогих трансформаторов широко применяются электротехнические стали , имеющие небольшую стоимость и позволяющие трансформатору работать как при постоянном подмагничивании магнитопровода, так и без него. Наибольшее применение нашли холоднокатаные стали, имеющие лучшие характеристики по сравнению со сталями горячей прокатки.
Сплавы с высокой магнитной проницаемостью применяют для изготовления импульсных трансформаторов и трансформаторов, предназначенных для работы при повышенных и высоких частотах 50 – 100 кГц.
Недостатком таких сплавов является их высокая стоимость. Так, например, стоимость пермаллоя в 10 – 20 раз выше стоимости электротехнической стали, а пермендюра – в 150 раз. Однако в ряде случаев их применение позволяет существенно снизить массу, объем и даже общую стоимость трансформатора.
Другим их недостатком является сильное влияние на магнитную проницаемость постоянного подмагничивания, переменных магнитных полей, а также низкая стойкость к механическим воздействиям – удар, давление и т.п.
Из магнитомягких низкочастотных ферритов с высокой начальной проницаемостью изготавливают прессованные магнитопроводы , которые применяют для изготовления импульсных трансформаторов и трансформаторов, работающих на высоких частотах от 50 – 100 кГц. Достоинством ферритов является невысокая стоимость, а недостатком является низкая индукция насыщения (0,4 – 0,5 Т) и сильная температурная и амплитудная нестабильность магнитной проницаемости. Поэтому их применяют лишь при слабых полях.
Выбор магнитных материалов производится исходя из электромагнитных характеристик с учетом условий работы и назначения трансформатора.
2.2. Типы магнитопроводов.
Магнитопроводы трансформаторов разделяются на шихтованные (штампованные) и ленточные (витые), изготавливаемые из листовых материалов и прессованные из ферритов.
Шихтованные магнитопроводы набираются из плоских штампованных пластин соответствующей формы. Причем пластины могут быть изготовлены практически из любых, даже очень хрупких материалов, что является достоинством этих магнитопроводов.
Ленточные магнитопроводы изготавливаются из тонкой ленты, намотанной в виде спирали, витки которой прочно соединены между собой. Достоинством ленточных магнитопроводов является полное использование свойств магнитных материалов, что позволяет уменьшить массу, размеры и стоимость трансформатора.
В зависимости от типа магнитопровода трансформаторы подразделяются на стрежневые , броневые и тороидальные . При этом каждый из этих типов может быть и стрежневым и ленточным.
Стержневые .
В магнитопроводах стержневого типа обмотки располагается на двух стержнях (стержнем называют часть магнитопровода, на которой размещают обмотки). Это усложняет конструкцию трансформатора, но уменьшает толщину намотки, что способствует снижению индуктивности рассеяния, расхода проволоки и увеличивает поверхность охлаждения.
Стержневые магнитопроводы используют в выходных трансформаторах с малым уровнем помех, так как они малочувствительны к воздействию внешних магнитных полей низкой частоты. Это объясняется тем, что под влиянием внешнего магнитного поля в обеих катушках индуцируются напряжения, противоположные по фазе, которые при равенстве витков обмоток компенсируют друг друга. Как правило, стержневыми выполняются трансформаторы большой и средней мощности.
Броневые .
В магнитопроводе броневого типа обмотка располагается на центральном стержне. Это упрощает конструкцию трансформатора, позволяет получить более полное использование окна обмоткой, а также создает некоторую механическую защиту обмотки. Поэтому такие магнитопроводы получили наибольшее применение.
Некоторым недостатком броневых магнитопроводов является их повышенная чувствительность к воздействию магнитных полей низкой частоты, что делает их малопригодными к использованию в качестве выходных трансформаторов с малым уровнем помех. Чаще всего броневыми выполняются трансформаторы средней мощности и микротрансформаторы.
Тороидальные .
Тороидальные или кольцевые трансформаторы позволяют полнее использовать магнитные свойства материала, имеют малые потоки рассеивания и создают очень слабое внешнее магнитное поле, что особенно важно в высокочастотных и импульсных трансформаторах. Но из-за сложности изготовления обмоток не получили широкого применения. Чаще всего их делают из феррита.
Для уменьшения потерь на вихревые токи шихтованные магнитопроводы набираются из штампованных пластин толщиной 0,35 – 0,5 мм, которые с одной стороны покрывают слоем лака толщиной 0,01 мм или оксидной пленкой.
Лента для ленточных магнитопроводов имеет толщину от нескольких сотых до 0,35 мм и также покрывается электроизолирующей и одновременно склеивающейся суспензией или оксидной пленкой. И чем тоньше слой изоляции, тем плотнее происходит заполнение сечения магнитопровода магнитным материалом, тем меньше габаритные размеры трансформатора.
За последнее время наряду с рассмотренными «традиционными» типами магнитопроводов находят применение новые формы, к числу которых следует отнести магнитопроводы «кабельного» типа, «обращенный тор», катушечный и др.
На этом пока закончим. Продолжим во .
Удачи!
Литература:
1. В. А. Волгов – «Детали и узлы радио-электронной аппаратуры», Энергия, Москва 1977 г.
2. В. Н. Ванин – «Трансформаторы тока», Издательство «Энергия» Москва 1966 Ленинград.
3. И. И. Белопольский – «Расчет трансформаторов и дросселей малой моности», М-Л, Госэнергоиздат, 1963 г.
4. Г. Н. Петров – «Трансформаторы. Том 1. Основы теории», Государственное Энергетическое Издательство, Москва 1934 Ленинград.
5. В. Г. Борисов, – «Юный радиолюбитель», Москва, «Радио и связь» 1992 г.
Принцип действия трансформатора основан на знаменитом законе взаимной индукции. Если включить в сеть первичную обмотку этой то по этой обмотке начнет течь переменный ток. Этот ток будет создавать в сердечнике переменный магнитный поток. Данный магнитный поток начнет пронизывать витки вторичной обмотки трансформатора. На этой обмотке будет индуцироваться переменная ЭДС (электродвижущая сила). Если подключить (замкнуть) вторичную обмотку к какому-то приемнику электрической энергии (например, к обычной лампе накаливания), то под воздействием индуктируемой электродвижущей силы по вторичной обмотке к приемнику будет течь электрический переменный ток.
Вместе с этим, по первичной обмотке будет протекать ток нагрузки. Это значит, что электроэнергия будет трансформироваться и передаваться из вторичной обмотки в первичную при том напряжении, на который рассчитана нагрузка (то есть приемник электроэнергии, подключенный ко вторичной сети). Принцип действия трансформатора и основан на этом простом взаимодействии.
Для улучшения передачи магнитного потока и усиления магнитной связи намотка трансформатора, как первичная, так и вторичная, помещается на специальный стальной магнитопровод. Обмотки изолированы и от магнитопровода, и друг от друга.
Принцип действия трансформатора различен по напряжению обмоток. Если напряжение вторичной и первичной обмоток будет одинаково, то будет равен единице, и тогда теряется сам смыл трансформатора как преобразователя напряжения в сети. Разделяют понижающие и повышающие трансформаторы. Если первичное напряжение будет меньше, чем вторичное, то такое электрическое устройство будет называться повышающим трансформатором. Если же вторичное меньше - то понижающим. Однако один и тот же трансформатор можно использовать и в качестве повышающего, и в качестве понижающего. Трансформатор повышающий используется для передачи энергии на различные расстояния, для транзита и прочего. Понижающие используют в основном для перераспределения электроэнергии между потребителями. Расчет обычно и производится с учетом его последующего применения в качестве понижающего напряжение или повышающего.
Как уже говорилось выше, принцип действия трансформатора довольно прост. Однако есть некоторые любопытные детали в его конструкции.
В трансформаторах трехобмоточных три изолированные обмотки помещены на магнитопровод. Такой трансформатор может получать два разных напряжения и передавать энергию сразу двум группам приемников электроэнергии. В таком случае говорят, что кроме обмоток низшего и у трехобмоточного трансформатора есть и обмотка среднего напряжения.
Обмотки трансформатора имеют цилиндрическую форму, и полностью изолируются друг от друга. При такой обмотке поперечное сечение стержня будет иметь круглую форму для уменьшения ненамагниченных промежутков. Чем меньше таких промежутков, тем меньше и масса меди, а, следовательно, масса и стоимость трансформатора.
При работе любой электрической схемы требуется изменение значений напряжения и тока. Если разница между величинами небольшая, задача решается с помощью резисторов.
Однако при сильном разбросе параметров, выделяется значительное количество тепла. К тому же такой способ приводит к потерям мощности, КПД прибора снижается.
Эффективным преобразователем тока или напряжения является трансформатор. Изменение величины напряжения происходит практически без потерь, энергия передается линейно, с сохранением входной и выходной мощности.
Важно! Преобразование может происходить в любую сторону. Существуют понижающие и повышающие трансформаторы.
Для чего нужен трансформатор?
- Основное назначение – снижение напряжения при организации питания электроприборов. Централизованное энергоснабжение дает на входе величину 220 или 380 вольт.Строить электрические схемы при таких величинах нерационально и опасно. Требуется организация защиты, размер элементов и проводников будет слишком большим. Поэтому на входе в большинстве приборов монтируется блок питания с понижающим трансформатором.
- Еще одно применение – транспортировка электроэнергии. По закону Ома, чем выше напряжение в проводнике, тем меньше величина тока, протекающего по цепи (при сохранении мощности). Меньше нагрев проводов, соответственно меньше потерь.По линиям электропередач передается напряжение в десятки киловольт. С помощью понижающих трансформаторов на подстанциях, эта величина снижается до приемлемых 600 В.
Затем происходит вторая ступень преобразования – три фазы 380 В и однофазное питание 220 В.
С помощью трансформатора (снова вспоминаем закон Ома) можно работать с большими токами, при невысокой входной мощности. Пример – сварочный аппарат.
При входной мощности 5 кВт (это достаточно много) и напряжении 220 вольт, сила тока может достигать 20 ампер. Для сварочных работ этого недостаточно.
Если преобразовать напряжение до величины 18-24 вольта, сила тока (при сохранении мощности) достигнет 200 ампер. Такие токи могут образовывать сварочную дугу и плавить металл.
Вопрос, что такое трансформатор, для опытных и даже начинающих электриков совершенно простой. Но обычные обыватели, которые с электрикой не дружат, даже и не представляют, как выглядит трансформатор, для чего он необходим, а тем более, не осведомлены о его конструкции и принципе работы. Поэтому в этой статье будем разбираться с этим прибором, рассмотрим вопрос, а можно ли сделать трансформатор своими руками, и так далее. Итак, трансформатор – это электромагнитное устройство, которое может изменять напряжение переменного тока (увеличивать или уменьшать).
Итак, конструкция трансформатора достаточно проста и состоит из сердечника и двух катушек из медной проволоки. В основе принципа работы лежит электромагнитная индукция. Чтобы вы поняли, как работает этот прибор, рассмотрим, как магнитное поле, образуемое в катушках (обмотках) устройства, изменяет показатель напряжения.
Подаваемый на первую обмотку электрический ток (он переменный, поэтому изменяется по направлению и величине) образует в катушке магнитное поле (оно также переменное). В свою очередь магнитное поле образует во второй катушке электрический ток. Такой своеобразный обмен параметрами. Но просто так изменение напряжения не произойдет, оно зависит от того, сколько витков медной проволоки в каждой обмотке. Конечно, величина изменения магнитного поля (скорость) также влияет на величину напряжения.
Что касается количества витков, то получается так:
- если число витков в первичной катушке больше, чем во вторичной, то это понижающий трансформатор;
- и, наоборот, если количество витков во вторичной обмотке больше, чем в первичной, то это повышающий трансформаторный прибор.
Поэтому существует формула, которая определяет так называемый коэффициент трансформации. Вот она:
k=w1/w2, где w – это число витков в катушке с соответствующим номером.
Внимание! Любой трансформатор может быть и понижающим, и повышающим, все зависит от того, к какой обмотке (катушке) подсоединяется питающий кабель сети переменного тока.
И еще один момент, касающийся устройства. Это сердечник трансформатора. Все дело в том, что существуют разные виды этого устройства, в которых сердечник присутствует или отсутствует.
- Так вот, в тех видах, где сердечник трансформатора отсутствует или изготовлен из феррита или альсифера называются высокочастотными (выше 100 кГц).
- Приборы с сердечником из стали, феррита или пермаллои – низкочастотные (ниже 100 кГц).
Первые используются в радио- и электросвязи. Вторые в для усиления звуковых частот, к примеру, в телефонии. Со стальным сердечником используется в электротехнике (в бытовых приборах в том числе).
Условные обозначения и параметры
Приобретая трансформатор, необходимо понимать, что написано на его корпусе или в сопроводительных документах. Ведь существует определенная маркировка трансформаторов, которые определяют его назначение. Основное, на что необходимо обратить внимание, до какого показателя этот прибор может снизить напряжение. К примеру, 220/24 говорит о том, что на выходе получится ток напряжением 24 вольта.
А вот буквенные обозначения чаще всего говорят о типе устройства. Кстати, имеется в виду буквы, стоящие после цифр. К примеру, О или Т – одно- или трехфазный соответственно. То же самое можно сказать о количестве обмоток, о типе охлаждения, о способе и месте установки (внутренние, наружные и прочее).
Что касается параметров трансформатора, то существует определенный стандартный ряд, который и определяет характеристики прибора. Их несколько:
- Напряжение в первичной катушке.
- Напряжение во вторичной катушке.
- Первичная сила тока.
- Вторичная сила тока.
- Общая мощность аппарата.
- Коэффициент трансформации.
- Коэффициент мощности и нагрузки.
Есть так называемая внешняя характеристика трансформатора. Это зависимость вторичного напряжения от вторичной силы тока, при условии, что сила тока первичной обмотки будет номинальной, а cos φ= const. По-простому – чем выше сила тока, тем ниже напряжение. Правда, второй параметр изменяется всего лишь на несколько процентов. При этом внешняя характеристика трансформатора определяется относительными характеристиками, а именно коэффициентом загрузки, который определяется по формуле:
K=I2/I2н, где второй показатель силы – это сила тока при номинальном напряжении.
Конечно, характеристики трансформатора – это достаточно большой ряд всевозможных показателей, от которых зависит сама работа прибора. Здесь и мощность потерь, и внутреннее сопротивление в обмотке.
Как сделать самостоятельно
Итак, как сделать трансформатор самому? Зная, принцип работы установки и его конструктивные особенности, можно собрать своими руками простейший аппарат. Для этого вам понадобится любое металлическое кольцо, на котором надо накрутить два участка обмотки. Самое важно – обмотки не должны касаться друг друга, а место их намотки не зависит конкретно от их расположения. То есть, они могут быть размещена напротив друг друга или рядом. Важно – даже небольшое расстояние между ними.
Внимание! Трансформатор работает только от сети переменного тока. Так что не стоит подключать к вашему устройству батарейку или аккумулятор, где присутствует ток постоянный. Работать от этих источников электроэнергии он не будет.
Как уже было сказано выше, количество витков в обмотках определяет, какой прибор вы собираете – понижающий или повышающий. К примеру, если вы на первичной обмотке соберете 1200 витков, а на вторичной всего лишь 10, то на выходе вы получите напряжение 2 вольта. Конечно, при подключении первичной катушки к напряжению 220-240 вольт. Если фазировка трансформатора будет заменена, то есть, провести подсоединение 220 вольт к вторичной обмотке, то на выходе первичной получится ток напряжением 2000 вольт. То есть, к назначению трансформатора надо подходить осторожно, учитывая тот самый коэффициент трансформации.
Как правильно подключить
Что касается монтажа трансформатора, особенно его понижающего типа в быту дома, то необходимо знать некоторые нюансы проводимого процесса.
- Во-первых, это касается самого устройства. При монтаже трансформатора иногда появляется необходимость подключения не одного потребителя, а сразу нескольких. Поэтому обращайте внимание на количество выходных клемм. Конечно, необходимо знать, что суммарная потребляемая мощность потребителей не должна быть больше мощности самого трансформаторного устройства. Во всяком случае, специалисты рекомендуют, чтобы второй показатель был всегда больше первого на 15-20%.
- Во-вторых, подключение трансформатора производится электрической проводкой. Так вот ее длина и до прибора, и после не должна быть очень большой. К примеру, понижающий аппарат для светодиодного освещения предполагает наличие проводки от него до светильников не больше двух метров. Это позволит избежать больших потерь мощности.
Внимание! Нельзя процесс монтажа трансформатора проводить и в том случае, если потребляемая мощность потребителей будет меньше мощности самого агрегата.
- В-третьих, место установки электрического понижающего прибора должно быть выбрано правильно. Самое важное, чтобы до него всегда можно было бы добраться просто, особенно когда есть необходимость провести демонтаж со следующей заменой и монтажом трансформатора. Поэтому перед тем как подключить трансформатор, необходимо определиться с его местом установки.
Схема замещения
Буквально несколько слов о том, что такое схема замещения трансформатора. Начнем с того, что две катушки соединены между собой магнитным полем, поэтому проанализировать работы трансформатора, а тем более его характеристики, очень сложно. Поэтому для этих целей сам прибор заменяют моделью, которая и называется схема замещения трансформатора.
По сути, все переводится на математический уровень, а точнее, в уравнения (токов и электрического состояния). Здесь важно, чтобы все уравнения, касающиеся прибора и его модели, совпадали. Кстати, для многих схема замещения трансформатора достаточно сложна, поэтому существует упрощенный вариант, в котором нет тока холостого хода, ведь на него приходится незначительная часть.
Фазировка
Фазировка трансформатора – это испытание его выходов, когда в одну цепь подключены несколько приборов параллельно. Ведь обязательное условие эффективной работы цепи с отсутствием больших потерь мощности – это правильное соединение фаз между собой, чтобы образовался замкнутый контур.
Если фазы не совпадут, то падает мощности и растет нагрузка. Если не совпадает чередование фаз, то произойдет короткое замыкание.
Заключение по теме
Итак, был сделан небольшой обзор всего, что касается трансформаторных установок, поэтому будем считать, что вопрос, зачем нужны трансформаторы, исчерпан, хотя и не полностью. Об этом приборе можно говорить долго. К примеру, самые простые варианты: как разобрать трансформатор, как прозвонить его, как подключить или демонтировать самому дома.
В процессе использования энергетических систем нередко бывают случаи, когда нужно превратить какие-то электрические величины в их аналоги, при этом показатели нужно соответственно изменить в нужном соотношении, для чего обычно применяется трансформатор тока . С помощью трансформатора тока можно смоделировать некоторые процессы в электрических установках, а также сделать измерительный процесс более безопасным.
Функционирование трансформатора тока базируется на законе электромагнитной индукции . Данный закон работает в электрических и магнитных полях, которые изменяются по форме гармоник переменных синусоидальных величин.
Трансформатор тока превращает начальное значение вектора тока, который течет в силовой цепи, в конечное, меньшее по величине, при этом выдерживается нужное соотношение значения по модулю и сохраняется точная величина угла.
Как устроен трансформатор тока?
На следующем рисунке схематично обозначены процессы, протекающие в трансформаторе тока при превращении электроэнергии.
По первичной силовой обмотке с количеством витков ω1 течет ток I1, при этом он преодолевает ее полное сопротивление Z1. Вокруг катушки возникает магнитный поток Ф1, он фиксируется с помощью магнитопровода, находящегося перпендикулярно по отношению к вектору I1. Подобный способ расположения позволяет превращать электрическую энергию в магнитную с наименьшими потерями.
При пересечении перпендикулярных витков обмотки ω2 поток Ф1 создает в них электродвижущую силу Е2, под ее действием во вторичной обмотке появляется ток I2, который преодолевает полное сопротивление катушки Z2 и подсоединенной на выходе нагрузки Zн. В процессе напряжение U2 на зажимах вторичной цепи падает.
Коэффициент трансформации К1, можно посчитать, разделив вектор I1 на вектор I2. Это один из основных параметров трансформаторов тока , он определяется прежде, чем начинают проектировать устройство, а в действующих трансформаторах его измеряют. Однако, как и при работе любых приборов, реальные показания отличаются от теоретических. Для учета таких погрешностей существует специальная метрологическая характеристика, или класс точности трансформатора тока.
В отличие от расчетов, при работе трансформатора тока в жизни величины токов в обмотках не являются константами, так что коэффициент трансформации рассчитывают по номиналам. К примеру, если коэффициент трансформации равен 1000/5, то это значит, что в первичном витке течет ток величиной 1 кА, а во вторичных действует нагрузка 5 А. Исходя из данных величин, можно понять, как долго трансформатор тока прослужит.
Магнитный поток Ф2, возникающий благодаря вторичному току I2, понижает величину потока Ф1 в магнитопроводе. В процессе возникающий поток трансформатора Фт рассчитывается как геометрическая сумма векторов Ф1 и Ф2.
Где и как используют трансформаторы тока?
Самые разные виды трансформаторов тока применяются в электронных устройствах, начиная от небольших и заканчивая приборами размером в несколько метров. Обычно их классифицируют по признакам эксплуатации.
Классификация трансформаторов тока :
По предназначению:
- для измерений (с их помощью на измерительные устройства подается электрический ток);
- для защиты (их подключают к цепям защит);
- для лабораторных применений (такие трансформаторы тока имеют большой класс точности);
- для повторных преобразований (промежуточные).
В работе объектов используют следующие трансформаторы тока:
- для внешнего монтажа (на улице);
- для внутреннего монтажа (для закрытых установок);
- вмонтированные внутрь корпуса прибора;
- накладные (их надевают на проходной изолятор);
- переносные (для проведения измерений в различных местах).
По значению рабочего напряжения оборудования трансформаторы тока делятся на:
- высоковольтные (обладающие напряжением свыше 1000 В);
- с номинальным напряжением не более 1 кВ.
Существуют и другие деления трансформаторов тока на виды, в том числе по способу материалов для изоляции , по числу ступеней трансформации и другим характеристикам.
Для чего нужны трансформаторы тока?
Чаще всего трансформаторы тока используют в цепях учета измерения электроэнергии, для замеров и защит линий или силовых автотрансформаторов обычно применяют переносные трансформаторы тока.
На следующем изображении приведено расположение трансформаторов тока для каждой фазы линии и монтаж вторичных цепей в клеммном ящике на ОРУ-110 кВ для силового автотрансформатора.
Таким же целям служат трансформаторы тока на ОРУ-330 кВ, однако они гораздо больших размеров из-за сложностей конструкции, так как они предназначены для более высоковольтного оборудования.
На энергетическом оборудовании нередко используют встроенные конструкции трансформаторов тока , их помещают непосредственно на корпусе силового объекта.
Их конструкция предполагает вторичные обмотки с выводами, которые находятся вокруг высоковольтного ввода в герметичном корпусе. Кабели от зажимов трансформатора тока подведены к закрепленным тут же клеммным ящикам.
В трансформаторах тока , характеризующихся высоким напряжением , обычно как изолятор применяют трансформаторное масло. На следующем изображении показан вариант такой конструкции для трансформаторов тока серии ТФЗМ для работы при напряжении, равном 35 кВ.
При напряжениях, не превышающих 10 кВ, в целях изоляции между обмотками при производстве корпуса прибора, применяют твердые диэлектрические материалы.
Например, трансформатор тока марки ТПЛ-10, используемый в КРУН, ЗРУ и других видах распределительных устройств.
На следующей упрощенной схеме показан пример подключения вторичной токовой цепи одного из кернов защит REL 511 для выключателя линии 110 кВ.
Как понять, что трансформатор тока испорчен, и найти неисправности?
Когда трансформатор тока находится под нагрузкой, у него может быть нарушено электрическое сопротивление изоляции обмоток или их проводимость. Это происходит из-за воздействия теплового перегрева, нанесенных случайным образом механических повреждений или неправильной сборки.
В процессе работы трансформатора тока вероятнее всего возникновение проблем с изоляцией, в результате чего случаются замыкания обмоток между витками и понижение передаваемой мощности. Также из-за этого может произойти утечка через случайно созданные цепи, что, в свою очередь, может закончиться коротким замыканием.
Для того, чтобы обнаружить точки, в которых конструкция была собрана неправильно, трансформатор тока необходимо регулярно проверять с помощью тепловизора. Тогда будет возможно вовремя обнаружить и исправить дефекты в виде, например, нарушенных контактов, и снизить перегрев устройства.
На предмет отсутствия межвитковых замыканий приборы проверяют специалисты лабораторий РЗА с помощью:
- снятия вольтамперной характеристики;
- прогрузки трансформатора тока от постороннего источника;
- замеров основных характеристик прибора в рабочей схеме.
Они же проводят анализ величину коэффициента трансформации.
При всех работах замеряется отношение между векторами первичных и вторичных токов по величине. Их угловые отклонения в данном случае не замеряют, так как высокоточных фазоизмерительных устройств для проверки трансформаторов тока в метрологических лабораториях не существует.
Высоковольтные испытания диэлектрических свойств проводятся специалистами лаборатории службы изоляции.
