Для чего нужен Трансформатор, из чего состоит. Устройство Тр-ра

Виды трансформаторовТрансформаторы напряжения, Устройство трансформаторов4 комментария к записи Назначение и устройство трансформаторов

Содержание:

Трансформатор  –  это статическое электромагнитное устройство предназначенное для преобразование переменного тока одного напряжения той же частоты подающегося на его входную обмотку,  в другое переменное напряжение поступающиеся с его выходной обмотки.

Если на вход трансформатора поступает напряжение ниже, чем образующиеся на его выходе то такой трансформатор называют повышающим. Если на вход поступает напряжение выше чем образующие на его выходе, то это понижающий трансформатор.

Есть некая аналогия с передаточным числом шестереночной передачей.

Принцип действия трансформатора

Трансформатор  нужен  для передачи электрической энергии на значительные расстояния от электростанций к различным потребителям: промышленным предприятиям, населению и т. п, с помощью электродвижущей силы и магнитной индукции.

Трансформаторы позволяют значительно экономить на стоимости проводов, а также снижают потери электроэнергии в линиях электропередач. Так как от силы тока зависит сечение проводов то, увеличивая напряжение и снижая силу тока (не снижая при этом передаваемую мощность) можно эффективно предавать напряжение на значительные расстояния.

Повышая напряжение (U), и снижая силу тока (I), передаваемая мощность (Р) остается неизменна.

Формула мощности  P = U * I или P = U2 / I

передача электроэнергии трансформаторами

Это позволяет экономить  на линиях электропередач:

1. Используя провода с меньшим поперечным сечение, снижается расход  цветных металлов;
2. Уменьшаются потери мощности при передаче электроэнергии на большие расстояния.

На электростанциях вырабатывается электрическая энергия посредством синхронных генераторов и составляет от 11 кВ до 20кВ, в некоторых случаях может применяться напряжение 30-35 кВ.   Эти величины не подходят как в быту, так и на промышленном производстве из-за слишком высокого напряжения. Но эти напряжения также недостаточны для экономичной передачи электроэнергии на расстояния. Поэтому на выходе из электростанций ставятся повышающие трансформаторы, которые повышают напряжение до 750 кВ, U=750kV напряжение которое непосредственно передается по линиям электропередач.

Приемники электрической энергии: различные бытовые приборы, электродвигатели, станки на производстве из-за соображения безопасности и конструктивными сложностями изготовления (требования к усиленной изоляции), также не могут работать с такими высокими напряжениями.  Они рассчитываются на более низкое напряжения, как правило, это 220V в быту и 380V на производстве.

Для понижения напряжения  используются различные понижающие трансформаторы. Любой трансформатор можно использовать как для повышения, так и для понижения напряжения.

Повышающие трансформаторы используют для передачи электроэнергии на большие расстояния, понижающие для распределения электроэнергии в точке разветвления потребителей.

Электрическая энергия по пути движения от электростанции до потребителя может трансформироваться 3 или 4 раза. Преобразование электроэнергии происходит с помощью магнитопровода трансформатора и переменного магнитного поля.

Трансформатор работает только с переменным напряжением, на постоянном токе не работает, так как не будет создаваться переменного магнитного поля, которое и составляет принцип работы любого трансформатора.

Изобретение трансформатора

Трансформатор изобрел выдающийся русский ученый П.И. Яблочковым в 1876г. Он использовал индукционную катушку с двумя обмотками для питания своей знаменитой лампы, «свечи Яблочкова». Это был первый генератор переменного тока. Этот трансформатор имел незамкнутый сердечник. Замкнутые сердечники, которые используются сейчас, появились только в 1884 г.

В 1889 году русский ученый М. О. Доливо-Добровольским изобрел трехфазную систему переменного тока и построил первый трехфазный асинхронный двигатель и первый трехфазный трансформатор.

С 1891г, он демонстрирует на электротехнической выставке в Франкфурте-на-Майне передачу высоковольтного трехфазного тока на расстояние более 100 км. Его трехфазный генератор имел мощность 230 кВА и напряжение U =95V. С помощью трехфазного трансформатора напряжение повышалось до 15 кВ и понижалось в точке приема до 65V (фазное напряжение), питая трехфазный асинхронный двигатель мощностью 75 кВт насосной установки. С помощью последовательного включения двух обмоток высокого напряжения удалось повысить 28 кВ и увеличить КПД электропередачи до 77%, что в то время было достаточно высоким.

Как устроен трансформатор

Принцип работы трансформатора

Простейший трансформатор – это две обмотки катушек, намотанные на магнитопроводе (замкнутом сердечнике трансформатора) с изоляцией по которым пропускают переменный ток.
Для наглядности обмотки расположены на разных стержнях стального сердечника. На самом деле часть обмоток может находится на одном стержне, а часть на другом. Такое расположение обмоток улучшает магнитную связь и снижает потери на магнитный поток рассеяния. Обмотка, на которую подают напряжение, называют первичной обмоткой, а обмотка трансформатора, с которой снимают напряжение, называют вторичной.

Изображение трансформатора на схеме

Обычно в быту для питания различных устройств, применяют понижающие трансформаторы, где напряжение первичной обмотки всегда больше напряжения на вторичной обмотке.
Трансформаторы предназначены не только для передачи электроэнергии, но и служат в различных электронных устройствах: компьютерах, телевизорах и осветительной аппаратуре. В современном мире трансформаторы являются наиболее употребительными и универсальными устройствами.

Видео: ПРОСТЫМ ЯЗЫКОМ: Что такое трансформатор

Простое объяснение принципа работы трансформатора

Чтобы понять, что такое трансформатор, попробуем собрать его, попутно разбираясь в каждом шаге.

 

Для начала соберем электромагнит. Самый простейший электромагнит это кусок ферромагнетика, например гвоздь (сотка), вокруг которого намотана проволока. (катушка).

катушка индуктивности

Намотайте катушку, скажем витков 20-30 на гвоздь, подключите к батарейке или любому блоку питания постоянного напряжения (например 9 вольт).

При подаче тока на катушку, гвоздь усиливает свое магнитное свойство и становится постоянным электромагнитом — полной копией простого магнита.

Количеством витков, их толщиной (сечением провода), напряжением и током, материалом сердечника, способом намотки (например в два провода) Вашей катушки — Вы можете регулировать степень магнитной силы Вашего электромагнита.

А подключением намотки Вы можете регулировать положение полюсов Вашего электромагнита. (это важно)

При подключении катушки к батарейке у гвоздя, т. е. у Вашего электромагнита образовывается, как и у простого магнита два полюса, условно северный (он же плюс) и южный (он же минус).

Поднесите к Вашему электромагниту простой магнит любым из полюсов. Вы увидите электромагнитное взаимодействие. Магнит будет отталкиваться Вашим электромагнитом.

Теперь поменяйте провода от Вашей батарейки местами, т. е. плюс на минус. При этом Вы заметите, что электромагнит поменял направление силы — теперь он наоборот притягивает.

Чем чаще Вы переключаете плюс на минус, тем чаще Ваш магнит будет менять направление силы. Иными словами электромагнит будет притягивать отталкивать с частотой питающей его сети.

Северный и южный полюса магнита будут меняться между собой, потому что ВЫ создали переменное напряжение с частотой Вашего переключения плюс на минус.

Теперь на гвозде намотайте вторую точно такую же катушку и Вы получите простейший трансформатор.

Трансформатор это прибор, который трансформирует напряжение и ток одной величины в напряжение и ток другой величины.

Первая катушка называется первичной обмоткой, а вторая катушка вторичной обмоткой.

Итак соберите такую конструкцию.

• Гвоздь, на нем две одинаковые катушки.
• Подключите первичную обмотку к блоку питания с возможностью менять направление тока.
• Ко второй катушке подключите мультиметр.

Теперь включите блок питания и начинайте переключать полярность с некоторой частотой. На второй катушке у Вас начнет появляться напряжение, которое передается посредством того, что называют электромагнитной индукции. В итоге на Вашем гвозде у Вас работают два электромагнита, на первый вы подаете ток и напряжение,

а на втором электромагните этот ток и напряжение индуктируются.

Виды трансформаторов

Силовой трансформатор

Так выглядит силовой трансформатор

Эти виды трансформаторов относится к трансформаторам работающих в сетях промышленных и бытовых установках частотой питающей сети 50-60 Гц. Силовые трансформаторы предназначены для преобразование электрической энергии для передачи ее по ЛЭП например, с 38 кВ до 6кВ, 380V на 220V (380/220В). Электро цепи где используется высокое напряжение принято называть в электротехнике силовыми цепями, а трансформаторы соответственно силовые трансформаторы.

Конструкция силового трансформатора состоит из двух или трёх обмоток, возможно больше. Располагаются обмотки на броневом сердечнике, изготавливаемом из листов электротехнической стали. Некоторые силовые трансформаторы (с расщепленными обмотками) могут иметь несколько обмоток с низшего напряжения (НН) которые запитаны параллельно. Это позволяет получать напряжение больше чем от одного генератора и передавать больше электроэнергии, тем самым повышая КПД электроустановки.

Мощные силовые трансформаторы очень часто делают масляными, то есть его обмотки помещают в бак со специальным трансформаторным маслом. Трансформаторное масло служит для активного охлаждения и одновременной изоляции его обмоток.
Трансформаторы мощностью 400 кВА обладают большим весом и монтируются на специальных платформах или помещениях. Они поступают с завода в собранном состоянии, готовыми к подключению нагрузки на подстанциях или электростанциях. Основное исполнение силовых трансформаторов – это трехфазные трансформаторы. это связно с тем, что потери КПД однофазных трансформаторов на 15% больше.

Сетевые трансформаторы

сетевой трансформатор

Сетевые трансформаторы это самый распространенный вид трансформаторов, который можно встретить практически в любом бытовом электроприборе. Все сетевые трансформаторы, как правило, делают однофазными. Эти трансформаторы служат для преобразования высокого напряжение сети 220V до приемлемого напряжения, используемого в том или ином электроприборе. Понижающее напряжение может быть: 220/12V или 220/9V, 220/36V и т.д.

Многие изготавливают сетевые трансформатор не с одной, а с несколькими вторичными обмотками, что делает трансформатор более универсальным, часто используемый на разное напряжение одновременно.

Например, часть схемы запитана напряжение 12 Вольт, а другая 3 Вольта от одного трансформатора с несколькими обмотками.

конструкция магнитопроводов трансформатора

Изготавливают сетевые трансформаторы чаще всего из электротехнической стали на Ш – образных или стержневых сердечниках. Встречаются тороидальные сердечники. Ш-образный сердечник набирается из пластин, на которые надевают каркас на который наматываются обмотки трансформатора.

Тороидальный трансформатор имеет преимущества из-за своего более компактного вида и обладают более лучшими характеристиками. Обмотки тороидального трансформатора полностью охватывают магнитопровод, нет пустого пространства незанятого обмоткой в отличие от стержневых или броневых трансформаторов.

Сварочные трансформаторы также можно отнести к сетевым, мощность которых не превышает 6 кВт. Все сетевые трансформаторы работают на низкой частоте равной 50-60 Гц.

Автотрансформатор

схема понижающего автотрансформатора

Автотрансформатор – это трансформатор где обмотки низшего напряжения являются частью обмотки высшего. Обмотки автотрансформатора имеют прямую электрическую связь, а не только посредством магнитопровода. Делая отводы от одной обмотки можно получить различное напряжение. Отличить обмотки низшего и высшего напряжение можно по различному сечению использованного для намотки провода.

Преимущество автотрансформатора – это меньшие размеры, меньше использованного провода, меньше сердечник, меньше затрачено стали на его изготовление в итоге меньшая цена автотрансформатора.

Главный недостаток трансформатора — это гальваническая связь обмоток низшего и высокого напряжения. Возможность попадания сети высшего напряжения в сеть низшего. Невозможность применение автотрансформаторов в сетях с заземлением.
Автотрансформаторы применяют в сетях трехфазного тока с соединением обмоток в чаще всего в звезду, реже в треугольник.

Автотрансформаторы часто применяют в устройствах управления напряжением, в высоковольтных установках, в промышленности для пуска мощных асинхронных электродвигателей переменного тока. Мощность автотрансформаторов может быть до 100 МВт.

Преимущество автотрансформаторов увеличивается с увеличением коэффициента трансформации близкими (К=1-2).

Лабораторный автотрансформатор (ЛАТР)

Латр

Разновидностью автотрансформатора можно назвать лабораторный трансформатор (ЛАТР). Его основное назначение — это плавная регулировка напряжения, подающаяся к нагрузке, к любому потребителю электроэнергии. Конструкция автотрансформатора представляет собой тороидальный трансформатор у которого есть только одна обмотка, по которой бежит ползунок (угольный роликовый контакт) подключающий каждый виток не изолируемой обмотки (дорожки) автотрансформатора к схеме. Таким образом, создается регулирующий эффект.

При замыкании соседних витков роликовым ползунком в ЛАТР, не происходит межвитковых замыканий, так как токи питающей сети и нагрузки автотрансформатора в общей обмотке близки друг к другу и направлены встречно. Самые распространенные ЛАТРы регулируют напряжение от 0 до 250V. Трехфазные регулируют от 0/450 вольт. Автотрансформаторы ЛАТРы часто используют в научно исследовательских лабораториях для пусконаладочных работ различного назначения.

Трансформаторы тока

Трансформатор тока служит в основном в измерительной технике. Первичную обмотку такого трансформатора подключают к источнику тока, вторичная обмотка используется для различных измерительных приборов при небольшом внутреннем сопротивлении (R вн).
Первичная обмотка – это, как правило, всего виток провода включенного последовательно с измеряемой цепью переменного тока. Ток первичной обмотки прямо пропорционален току вторичной, в чем и достигается измерение величины силы тока (А).

Главная особенность трансформаторов тока состоит в том, что вторичная обмотка должна быть всегда нагружена, иначе происходит пробой изоляции высоким напряжением, также при отключенной нагрузке магнитопровод трансформатора тока просто сгорает от некомпенсированных наведенных токов.

Конструктивно трансформатор тока это одна или несколько изолированных обмоток намотанных на шихтованную холоднокатаную электротехническую сталь называемую сердечником. Первичная обмотка может быть просто провод, который пропущенный через окно магнитопровода трансформатора тока который измеряет силу тока проходящий через этот провод или шину. Коэффициент трансформации здесь 100/5, безопасны, так как отсутствует гальваническая связь между обмотками.

Применение трансформаторов тока: измерения силы тока в схемах релейной защиты, в измерительной аппаратуре. Выпускают с 1-2 группами вторичных обмоток. Одна группа может, подсоединяется к защитным устройствам, другая к измерительным приборам и счетчикам.

Трансформаторы напряжения

Трансформатор напряжения НОМ-3

Трансформаторы напряжения – это трансформаторы, преобразующие высокие напряжения пропорционально и точно в соответствии с фазами в величины, пригодные для измерения. Трансформаторы среднего напряжения имеют единственный магнитопровод и могут быть выполнены с одной или несколькими вторичными обмотками. Заземляемые трансформаторы напряжения по желанию помимо измерительной или защитной обмотки могут быть выполнены с дополнительной обмоткой для регистрации замыкания на землю.

Импульсный трансформатор тока

импульсный трансформатор тока

Применяются для измерения направления или силы тока в импульсных схемах. Импульсный трансформатор состоит из кольцевого ферритового сердечника с одной обмоткой. Измеряемый провод проходит сквозь кольцо, обмотку подключают к сопротивлению нагрузки (Rн).
Если обмотка содержит 1000 витков провода, то ток, проходящий через измеряемый провод будет равен 1000\1, то есть на сопротивлении нагрузки будет ток, который в 1000 раз меньше тока проходящего через измеряемый провод.

Производители трансформаторов тока изготовляют импульсные трансформаторы тока с различным коэффициентом трансформации. Инженеру проектировщику нужно лишь рассчитать сопротивление нагрузки и соответствующую схему измерения.
Если нужно измерить направление тока, то вместо сопротивления нагрузки подключают два стабилитрона с встречным включением.

Импульсный трансформатор

Распространен во всех современных электронных схемах. Импульсный трансформатор предназначен для сварочных устройств, блоков питания, импульсных преобразователей. Заменили в настоящее время низкочастотные трансформаторы с сердечниками из шихтованной стали, которые имели больше габариты и вес.
Состоит из ферритового магнитопровода различной формы: кольцо, чашечка, стержень, Ш — образный, П – образный.

Ферритовый сердечник импульсных трансформаторов дает им несравненное преимущество перед старыми трансформаторами из стали в том, что они могут работать на частотах до и свыше 500 000 гц.

Импульсный трансформатор – это ВЧ (высокочастотный) трансформатор габариты и вес, которого с ростом частоты становиться только меньше!
Обмотка требует меньшего количества витков, а для регистрации высокочастотного тока достаточно полевого или биполярных транзисторов включенных по специальной схеме:

• Прямоходовая;
• Двухтактная;
• Полумостовая;
• Мостовая схема

Применяют импульсные трансформаторы и дроссели на феррите в энергосберегающих лампах, зарядных для мобильных устройств, в мощных инверторах тока, сварочных аппаратах.

Трансформатор Тесла

Трансформатор Николы Теслы — это аппарат, с помощью которого получают токи высокой частоты. Реализовывается при помощи первичной и вторичной обмотки, но первичная обмотка получает питание на частоте резонанса вторичной обмотки, при этом напряжение на выходе возрастает в десятки раз.

По мнению специалистов, Тесла изобретал трансформатор для решения глобального вопроса передачи электрической энергии из одного пункта в другой без применения проводов. Для того чтобы получилась задуманная изобретателем передача энергии при помощи эфира, необходимо на двух удаленных точках иметь по одному мощному трансформатору, которые работали бы на одной частоте в резонансе. сли проект реализовать, тогда не понадобятся гидроэлектростанции, мощные ЛЭП, наличие кабельных линий, что, конечно, противоречит монопольному владению электрической энергией разными компаниями.

С проектом Николы Теслы каждый гражданин общества мог бесплатно воспользоваться электричеством в нужный момент в любом месте, где бы он ни находился.

С точки зрения бизнеса эта система нерентабельна, так как она не окупится, ведь электричество становится бесплатным, именно по этой причине патент №645576 до сих пор ожидает своих инвесторов.

• См. трансформатор тесла принцип работы

Видео: Принцип работы трансформатора

Основы — как работает трансформатор, первичная и вторичная обмотка, каким образом понижается или повышается напряжение у трансформатора за счет магнитного поля, для чего нужен магнитопровод и что такое взаимоиндуктивность — обо всем этом смотрите в видео!

устройство и принципы работы, назначение и область применения прибора

Название «трансформатор» произошло от латинского слова «transforмare», что значит «превращать, преобразовывать». Именно в этом и заключается его суть — преобразование путем магнитной индукции переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения, но аналогичной частоты. Главное назначение трансформатора — использование в электросетях и источниках питания разнообразных приборов.

• Устройство и принцип действия
• Классификация по видам
  • Силовые преобразователи
  • Автотрансформаторы (ЛАТР)
  • Трансформаторы тока
  • Импульсные преобразователи
• Область применения приборов

Устройство и принцип действия

Трансформатор — это прибор для преобразования переменного тока и напряжения, не имеющий подвижных частей.

Устройство трансформаторов состоит из одной или нескольких обособленных проволочных, иногда ленточных катушек (обмоток), которые охвачены единым магнитным потоком. Катушки, как правило, наматывают на сердечник (магнитопровод). Обычно он изготавливается из ферромагнитного материала.

На рисунке схематично представлен принцип работы трансформатора.

На рисунке видно, что первичная обмотка подсоединена к источнику переменного тока, а другая (вторичная) — к нагрузке. В витках первичной обмотки при этом проистекает переменный ток, его величина I1. А обе катушки охватывает магнитный поток Ф, производящий в них электродвижущую силу.

Если вторичная обмотка находится без нагрузки, то такой режим работы преобразователя называется «холостой ход». Когда вторичная катушка под нагрузкой, в ней под действием электродвижущей силы возникает ток I2.

Выходное напряжение при этом зависит напрямую от того, сколько витков на катушках, а сила тока — от диаметра (сечения) провода. Другими словами, если обе катушки имеют равное количество витков, то напряжение на выходе будет равно напряжению на входе. А если на вторичную катушку намотать в 2 раза больше витков, то и напряжение на выходе станет в 2 раза выше входного.

Итоговый ток зависит также и от диаметра провода обмотки. Например, при большой нагрузке и маленьком диаметре провода может произойти перегрев обмотки, нарушение целостности изоляции и даже полный выход из строя трансформатора.

Во избежание таких ситуаций составлены таблицы для расчета преобразователя и выбора диаметра провода под заданное выходное напряжение.

Классификация по видам

Трансформаторы принято классифицировать по нескольким признакам: по назначению, по способу установки, по типу изоляции, по используемому напряжению и т. д. Рассмотрим самые распространенные виды приборов.

Силовые преобразователи

Такой вид приборов применяется для подачи и приема электрической энергии на ЛЭП и с ЛЭП с напряжением до 1150 квт. Отсюда и название — силовой. Эти приборы функционируют на низких частотах — порядка 50−60 Гц. Их конструктивными особенностями является то, что они могут содержать несколько обмоток, которые располагаются на броневом сердечнике, изготовленном из электротехнической стали. Причем катушки низкого напряжения могут быть запитаны параллельно.

Такой прибор носит название трансформатор с расщепленными обмотками. Обычно силовые трансформаторы помещают в емкость с трансформаторным маслом, а самые мощные агрегаты охлаждают активной системой. Для установки на подстанциях и электростанциях используют трехфазные приборы мощностью до 4 тыс. кВА. Они получили наибольшее распространение, так как потери в них уменьшены на 15% по сравнению с однофазными.

Автотрансформаторы (ЛАТР)

Это особая разновидность низкочастотного прибора. В нем вторичная обмотка одновременно является частью первичной и наоборот. То есть катушки связываются не только магнитно, но и электрически. Разное напряжение получается и с одной обмотки, если сделано несколько выводов. За счет использования меньшего количества проводов достигается удешевление прибора. Однако при этом отсутствует гальваническая развязка обмоток, а это уже существенный недочет.

Автотрансформаторы нашли применение в высоковольтных сетях и в установках автоматического управления, для запуска двигателей переменного тока. Целесообразно их использование при невысоких коэффициентах трансформации. ЛАТР применяют для регулировки напряжения в лабораторных условиях.

Трансформаторы тока

В таких приборах первичная обмотка подсоединяется непосредственно к источнику тока, а вторичная — к приборам с небольшим внутренним сопротивлением. Это могут быть защитные или измерительные устройства. Самым распространенным видом трансформатора тока считается измерительный.

Он состоит из сердечника, выполненного из шихтованной кремнистой холоднокатаной электротехнической стали, с намотанной на него одной или несколькими обособленными вторичными обмотками. В то время как первичная может представлять собой просто шину или же провод с измеряемым током, пропущенным при этом сквозь окошко магнитопровода. По такому принципу функционируют, к примеру, токоизмерительные клещи. Главной характеристикой трансформаторного тока является коэффициент трансформации.

Такие преобразователи безопасны и поэтому нашли применение при измерении тока и в схемах релейной защиты.

Импульсные преобразователи

В современном мире импульсные системы практически полностью заменили тяжелые низкочастотные трансформаторы. Обычно импульсный прибор выполняется на ферритовом сердечнике разнообразных форм и размеров:

• кольцо;
• стержень;
• чашечка;
• в виде буквы Ш;
• П-образный.

Превосходство таких приборов сомнениям не подлежит — они способны функционировать на частотах до 500 и более кГц.

Так как это прибор высокочастотный, то его размеры существенно снижаются с ростом частоты. На обмотку расходуется меньшее количество провода, а для получения высокочастотного тока в первой цепи достаточно лишь подключения полевого или биполярного транзистора.

Существуют еще много разновидностей трансформаторов: разделительные, согласующие, пик-трансформаторы, сдвоенный дроссель и т. д. Все они широко применяются в современной промышленности.

Область применения приборов

Сегодня, пожалуй, трудно себе представить область науки и техники, где не применяются трансформаторы. Их широко используются для следующих целей:

1. Для передачи и раздачи электроэнергии.
2. Для создания допустимой схемы включения вентилей. Применяется в преобразовательных устройствах с одновременным согласованием входного и выходного напряжения.
3. В производстве: в сварке, для снабжения электротермических установок и т. д. Мощность таких приборов достигает порой десятков тысяч кВА и напряжения до 10 кВ, а рабочий диапазон — 50 Гц.
4. Преобразователи малой мощности и невысокого напряжения применяют для радио- и телеаппаратуры, устройств связи, бытовых приборов, для согласования напряжений и т. д.
5. При включении электроизмерительных приборов и реле в электроцепи высокого напряжения с целью расширения диапазонов измерений и обеспечения электробезопасности.

Исходя из многообразия устройств и видов назначения трансформаторов, можно утверждать, что сегодня они — незаменимые, использующиеся практически повсеместно устройства, благодаря которым обеспечивается стабильность и достижение необходимых потребителю значений напряжения как гражданских сетей, так и сетей предприятий промышленности.

Трансформатор тока — Блок электроники

Почти все защитные реле переменного тока в различных системах защиты приводятся в действие током, подаваемым трансформаторами тока. Это не простой способ измерения переменного тока большой величины с помощью амперметров малого диапазона. Кроме того, реле должны быть рассчитаны на высокие токи, чтобы срабатывать при этих высоких переменных токах. Таким образом, трансформатор тока выполняет преобразование больших токов в измеряемый диапазон токов. Конкретное применение трансформаторов тока связано с различными соображениями, такими как тип механической конструкции, соотношение первичных и вторичных токов, тип изоляции (масляная или сухая), тепловые условия, точность, тип обслуживания и т. д.

Краткое описание

Трансформаторы тока (ТТ)

Это тип преобразователя тока, который выдает ток во вторичной обмотке, величина которого пропорциональна току, протекающему через первичную обмотку. Они используются для преобразования высоких токов от силовой цепи в измеряемый диапазон токов приборов и устройств управления. Кроме того, они обеспечивают изоляцию амперметров, других измерительных приборов и устройств управления от силовых цепей высокого напряжения. Это самый дешевый и простой метод измерения тока по сравнению с цифровыми счетчиками и крыльчатыми счетчиками с подвижной катушкой.

Первичная обмотка трансформатора тока состоит из одного или нескольких витков с большой площадью поперечного сечения и последовательно соединена с цепью, в которой должен измеряться ток. В ТТ стержневого типа первичная обмотка имеет только один виток, что означает, что сам проводник действует как первичная обмотка. Вторичная обмотка выполнена с большим числом витков из тонкого провода, имеющего малую площадь поперечного сечения. Эта обмотка подключается либо к рабочей катушке реле, либо к токовой катушке приборов, как показано на рисунке. Очень часто трансформаторы тока проектируются таким образом, что вторичные клеммы обеспечивают ток 5 А или 1 А при полном или номинальном первичном токе.

Вернуться к началу

Принцип работы трансформаторов тока

Работа трансформатора тока аналогична работе обычного силового трансформатора. Трансформаторы тока в основном являются повышающими трансформаторами напряжения, с другой стороны, это понижающие трансформаторы с точки зрения тока. Это связано с тем, что на стороне высокого напряжения ток будет ниже, а на стороне низкого напряжения ток выше. Когда первичная часть ТТ находится под напряжением, амперные витки первичной стороны создают магнитное поле в сердечнике. Этот магнитный поток, связанный со вторичной обмоткой, индуцирует ЭДС, и эта ЭДС вызывает ток во вторичной обмотке ТТ. Ток во вторичной обмотке пытается уравновесить первичные ампер-витки. Следовательно, отношение между первичным и вторичным задается как

I1N1 = I2N2

I1 / I2 = N2 / N1

I1/I2 = n

Это называется коэффициентом трансформации трансформатора тока.

Где I1 и I2 — ток первичной и вторичной обмотки соответственно.

N1 и N2 — витки первичной и вторичной обмотки соответственно, а

n — соотношение витков вторичной и первичной обмотки.

Трансформатор тока

Например, типичный трансформатор тока на 100–5 А имеет номинальное соотношение один первичный виток к 20 вторичным виткам или 1:20. Из приведенного выше уравнения, зная соотношение тока и тока вторичного амперметра, мы можем легко определить ток, протекающий через первичную обмотку, которая подключена к основной линии. В силовом трансформаторе первичный ток зависит от вторичного тока. Напротив, первичная обмотка ТТ соединена непосредственно последовательно с силовой цепью, а также падение напряжения на ней очень меньше, и, следовательно, первичный ток не зависит от вторичного тока.

Следует отметить, что вторичная обмотка трансформатора тока не должна оставаться разомкнутой, пока на первичную обмотку подается питание. Если вторичная обмотка остается открытой, вторичный ток становится равным нулю, но практически вторичные амперные витки противодействуют первичным амперным виткам. Следовательно, непротиворечивая первичная МДС создает большой магнитный поток в сердечнике, поскольку нет противодействующей вторичной МДС. Это приводит к большим потерям в сердечнике и, таким образом, увеличивает нагрев сердечника. Кроме того, это приводит к возникновению высоких ЭДС как на первичной, так и на вторичной стороне, что приводит к повреждению изоляции. Следовательно, очень важно, чтобы вторичная обмотка была соединена последовательно с катушками тока низкого сопротивления приборов или просто закорочена. А также, во избежание опасности поражения электрическим током, вторичная сторона должна быть заземлена. На практике трансформаторы тока снабжены выключателем короткого замыкания на клеммах вторичной обмотки.

Вернуться к началу

Конструкция трансформаторов тока

Конструкция трансформатора тока может быть намоточного или стержневого типа. ТТ с обмоткой подобен двухобмоточному обычному трансформатору. Первичная обмотка состоит из более чем одного полного витка или нескольких витков, намотанных на сердечник. Для ТТ с обмоткой низкого напряжения вторичные витки наматываются на бакелитовый каркас, а первичные обмотки с подходящей изоляцией между ними наматываются непосредственно на верхнюю часть вторичной обмотки. В зависимости от структуры сердечника это могут быть кольцевые, прямоугольные или оконные трансформаторы тока. В ТТ стержневого типа первичная обмотка представляет собой не что иное, как одиночный стержень, который проходит через центр сердечника и образует одновитковую первичную обмотку.

Плотность потока, используемая в ТТ, намного меньше по сравнению с силовыми трансформаторами. Поэтому материалы сердечника выбираются таким образом, чтобы обеспечить низкое сопротивление, низкие потери в сердечнике, а также работать с низкой плотностью потока. Поскольку кольцевые сердечники имеют меньше соединений и прочны, они обладают низким сопротивлением. Обычные материалы, используемые для сердечников, включают горячекатаную кремнистую сталь, холоднокатаную текстурированную кремнистую сталь и сплавы железа и никеля. Для обеспечения высокой точности измерения сердцевина CT изготовлена ​​из легированной стали очень высокого качества, называемой мукой. Для обеспечения изоляции применяют лакокрасочные и ленточные материалы при малых линейных напряжениях. Но для высоких линейных напряжений используются ТТ, заполненные компаундом или маслом. В случае ТТ, используемых при более высоких напряжениях передачи, для изоляции между вторичными обмотками и высоковольтными проводниками используется бумага, пропитанная маслом. Опять же, конструкция таких CT может быть как в форме живого, так и мертвого резервуара.

Вернуться к началу

Типы трансформаторов тока

Трансформаторы тока подразделяются на различные типы в зависимости от типа использования, напряжения в цепи, способа монтажа и т. д. Некоторые из этих типов включают

Внутренние трансформаторы тока

Они обычно используются для низковольтных цепей и далее подразделяются на трансформаторы обмоточного, стержневого и оконного типа. Как и обычный трансформатор, трансформатор с обмоткой имеет как первичную, так и вторичную обмотку. Они используются при очень низких коэффициентах тока, таких как суммирующие приложения. Из-за более высоких значений первичных амперных витков с помощью этих трансформаторов тока можно достичь высокой точности. ТТ стержневого типа состоят из стержневого первичного контура, который является составной частью ТТ с вторичными сердечниками. Точность стержневого ТТ снижается из-за намагничивания сердечника, что требует большой доли от общего ампер-витка при низких номинальных токах. ТТ оконного типа устанавливаются вокруг первичного проводника (или линейного проводника), поскольку они не имеют первичной обмотки. Это наиболее распространенные трансформаторы тока, доступные в конструкциях с цельным и разъемным сердечником. Перед установкой ТТ со сплошным окном необходимо отсоединить первичный проводник, в то время как в случае разъемного сердечника его можно установить непосредственно вокруг проводника, не отсоединяя его.

трансформаторы тока

Вернуться к началу

Трансформаторы тока наружной установки

Они обычно используются в цепях гораздо более высокого напряжения, таких как распределительные устройства и подстанции. Эти трансформаторы тока снабжены масляной или элегазовой изоляцией. По сравнению с заполненными маслом ТТ, ТТ с элегазовой изоляцией легче по весу. Верхний бак соединен с первичным проводником, поэтому они называются ТТ конструкции бака под напряжением. Используются небольшие вводы, потому что первичный проводник и бак имеют одинаковый потенциал. Этот бак установлен на конструкции изолятора, как показано на рисунке. В основании вторичные клеммы расположены в клеммной коробке. Кроме того, в основании предусмотрена клемма заземления.

OutdoorCurrentTransformer

Для многоступенчатых трансформаторов тока первичная обмотка раздельного типа. Так на баке предусмотрены отводы для первичной обмотки. Используя эти трансформаторы, можно получить переменный коэффициент тока, обеспечивая отводы как на первичной, так и на вторичной обмотках. При подаче на вторичную обмотку рабочие ампер-витки изменяются при подаче на первичную, большая часть медного пространства остается неиспользованной, за исключением самого нижнего диапазона.

Вернуться к началу

Втулочные трансформаторы тока

ТТ проходного типа также подобен ТТ стержневого типа, в котором сердечник и вторичная обмотка монтируются вокруг первичного проводника. Вторичная обмотка намотана на сердечник круглой или кольцевой формы, который устанавливается в высоковольтный ввод силовых трансформаторов, автоматических выключателей, генераторов или распределительных устройств. Проводник проходит через втулку, действует первичная обмотка, а сердечник расположен так, что огибает изоляционную втулку. Из-за меньшей стоимости проходные ТТ в основном используются для релейной защиты в цепях высокого напряжения.

Втулочные трансформаторы тока

Вернуться к началу

Портативные трансформаторы тока

Это трансформаторы тока с высокой прецессией, используемые для высокоточных амперметров и анализаторов мощности. Они могут быть с разъемным сердечником, гибкими и зажимными портативными ТТ. Типичный диапазон измерения тока портативными трансформаторами тока составляет от 1000 до 1500 А, а также эти трансформаторы тока обеспечивают изоляцию измерительных приборов от высоковольтных цепей.

Портативные трансформаторы тока

Наверх

Ошибки в трансформаторе тока

В идеальном трансформаторе тока отношение первичных и вторичных токов точно равно соотношению витков вторичной и первичной обмотки, а также токи в каждой обмотке создают равные МДС точно в противофазе. Однако на практике соотношение токов отличается от соотношения витков, а также между ними существует некоторый фазовый угол от противодействия. Они называются ошибками соотношения и ошибками фазового угла. В случае ТТ, которые используются для высокоточного измерения и измерения, эти ошибки должны быть как можно меньше.

Рассмотрим векторную диаграмму трансформатора тока, показанную ниже,

, где

Io = ток холостого хода

Im = намагничивающая составляющая тока холостого хода

Ie = ваттная составляющая тока холостого хода

Es и Ep = наведенные напряжения во вторичной и первичной обмотках соответственно

Np и Ns = количество витков в первичной и вторичной обмотках соответственно

Ip и Is = ток первичной и вторичной обмотки

Rs = сопротивление вторичной обмотки

Xs = Реактивное сопротивление вторичной обмотки

β = Погрешность фазового угла

n = Коэффициент трансформации = N2/N1

Чтобы поддерживать возбуждение железного сердечника, ТТ потребляет первичный ток. Этот текущий ток возбуждения состоит из двух компонентов, т. е. намагничивающей составляющей и ваттной составляющей, как показано на рисунке. ЭДС, индуцированная во вторичной обмотке, обеспечивает циркуляцию вторичного тока через нагрузку и из-за собственного сопротивления и реактивного сопротивления вторичной обмотки вызывает падение напряжения во вторичной обмотке. В приведенном выше векторе I2 относится к первичному току (показан пунктирной линией), поэтому существует угол бета между первичным и вторичным токами.

Ошибка соотношения

В приведенном выше векторе I1 или первичный ток состоит из составляющей тока возбуждения. Отсюда, рассматривая треугольник OBC, мы можем получить реальную ошибку отношения по векторным компонентам I2, Io (в свою очередь зависит от намагничивающей и ваттной составляющих) и I1. Кроме того, на вторичный ток влияют сопротивление и реактивное сопротивление обмотки, а также коэффициент мощности нагрузки. Но номинальный или номинальный коэффициент тока точно равен отношению вторичных витков к первичным. Следовательно, погрешность коэффициента трансформации ТТ определяется как отклонение фактического коэффициента трансформации от номинального коэффициента.

Ошибка тока или отношения = (Номинальное отношение – Фактическое отношение) / Фактическое отношение

= (Kn – R) / R × 100 %

Ошибка фазового угла

180 градусов от основного тока. Другими словами, должен быть нулевой фазовый угол между первичным током и обратным вторичным током. На приведенной выше векторной диаграмме реверсивный вторичный ток опережает первичный ток на определенный угол, следовательно, возникает ошибка фазового угла. Если реверсивный вторичный ток отстает от первичного тока, смещение фаз отрицательное, в то время как опережающий, фазовый угол положительный.

Чтобы уменьшить эти ошибки в ТТ, ток возбуждения или ток нагрузки должен быть небольшим, а также угол нагрузки вторичной нагрузки должен быть небольшим. Для выполнения этих требований сердечник должен иметь низкие потери в сердечнике и низкое сопротивление, чтобы свести к минимуму ваттную и намагничивающую составляющие тока возбуждения. Кроме того, за счет уменьшения количества витков во вторичной обмотке и уменьшения импеданса вторичной обмотки эти ошибки сводятся к минимуму.

Вернуться к началу

Применение трансформаторов тока

Трансформаторы тока используются в самых разных областях, от управления энергосистемой до точного измерения тока в промышленных, медицинских, автомобильных и телекоммуникационных системах. Некоторые из приложений включают

• Расширение диапазона измерительных приборов, таких как амперметр, счетчик электроэнергии, счетчики кВА, ваттметр и т. д.
• Дифференциальные системы защиты от контурных токов.
• Дистанционная защита в системах электропередачи.
• Защита от перегрузки по току.

Вернуться к началу

Что такое трансформатор тока? Классификация и типы

Энергосистемы — это больше, чем кажется на первый взгляд. На самом деле мы не можем видеть электричество, но мы можем видеть, как оно работает (или не работает). Так много элементов собираются вместе, как головоломка, чтобы сформировать электрическую энергию, одним из которых является трансформатор тока. Вот что вам нужно знать об этом жизненно важном оборудовании:

The Down Low на CT

Трансформатор тока — это устройство, используемое для получения переменного тока во вторичной обмотке, пропорционального переменному току в первичной обмотке. Это в основном используется, когда ток или напряжение слишком высоки для прямого измерения. Затем индуцированный вторичный ток подходит для измерительных приборов или обработки в электронном оборудовании, которое обычно требует изоляции между первичной и вторичной цепями.

Это снижение токов высокого напряжения обеспечивает удобный способ безопасного контроля фактического электрического тока, протекающего в линии передачи переменного тока, с помощью стандартного амперметра.

Электрический ТТ отличается от трансформатора напряжения или мощности тем, что он состоит только из одного или нескольких витков в качестве первичной обмотки. Что также отличает его от трансформатора напряжения, так это то, что первичный ток не зависит от вторичного тока нагрузки, а вместо этого управляется внешней нагрузкой. Коэффициент трансформации ТТ равен количеству вторичных витков. Это соотношение основано на том, что первичный проводник проходит один раз через окно трансформатора.

Классификация и типы

Трансформаторы тока можно разделить на две отдельные группы. Первый, измерительный трансформатор тока, используется вместе с измерительными приборами для величины тока, энергии и мощности. Другой, защитный трансформатор тока, используется вместе с защитным оборудованием, включая катушки отключения, реле и т. д.

Существует три основных типа трансформаторов тока:

1. вторичный) на магнитном стальном сердечнике с различными витками в зависимости от конструкции.
2. Тип стержня: , состоящий из стержня подходящего размера и материала, используемого в качестве первичной обмотки, что эквивалентно одному витку.
3. Окно (тороидальное): не имеет первичной обмотки, но имеет отверстие в сердечнике, через которое проходит проводник, несущий первичный ток нагрузки.

Убедитесь, что на вашем объекте есть все необходимое оборудование, включая электрические трансформаторы, для безопасной и эффективной передачи, распределения и использования электроэнергии переменного тока.

Информация, содержащаяся в этой статье, предназначена только для общих информационных целей и основана на информации, доступной на дату первоначальной публикации. Не делается никаких заявлений о том, что информация или ссылки являются полными или актуальными. Эта статья не является заменой обзора действующих государственных постановлений, отраслевых стандартов или других стандартов, характерных для вашего бизнеса и/или деятельности, и не должна рассматриваться как юридическая консультация или мнение. Читатели, у которых есть конкретные вопросы, должны обратиться к применимым стандартам или проконсультироваться с юристом.