Трансформатор постоянного и переменного тока: устройство, принцип работы и схема подключения

Что нужно знать о трансформаторах тока

В статье читатель узнает, что такое трансформатор тока, где они применяются. Мы постараемся дать краткую характеристику видам и типам устройства, объясним принцип действия. Также предлагаем ознакомиться с видеороликом в конце текста для лучшего понимания материала.

Без такого привычного устройства современный мир был бы невозможен в том виде, каком мы к нему привыкли. Его задача – помочь передавать энергию на большие расстояния. Тех, кто дочитает материал до конца, ждет приятный бонус: файл с книгой о трансформаторах тока Афанасьева А.А. По любым вопросам не стесняйтесь писать в комментариях, опытные эксперты будут рады вам помочь.

Что нужно знать о трансформаторах тока
Опорные трансформаторы тока.

Что это за устройство

Трансформатор представляет собой устройство, которое преобразовывает напряжение переменного тока (повышает или понижает). Состоит трансформатор из нескольких обмоток (двух или более), которые намотаны на общий ферромагнитный сердечник.

Если трансформатор состоит только из одной обмотки, то он называется автотрансформатором. Современные трансформаторы тока бывают: стержневыми, броневыми или тороидальными. Все три типа трансформаторов имеют похожие характеристики, и надежность, но отличаются друг от друга способом изготовления.

В трансформаторах стержневого типа обмотка намотана на сердечник, а в трансформаторах стержневого типа обмотка включается в сердечник. В трансформаторе стержневого типа обмотки хорошо видны, а из сердечника видна только нижняя и верхняя часть.

Сердечник броневого трансформатора скрывает в себе практически всю обмотку. Обмотки трансформатора стержневого типа расположены горизонтально, в то время как это расположение в броневом трансформаторе может быть как вертикальным, так и горизонтальным. Независимо от типа трансформатора, в его состав входят такие три функциональные части: магнитная система трансформатора (магнитопровод), обмотки, а также система охлаждения.

Трансформатор тока
Схематичный рисунок опорного трансформатора тока.

Это устройство, первичная обмотка которого последовательно включена в рабочую цепь, а вторичная служит для проведения измерений. Подобные устройства используются не только в лабораториях для оценки величин. Истинное место трансформаторов тока возле электростанций, где они помогают контролировать режимы, внося коррективы в процесс эксплуатации оборудования.

Достаточно часто трансформаторы используются при передаче электроэнергии на дальние расстояния. Непосредственно на электрогенерирующих предприятиях они позволяют существенно повысить напряжение, которое вырабатывается источником переменного тока.

Повышая напряжение до 1150 кВт, трансформаторы обеспечивают более экономную передачу электроэнергии: значительно снижаются потери электричества в проводах и появляется возможность уменьшить площадь сечения кабелей, используемых в линиях электропередач.

Тем, кому будет интересно почитать, материал в тему: малоизвестные факты о двигателях постоянного тока.

Область применения

Трансформаторы получили широкое распространение, как в промышленности, так и в быту. Одной из основных областей их промышленного применения является передача электроэнергии на дальние расстояния и ее перераспределение.

Не менее известны сварочные (электротермические) трансформаторы. Как видно из названия, данный тип устройств применяется в электросварке и для подачи питания на электротермические установки. Трансформаторы тока принято классифицировать по роду тока. Измеряемое напряжение различается по роду. Для проведения измерений в цепи постоянного тока используется нарезка сигнала на импульсы. Напрямую трансформация невозможна:

  • для переменного тока;
  • для постоянного тока.

По назначению: мы уже сказали, что часто трансформаторы тока применяются для измерений (к примеру, кВт ч). Называют системы, где требуется защитить персонал для повышения безопасности.

Также достаточно широкой областью применения трансформаторов является обеспечение электропитания различного оборудования. Трансформаторы делят в зависимости от назначения. Выносные измерительные трансформаторы тока используются для обеспечения работоспособности цепей учета электроэнергии защиты энергетических линий и силовых автотрансформаторов. В зависимости от выполняемых функций различают следующие виды:

  • измерительные — подающее ток на приборы измерения и контроля;
  • защитные — подключаемые к защитным цепям;
  • промежуточные — используется для повторного преобразования.

Они имеют различные размеры и эксплуатационные показатели. Могут размещаться в корпусах небольших приборов или являться отдельными, габаритными устройствами.

Что нужно знать о трансформаторах тока

Принцип работы устройства

Принцип работы трансформатора основан на эффекте электромагнитной индукции. Классическая конструкция состоит из металлического магнитопровода и электрически не связанных обмоток, выполненных из изолированного провода. Та обмотка, на которую подается электроэнергия, называется первичной. Вторая — подсоединённая к устройствам, потребляющим ток, называется вторичной.

После того как трансформатор подсоединяют к источнику переменного тока в его первичная обмотка формирует переменный магнитный поток. По магнитопроводу он передается на витки вторичной обмотки, индуцируя в них переменную ЭДС (электродвижущую силу). При наличии устройства потребления в цепи вторичной обмотки возникает электрический ток.

Соотношение между входным и выходным напряжением трансформатора прямо пропорционально отношению количества витков соответствующих обмоток. Эта величина называется коэффициентом трансформации: Ктр=W1/W2=U1/U2, где:

  • W1, W2 — количество витков первичной и вторичной обмоток соответственно;
  • U1, U2 — входное и выходное напряжения соответственно.

Обмотки могут быть расположены либо в виде отдельных катушек, либо одна поверх другой. У маломощных устройств обмотки выполняются из провода с хлопчатобумажной или эмалевой изоляцией.

Микротрансформатор имеет обмотки из алюминиевой фольги толщиной не более 20—30 мкм. В качестве изолирующего материала выступает оксидная пленка, полученная естественным окислением фольги. Подробнее принцип работы трансформатора тока рассмотрен в видеоролике:

Вкратце принцип работы и устройство трансформатора тока заключается в подаче питания от источника электричества. Наиболее актуальным является использование для снижения первичных показателей тока до величины, применяемой в измерительных и защитных цепях, сигнализации и управления.

Во вторичной обмотке отмечаются показатели тока 5 А или 1 А. Измерительные устройства подключаются к вторичной обмотке, а к первичной подключается цепь, в которой измеряют ток. Для расчета тока во второй обмотке используют показания в первичной обмотке и делят на коэффициент трансформации.

Режимы работы трансформатора

Существуют такие три режима работы трансформатора: холостой ход, режим короткого замыкания, рабочий режим. Трансформатор «на холостом ходу», когда выводы от вторичных обмоток никуда не подключены.

Если сердечник трансформатора изготовлен из магнитомягкого материала, тогда ток холостого хода показывает, какие в трансформаторе происходят потери на перемагничивание сердечника и вихревые токи.

В режиме короткого замыкания выводы вторичной обмотки соединены между собой накоротко, а на первичную обмотку подают небольшое напряжение, с таким расчетом, чтобы ток короткого замыкания был равен номинальному току трансформатора.

Величину потерь (мощность) можно посчитать, если напряжение во вторичной обмотке умножить на ток короткого замыкания. Такой режим трансформатора находит свое техническое применение в измерительных трансформаторах.

Схема работы трансформатора
Схема режима работы трансформатора тока.

Если подключить нагрузку к вторичной обмотке, то в ней возникает ток, индуцирующий магнитный поток, направленный противоположно магнитному потоку в первичной обмотке. Теперь в первичной обмотке ЭДС источника питания и ЭДС индукции питания не равны.

Поэтому ток в первичной обмотке увеличивается до тех пор, пока магнитный поток не достигнет прежнего значения. Для трансформатора в режиме активной нагрузки справедливо равенство:

U_2/U_1 =N_2/N_1

где U2, U1 – мгновенные напряжения на концах вторичной и первичной обмоток, а N1, N2 – количество витков в первичной и вторичной обмотке.

Если U2> U1, трансформатор называется повышающим, в противном случае перед нами понижающий трансформатор. Любой трансформатор принято характеризовать числом k, где k – коэффициент трансформации.

Интересный материал для ознакомления: что такое трехфазный двигатель и как он работает.

Виды и типы трансформаторов

Трансформаторы — это достаточно широко распространенные устройства, поэтому существует множество их разновидностей. По конструктивному исполнению и назначению они делятся на несколько видов.

  1. Автотрансформаторы.
  2. Импульсные трансформаторы.
  3. Разделительный трансформатор.
  4. Пик-трансформатор.

Стоит выделить способ классификации трансформаторов по способу их охлаждения. Различают сухие устройства с естественным воздушным охлаждением в открытом, защищенном и герметичном исполнении корпуса и с принудительным воздушным охлаждением.

Виды трансформаторов
Сравнительные характеристики различных видов трансформаторов.

Устройства с жидкостным охлаждением могут использовать различные типы теплообменной жидкости. Чаще всего это масло, однако встречаются модели, где в качестве теплообменного вещества используется вода или жидкий диэлектрик.

Кроме того, производят трансформаторы с комбинированным охлаждением жидкостно-воздушным. При этом каждый из способов охлаждения может быть как естественным, так и с принудительной циркуляцией. Трансформаторы тока имеют три основных вида. Наиболее применяемые из них:

  1. Сухие.
  2. Тороидальные.
  3. Высоковольтные (масляные, газовые).
У сухих трансформаторов первичная обмотка без изоляции. Свойства тока во вторичной обмотке зависят от коэффициента преобразования.

Тороидальные исполнения трансформаторов устанавливают на шины или кабели. Поэтому первичная обмотка для них не нужна, в отличие от обычных трансформаторов напряжения и тока. Первичный ток протекает по шине, которая проходит в центре трансформатора. Он дает возможность вторичной обмотке фиксировать показатели тока.

Такие трансформаторы тока редко используются для замера параметров тока, так как их надежность и точность измерений оставляет желать лучшего. Они чаще используются для дополнительной защиты от короткого замыкания.

Характеристики трансформаторов

К основным техническим характеристиками трансформаторов можно отнести:

  • уровень напряжения: высоковольтный, низковольтный, высоко потенциальный;
  • способ преобразования: повышающий, понижающий;
  • количество фаз: одно- или трехфазный;
  • число обмоток: двух- и многообмоточный;
  • форму магнитопровода: стержневой, тороидальный, броневой.

Один из основных параметров — это номинальная мощность устройства, выраженная в вольт-амперах. Точные граничные показатели могут несколько различаться в зависимости от количества фаз и других характеристик. Однако, как правило, маломощными считаются устройства, преобразовывающие до нескольких десятков вольт-ампер.

Приборами средней мощности считаются устройства от нескольких десятков до нескольких сотен, а трансформаторы большой мощности работают с показателями от нескольких сотен до нескольких тысяч вольт-ампер.

Рабочая частота – различают устройства с пониженной частотой (менее стандартной 50 Гц), промышленной частоты – ровно 50 Гц, повышенной промышленной частоты (от 400 до 2000 Гц) и повышенной частоты (до 1000 Гц).

Работа трансформатора
Принцип работы трансформатора тока.

Параметры трансформаторов тока

При выборе для работы в тандеме с трёхфазным счётчиком первым делом обращают внимание на коэффициент трансформации. Ряд значений стандартизирован, и нужно выбирать приборы, способные работать в паре. Выше говорилось, что в иных случаях коэффициент трансформации возможно менять, и нужно этим пользоваться.

Помимо рабочего напряжения роль играет ток в первичной обмотке (исследуемой сети). Понятно, что с ростом увеличивается нагрев, и однажды токонесущая часть может сгореть. Это требование не столь актуально для трансформаторов без первичной обмотки. Номинальный вторичный ток обычно равен 1 либо 5 А, что служит критерием для согласования с сопрягаемыми устройствами.

Полагается обращать внимание на сопротивление нагрузки в цепи измерения. Вряд ли найдётся счётчик, выбивающийся из общего ряда, но нужно контролировать момент. В противном случае не гарантируется точность показаний. Коэффициент нагрузки обычно не ниже 0,8.

Это уже касается измерительных приборов, с индуктивностями в составе. ГОСТ нормирует значение в вольт-амперах. Для получения сопротивления в омах требуется поделить цифру на квадрат тока вторичной обмотки.

Интересно почитать: однофазные асинхронные двигатели на службе человечества.

Предельные режимы работы обычно характеризуются током электродинамической стойкости, возникающим при коротком замыкании. В паспорте пишут значение, при котором прибор проработает сколь угодно долго без выхода из строя.

В условиях короткого замыкания ток столь силен, что начинает оказывать механическое воздействие. Порой вместо тока электродинамической стойкости указывается кратность его к номинальному.

Остаётся лишь произвести операцию умножения. Указанный параметр не касается приборов без первичной обмотки. Вдобавок определяется ток термической стойкости, который трансформатор выдерживает без критического перегрева. Этот вид устойчивости способен выражаться кратностью.

Отличие трансформатора тока от трансформатора напряжения

Одним из некоторых отличий является способ создания изоляции между двумя обмотками. Первичную обмотку в трансформаторах тока изолируют соответственно параметрам принимаемого напряжения. Вторичная обмотка имеет заземление.

Трансформаторы тока работают в условиях, подобных к случаю короткого замыкания, так как у них небольшое сопротивление вторичной обмотки. В этом и заключается назначение трансформаторов, измеряющих ток, а также отличие от трансформатора напряжения по условиям работы.

Для трансформатора напряжения при коротком замыкании его работа опасна из-за риска возникновения аварии. Для трансформатора тока такой режим работы вполне приемлемый и безопасный. Хотя бывают у таких трансформаторов также угрозы аварии, но для этого устанавливают свои системы и средства защиты.

Заключение

Надеемся, что теперь вам полностью понятен принцип работы трансформаторов тока. Предлагаем скачать файл с книгой о трансформаторах тока Афанасьева А.А., в котором подробно рассмотрены все нюансы работы с трансформаторами тока. Если хотите регулярно узнавать новую информацию по этой теме, а также по теме металлоискателей и радиодеталей: подписывайтесь на нашу группу в социальной сети «Вконтакте».

Для этого вам необходимо будет перейти по следующей ссылке https://vk.com/electroinfonet. Там можно не только узнавать различного рода полезную информацию, но еще и задавать вопросы и получать на них подробные ответы. В завершение хочу поблагодарить источники, откуда мы черпали информацию:

kuhnileona.ru

vashtehnik.ru

Будет интересно➡  Удивительные факты о понижающих трансформаторах
Ссылка на основную публикацию
Мы используем cookie-файлы для наилучшего представления нашего сайта. Продолжая использовать этот сайт, вы соглашаетесь с использованием cookie-файлов.
Принять