Що таке трансформатор струму? Без цього пристрою сучасний світ був би неможливим у тому вигляді, як ми до нього звикли. Його завдання - допомогти передавати енергію на великі відстані.
Що це за пристрій трансформатор
Трансформатор є пристроєм, який перетворює напругу змінного струму (підвищує або знижує). Складається трансформатор із кількох обмоток (двох або більше), які намотані на загальний феромагнітний сердечник.
Якщо трансформатор складається лише з однієї обмотки, він називається автотрансформатором. Сучасні трансформатори струму бувають: стрижневими, броньовими чи тороїдальними. Всі три типи трансформаторів мають схожі характеристики і надійність, але відрізняються один від одного способом виготовлення.
У трансформаторах стрижневого типу обмотка намотана на сердечник, а трансформаторах стрижневого типу обмотка включається в сердечник. У трансформаторі стрижневого типу обмотки добре видно, а з сердечника видно лише нижню та верхню частину.
Сердечник броньового трансформатора приховує практично всю обмотку. Обмотки трансформатора стрижневого типу розташовані горизонтально, тоді як це розташування в броньовому трансформаторі може бути вертикальним і горизонтальним. Незалежно від типу трансформатора, до його складу входять такі три функціональні частини: магнітна система трансформатора (магнітопровід), обмотки та система охолодження.
Схематичний малюнок опорного трансформатора струму:
Це пристрій, первинна обмотка якого послідовно включена в робочий ланцюг, а вторинна служить щодо вимірювань. Подібні пристрої використовуються у лабораторіях з метою оцінки величин. Справжнє місце трансформаторів струму біля електростанцій, де вони допомагають контролювати режими, вносячи корективи в експлуатацію обладнання.
Досить часто трансформатори використовуються для передачі електроенергії на далекі відстані. Безпосередньо на електрогенеруючих підприємствах вони дозволяють суттєво підвищити напругу, що виробляється джерелом змінного струму.
Підвищуючи напругу до 1150 кВт, трансформатори забезпечують більш економічну передачу електроенергії: значно знижуються втрати електрики у проводах і з'являється можливість зменшити площу перерізу кабелів, що використовуються в лініях електропередач.
Область застосування
Трансформатори набули широкого поширення, як у промисловості, і у побуті. Однією з основних галузей їхнього промислового застосування є передача електроенергії на далекі відстані та її перерозподіл.
Не менш відомі зварювальні (електротермічні) трансформатори. Як видно з назви, даний тип пристроїв застосовується в електрозварюванні та для подачі живлення на електротермічні установки. Трансформатори струму прийнято класифікувати за родом струму. Вимірювана напруга відрізняється за родом. Для проведення вимірювань у ланцюзі постійного струму використовується нарізка сигналу на імпульси. Безпосередня трансформація неможлива:
- для змінного струму;
- для постійного струму.
За призначенням: ми вже сказали, що часто трансформатори струму застосовуються для вимірювань (наприклад, кВт год). Називають системи, де потрібно захистити персонал підвищення безпеки.
Також досить широкою сферою застосування трансформаторів є забезпечення електроживлення різного обладнання. Трансформатори поділяють залежно від призначення. Виносні вимірювальні трансформатори струму використовуються для забезпечення працездатності ланцюгів обліку електроенергії захисту енергетичних ліній та силових автотрансформаторів. Залежно від виконуваних функцій розрізняють такі види:
- вимірювальні - подає струм на прилади вимірювання та контролю;
- захисні - що підключаються до захисних ланцюгів;
- проміжні – використовується для повторного перетворення.
Вони мають різні розміри та експлуатаційні показники. Можуть розміщуватись у корпусах невеликих приладів або бути окремими, габаритними пристроями.
Принцип роботи пристрою
Принцип роботи трансформатора ґрунтується на ефекті електромагнітної індукції. Класична конструкція складається з металевого магнітопроводу та електрично не пов'язаних обмоток, виконаних із ізольованого дроту. Та обмотка, яку подається електроенергія, називається первинної. Друга - приєднана до пристроїв, що споживають струм, називається вторинною.
Після того як трансформатор приєднують до джерела змінного струму його первинна обмотка формує змінний магнітний потік. По магнітопроводу він передається на витки вторинної обмотки, індукуючи в них змінну ЕРС (електрорушійну силу). За наявності пристрою споживання ланцюга вторинної обмотки виникає електричний струм.
Співвідношення між вхідною та вихідною напругою трансформатора прямо пропорційне відношенню кількості витків відповідних обмоток. Ця величина називається коефіцієнтом трансформації: Ктр=W1/W2=U1/U2, де:
- W1, W2 - кількість витків первинної та вторинної обмоток відповідно;
- U1, U2 — вхідна та вихідна напруги відповідно.
Обмотки можуть бути розташовані або у вигляді окремих котушок, або одна поверх іншої. У малопотужних пристроїв обмотки виконуються з дроту з бавовняною або емалевою ізоляцією.
Мікротрансформатор має обмотки з алюмінієвої фольги завтовшки трохи більше 20—30 мкм. Як ізолюючий матеріал виступає оксидна плівка, отримана природним окисленням фольги. Детальніше принцип роботи трансформатора струму розглянуто у відеоролику:
Коротко принцип роботи та пристрій трансформатора струму полягає у подачі живлення від джерела електрики. Найбільш актуальним є використання для зниження первинних показників струму до величини, що застосовується у вимірювальних та захисних ланцюгах, сигналізації та управління.
У вторинній обмотці відзначаються показники струму 5 або 1 А. Вимірювальні пристрої підключаються до вторинної обмотки, а до первинної підключається ланцюг, в якій вимірюють струм. Для розрахунку струму в другій обмотці використовують показання в первинній обмотці та поділяють на коефіцієнт трансформації.
Режими роботи трансформатора
Існують три режими роботи трансформатора: холостий хід, режим короткого замикання, робочий режим. Трансформатор "на холостому ходу", коли висновки від вторинних обмоток нікуди не підключені.
Якщо сердечник трансформатора виготовлений з магнитомягкого матеріалу, тоді струм холостого ходу показує, які у трансформаторі відбуваються втрати перемагнічування сердечника і вихрові струми.
У режимі короткого замикання висновки вторинної обмотки з'єднані між собою коротко, а на первинну обмотку подають невелику напругу, з таким розрахунком, щоб струм короткого замикання дорівнював номінальному струму трансформатора.
Величину втрат (потужність) можна порахувати, якщо напругу у вторинній обмотці помножити струм короткого замикання. Такий режим трансформатора знаходить своє технічне застосування вимірювальних трансформаторах.
Схема режиму роботи трансформатора струму:
Якщо підключити навантаження до вторинної обмотки, то виникає струм, що індукує магнітний потік, спрямований протилежно магнітному потоку в первинній обмотці. Тепер у первинній обмотці ЕРС джерела живлення та ЕРС індукції живлення не рівні.
Тому струм у первинній обмотці збільшується до того часу, поки магнітний потік досягне колишнього значення. Для трансформатора в режимі активного навантаження справедлива рівність: U_2/U_1 =N_2/N_1
де U2, U1 – миттєві напруги на кінцях вторинної та первинної обмоток, а N1, N2 – кількість витків у первинній та вторинній обмотці.
Якщо U2> U1, трансформатор називається підвищуючим, інакше перед нами знижуючий трансформатор. Будь-який трансформатор прийнято характеризувати числом k, де k – коефіцієнт трансформації.
Види та типи трансформаторів
Трансформатори - це досить поширені пристрої, тому існує безліч їх різновидів. За конструктивним виконанням та призначенням вони діляться на кілька видів.
- Автотрансформатори.
- Імпульсні трансформатори.
- Роздільний трансформатор.
- Пік-трансформатор.
Варто виділити спосіб класифікації трансформаторів за способом їхнього охолодження. Розрізняють сухі пристрої з природним повітряним охолодженням у відкритому, захищеному та герметичному виконанні корпусу та з примусовим повітряним охолодженням.
Порівняльні характеристики різних видів трансформаторів:
Пристрої з охолодженням рідини можуть використовувати різні типи теплообмінної рідини. Найчастіше це масло, проте зустрічаються моделі, де як теплообмінна речовина використовується вода або рідкий діелектрик.
Крім того, виробляють трансформатори з комбінованим охолодженням рідинно-повітряним. При цьому кожен із способів охолодження може бути як природним, так і примусовою циркуляцією. Трансформатори струму мають три основні види. Найбільш застосовувані з них:
- Сухі.
- Тороїдальні.
- Високовольтні (масляні, газові).
У сухих трансформаторів є первинна обмотка без ізоляції. Властивості струму у вторинній обмотці залежить від коефіцієнта перетворення.
Тороїдальні виконання трансформаторів встановлюють на шини чи кабелі. Тому первинна обмотка для них не потрібна, на відміну від звичайних трансформаторів напруги та струму. Первинний струм протікає по шині, яка проходить у центрі трансформатора. Він дає можливість вторинній обмотці фіксувати показники струму.
Такі трансформатори струму рідко використовуються для вимірювання параметрів струму, тому що їх надійність та точність вимірювань залишає бажати кращого. Вони найчастіше використовуються для додаткового захисту від короткого замикання.
Характеристики трансформаторів
До основних технічних характеристик трансформаторів можна віднести:
- рівень напруги: високовольтний, низьковольтний; високопотенційний;
- спосіб перетворення: що підвищує, знижує;
- кількість фаз: одно-або трифазний;
- число обмоток: дво- та багатообмотувальний;
- форму магнітопроводу: стрижневий, тороїдальний, броньовий.
Один із основних параметрів – це номінальна потужність пристрою, виражена у вольт-амперах. Точні граничні показники можуть відрізнятися в залежності від кількості фаз та інших характеристик. Однак, як правило, малопотужні вважаються пристрої, що перетворюють до декількох десятків вольт-ампер.
Приладами середньої потужності є пристрої від кількох десятків до кількох сотень, а трансформатори великої потужності працюють з показниками від кількох сотень до кількох тисяч вольт-ампер.
Робоча частота – розрізняють пристрої зі зниженою частотою (менше стандартної 50 Гц), промислової частоти – рівно 50 Гц, підвищеної промислової частоти (від 400 до 2000 Гц) та підвищеної частоти (до 1000 Гц).
Принцип роботи трансформатора струму:
Параметри трансформаторів струму
При виборі до роботи у тандемі з трехфазным лічильником насамперед звертають увагу до коефіцієнт трансформації. Ряд значень стандартизовано, і потрібно вибирати прилади, здатні працювати у парі. Вище говорилося, що в інших випадках коефіцієнт трансформації можна змінювати, і необхідно цим скористатися.
Крім робочої напруги роль відіграє струм у первинній обмотці (досліджуваної мережі). Зрозуміло, що зі зростанням збільшується нагрівання, і одного разу токонесуча частина може згоріти. Ця вимога не така актуальна для трансформаторів без первинної обмотки. Номінальний вторинний струм зазвичай дорівнює 1 або 5 А, що є критерієм для узгодження з пристроями, що сполучаються.
Потрібно звертати увагу на опір навантаження в ланцюзі вимірювання. Навряд чи знайдеться лічильник, що вибивається із загального ряду, але потрібно контролювати момент. В іншому випадку не гарантується точність показань. Коефіцієнт навантаження зазвичай не нижче 0,8.
Це вже стосується вимірювальних приладів з індуктивностями у складі. ГОСТ нормує значення у вольт-амперах. Для отримання опору в ОМА потрібно поділити цифру на квадрат струму вторинної обмотки.
Граничні режими роботи зазвичай характеризуються струмом електродинамічної стійкості, що виникає при короткому замиканні. У паспорті пишуть значення, при якому прилад пропрацює як завгодно довго без виходу з ладу.
В умовах короткого замикання струм настільки сильний, що починає механічно впливати. Іноді замість струму електродинамічної стійкості вказується кратність його до номінального.
Залишається лише зробити операцію множення. Цей параметр не стосується приладів без первинної обмотки. Також визначається струм теплової стійкості, який трансформатор витримує без критичного перегріву. Цей вид стійкості здатний виражатися кратністю.
Відмінність трансформатора струму від трансформатора напруги
Однією з деяких відмінностей є спосіб створення ізоляції між двома обмотками. Первинну обмотку в трансформаторах струму ізолюють відповідно до параметрів напруги. Вторинна обмотка має заземлення.
Трансформатори струму працюють в умовах, подібних до короткого замикання, так як у них невеликий опір вторинної обмотки. У цьому полягає призначення трансформаторів, що вимірюють струм, і навіть відмінність від трансформатора напруги за умовами роботи.
Для трансформатора напруги при короткому замиканні робота небезпечна через ризик виникнення аварії. Для трансформатора струму такий режим роботи цілком прийнятний та безпечний. Хоча бувають у таких трансформаторів також загрози аварії, але для цього встановлюють свої системи та засоби захисту.
