Трансформатори струму і напруги: призначення, як вибрати, підключення

Для нормалізації електричної енергії, що надходить до будинку або квартирі, використовуються різні пристрої. Пропонуємо розглянути, як працюють вимірювальні трансформатори струму постійного і змінного, їх призначення, схема підключення, принцип роботи та поради щодо вибору.

загальні поняття

Трансформатор струму (ТТ) маркування ГОСТ 7746-2001 – це пристрій є одним з видів «вимірювального трансформатора», який призначений для отримання змінного струму в його вторинній обмотці, де величина перетвореного напруги пропорційна поточної вимірюваній величині. Номінальна потужність трансформаторів може бути 25, 40, 63, 100, 160 кВА.

Трансформатори струму, у яких клас точності 0, 2; 0, 5; 1; 3; 10 можуть знизити високі прохідні струми напруги на нижчі, цим вони забезпечують зручний спосіб безпечного контролю електроенергії в змінної лінії передачі з використанням стандартного амперметра. Принцип дії трансформатора струму нічим не відрізняється від звичайного.

Існують різні трансформатори, типи приладів з різними пропускними здатностями (суммирующий СЕЩ, ТТІ-200 5, 5 5, 300 5, 0 66, 1 + 1, 400 5, 150 5, ТК 20, опорний ТОЛ 10, ТВЛМ, ABB, ІЕК, ТЗЛМ, ТЛК, ТСН, ТФЗМ, ТЛМ, ТЛО, ТОП, ТПЛ, ТПОЛ).

Фото – Трансформатор струму

Відео: пристрій трансформатора струму ТФРМ 750

Як працює пристрій і конструкція трансформаторів

Первинна обмотка включення може бути або плоскою, або являти собою ролик з товстого дроту, обернутого навколо сердечника, провідника або шини через центральний отвір.

Завдяки такій конструкції, трифазний трансформатор змінного струму має первинну обмотку з мінімальною кількістю витків, що позитивно впливає на ефективність роботи, зокрема, коефіцієнт трансформації.

Вторинна обмотка може мати більшу кількість витків котушки. Вони намотані на ламіновану основу магнітного матеріалу з низькими втратами, який має велику площу поперечного перерізу. Щільність магнітного потоку є низькою, при цьому використовуючи набагато меншу площу поперечного перерізу дроту, номінальний струм практично не втрачає свого напруги. Ці вторинні обмотки зазвичай розраховані на стандартний показник 1 Ампер або 5 Ампер. Це добре демонструє векторна діаграма:

види трансформаторів

Всього є три основних типи трансформаторів струму:

1. Сухі – це трансформатори первинної обмотки, фізично послідовно з’єднані з провідником, який несе виміряний струм, що протікає в ланцюзі. Величина вторинного струму залежить від коефіцієнта трансформації трансформатора.
2. Тороїдальні трансформатори – вони не містять первинну обмотку. Замість цього лінія, яка несе струм, що протікає в мережі, проводить його через спеціальне «вікно» або отвір тороїдального трансформатора. Деякі тороідальний типу мають «роздвоєне ядро», яке дозволяє їм відкриватися, працювати і закриватися, чи не відключаючи напруги ланцюга, до якої вони підключені. Вони широко використовуються для захисту від замикання в проводці приватного будинку або квартири багатоповерхівки.
3. Високовольтні масляні трансформатори (елегазові). Ці пристрої для нормалізації струму використовують кабель або шинні передавачі головного ланцюга первинної обмоткою, їх періодичність еквівалентна одному ходу стандартного сухого трансформатора. Вони повністю ізольовані від високого робочої напруги системи, як правило, приєднані болтами до навантажувальної системи пристрою.
4. Також вони можуть бути розбірні, вони ж роз’ємні, вбудовані, оптичні, і т.д.

Трансформатори струму і напруги можуть зменшувати або збільшувати поточні рівні від тисячі ампер до стандартного виходу, в залежності від марки (Circutor, ASK, Schneider Electric, АВВ, Армавір) і типу, вони можуть бути розраховані на 6 кв, 630 кв, 10 кв. Таким чином, малі та точні прилади і пристрої керування можуть використовуватися з КТ, тому що вони ізольовані від будь-яких ліній електропередач високої напруги. Є безліч приладів обліку, які використовуються для трансформаторів струму, починаючи з амперметра і ваттметром, і закінчуючи спеціальними вимикачами навантаження, УЗО-автоматами і т.д.

Фото – Трансформатори струму тор

Для чого потрібні трансформатори струму

Трансформатор струму нульової послідовності широко використовується в організації роботи виробництва, в побуті (з його допомогою проводять зварювальні роботи, він нормалізують входить в будинок напруга, кидок струму, він нормалізує роботу електролічильника з метою збільшення безпеки).

Трансформатор є важливим інструментом в області електротехніки. Поточні рівні електричного струму повинні контролюватися з метою безпеки і ефективності роботи інших побутових і промислових приладів. Вимірювальні пристрої, підключені до трансформаторів, дозволяють здійснювати моніторинг в різних місцях по всій системі. Вони також можуть бути використані для вимірювання електричного використання будівлі і виставлення рахунків або цілей перевірки.

Трансформатор струму – схема

Як зробити свій трансформатор

Трансформатори складаються з двох ланцюгів, пов’язаних з намагнічуватися матеріалом, які називають «сердечником». Обидва контури мають певну довжину, вона повинна бути такою, щоб котушки навколо сердечника могли передавати енергію від одного контуру до іншого. У трансформаторі струму первинні ланцюга (енергія-передача) петлі проходять через сердечник тільки один раз. Вторинне коло петлі проходить кілька разів навколо ядра. Сердечник може бути стаціонарним, тобто перебувати на місці постійно, або бути шарнірним, щоб відповідати напрямку струму, що краще захищає прилади від короткого замикання.

Для того щоб зібрати міні-трансформатор нам знадобиться:

• Ізоляційна стрічка;
• Мідний дріт для намагнічування (у міді особлива щільність, яка допомагає створити потрібний магнітне поле);
• Залізне кільце;
• Амперметр.

Як зробити малогабаритний трансформатор своїми руками:

1. Мідний дріт потрібно обернути навколо залізного кільця, щоб вона охоплювала практично всю поверхню кільця. Обмотки можуть перекриватися чи ні. Чим більше число витків, тим менше вторинний струм буде прийнятий через вторинну обмотку.
2. Обмотайте конструкцію ізолентою, щоб деталі трималися разом;
3. Зніміть покриття з кінців дроту;
4. Прикріпіть зачищені дроти до кінців амперметра;
5. Приєднайте лінію напруги мережі до залізного кільця. Використовуйте вимірювання на амперметр для визначення коефіцієнта перетворення, щоб можна було визначити параметри трансформації і порівняти їх з даними з вторинної обмотки;
6. Вставте трубопровід, що проходить тестування до амперметра. Порівняйте дані, для настройки змініть кількість витків.

Таким чином, шинний і імпульсний трансформатор може бути доданий до лінії вже на місці, знімний сердечник може бути зроблений шляхом приєднання чотирьох стрижнів з м’якого заліза до лінії живлення, чим ближче – тим краще. Три стрижня повинні бути намотані заздалегідь. Четвертий при необхідності годі й обмотувати, просто прикріпити за допомогою ізоляційної стрічки.

розрахунок трансформатора

Розрахунок силових трансформаторів холостого ходу, у яких початкова напруга 1 і вторинне 160, з внутрішнім опором 0.2Ω проводиться за такою формулою. У нашому прикладі первинний струм 800 Ампер, така методика може підлаштуватися під будь-який струм:

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

Ми бачимо вище, що з вторинної обмотки трансформатор був підключений через амперметр, який має дуже малий опір, падіння напруги на вторинній обмотці становить всього 1, 0 вольта при повній величині первинного струму на обмотках. Якщо амперметр видаляють, вторинна обмотка стає відкритою і трансформатор діє як підвищувальний, в результаті дуже високої напруги рівному співвідношенні: Vp (Ns / NP), струм регулюється на вторинній обмотці. Формула може змінюватися, якщо у Вас декілька обмоток або слабший прилад, крім того, тут не враховано струм холостого ходу трансформатора. Потрібно пам’ятати, що підключення лічильника через трансформатори струму формула може мати трохи інший вид, тому що буде враховуватися ще й пропускна здатність облікового приладу.

Щоб підібрати потрібну потужність трансформатора, потрібно прорахувати потрібне напруження всіх електричних пристроїв в будинку, а після підсумувати отриману суму і вольтамперні характеристики трансформатора (ВАХ). Якщо ці значення не враховані, то можливе перевантаження і захист не буде досягати потрібного рівня при високому навантаженні мережі.

Перед тим, як підключити готовий трансформатор, потрібно проконсультуватися з фахівцем, він допоможе визначити недоліки, які Ви могли випустити з уваги.

Як вибрати трансформатор

Перевірка трансформаторів струму на місці, ремонт та випробування здійснюється в обов’язковому порядку, багато підприємств (Самарський і Єкатеринбурзький завод, Калузький холдинг, Свердловський завод трансформаторів струму та інші) надають такі послуги. Заміна деяких деталей також повинна проводитися або офіційним дилером, або представником конкретної компанії-виробника.

Також потрібно знати, що означають умовні позначення:

Їх розшифровка допоможе Вам провести монтаж пристроїв, а також розібратися в роботі. Будь-яке позначення стандартизовано. Слідкуйте за тим, щоб в роботі трансформатора була присутня кратність, вона може різнитися залежно від конкретної моделі, тому уважно переглядайте паспорт трансформатора і каталог певних компаній.

Установка з’єднання проводиться при повному відключенні живлення мережі, крім того, бажано, щоб роботу виконував фахівець. Його можна монтувати на дин-рейку, в спеціальні трансформаторні шафи, на пусковий панелі, відкриту місцевість, безпосередньо на електричний щит.

Середня вартість на такий прилад в залежності від його призначення варіюється від 30 000 рублів до 100 000 і вище, можливі номінали до 10 штук. Ціна багато в чому обумовлена потужністю і пропускною спроможністю, чим нижче допустима потужність – тим дешевше буде регулятор, підбір здійснюється індивідуально. Дуже важливо прямо на місці перевірити трансформатор на його відповідність заданим характеристикам. Терміни роботи пристрою – до 10 років залежно від того, якої потужності купити трансформатор струму, міжповірочний інтервал приладу 220 220 – 2 роки.

Трансформатори, їх види і призначення

Що таке трансформатор
Принцип роботи трансформатора
види трансформаторів
Режими роботи трансформатора
Рівняння ідеального трансформатора
магнитопровод трансформатора
обмотка трансформатора
застосування трансформаторів
схема трансформатора

Що таке трансформатор

Трансформатор являє собою пристрій, який перетворює напругу змінного струму (підвищує або знижує). Складається трансформатор з декількох обмоток (двох або більше), які намотані на загальний феромагнітний сердечник. Якщо трансформатор складається тільки з однієї обмотки, то він називається автотрансформатором. Сучасні трансформатори струму бувають: стрижневими, броньованими або 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 в трансформаторах стрижневого типу обмотка включається в сердечник. У трансформаторі стрижневого типу обмотки добре видно, а з сердечника видно тільки нижня і верхня частина. Сердечник броньового трансформатора приховує в собі практично всю обмотку. Обмотки трансформатора стрижневого типу розташовані горизонтально, в той час як це розташування в броньовий трансформаторі може бути як вертикальним, так і горизонтальним.

Незалежно від типу трансформатора, до його складу входять такі три функціональні частини: магнітна система трансформатора (магнітопровід), обмотки, а також система охолодження.

Принцип роботи трансформатора

У трансформаторі прийнято виділяти первинну і вторинну обмотку. До первинної обмотці напруга підводиться, а від вторинної відводиться. Дія трансформатора засновано на законі Фарадея (законі електромагнітної індукції): що змінюється в часі магнітної потік через площадку, обмежену контуром, створює електрорушійну силу. Справедливо також зворотне твердження: змінюється електричний струм індукує змінюється магнітне поле.

У трансформаторі є дві обмотки: первинна і вторинна. Первинна обмотка одержує заживлення від зовнішнього джерела, а з вторинної обмотки напруга знімається. Змінний струм первинної обмотки створює в муздрамтеатрі змінне магнітне поле, яке, в свою чергу, створює струм у вторинній обмотці.

Режими роботи трансформатора

Існують такі 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 магнітомягкого матеріалу, тоді струм холостого ходу показує, які в трансформаторі відбуваються втрати на перемагнічування сердечника і вихрові струми.

У режимі короткого замикання висновки вторинної обмотки з’єднані між собою накоротко, а на первинну обмотку подають невелика напруга, з таким розрахунком, щоб струм короткого замикання дорівнював номінального струму трансформатора. Величину втрат (потужність) можна порахувати, якщо напруга у вторинній обмотці помножити на струм короткого замикання. Такий режим трансформатора знаходить своє технічне застосування в вимірювальних трансформаторах.

Якщо підключити навантаження до вторинної обмотці, то в ній виникає струм, що індукує магнітний потік, спрямований протилежно магнітному потоку в первинній обмотці. Тепер в первинній обмотці ЕРС джерела живлення і ЕРС індукції харчування не рівні, тому струм в первинній обмотці збільшується до тих пір, поки магнітний потік не досягне колишнього значення.

Для трансформатора в режимі активного навантаження справедливо 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 в первинній і вторинній обмотці. Якщо U2> U1, трансформатор називається що підвищує, в іншому випадку перед нами понижуючий трансформатор. Будь-трансформатор прийнято характеризувати числом k, де k – коефіцієнт трансформації.

види трансформаторів

Залежно від свого застосування і характеристик трансформатори бувають декількох видів. Наприклад, в електричних мережах населених пунктів, промислових підприємств застосовують трансформатори силові, основним завданням яких є зниження напруги в мережі до загальноприйнятого – 220 В.

Якщо трансформатор призначений для регулювання струму, він називається трансформатор струму, а якщо пристрій регулює напругу – то це трансформатор напруги. У звичайних мережах застосовуються однофазні трансформатори, в мережах на три дроти (фаза, нуль, заземлення) потрібен трифазний трансформатор.

Побутовий трансформатор, 220В призначається для захисту побутової техніки від перепадів напруги.

Зварювальний трансформатор призначений для поділу зварювальної і силової мережі, для зниження напруги в мережі до потрібної для зварювання величини.

Масляний трансформатор призначається для використання в мережах з напругою вище 6 000 Вольт. Конструкція трансформатора включає в себе: магнітопровід, обмотки, бак, а також кришки з вводами. Магнитопровод складається з 2 листів електротехнічної сталі, які ізольовані один від одного, обмотки, як правило, роблять з алюмінієвого або мідного дроту. Регулювання напруги проводиться за допомогою відгалуження, яке з’єднується з перемикачем.

Існує два види перемикання відгалужень: перемикання під навантаженням – РПН (регулювання під навантаженням), а також без навантаження, після того, як трансформатор відключений від зовнішньої мережі (ПБЗ, або перемикання без збудження). Більшого поширення отримав другий спосіб регулювання напруги.

Говорячи про види трансформаторів, не можна не розповісти про електронний трансформаторі. Електронний трансформатор являє собою спеціалізований джерело живлення, який служить для перетворення напруги 220В в 12 (24) В, при великої потужності. Електронний трансформатор набагато менше звичайного, при тих же самих параметрах навантаження.

Рівняння ідеального трансформатора

Для того щоб розрахувати основні характеристики трансформаторів, прийнято користуватися простими рівняннями, які знає кожен сучасний школяр. Для цього використовують поняття ідеального трансформатора. Ідеальним трансформатором називається такий трансформатор, в якому немає втрат енергії на нагрів обмоток і вихрові струми. В ідеальному трансформаторі енергія первинного кола перетворюється повністю в енергію магнітного поля, а потім – в енергію вторинної обмотки. Саме тому ми можемо написати:
P1 = I1 * U1 = P2 = I2 * U2,
де P1, P2 – потужності електричного струму в первинної та вторинної обмотці відповідно.

магнитопровод трансформатора

Магнитопровод є пластини з електротехнічної сталі, які концентрують в собі магнітне поле трансформатора. Повністю зібрана система з деталями, скріпними трансформатор в єдине ціле – це остов трансформатора. Та частина муздрамтеатру, на якій кріпляться обмотки, називається стрижнем трансформатора. Частина муздрамтеатру, яка не несе на собі обмотку і замикає магнітний ланцюг, називається ярмом.

У трансформаторі стрижні можуть розташовуватися по-різному, тому виділяють такі чотири типи магнитопроводов (магнітних систем): плоска магнітна система, просторова магнітна система, симетрична магнітна система, несиметрична магнітна система.

обмотка трансформатора

Тепер поговоримо про обмотці трансформатора. Основна частина обмотки – виток, який одноразово охоплює муздрамтеатр і в якому індукується магнітне поле. Під обмоткою розуміють суму витків, ЕРС всієї обмотки дорівнює сумі ЕРС в кожному витку.

У силових трансформаторах обмотка зазвичай складається з провідників, що мають квадратний перетин. Такий провідник по-іншому ще називається жилою. Провідник квадратного перетину використовується для того, щоб більш ефективно використовувати простір усередині сердечника. В якості ізоляції кожної жили може використовуватися або папір, або емалевий лак. Дві жили можуть бути з’єднані між собою, і мати одну ізоляцію – така конструкція називається кабелем.

Обмотки бувають наступних типів: основні, регулюючі та допоміжні. Основний називається обмотка, до якої підводиться або від якої відводиться струм (первинна і вторинна обмотка). Обмотка з висновками для регулювання коефіцієнта трансформації напруги називається регулюючої.

застосування трансформаторів

З курсу шкільної фізики відомо, що втрати потужності в проводах прямо пропорційні квадрату сили струму. Тому для передачі струму на великі відстані напругу підвищують, а перед подачею споживачеві навпаки, знижують. У першому випадку потрібні підвищувальні трансформатори, а в другому – понижуючі. Це основне застосування трансформаторів.

Трансформатори застосовуються також в схемах живлення побутових приладів. Наприклад, в телевізорах застосовують трансформатори, що мають кілька обмоток (для харчування схем, транзисторів, кінескопа, і т.д.).

схема трансформатора

1. Ізоляція трансформатора на основі безматрічний вакуумного просочення і працює в середовищі з високою вологістю повітря і в хімічно агресивною атмосфері.
2. Мінімальна виділення енергії горіння (наприклад, 43 кг для трансформатора 1600 кВА відповідають 1,1% ваги). Інші ізоляційні матеріали є практично негорючими, самозатухаючим і не містять будь-яких токсичних добавок.
3. Стійкість трансформатора до забруднень завдяки конвекційним самоочисним дискам обмотки.
4. Велика довжина витоку по поверхні дисків обмотки, які створюють ефект ізоляційних бар’єрів.
5. Стійкість трансформатора до температурної ударного навантаження навіть при вкрай низьких температурах (-50 ° С).
6. Керамічні блоки прокладки (без можливості загоряння) між дисками обмотки.
7. Ізоляція провідників скло-шовк.
8. Безпека експлуатації трансформатора завдяки спеціальній структурі обмотки Вплив напруги на ізоляцію ніколи не перевищує напруга ізоляції (не більше 10 В). Часткові розряди в ізоляції фізично неможливі.
9. Охолодження трансформатора забезпечується вертикальними і горизонтальних каналах охолодження, а мінімальна товщина ізоляції забезпечують можливість роботи трансформатора при великих короткочасних перевантаженнях в захисному корпусі IP 45 без примусового охолодження.
10. Ізоляційний циліндр зроблений і практично негорючого і самозагасаючого матеріалу, армованого скловолокном.
11. Обмотка низької напруги з стандартного дроти або фольги; в якості матеріалу обмотки використовується мідь.
12. Динамічна стійкість трансформатора до коротких замикань забезпечується керамічними ізоляторами.