1.                 Процесс намагничивания магнитопровода трансформатора

Особенности строения сердечника трансформатора

Трансформатор служит для преобразования напряжения переменного тока. Он состоит из сердечника с двумя или несколькими обмотками. На одну из катушек подаётся переменное напряжение. Проходящий при этом через неё ток, вызывает изменение во времени магнитного потока в сердечнике.
Этот поток пронизывает все обмотки и по закону электромагнитной индукции наводит в них ЭДС. В зависимости от соотношения числа витков в катушках исходное напряжение во вторичной обмотке повышается или понижается в сравнении с поданным.

Сердечник необходим для более эффективной трансформации напряжения уменьшения потерь на рассеянии.

Сердечник трансформатора испытывает значительное воздействие переменного магнитного поля. Это приводит к возникновению вихревых токов. В результате происходит нагревание магнитопровода что приводит к потерям энергии.

Изготавливаются сердечники из стали, перемагничивание которой также приводит к бесполезному расходованию электроэнергии.

Трансформатор тока в магнитном поле

 Первичным преобразователем тока в приборах учета электроэнергии часто является трансформатор тока. При воздействии на него постоянным магнитным полем трансформатор, как и весь электросчетчик в целом, приобретает отрицательную погрешность. В статье приведены результаты исследования поведения трансформатора тока при воздействии на него внешнего постоянного магнитного поля разной индукции.

Ключевые слова: трансформатор тока, счетчик электроэнергии, магнитное поле, постоянный магнит, насыщение, погрешность

В настоящее время одним из распространенных способов воровства электроэнергии является применение постоянных магнитов, которые устанавливают в непосредственной близости от электросчетчика. В этом случае в электронных счетчиках может переставать функционировать источник питания, но особенно сильно это влияет на счетчики, в которых в качестве датчика тока используется токовый трансформатор (ТТ). Магнитопровод ТТ под воздействием сильного постоянного магнитного поля насыщается, вследствие чего ТТ приобретает отрицательную погрешность. В данной статье описаны эксперименты с ТТ в постоянном магнитном поле и показано как именно и насколько влияет воздействие магнитного поля на работу ТТ, а также как при этом изменится учтенная электроэнергия, если такой ТТ установлен в счетчике электроэнергии.

1. Устройство трансформатора тока, принцип работы

Трансформатор тока (ТТ) — электромагнитное устройство, преобразующее переменный ток одной величины в переменный ток другой величины. Конструктивно он представляет собой магнитопровод с намотанными на него двумя обмотками — первичной и вторичной. По первичной обмотке трансформатора тока проходит ток I1 называемый первичным током. Если вторичная обмотка замкнута на некоторую нагрузку, т. е. к ней присоединена вторичная цепь, то в такой системе «вторичная обмотка — вторичная цепь» под действием индуцируемой э. д. с. будет проходить ток I2 — вторичный [1]. Соотношение первичного и вторичного токов определяется коэффициентом трансформации, который в свою очередь определяется соотношением числа витков первичной и вторичной обмоток

(1)

Здесь , — первичный и вторичный токи; N1, N2 — число витков первичной и вторичной обмоток, k — коэффициент трансформации. В измерительных трансформаторах тока, которые используются в счетчиках электроэнергии, первичной обмоткой обычно является токоведущий провод или шина с измеряемым током, который проходит через центр сердечника, имеющего форму тора. Вторичная обмотка намотана на сердечник и имеет число витков от нескольких десятков до нескольких тысяч. При этом вторичный ток оказывается меньше вторичного в k раз и подается на измерительные цепи внутри счетчика. Важно, что вторичная обмотка должна быть замкнута на номинальное сопротивление, которое составляет несколько единиц или десятков Ом, в зависимости от ТТ.

Трансформатор тока, как и любой другой измерительный преобразователь, имеет погрешности. Вследствие влияния тока намагничивания, а также рассеяния магнитного потока и потерь на перемагничивание магнитопровода реальный вторичный ток ТТ отличается от идеального , определяемого по формуле (1), согласно которой . Причем реальный вторичный ток отличается от идеального как по величине (амплитуде, среднеквадратическому значению), так и по фазе. Поэтому различают токовую и угловую погрешности ТТ [1]. Если представить идеальный и реальный вторичный ток в виде комплексных чисел, то формально погрешности можно определить как:

(2)

(3)

Здесь — относительная токовая погрешность, — угловая погрешность. — среднеквадратическое значение тока, — фаза тока.

1. Работа ТТ вмагнитном поле

При воздействии на ТТ внешнего постоянного магнитного поля магнитопровод насыщается, уменьшается его магнитная проницаемость. При этом магнитная связь между первичной и вторичной обмотками ослабевает, и ТТ приобретает отрицательную погрешность.

Типовая характеристика намагничивания аморфного железа, из которого чаще всего изготавливают магнитопровод трансформатора тока, показана на рисунке 1 [2].

Рис. 1. Петля магнитного гистерезиса аморфного сплава ГМ515В

Видно, что при достижении напряженностью магнитного поля Н определенного значения магнитная индукция B перестает увеличиваться и остается равной величине индукции насыщения, которая определяется видом магнитного материала. То есть магнитный материал насыщается, и его магнитная проницаемость значительно уменьшается. Это значит, что уменьшается и коэффициент передачи ТТ . Магнитная индукция в магнитопроводе складывается из переменной составляющей, вызванной первичным током, а также постоянной составляющей, которая определяется внешним магнитным полем. При небольшом значении индукции внешнего магнитного поля трансформатор доходит до насыщения только в определенные фазы, когда первичный ток и порождаемое им магнитное поле имеет наибольшее мгновенное значение. В эти моменты суммарная магнитная индукция в магнитопроводе достигает значения индукции насыщения. Это приводит к тому, что вторичный ток искажается и его среднеквадратическое значение уменьшается по сравнению с величиной без внешнего магнитного поля. При дальнейшем увеличении внешнего магнитного поля магнитопровод насыщается сильнее, для более широкого диапазона мгновенных значений первичного тока. При большой индукции внешнего магнитного поля, близкой к индукции насыщения, магнитопровод оказывается в насыщении для любого значения первичного тока, и ТТ становится по характеристикам близким к воздушному трансформатору с магнитной проницаемостью около единицы. Вторичный ток при этом падает практически до нуля.

Для оценки токовой погрешности был проведен эксперимент. Был взят трансформатор тока DCT104W с максимальным первичным током 100А. Его номинальная нагрузка составляет 12 Ом, коэффициент трансформации 2500. Первичный ток, подаваемый на трансформатор, в эксперименте задавался с измерительного генератора УППУ-МЭ 3.1 [3]. Величина заданного тока в данном эксперименте была равной .

Поскольку вторичная обмотка ТТ замкнута на номинальную нагрузку (резистор ), то для оценки погрешности удобнее измерять падение напряжения на нем, которое в любом случае пропорционально вторичному току. Измерения напряжения производились мультиметром. Идеальное значение рассчитывалось исходя из коэффициента трансформации ТТ (формула 1), заданного первичного тока и значения сопротивления нагрузки (резистор использовался прецизионный, класса 0.1).

(4)

Относительная токовая погрешность трансформатора при воздействии магнитного поля определялась по формуле

(5)

— измеренное напряжение на нагрузочном резисторе при воздействии постоянного внешнего магнитного поля.

В качестве источника магнитного поля использовался неодимовый магнит с силой сцепления 100 кг. Он подносился к трансформатору тока на разное расстояние, которое регулировалось. Схема экспериментальной установки показана на рисунке 2.

Рис. 2. Схема экспериментальной установки, определение токовой погрешности

График зависимости относительной токовой погрешности трансформатора тока, вызванной постоянным внешним магнитным полем от расстояния до магнита приведен на рисунке 3.

Рис. 3. Зависимость относительной токовой погрешности ТТ от расстояния до магнита

Из графика видно, что уже начиная с расстояния 22–23мм между магнитом и ТТ токовая погрешность трансформатора начинает стремительно увеличиваться и достигает -92 % в случае, когда магнит расположен вплотную к нему.

Кроме этого была измерена разница фаз между первичным и вторичным током. Для измерения использовались пропорциональные этим токам и синфазные с ними напряжения, соответственно на шунте в первичной обмотке и на нагрузочном резисторе во вторичной (рисунок 4).

Рис. 4. Схема экспериментальной установки, определение угловой погрешности

Согласно [1], разница фаз между первичным и вторичным током должна составлять в идеальном случае 180°. Однако измерения показали, что при воздействии постоянного внешнего магнитного поля она достигает , то есть трансформатор тока по сути превращается в воздушный трансформатор, как было отмечено выше. График зависимости угловой погрешности от расстояния до магнита показан на рисунке 5. Оценка разницы фаз проводилась по разнице времени прохождения обоими сигналами нуля на осциллограмме.

Рис. 5. Зависимость угловой погрешности ТТ от расстояния до магнита

Как было показано выше, при малой индукции внешнего магнитного поля (расстоянии до магнита 23–23 мм и больше) магнитопровод не доходит до стадии насыщения и характеристики ТТ не меняются. При уменьшении расстояния от магнита до ТТ до 15–20 мм в определенных фазах первичного тока магнитопровод начинает насыщаться, что приводит к появлению значительно токовой (до 70 %) и угловой (до 80°) погрешностей. Когда магнит поднесен к ТТ на расстояние 10мм и ближе, магнитопровод оказывается в состоянии насыщения практически при любом первичном токе и ТТ работает как воздушный трансформатор. Токовая погрешность при этом более 90 %, угловая — 90°.

Известно, что активная электрическая мощность пропорциональна напряжению, току и косинусу разницы фаз между ними, то есть

(6)

Если датчик тока в приборе, измеряющем мощность — токовый трансформатор, и он дает значительную отрицательную токовую погрешность, а также угловую погрешность, то результат измерения мощности также будет иметь значительную отрицательную погрешность (так как будут меняться и в формуле 6).

Если ТТ при наличии внешнего постоянного магнитного поля дает измерение тока с погрешностью по амплитуде и фазе в соответствии с графиками, показанными на рисунках 3 и 5, то относительная погрешность измерения мощности прибором с использованием такого ТТ в зависимости от расстояния до магнита будет иметь вид, показанный на рисунке 6.

Рис. 6. Зависимость относительной погрешности активной мощности от расстояния до магнита

Из графика, показанного на рисунке 6, видно, что при расстоянии до магнита 15мм и ближе погрешность измерения активной электрической мощности близка к 100 %. За счет этого эффекта и осуществляется кража электроэнергии, когда сильный постоянный магнит устанавливают непосредственно на прибор учета электроэнергии.
Заключение
Таким образом, проведенные эксперименты показали, что если в приборе учета электроэнергии в качестве датчика тока используется токовый трансформатор, то с помощью сильного постоянного магнита можно добиться того, что потребляемая электроэнергия практически не будет учитываться прибором. В экспериментах показано, что при использовании трансформатора тока DCT104W достаточно поднести неодимовый магнит с силой сцепления 100 кг на расстояние 15 мм для достижения указанного эффекта. Очевидно, что при использовании более сильного магнита будет достаточно и большего расстояния. Поэтому для защиты от кражи электроэнергии таким способом недостаточно просто увеличивать расстояние между трансформатором тока и стенкой корпуса прибора: все равно найдется такой магнит, который будет способен ввести в насыщения трансформатор. Для защиты от указанного вида воровства следует применять специальные электронные схемы, экраны, либо датчики тока другого вида.

Литература:

1. Афанасьев В. В., Адоньев Н. М., Кибель В. М. и др. Трансформаторы тока (2-е издание); Л.: Энергоатомоиздат. Ленинградское отделение, 1989.
2. Аморфные металлические материалы. Силовая электроника, № 2, 2009. [Электронный ресурс]. https://www.power-e.ru/2009_2_86.php (дата обращения 15.04.2017г.)
3. Установка поверочная универсальная «УППУ-МЭ». Паспорт, МС2.702.500.ПС, 2014.

Как уменьшить потери

Величина потерь на перемагничивание зависит от нескольких факторов:

• свойств вещества из которого изготовлен сердечник. Материалы плохо поддающиеся намагничиванию, так же с трудом перемагничиваются. И тем большая энергия расходуется, что выражается в нагревании;
• частоты перемагничивания;
• наибольшего значения магнитной индукции.

Потери уменьшают за счёт использования специальной трансформаторной стали. Она требует меньшую энергию на перемагничивание в сравнении с другими веществами.

Вихревые токи достигают наибольших значений в массивных проводниках из-за их малого сопротивления. Для их уменьшения необходимо увеличить электрическое сопротивление. Этого достигают за счёт набора сердечника из отдельных листов. Толщина стальных пластин выбирается не более 0,5 мм.

Чтобы при нагревании листы между собой не сплавились, для снижения потерь на вихревые токи пластины изолируют друг от друга. В качестве разделителя используют лак, окалину. Существуют химические способы изоляции стальных листов. Прослойки оказывают вихревым токам сильное сопротивление, купируют их действие, что значительно снижает энергопотери.

Какие они, трансформаторы будущего

Считается, что трансформаторная отрасль весьма консервативна. Тем не менее и ей приходится считаться с революционными изменениями в области электротехники, где все громче о себе заявляют нанотехнологии. Как и множество других устройств, они постепенно «умнеют».

Элегазовые трансформаторы

Активно ведется поиск новых конструкционных материалов – изоляционных и магнитных, способных обеспечить более высокую надежность трансформаторного оборудования. Одним из направлений может стать использование аморфных материалов, что значительно повысит его пожарную безопасность и надежность.

Появятся взрыво- и пожаробезопасные трансформаторы, в которых хлордифенилы, используемые для пропитки электроизоляционных материалов, будут заменены нетоксичными жидкими, экологически безопасными диэлектриками.

Элегазовые трансформаторы

Примером тому — элегазовые силовые трансформаторы, где функцию хладагента выполняет негорючий элегаз гексафторид серы, вместо далеко не безопасного трансформаторного масла.

Вопрос времени – создание «умных» электросетей, оснащенных полупроводниковыми твердотельными трансформаторами с электронным управлением, с помощью которых появится возможность регулировать напряжение в зависимости от потребностей потребителей, в частности, подключать к домашней сети возобновляемые и промышленные источники питания, или наоборот отключать лишние, когда в них нет необходимости.

Еще одно перспективное направление – низкотемпературные сверхпроводимые трансформаторы. Работа по их созданию началась еще в 60-е годы. Главная проблема, с которой столкнулись ученые – огромные размеры криогенных систем, необходимых для изготовления жидкого гелия. Все изменилось в 1986 году, когда были открыты сверхпроводниковые высокотемпературные материалы. Благодаря им, появилась возможность отказаться от громоздких охлаждающих устройств.

Трансформатор с полупроводниковым преобразователем

Сверхпроводимые трансформаторы обладают уникальным качеством: при высокой плотности тока потери в них минимальны, зато, когда ток достигает критических значений, сопротивление от нулевого уровня резко увеличивается.

Основные виды сердечников

Трансформаторы имеют различные сферы применения, технические характеристики, габариты. Они отличаются и по типу магнитопроводов. Конструктивно сердечники разделены на три основных вида:
Стержневой сердечник сконструирован в виде буквы П и состоит из двух стержней, соединённых ярмом. При необходимости защитить обмотки от внешних воздействий используют броневые магнитопроводы. Ярмо находится с внешней части и полностью закрывает, расположенный внутри стержень с обмоткой.

Сердечники классифицируют так же по способу сборки пластин:

• наборка из штампованных пластин. К преимуществам магнитопроводов из листов относят возможность их изготовление из не очень прочных материалов;
• навитые металлические ленты. Такие сердечники более полно используют магнитную энергию, но при этом имеют повышенный уровень потерь. Тороидальная намотка лент самая сложная, но энергетически наиболее выгодная.

Имеются различия в соединении стержней с ярмом. Их собирают двумя способами:

• встык, когда все элементы собираются из пластин отдельно. Соединяются в единый сердечник на последнем этапе сборки трансформатора: после того, как уложены обмотки;
• впереплёт. Такие магнитопроводы называют шихтованными. Они почти не имеют потерь в местах соединения.

Трансформаторы напряжения

Это, пожалуй, наиболее многочисленная разновидность семейства трансформаторов. В двух словах, их основная функция – сделать произведенную на электростанциях энергию доступной для потребления различными устройствами. Для этого существует система передачи электроэнергии, состоящая из повышающих и понижающих трансформаторных подстанций и линий электропередач.

Вначале электроэнергия, произведенная электростанцией, подается на повышающую трансформаторную подстанцию (к примеру, с 12 до 500 кВ). Это необходимо для того, чтобы компенсировать неизбежные потери электроэнергии при передаче на большие расстояния.

Следующий этап – понижающая подстанция, откуда электроэнергия уже по низковольтной линии подается на понижающий трансформатор и далее к потребителю в виде напряжения 220 в.

Но на этом работа трансформаторов не заканчивается. В большинстве окружающих нас бытовых электроприборов — в ПК, телевизорах, принтерах, стиральных машинах-автоматах, холодильниках, микроволновых печах, DVD и даже в энергосберегающих лампочках установлены понижающие трансформаторы. Пример индивидуального «карманного» трансформатора – зарядное устройство мобильного телефона (смартфона).

Гигантскому разнообразию современных электронных устройств и выполняемых ими функций соответствует множество различных типов трансформаторов. Это далеко не полный их список: силовые, импульсные, сварочные, разделительные, согласующие, вращающиеся, трехфазные, пик-трансформаторы, трансформаторы тока, тороидальные, стержневые и броневые.

Особенности импульсных нагрузок

Для приборов несущих импульсную нагрузку применяют специальные трансформаторы. Они способны преобразовать напряжение и силу тока при импульсных нагрузках и выдержать их разрушающее действие. Типы сердечников импульсных трансформаторов по форме не отличаются от других видов приборов.

Наиболее часто магнитопровод изготавливают в виде тора из феррита. На него наматываются обмотки особым способом: в первичной витку укладываются против часовой стрелки, а во вторичной – по часовой.

Такой трансформатор можно изготовить самостоятельно, необходимо только учесть требования сохранения импульса.

Область применения

Бытовые приборы имеют контакт с заземлением посредством нейтрального провода. Одновременное касание потребителем тока фазы и нулевой цепи ведет к замыканию контура и травме. Подключение через разделительный трансформатор позволяет обезопасить человека, т. к. вторичная обмотка не контактирует с землей.

Импульсные агрегаты используются при передаче прямоугольного толчка и трансформации коротких сигналов при нагрузке. На выходе изменяется полярность и амплитуда тока, но остается неизменным напряжение.

Измерительное оборудование постоянного тока является магнитным усилителем. Изменять переменное напряжение помогает направленное движение электронов небольшой мощности. Выпрямитель поставляет постоянную энергию и зависит от значений входного электричества.

Силовые агрегаты широко используются в генераторах тока малой величины, мощности, показатели в дизелях имеют средние значения. Трансформаторы монтируют последовательно с нагрузкой, прибор подключается к источнику первичной обмоткой, вторичный контур выдает преобразованную энергию. Значение выходного тока прямо пропорционально нагрузке. Используется оборудование с 3 магнитными стержнями, если генератор трехфазного тока.

Инвертирующие агрегаты имеют транзисторы одинаковой проводимости и на выходе усиливают только часть сигнала. Для полного преобразования напряжения импульс подается на оба транзистора.

Согласующее оборудование используют для подсоединения к электронным приборам с высоким сопротивлением на входе и выходе нагрузки с низким показателем прохождения электричества. Агрегаты полезны в высокочастотных линиях, где разница величин ведет к потерям энергии.

Расчёт мощности преобразователя

Каждый трансформатор имеет технические характеристики, указанные в паспорте. Бывает необходимо провести самостоятельные расчёты обмотки и мощности если данные утеряны. Значение мощности важно для определения возможности использования конкретного преобразователя.

Перед тем как определить мощность трансформатора по сечению сердечника, изучают тип магнитопровода. Если сердечник имеет Ш форму выполняют такие вычисления:

• измеряют толщину набора пластин;
• делают замер центральной части;
• перемножаются полученные результаты.

Что такое магнитопровод в трансформаторе.Зачем нужен зазор и другое

Сетевой и импульсный трансформаторы имеют сердечник или магнитопровод из разных материалов,в этой статье будет рассказано об этой детали.

Магнитопровод-это деталь трансформатора,предназначенная для прохождения магнитного потока.Этот поток в сетевом трансформаторе появляется,когда первичную-сетевую обмотку подключаем в сеть 220В,которая имеет синусоидальную форму напряжения.Возле этой катушки образуется электромагнитное поле,магнитная составляющая которого передается магнитопроводом и он становится магнитом,полюса которого изменяются 50 раз север и 50 раз юг за одну секунду.Если на магнитопровод вставить еще одну катушку-понижающую,то при подключении к ней нагрузки в ней индуцируется ЭДС.

Если измерить сопротивление сетевой обмотки ТС-180,то показания будут около 6.4Ом,а если взять резистор 6.4 Ом и включить в сеть 220В, то его разорвет или выбьет пробки.Дело в том,что сопротивление резистора активное,его как раз покажет омметр,а сопротивление сетевой обмотки при переменном напряжении 220В-реактивное,именно оно и оказывает сопротивление 220В. Сердечник в катушке увеличивает реактивное сопротивление и индуктивность обмотки.

Магнитопровод изготовлен из специальной трансформаторной стали-железа с кремнием (магнитомягкий материал),с большим удельным сопротивлением и с минимальной остаточной намагниченностью,узкой петлей гистерезиса,с высокой магнитной проницаемостью.На магнитопровод действуют токи Фуко,для их уменьшения сердечник собирают внахлест-шихтуют,а пластины изолируют друг от друга лаком или слоем оксида.Высокое удельное сопротивление сердечника тоже от токов Фуко.

Нельзя использовать в сердечнике другую сталь,она начнет нагреваться и трансформатор будет плохо работать.Сердечник может войти в насыщение,это когда магнитопровод максимально становится магнитом.В этом режиме трансформатор начнет излучать импульсные помехи,которые могут повлиять на работу радиодеталей.

Для работы в импульсных блоках питания,применяют ферритовый сердечник,который может работать на частотах десятки кГц с импульсами.Это тоже ферромагнетик,но выполнен из оксида железа и других добавок и материалов.Внахлест его не собирают,так как токи Фуко в сердечнике гасятся из-за высокого удельного сопротивления материала.Зазор делают для того,чтобы сердечник не входил в насыщение от намагниченности,которая может быть вызвана постоянной составляющей сигнала(немагнитный зазор).

Трансформаторы сетевые и импульсные, могут быть намотаны на тороидальном сердечнике для уменьшения полей рассеяния.Они более эффективны,по сравнению с обычными сердечниками,имеют меньшие габариты,но намотка на кольцах трудоемка,а на ферритовом кольце еще и зазор труднее выполнить,хотя есть в продаже кольца с зазором.

В магнитной антенне есть ферритовый сердечник.Маркировка 400НН. 400-это магнитная проницаемость,чем она выше,тем ниже рабочая частота феррита.На СВЧ сердечником в контурах служит латунь или алюминий.

Монтаж, подключение, опасные факторы

При пробое изоляции обмоток возникает возможность поражения током, но риск предотвращается заземлением вывода (обозначается на корпусе) вторички.

На выводы вторичной катушки И1 и И2 токи полярные, они обязательно постоянно подсоединены на нагрузку. Идущая по первичной цепи энергия со значительным потенциалом (S=UI). В другой происходит трансформация, и при обрыве в ней там падает напряжение. Потенциал разомкнутых концов при протекании энергии большой, что представляет значительную опасность.

По описанным выше причинам все вторичные цепи ТТ собирают особо тщательно и надежно, на них и кернах, выведенных из функционирования, всегда ставят шунтирующие закоротки.

Как подключается ТТ

Есть несколько схем для изделий защитного типа. Рассмотрим подключение ТТ на трехфазное напряжение.

Полная звезда:

• самая распространенная, защита одно- и многофазных систем от КЗ;
• три ТТ соединяются в звезду.

Если ток ниже настроек на реле КА1–КА3, то это нормальная ситуация, защита не активируется. Ток на К0 — это сумма всех 3 фаз. При возрастании величин в одной из них растет ток и в ТТ. Произойдет сработка реле при КЗ и при превышении нагрузок.

Неполная звезда:

• защита от межфазных замыканий для создания цепей с нейтралью с заземлением;
• для маломощных приемников с другими вариантами защиты.

Схема «треугольник и звезда» — для дифференциальной защиты.

Схема без обесточивания при КЗ на землю используется, но редко по этой же причине. Для защиты от замыканий между фазами и всплесков в одной из них.

ТТИ подсоединяются простым последовательным подключением первичных витков изделия.

Монтаж

Монтаж трансформаторов тока:

1. Ревизия устройства, проверка изоляции (должно быть выше 1 кОм на 1 В);
2. Отключают ЭУ;
3. Убедится в обесточивании, зафиксировать заземления.
4. Разметка, установка креплений. Запрещено размещать трансформатор вплотную к ЭУ (минимальный зазор — 10 см).
5. Выставляются таблички, ограждения.
6. Первичные витки подсоединяются последовательно, но с нагрузкой на вторичных. Если нет возможности подключить измеритель, то ее контакты замыкают, чтобы не было высоких мощностей на ней, которые приведут его повреждению.

ТТ не допускает холостого функционирования, его режим близок к КЗ: вторичные витки при подключении прибора к измеряемому току обязательно замыкаются. Иначе происходит перегревание, повреждающее изоляцию. Перед отсоединением измерителей сначала закорачивают катушки. У некоторых моделей для этого есть узлы клеммы, перемычки.

Расчет

Расчет трансформатора тока можно провести по онлайн-калькуляторам, подобрать по номиналу (например, для 10 кВ). Но это слишком упрощенные инструменты. Исчисления и параметры для выбора — чрезвычайно обширная тема, поэтому опишем основы.

Точность чрезвычайно важная, поэтому потребуются тщательные исчисления специалистами. Необходимо знать множество специфических нюансов, например:

• при разных схемах подсоединения, видах КЗ, есть разные формулы определения сопротивления;
• проверяют первичный ток на термо- и электродинамическую стойкость;
• есть свои нюансы для ТТ, для релейной защиты и для учетных целей, измерений.

Правила, как выбрать трансформатор тока в общих чертах:

• номинальное рабочее напряжение ТТ должно превышать или сравниваться с номиналом ЭУ (стандартные значения 0.66, 3, 6, 10, 15, 20, 24, 27, 35, 110, 150, 220, 330, 750 кВ). Если обслуживаемое оборудование имеет 10 кВ, то изделие должно быть рассчитано на этот показатель;
• первичный ток ТТ — больше номинального тока у ЭУ, но учитывая перегрузочную способность;
• оценивают ТТ по номинальной мощности вторичной нагрузки, которая должны превышать расчетное ее значение. (Sном>=Sнагр);
• оценивают размеры и расположение для установки, номинальные нагрузки (есть таблица), наработка до отказа, срок службы, класс точности.

Проверка после расчета

Правила:

• после расчета ТТ проверяют по загрузке при макс. и мин. значениях, протекающих через него нагрузок;
• по п. 1.5. 17 ПУЭ при макс. подключенной нагрузке ток во вторичной катушке — не менее 40 % номинала счетчика, при мин. — не менее 5 %;
• макс. загрузка должна быть от 40 %, а мин. — от 5 %, и в любом случае она не должна превышать 100 %, иначе возникнет перегрузка трансформатора;
• если рассчитанные величины макс./мин. загрузок меньше 40 % и 5 % соответственно, то надо подбирать изделие с меньшим номиналом, а если этого нельзя сделать по параметрам макс. нагрузки, надо предусмотреть монтаж двух счетчиков — для макс. и мин. нагрузки.

Немного истории

Благодаря английскому физику Майклу Фарадею в 1831 году человечество познакомилось с электромагнитной индукцией. Великому учёному не суждено было стать изобретателем трансформатора, поскольку в его опытах фигурировал постоянный ток. Прообразом устройства можно считать необычную индукционную катушку француза Г. Румкорфа, которая была представлена учёному миру в 1848-м.

В 1876 году русский электротехник П. Н. Яблочков запатентовал трансформатор переменного тока с разомкнутым сердечником. Современному виду устройство обязано англичанам братьям Гопкинсон, а также румынами К. Циперановскому и О. Блати. С их помощью конструкция приобрела замкнутый магнитопровод и сохранила схему до наших дней.

Виды магнитопроводов

Конструкция и принцип работы

Обязательными элементами практически любого устройства преобразования напряжения являются изолированные обмотки, формированные из проволоки или ленты. Они располагаются на магнитопроводе, представленном сердечником из ферромагнитного материала. Связь между катушками осуществляется при помощи магнитного потока. В случае работы с высокочастотными токами (100 и более кГц) сердечник отсутствует.

Принцип работы трансформатора

В принципе работы трансформатора сочетаются основные постулаты электромагнетизма и электромагнитной индукции. Его можно рассмотреть на примере простейшего прибора с двумя катушками и стальным сердечником. Подача переменного напряжения на первичную обмотку приводит к возникновение магнитного потока в магнитопроводе, после чего во вторичной и первичной обмотке возникает ЭДС индукции, если подключить нагрузку ко вторичной обмотке то потечёт ток. Частота напряжения на выходе остаётся неизменной, а его величина зависит от соотношения витков катушек.

Трансформаторы бывают повышающие и понижающие, что бы это определить нужно узнать коэффициент трансформации, с его помощью можно узнать какой трансформатор. Если коэффициент меньше 1 то трансформатор повышающий(также это можно определить по значениям если во вторичной обмотке больше чем в первичной то такой повышающий) и наоборот если К>1, то понижающий(если в первичной обмотке меньше витков чем во вторичной).

• U1 и U2 – напряжение в первичной и вторичной обмотки,
• N1 и N2 – количество витков в первичной и вторичной обмотке,
• I1 и I2 – ток в первичной и вторичной обмотки.

Как рассчитать

Практически любые расчеты нужно начинать с замеров сердечника. На рисунках 2, в и 3 показаны величины, которые нужно измерить у БТ в схематическом и визуальном отображении соответственно.

Рис. 2 – Измерение габаритов сердечника по схеме.

Рис. 3 – Измерение габаритов сердечника по внешнему виду.

Мощность вторичной обмотки

P2 = 2 * Pгаб – P1,

где Pгаб – габаритная мощность (Вт), P1 – мощность первичной обмотки (Вт).

Габаритную мощность

Pгаб = (n * Sс * Sо * 4,44 * f * B * j * Kм * Kс) / ((1 + n) * 100),

где n – табличный КПД трансформатора, Sс – площадь сечения магнитопровода (см²), Sо – площадь поперечного сечения окошка (см²), f – частота (равная 50 Гц), B – магнитная индукция (T), j – табличный показатель плотности тока в проводах катушек (A/мм2), Kм – коэффициент заполнения окна магнитопровода медью, Kс – …сталью.

Фактическое сечение стали

Sс = а * b,

где a – ширина стержня, b – толщина магнитопровода по рисунку 2 или 3.

Фактическая площадь сечения окна сердечника

Sо = h * c,

где h – высота окна, c – ширина окна по рисунку 2 или 3.

Величина номинального тока первичной обмотки

P1 = U1 * I1

где I1 – ток в первичной обмотке (А).

Номинальный показатель тока в обмотках

I = Sпр * j,

где Sпр – сечение провода (мм²).

Сечение проводов обмоток

Sпр = 3.14 * R²,

где I – ток в обмотке (A), R – радиус провода (мм).

Диаметр проводов обмоток без изоляции

d = 2 * √ (I / (3.14 * j))

Число витков каждой обмотки

W1 = U1 / u1

W2 = U2 / u2,

где W1 – число витков первичной, W2 – …вторичной, U1 – значение входного напряжения на первичной (В), U2 – выходного на вторичной (В), u1 – значение напряжения на одном витке первичной (В), u2 – …вторичной (В).

Количество витков, приходящихся на каждый вольт

w1 = W1 / U1

w2 = W2 / U2

Для одного и того же провода имеем одинаковые значения в обеих обмотках, то есть:

w1=w2

Максимальную мощность, которую способен дать магнитопровод

Pmax = Sc²

Режимы работы

Характеристики трансформаторов определяются условиями работы, где ключевая роль отводится сопротивлению нагрузки. За основу берутся следующие режимы:

1. Холостого хода. Выводы вторичной цепи находятся в разомкнутом состоянии, сопротивление нагрузки приравнивается бесконечности. Измерения тока намагничивания, протекающего в первичной обмотке, даёт возможность подсчитать КПД трансформатора. При помощи этого режима вычисляется коэффициент трансформации, а также потери в сердечнике;
2. Под нагрузкой (рабочий). Вторичная цепь нагружается определённым сопротивлением. Параметры протекающего по ней тока напрямую связаны с соотношением витков катушек.

3. Короткого замыкания. Концы вторичной обмотки закорочены, сопротивление нагрузки равно нулю. Режим информирует о потерях, которые вызываются нагревом обмоток, что на профессиональном языке значится «потерями в меди».

Режим короткого замыкания
Информация о поведении трансформатора в различных режимах получаются опытным путём с использованием схем замещения.

Проверка понижающего трансформатора мультиметром

Допустим, трансформатор 4-контактный – два провода с первичной обмотки и два со вторичной. Его проверка сводится к выявлению повреждений в обмотках. Чтобы установить, имеются ли таковые, для начала переведем мультиметр в режим тестирования диодов либо переставим переключатель на шкалу сопротивления. Затем проверяем одну катушку, не уделяя внимания полярности подключения щупов, так как она в данном случае абсолютно не важна. То же самое проделываем и со второй.

Низкие показания омметра укажут на исправность обмоток, отсутствие реакции тестера – на обратное.

Если принадлежность того или иного контакта к какой-либо из обмоток не известна, тогда она устанавливается в процессе проверки – сопротивление в первичной у понижающего трансформатора должно быть несколько больше.

Классификации

Трансформаторы классифицируются по ряду параметров, таким как:

• Назначение. Применяются: для изменения напряжения, измерения тока, защиты электрических цепей, как лабораторные и промежуточные устройства.
• Способ установки. В зависимости от размещения и мобильности трансформатор может быть: стационарным, переносным, внутренним, внешним, опорным, шинным.
• Число ступеней. Устройства подразделяются на одноступенчатые и каскадные.
• Номинальное напряжение. Бывают низко- и высоковольтными.
• Изоляция обмоток. Наиболее часто используется бумажно-масляная, сухая, компаундная.

Помимо этого, преобразовательные устройства разнятся типами, каждому из которых присуща своя система классификации.

Силовой

Наибольшее распространение получил силовой трансформатор. Приборы с непосредственным преобразованием переменного напряжения, рассчитанные на большую мощность, востребованы различными областями электроэнергетики. Они применяются на линиях электропередач с напряжениями 35–1150 кВ, в городских электросетях, работающих с напряжением 6 и 10 кВ, в обеспечении конечных потребителей напряжением 220/380В. С помощью устройств осуществляется питание всевозможных электроустановок и приборов в диапазоне от долей до сотен тысяч вольт.

Силовой трансформатор

Измерительные

Трансформаторы тока (ТА) понижают ток до необходимых показателей. Схема их работы отличается последовательным включением первичной обмотки и нагрузки. В то же время вторичная обмотка, находящаяся в состоянии, близком к короткому замыканию, используется для подключения измерительных приборов, исполнительных и индикаторных устройств. С помощью ТА осуществляется гальваническая развязка, что позволяет при измерениях отказаться от шунтов.

Высоковольтный ТТ(слева) и низковольтный ТТ(справа)

С помощью трансформаторов напряжения (ТН), тоже самое что и ТА только по напряжению. Помимо преобразования входных параметров, электроаппаратура и её отдельные элементы получают защиту от высокого вольтажа.

Высоковольтный ТН(слева) и низковольтный ТН(справа)

Импульсный

При необходимости преобразования сигналов импульсного характера применяются импульсные трансформаторы (ИТ). Изменяя амплитуду и полярность импульсов, устройства сохраняют их длительность и практически не затрагивают форму.

Автотрансформатор

В автотрансформаторах обмотки составляют одну цепь и взаимодействуют посредством электромагнитной и электрической связи. В отличие от других типов преобразователей, устройства могут содержать всего 3 вывода, позволяющих оперировать с различными напряжениями. Приборы выделяются высоким коэффициентом полезного действия, что особо сказывается при незначительном перепаде входного и выходного напряжения.

Однофазный(слева) и трёхфазный(справа)

Не имея гальванической развязки, представители данного типа повышают риск высоковольтного удара по нагрузке. Обязательным условием работы устройств являются надёжное заземление и низкий коэффициент трансформации. Недостаток компенсируется меньшим расходом материалов при изготовлении, компактностью и весом, стоимостью.

Разделительный

Для разделительных трансформаторов взаимодействие между обмотками исключено. Устройства повышают безопасность электрооборудования при повреждённой изоляции.

Разделительный трансформатор

Согласующий

Согласующие трансформаторы применяются для выравнивания сопротивлений между каскадами схем электроники. Сохраняя форму сигнала, они играют роль гальванической развязки.

Пик-трансформатор

С помощью пик-трансформатора синусоидальное напряжение преобразуется в импульсное. При этом импульсы меняют полярность с каждым полупериодом.

Сдвоенный дроссель

Особенностью сдвоенного дросселя является идентичность обмоток. Взаимная индукция катушек делает его более эффективным, по отношению стандартным дросселям. Устройства используются как входные фильтры в блоках питания, в звуко- и цифровой технике.

Сдвоенный дроссель

Сварочный

Помимо вышеперечисленных, существует понятие сварочные трансформаторы. Специализированные приборы для сварочных работ понижают напряжение бытовой сети при одновременном повышении тока, измеряемого тысячами ампер. Регулировка последнего осуществляется разделением обмоток на сектора, что отражается на индуктивном сопротивлении.

Сварочный трансформатор

Разновидности

Есть много видов ТТ, но в наиболее общем виде выбор трансформаторов тока учитывает, что изделия подразделяются на измерительные (ТТИ) и для защиты.

Фактор разделенияВиды

Токовый трансформатор может выполняться с возможностью открывать его, устанавливать и запирать, без отключения, в онлайн режиме.

Защитные ТТ

Трансформаторы защитные обычно релейного типа, «следят», чтобы проводящий манипуляции, влезающий в электросети электростанции, не получил смертельный удар. Внутри электросистем, создающих, транспортирующих, распределяющих энергию, для корректной работы присутствуют опасные значения. Но любое оборудование требует проверки, починки, обслуживания, поэтому оставляют «окно» безопасности в виде ТТ для специалистов-ремонтников.

Измерительные ТТ

Задача измерительного трансформатора тока ТТИ — преобразовывать величины, создавая возможность подсоединять вольтметр, амперметр, другой измеритель, не боясь, что он перегорит от чрезмерной нагрузки. При этом получают максимально точные, достоверные данные измерений. Другими словами, ТТ изолирует подключаемый девайс, не только для замеров, но и любой другой по потребности, от высоких мощностей.

Расшифровка основных параметров

Разнообразие в конструкции и широкий диапазон параметров трансформаторов привели к необходимости их маркировки по специальному стандарту. Не имея под рукой технического описания, характеристики устройства можно выяснить по нанесённой на его поверхности информации, выраженной буквенно-цифровым кодом.

Маркировка силовых трансформаторов содержит 4 блока.

Скачать и посмотреть ГОСТ 15150 можно здесь(откроется в новой вкладе в PDF формате): Смотреть файл

Расшифруем первые три блока:

Расшифровка маркировки: 1,2,3 блока

1. Первая буква «А» прикреплена за автотрансформаторами. При её отсутствии буквы «Т» и «О» соответствуют трёхфазным и однофазным трансформаторам.
2. Наличие далее буквы «Р» информирует об устройствах с расщеплённой обмоткой.
3. Третья буква означает охлаждение, масляной естественной системе охлаждения присвоена литера «М». Естественному воздушному охлаждению выделена буква «С», масляное с принудительным обдувом обозначается «Д», с принудительной циркуляцией масла – «Ц». Сочетание «ДЦ» указывает на наличие принудительной циркуляции масла с одновременным воздушным обдувом.
4. Литерой «Т» помечаются трёхобмоточные преобразователи.
5. Последний знак характеризует особенности трансформатора:

• «Н» – РПН(регулировка напряжения под нагрузкой);
• пробел – переключение без возбуждения;
• «Г» – грозозащищенный.

Цена трансформаторов

Цена трансформатора варьируется в широких пределах и зависит от множества факторов. Здесь учитывается тип и назначение, мощность и другие электрические параметры. На стоимости устройств отражается сложность производства и используемые материалы. Немаловажное значение играет защита и другие особенности.

Трансформатор известного производителя не может быть дешёвым. Однако покупатель может быть уверен, что приобретённое им устройство полностью соответствует указанным характеристикам, не выйдет из строя при первом включении и гарантированно отработает заложенный ресурс.

Высоковольтные трансформаторы можно оценивать по их мощности, то есть если мощность трансформатора 63 МВт(63000 кВА), то он стоит около 63 млн рублей, но это примерна оценка.

Видео: Как проверить исправность трансформатора

Классификация установок

Деление оборудования на классы зависит от различных параметров.

Оно может осуществляться по:

1. Назначению;
2. Способу установки;
3. Числу ступеней;
4. Типу изоляции;
5. Номинальному напряжению.

Исходя из особенностей использования приборы бывают:

• Измерительными;
• Защитными;
• Промежуточными.

Причем первые подразделяются на трансформаторы тока и напряжения.

Смотрим видео, принцип работы и виды трансформаторов:

Что касается установки, то такое оборудование может быть расположено не только в закрытых помещениях, но и на улице. Поэтому исходя из этого параметра различают приборы следующих типов:

1. Наружные;
2. Внутренние;
3. Стационарные;
4. Переносные.

Изоляция обмоток у трансформаторов может быть, как сухой, так и бумажно-масляной или компаундной. Имеются отличия и в числе ступеней. В зависимости от этого параметра устройства делятся на:

• Одноступенчатые;
• Каскадные.

Еще одной отличительной чертой различных моделей может быть номинальное напряжение. Согласно его значению, трансформаторы классифицируются на низко- и высоковольтные.

Кроме того, силовые устройства могут подключаться к одно или трехфазным электросетям.

Высоковольтные трансформаторы чаще всего имеют масляное охлаждение. Приборы этой серии отличаются высоким КПД и хорошими показателями защиты от перегрева. Они требуют минимального обслуживания в процессе эксплуатации.

По конструктивному исполнению силовые трансформаторы делятся на имеющие следующие типы вводов:

• С главной изоляцией фарфоровой покрышки;
• С маслобарьерной;
• С бумажно-масляной;
• С полимерной.
• Конденсаторные проходные;

Характеристики и расчет трансформатора

Обычно основные параметры прибора указываются в технической документации, входящей в его комплектацию. Для трансформаторов таковыми являются:

• Мощность и напряжение (номинальные);
• Максимальный ток обмотки;
• Габариты;
• Масса.

Рассмотрим более подробно, что они обозначают. Номинальная мощность устройства рассчитывается и указывается производителем. Она выражается в киловольт-амперах.

Номинальное напряжение состоит из первичного, на которое рассчитана соответствующая обмотка и вторичного, измеряемого на зажимах. Величина этого параметра может изменяться до 5% в сторону уменьшения или увеличения. Определить ее можно выполнив упрощенный расчет силового трансформатора.

Смотрим видео, делаем правильный расчет:

Номинальные мощность и ток прибора должны соответствовать существующим ГОСТам. Сегодня выпускаются сухие модели, у которых этот показатель может иметь следующее значение:

• 160;
• 250;
• 400;
• 630 кВА.

Мощность прибора обычно указывается в паспорте прибора, а зная ее можно вычислить номинальное значение тока. Для этого используется следующая формула:

I=S√3U, где величины S и U обозначают номинальную мощность и напряжение.

Исходя из того для какой из обмоток рассчитывается значение тока будут изменяться и входящие в формулу величины. Расчет мощности силового трансформатора по нагрузке лучше доверить специалистам. Это позволит избежать неприятных моментов в процессе эксплуатации.

Кроме этого номинальными напряжениями считают значение линейной величины при холостом ходе на обеих обмотках. Значения токов рассчитываются по мощности прибора. Выбирая оборудование следует учитывать, что расчет силового тороидального трансформатора будет несколько отличаться от приведенного выше. Найти информацию по этому вопросу можно в сети.

Особенности монтажа и эксплуатации

Большинство моделей силового оборудования имеют значительный вес. Поэтому на место установки они доставляются специальным транспортом. Причем поставка оборудования осуществляется в собранном виде и полностью готовым к включению.

Смотрим видео, запуск и диагностика оборудования:

Монтаж прибора осуществляется на заранее подготовленный фундамент или в специальное помещение. Чтобы при установке устройства не образовывались воздушные мешки под крышкой бака со стороны расширите под катки укладывают стальные пластинки. Их толщина должна быть такой, чтобы получился подъем в 1% по узкой и 1,5% по широкой стороне трансформатора. Длина прокладок начинает от 150 мм. Если вес прибора не превышает 2 тонн, то он устанавливается непосредственно на фундамент. Его корпус при этом обязательно присоединяется к сети заземления.

Однако, следует помнить, что перед установкой прибор проходит испытания в лабораторных условиях. В процессе проведения этих работ производят измерение коэффициента трансформации, проверку качественного выполнения соединений. А также испытывают устройство повышенным напряжением изоляции, проверяют соответствие трансформаторного масла.

После доставки на объект прибор подвергается внешнему осмотру. При этом обращают внимание на отсутствие протечки масла, посторонних шумов в процессе работы. Проверяется состояние проходных изоляторов и контактных соединений на предмет из нагрева.

После запуска трансформатора необходимо периодически осуществлять контроль температуры. Измерения выполняют при помощи стеклянных термометров. Они погружаются в специальную гильзу, расположенную на крышке прибора. Температура здесь не должна превышать 95°C.

Чтобы избежать аварийных ситуаций в работе трансформатора необходимо регулярно замерять нагрузки. Это позволит определить перекосы по фазам, ведущие к искажению напряжений. Осмотр оборудования без его отключения должен выполняться каждый полгода. Но в зависимости от состояния прибора сроки могут изменяться.

Что такое сердечник трансформатора: строение и виды магнитопроводов

Трансформатор устанавливают в электрических сетях для преобразования напряжения переменного тока. Главные части устройства – это сердечник и обмотки. Обмотки – это катушки, которые наматываются из проводящего металла на сердечник. В этих целях чаще всего используют медь или алюминий. Под нагрузкой на первичную обмотку подается напряжение. Ток пронизывает обмотку и приводит к возникновению магнитного потока в сердечнике. В результате во второй обмотке также возникает напряжение. А его величина зависит от количества витков проволоки на первичной и вторичной обмотке.

Назначение и применение

Броневые трансформаторы – не трудоемкие и дешевые в изготовлении, и для сигнальных малых/средних по мощности (до 100 Вт) трансформаторов обычно выбирают именно броневой тип. БТ, однако, и самые чувствительные к наводкам, к тому же им свойственна большая индуктивность рассеяния. Серии ШЛ и ШЛМ применяют, когда нужны наименьший вес, номинальные мощности не больше 100 Вт и частота 400 Гц (ШЛ) или 50 Гц (ШЛМ). Серию ШЛО используют в условиях низких напряжений на частотах от 1-го до 5-ти кГц и высоких – на частотах от 50-ти Гц до 5-ти кГц.

Советский ленточный малогабаритный маломощный трансформатор – ТПП – выделяется низкими напряжениями на вторичных обмотках. ТПП отлично проявляют себя в схемах бытовых приборов, в радиоэлектронных и коммуникационных приспособлениях, компьютерных системах, питающихся от промышленных и специальных сетей с переменным током под напряжениями 40, 115, 127 и 220 В и частотой 50 или 400 Гц. Им свойственен обширный спектр напряжений и токов при мощности до 500 ВА.

Что такое магнитопровод трансформатора и зачем он нужен?

Магнитопровод или сердечник трансформатора позволяет более эффективно преобразовывать напряжение, уменьшая при этом потери. Для изготовления сердечников используют специальную ферромагнитную сталь.

Виды сердечников трансформатора

Сердечники по строению разделяют на:

Стержневой сердечник имеет вид буквы П. Обмотки насаживаются на стержни, а сами стержни соединяются ярмом. Такая конструкция магнитопровода позволяет легко осматривать и ремонтировать обмотки. Поэтому такой тип характерен для средних и мощных трансформаторов.

Броневой сердечник Ш-образной формы. Обмотки находятся на центральном стержне. Броневые трансформаторы сложнее в производстве. И ремонтировать обмотки в них не так просто, как в стержневых.

Тороидальный сердечник имеет вид кольца с сечением прямоугольной формы. Обмотки наматываются прямо на него. Поэтому этот тип сердечников считается самым энергетически эффективным.

а – стержневой сердечник, б – броневой сердечник, в – тороидальный сердечник.

Эквивалентная схема трансформатора

Для расчёта электрических параметров трансформатора применяют различные эквивалентные схемы. Данные схемы должны соответствовать следующим условиям:

• схема должна учитывать наиболее существенные электромагнитные процессы и обеспечивать достаточную точность расчётных характеристик различных режимов трансформаторов;
• схема должна описываться уравнениями невысокого порядка, чтобы в явном виде определялась связь между электрическими характеристиками и конструктивными параметрами трансформатора.

Ввиду противоречивости данных условий возможно опустить из расчётов ряд конструктивных параметров, которые незначительно влияют на электрические характеристики трансформатора. Кроме того при практической реализации трансформатора его конструктивные размеры всегда отличаются в той или иной степени от расчётных значений.

Поэтому для анализа и расчёта трансформатора используют эквивалентную схему трансформатора изображённую ниже

Эквивалентная схема замещения двухобмоточного трансформатора.

В данной схеме используют следующие параметры:

LC – индуктивность намагничивания трансформатора, усчитывающая запасание энергии в основном потоке взаимной индукции магнитопроводе при приложении напряжения к первичной обмотке,

RC – эквивалентное сопротивление активных потерь в магнитопроводе на перемагничивание и вихревые токи,

LS1и L’S2 – индуктивность рассеивания первичной обмотки и приведённая индуктивность вторичной обмотки, учитывающие запасание энергии в потоках рассеяния,

R1­ и R’2 – активное сопротивление первичной обмотки и приведённое сопротивление вторичной обмотки, учитывающие потери энергии при протекании по ним тока нагрузки,

С01 и С’02 – собственная емкость первичной обмотки и приведённая емкость вторичной обмотки,

С12 – межобмоточная емкость трансформатора.

С учётом данной эквивалентной схемы запишем уравнения работы трансформатора

Большинство параметров эквивалентной схемы трансформатора рассчитываются по таким же выражениям, что и параметры эквивалентной схемы дросселя, рассмотренной в одной из предыдущих статей. Однако для трансформатора вводится новый параметр – межобмоточная ёмкость С12.

Как сократить потери в магнитопроводе трансформатора?

В работающем трансформаторе на сердечник воздействует переменное магнитное поле. В результате вокруг сердечника возникают вихревые токи. Из-за них магнитопровод нагревается – то есть часть полезной энергии уходит впустую.

На потери из-за перемагничивания влияет:

• характер материала сердечника. Чем проще намагничивается металл, тем проще его перемагнитить и тем меньше потери в трансформаторе;
• частота перемагничивания;
• максимальное значение магнитной индукции.

Чтобы снизить потери, для производства сердечников используют сталь с выраженными магнитными свойствами. Такой материал требует меньше энергии на перемагничивание.

В монолитных проводниках вихревые токи приобретают максимальные значения из-за небольшого сопротивления. Следовательно, чтобы уменьшить потери в трансформаторе, нужно увеличить сопротивление материала сердечника. Производители силовых трансформаторов нашли выход: они набирают магнитопровод из металлических листов. Стальные пластины для сердечника берутся не более 0,5 мм толщиной.

Чтобы действительно снизить сопротивление вихревым токам в сердечнике, металлические пластины нужно изолировать. Для этого производители трансформаторов используют лак и окалину. Прослойка не дает влиять вихревым токам на магнитный поток в сердечнике. Поэтому потери снижаются.

Производители собирают пластины двумя способами:

• встык – при этом собирается сам сердечник, потом на него насаживаются обмотки и только после этого все скрепляется ярмом в единую конструкцию;
• впереплет (шихтованные сердечники) – когда каждый следующий ряд пластин перекрывает стыки на предыдущем.

Встык магнитопровод проще монтировать, но уровень потерь в них выше, чем у шихтованных сердечников. Поэтому большим спросом пользуются шихтованные трансформаторы.

Самостоятельная сборка ТТ

Создание ТТ своими руками — отдельная тема, так как для процедуры потребуются широкое описание расчетов с формулами, но упрощенно процесс выглядит как наматывание рассчитанного количества витков медной проволоки на стержень (железо, сталь).

В основе лежит известный принцип. Токи на первичке и вторичке обозначают соотношением. Например, 100/5: величина на первой в 20 раз превышает таковую на второй, то есть, когда на ней есть 100 А, то на другой будет 5 А. Изделие 500/5 понижает 500 А до 5 А (на вторичных витках). Указанные величины зависят от соотношения количества витков.