Расчет насыщающегося трансформатора: Расчет и выбор установок релейных защит силового трансформатора подстанции 110/10кВ

Содержание

Расчет и выбор установок релейных защит силового трансформатора подстанции 110/10кВ

13. Релейная защита и автоматика

Произведем расчеты и выбор уставок релейных защит силового трансформатора подстанции 110/10кВ.

13.1. Расчет токов короткого замыкания

Для выбора уставок релейной защиты необходимо выполнить расчет токов к.з. в точке К2 и установке выбранного трансформатора на ГПП ТДН-10000-110/10кВ.

Расчеты выполняем согласно схеме замещения, представленной на рис. 6.2 и базисных величин: Sб = 4800 МВ·А ; Uб1 = 115 кВ и Uб2 = 10,5 кВ.

Базисный ток для точки к.з. К2 будет равен:

Iб2 = Sб / Ö3 · Uб2 = 4800 / 1,73 · 10,5 = 264,2 кА.

Параметры трансформатора для схемы замещения составят: хт = (Uк %  · Sб) / (100%  · Sт,ном ) = (10,5 / 100) · (4800 / 10) = 50,4 ;

rт = (Рк %  · Sб

) / S2т,ном  = 0,060 · 4800 / 102 = 2,88.

Периодическая составляющая тока к.з. в точке К2:

I(3)К2 = Uс  · IБ2 / х2 = 1,0 · 264,2 / 52,06 = 5,07 кА, где х2 = х1 + хт = 1,66 + 50,4 = 52,06.

13.2. Выбор типов релейной защиты

Согласно  ПУЭ [1] силовые трансформаторы мощностью 6,3 МВ·А  и выше должны быть обеспечены продольной дифференциальной защитой для защиты от повреждений на выводах, а так же от внутренних повреждений; в качестве защиты от токов в обмотках, обусловленных внешними многофазными к.з.,  предусмотрена максимальная токовая защита (МТЗ) с комбинированным пуском напряжения и без него.

Для снижения времени срабатывания  МТЗ при максимальных токах к.з. дополнительно к МТЗ устанавливают токовую отсечку;  для защиты трансформатора от перегрузки, возникающих при отключении параллельно работающего трансформатора или при самозапуске мощных электродвигателей, питающихся от трансформаторов.

От повреждений внутри кожуха, сопровождающихся выделением газа и от понижения уровня  масла должна быть предусмотрена газовая защита.

13.3. Расчет релейных защит

13.3.1. Расчет продольной дифференциальной токовой защиты

Определим токи трансформатора, соответствующие его номинальной мощности:

— на стороне ВН:   

— на стороне НН:

Выбираем измерительные трансформаторы тока:

— на стороне ВН:  nтт.110 = 300 / 5 = 60;

— на стороне НН:  nтт.10 = 1500 / 5 = 300.

Определяем  вторичные токи в плечах дифференциальной защиты:

— на стороне ВН:  

— на стороне НН:  

где  Ксх = 1,0 – коэффициент схемы, имеющий значения для ВН Ксх = Ö3 и для  НН Ксх = 1,0, [11].

Определим первичный расчетный ток небаланса без учета составляющей I»’н.б., обусловленный неточностью установки на реле РНТ-565 расчетных чисел витков:

 

где =А – максимальный ток к. з. приведенный к ступени высшего напряжения ;

Кодн   = 1,0 – коэффициент однотипности трансформаторов тока ;

Капер. = 1,0 – коэффициент, учитывающий наличие апериодической составляющей тока [11] ;

¦ = 0,1 – относительное значение тока намагничивания ;

DUα  = 0,16 – относительная погрешность, равная половине диапазона регулирования напряжения [11].

В этом случае первичный ток небаланса равен:

Iнб,расч = (1 · 1 · 0,1 + 0,16) · 462,9 = 120,4 А.

Значение тока срабатывания защиты по условию отстройки от токов небаланса равен:

Iс.з.  =  Кн  ·  Iн.б.расч = 1,3 · 120,4  = 156,5 А, где Кн = 1,3 – коэффициент надежности [11].

Определим ток срабатывания защиты от бросков тока намагничивания:

Iс.з. =  Кн · Iном.вн   = 1,3 · 50,26  = 65,3 А.

Из двух полученных значений Iс. з. выбираем большее:

Iс.з. = 156,5 А.

Проверим возможность применения защиты реле РНТ-565 по предварительно определяемой чувствительности защиты. Расчетным является к.з. между двумя фазами в точке К2 при минимальном режиме системы:

Значение расчетного тока в реле при двухфазном к.з. за трансформатором определяем по формуле:

 

где  А.

В этом случае ток в реле равен:

Коэффициент чувствительности защиты определяем из соотношения:

К ч =

Следовательно, расчеты показали, что продольная дифференциальная защиты трансформатора с помощью реле РНТ-565 удовлетворяет требуемым условиям.

Для определения числа витков обмотки насыщающего трансформатора для обеих сторон трансформатора (ВН и НН) воспользуемся табличным методом (табл. № 13.1.).

На основании полученных расчетных данных определим чувствительность защиты при уточненном значении тока срабатывания реле:

Кч = Iрасч / Iср = 11,6 / 4,9 = 2,4 > 2.                                                                           

Таблица №13.1.

Наименование величин

Обозначение и способ

вычисления

Числовые значения

1. Ток срабатывания на стороне 110 кВ

Iср.110 = (Iсз· Ксх)/nтт.110

(1,73 · 156,5)/60=4,5А

2. Расчетное число витков обмотки насыщающегося трансформатора для стороны 110кВ

w110 = Fср/ Iср.110

100 / 4,5 = 22,2 виток

3. Предварительно принятое число витков обмотки реле на стороне 110кВ

w110

22 витка

4. Ток срабатывания на стороне 110 кВ (предварительно)

Iср.110 = Fср /w110

100 / 22 = 4,55 А

5. Расчетное число витков насыщающегося трансформатора для стороны 10 кВ

wрасч.10 = w110· ( Iр.110/ Iр.10)

22 · (1,45 / 8,4)=17,34

витка

6. Предварительно принятое число витков на стороне 10 кВ

w10

17 витков

7. Составляющая  I»’нб,расч  для к.з. в точке К2

8. Первичный расчетный ток небаланса с учетом  I»’н.б.расч

Iн.б.расч = I’н.б.расч +  I»н б.расч +  + I»’н б.расч

120,4+9,1 = 129,5А

9. Уточненное значение первичного тока срабатывания защиты

Iс.з. = Кн  ·  Iн.б.расч

1,3

· 129,5 = 168,4 А

10. Уточненное значение тока срабатывания  реле

Iср.110 =

 

11. Окончательно принятое число витков насыщающегося трансформатора:

На стороне 110кВ

На стороне 10кВ

w110 = Fср/ Iс.з.110.

w10

100/4,9 = 20 витков

17 витков

44.Дифференциальная токовая защита с промежуточными  насыщающимися  трансформаторами тока. Принцип действия насыщающегося трансформатора тока. Расчет тока срабатывания. Реле РНТ-565. Реле ДЗТ-11.

Дифференциальная токовая отсечка

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Является наибо­лее простой из дифференциальных защит трансформаторов. КА1, КА2 – максимальные реле тока, на­пример РТ-40 или РТМ. Они включаемются непосредственно в дифференциальную цепь схемы без каких-либо промежуточных устройств.

 Отстройка от бросков тока намагничивания достигается выбором тока срабатыва­ния.

1. При использовании реле прямого действия с учетом собственного времени дейст­вия реле РТМ

2. В схемах с реле косвенно­го действия с учетом времени срабатывания реле тока  и  промежуточного   реле.

t.р=0,04 …0,06 с.  За это время ток на­магничивания снижается и ток срабатывания защиты выбирают с уче­том его затухания, при­нимая kотс = 3,0…4,5.

Преимущество.

1. Быстродействие и простота

Недостаток.

1. Большой тока сраба­тывания. Низкая чувствительность

Дифференциальная токовая отсечка применяется на трансформаторах относительно небольшой мощности. При этом отсечка должна обеспечивать необхо­димую чувствительность при коротких за­мыканиях на выводах трансформатора.

2. Дифференциальная токовая защита с промежуточными  насыщающимися  трансформаторами тока. Для выполнения защиты используются реле с НТТ типа РНТ-565.

Основным элементом реле является насыщающийся трансформатор. Обозначение TLAT.

Насыщающийся трансформатор тока TLAT содержит трехстержневой ферромагнитный сердечник. Воздействую­щая величина (ток I1) поступает в первичную обмотку w1 а к вто­ричной w2 подключается измерительное максимальное реле тока КА. Характеристика Ip=f{I1) насыщающегося трансформатора зависит от характера изменения тока I1. Если ток I1 cинусоидальный, то маг­нитная индукция в сердечнике изменяется в широких пределах Bmax<=B<=Bmax. Указанному изменению индукции пропорционально среднее значение ЭДС вторичной обмотки и ток Iр в реле. В этом случае НТТ действует как обычный трансформатор тока. Апериодическая слагающая насыщает магнитопровод и изменяет режим работы НТТ.

На рисунке показан случай, ког­да ток  iбр   (бросок тока  намагничивания  включаемого силового трансформатора) из-за апериодической слагающей полностью смещен относительно оси времени. Прохождение такого тока по обмотке w1 НТТ сопровождается изменением индукции только в пределах +BS>=B>=+Br. Поэтому среднее значение ЭДС вторич­ной обмотки и ток в реле получаются намного меньшими, несмот­ря на то что ток Iбр.max>Im1. Обмотки wKи wK» предусмотрены для усиления действия апериодической слагающей.

Насыщающиеся трансфор­маторы тока, применяемые в реле, отличаются от рассмотренных НТТ числом первичных обмоток. На магнитопроводе НТТ ре­ле РНТ-565  кроме основной рабочей обмотки Wраб(w1) размещены до­полнительные  обмотки.  У реле  РНТ-565  они  используются  как уравнительные Wур I и WурII при неравенстве сравниваемых токов. Обмотки Wраб, Wур I и WурII выполнены секциони­рованными с отводами для возможности   дискретного   изменения параметров реле. Во всех обмотках НТТ, кроме вторичной w2, предусмотрено пере­ключение чисел витков для изменения уставок срабатывания реле.

Принципиальная схема защиты трансформатора с ТLАТ в однофазном изображении

 Реле РНТ-565 применяются в том случае, если чувствительность токовой от­сечки недостаточна. При этом требуемую чувствительность защита имеет обычно на двухобмоточных трансформаторах мощностью менее 25 МВА.

Предварительное определение то­ка срабатывания выполняется по двум  условиям

1. По условию отстройки от броска тока намагничивания:

Ic. з.>=1,3.*Iт.ном.       

2. По условию отстройки от максимального первичного тока небаланса.

При этом учитывается, что для защиты с НТТ коэффициент kап=1,0, а составляющая тока небаланса Dfвр в первом приближе­нии не учитывается благодаря соответствующему выбору числа витков уравнительных обмоток НТТ,

Принимается большее из двух полученных значений тока срабаты­вания и производится предварительная проверка чувствительности.

Расчетным по чувствительности является двухфазное к. з. на стороне низшего напряжения в минимальном режиме работы пи­тающей системы и при максимальном сопротивлении защищаемого трансформатора.

Если это условие обеспечивается, то расчет параметров защиты продолжают. Выбирают схему сое­динения трансформаторов тока и их коэффициенты трансформа­ции, определяют число витков дифференциальной Wдиф (Wраб) и уравнительных WУРI и WУРII обмоток исходя из принятого значения тока срабатывания, магнитодвижущей силы срабатывания Fc. р. и условия полного выравнивания

В ряде случаев чувствительность защиты с реле РНТ может оказаться недостаточной. В таких случаях диф­ференциальная защита выполняется посредством реле с торможе­нием.

3. Дифференциальная токовая защита на основе реле с магнит­ным торможением.

Для дифференциальной защи­ты трансформаторов выпускаются реле с магнитным торможением типа ДЗТ-11.В реле ДЗТ-11 используется НТТ с дополнительной обмоткой управления, которая называется тормозной обмоткой. Обмотка управления предназначена для изменения характеристики НТТ. Дополнительный ток Iу, протекающий по обмотке управления изменяет степень намагничивания НТТ. С увеличением тока Iу, степень намагничивания увеличивается. Ток небаланса, протекающий по обмотке реле при переходном процессе уменьшается.

Ток срабатывания защиты c реле ДЗТ-11 зависит от числа витков и значения то­ка тормозной обмотки. От­стройка от бросков тока намагничивания достигается выбором тока Iс. з min по условию

Ic.з.>=kотс.*Iт.ном.                                       (1).

Коэффициент отстройки kотс принимается рав­ным 1,5, так как реле ДЗТ-11 имеет худшие, чем реле РНТ, пара­метры в отношении отстройки от неустановившихся токов из-за отсутствия в НТТ реле короткозамкнутой обмотки. Далее расчет витков НТТ реле и максимального первичного тока небаланса Iнб.рсч max1 выполняется, как и для реле РНТ. Дополнением к этому расчету является вы­бор числа витков тормозной обмотки Wтрм, обеспечивающих от­стройку от Iнб.рсч max1.

Общая оценка дифференциальных защит трансформаторов. Дифференциальные защиты обеспечивают быстрое и селективное отключение повреждений в зоне, охватываемой трансформаторами тока. Рекомендуется применять дифференциальную защиту на оди­ночно работающих трансформаторах мощностью Рт>=6,3 МВ-А и на трансформаторах мощностью Рт>=4 МВ-А, работающих парал­лельно. Дифференциальная защита устанавливается также на трансформаторах мощностью Рт=:1 …4 МВ-А в том случае, если: токовая отсечка не удовлетворяет требованиям чувствительности, а максимальная токовая защита имеет выдержку времени tс.з.>>0,5 с; трансформатор установлен в районе, подверженном земле­трясениям.

При выборе схемы дифференциальной защиты необходимо прежде всего рассмотреть возможность применения наиболее про­стой из дифференциальных защит — дифференциальной токовой отсечки. Только в случае ее недостаточной чувствительности сле­дует использовать реле РНТ. Защиты с реле, имеющими торможе­ние, наиболее сложны, и их применение оправдано только невоз­можностью отстройки защиты без торможения от установившихся значений максимального тока небаланса при внешних коротких за­мыканиях.

Дифференциальная токовая защита имеет тот недостаток, что может отказать из-за недостаточной чувствительности при внут­ренних коротких замыканиях, например витковых. Это вызывает необходимость устанавливать наряду с дифференциальной и газо­вую защиту.

 

 

 

45.Токовая защита трансформатора от сверхтоков.

На трансформаторах предусматрива­ются резервные защиты для действия при внешних коротких за­мыканиях в случае отказа защит или выключателей смежных эле­ментов. Одновременно они являются основными защитами шин, на которые работает трансформатор, если на шинах отсутствует собственная защита. В качестве защит от внешних коротких замы­каний применяются токовые защиты с выдержкой времени с вклю­чением реле на полные токи фаз и на их симметричные составляю­щие. Эти защиты реагируют и на внутренние короткие замыкания, поэтому могут использоваться как резервные или как основные защиты трансформаторов.

Токовая защита от сверхтоков внешних многофазных коротких замыканий. В соответствии с ПУЭ на трансформаторах мощностью менее 1 МВ-А предусматривается максимальная токовая защита, действующая на отключение. Она же вместе с токовой отсечкой яв­ляется основной защитой трансформатора. Схемы МТЗ трансформатора выполняются аналогично схемам третьей ступени защиты со ступенчатой характеристикой и схемам МТЗ линий.

На многообмоточных трансформаторах максимальная токовая защита должна обеспечить отключение только того выключателя, со стороны которого происходит короткое замыкание. На трехобмоточном трансформаторе с односторонним питанием это достига­ется путем установки отдельных защит с каждой стороны и соблюдения условий селективностиа при выборе выдержек времени.

На транс­форматорах мощностью более 1 МВ-А должна быть предусмотре­на максимальная токовая защита с комбинированным пусковым органом напряжения.

Наличие комбини­рованного пускового органа напряжения позволяет выбрать ток срабатывания защиты без учета перегрузки трансформатора по ус­ловию

где kотc111 принимается равным 1,2, а kв = 0,8.

Напряжение срабатывания защиты определяется по следующим условиям: для минимального реле напряжения, включенного на междуфазное напряжение, исходя из

обеспечения возврата реле в условиях самозапуска после отключения внешнего короткого замы­кания— по выражению

отстройки от напряжения самозапуска Ucзп при включении двигателей нагрузки — по выра­жению

В ориентировочных расчетах напряжение Uраб min принимают равным (0,9… 0,85). Ucзп — равным примерно 0,7Uном. Коэффициент отстройки kотс и коэффициент возврата kв рекомендуется принимать равными 1,2.

Токовая защита от перегрузок. Перегрузка обычно является симметричной, поэтому защита от перегрузки выполняется одним реле тока KA1, включенным в цепь одного из трансформаторов то­ка защиты от внешних коротких замыканий. Ток срабатывания реле определяется по выражению

Iс.р= (kотс/kв) (Iт. номI).

Коэффициент kотс учитывает только погрешность в токе срабатывания и принимается равным kотс = 1,05. Для отстройки от кратковременных перегрузок и коротких замыканий предусматри­вается реле времени КТ1, рассчитанное на длительное прохожде­ние тока в его обмотках. Выдержка времени принимается на сту­пень селективности больше, чем время срабатывания защиты трансформатора от внешних коротких замыканий.

 

ПЛАВКИЕ ПРЕДОХРАНИТЕЛИ.

В сетях напряжением 35 кВ для за­щиты трансформаторов применяются  выхлопные   предохранители ПВТ-35-100-3,2У1. В сетях же напряжением 6  (10)  кВ наибольшее применение получили предохранители типа. Обыч­но они устанавливаются вместе   с выключателем нагрузки типа ВНП. При этом трансформатор отключается и включается выклю­чателем нагрузки, а предохранитель выполняет функции токовой защиты и коммутационного аппарата при отключении поврежден­ного   трансформатора.    При   внутренних   витковых  повреждениях токи, проходящие по предохранителю, обычно недостаточны для его срабатывания. Применение предохранителей значительно удешевляет установку. Однако из-за старения плавких вставок и по другим причинам  их  защитные характеристики нестабильны, кроме того, они отличаются от характеристик релейной защиты смежных с трансформатором элементов. Все это затрудняет, а в ряде случаев исключает возможность добиться селективности дей­ствия предохранителей.

 

Откуда взялись формулы расчета трансформаторов и дросселей? | Разумный мир

Ранее я описал физику работы трансформатора. Однако, глядя на формулы или номограммы для инженерного расчета трансформаторов трудно представить их связь с физическими основами. А это не способствует пониманию особенностей той, или иной, методики расчета и принятых при этом допущений и ограничений. И дает простор для мифотворчества.

Я не ставлю задачу выбора лучшей методики расчета, как и подробного описания любой из них. Я просто покажу, откуда взялись все эти формулы, и что они значат.

Но сначала нужно сказать пару слов о самих трансформаторах. Трансформатор может не иметь сердечника, такой трансформатор называют воздушным. Сердечник может быть выполнен не из ферромагнитного материала, но область применения таких трансформаторов несколько ограничена. Сердечник может быть ферромагнитным, например, из электротехнической стали (трансформаторное железо), феррита, пермалоя, и т.п. Именно такие трансформаторы встречаются чаще всего. Кроме того, сердечники могут быть разной формы, что несколько влияет на расчет.

Особенностью ферромагнитных материалов является то, что связь индукции и напряженности магнитного поля в них не линейна. Я приводил в статье о трансформаторах иллюстрацию, повторю ее здесь

В отличии от вакуума, перемагничивание ферромагнетиков происходит не по прямой, а по семейству кривых, называемых петлями гистерезиса. Другими словами, магнитная проницаемость ферромагнетика не является постоянной. Я говорил ранее про дифференциальную индуктивность (формула (15) в упомянутой статье), но в инженерных расчетах, вместо аналитических, используют максимальные величины индукции. При этом работа сердечника происходит на линейных, или условно линейных, участках кривой намагничивания.

Правильно рассчитанный трансформатор в штатных режимах эксплуатации всегда работает без насыщения сердечника! Про специальные насыщающиеся трансформаторы я скажу немного позже. Работа трансформатора без насыщения сердечника обозначает пропорциональность токов, напряжений и сопротивлений между первичной и вторичной цепями. Все формулы из статьи о работе трансформатора, безусловно верны, но крайне неудобны для практических, инженерных расчетов. Давайте рассмотрим практический подход.

Мы уже знаем, что общий магнитный поток в сердечнике трансформатора, в штатном режиме и без насыщения сердечника, постоянен и равен потоку холостого хода. То есть, при отсутствии тока во вторичной обмотке. Другими словами, магнитный поток холостого хода определяется током первичной обмотки на холостом ходе. Если мы не будет рассматривать общий случай для напряжения любой формы, то решения дифференциальных уравнений дадут нам

для гармонического (синусоидального) напряжения. Здесь R сопротивление обмотки постоянному току, f частота , L индуктивность обмотки. Для напряжения прямоугольной формы формула будет отражать, по факту, переходный процесс в катушке

В реальном трансформаторе ток холостого хода будет выше, из-за паразитных индуктивностей рассеивания и потерь в магнитопроводе. Соответствующие коэффициенты, обычно, приводятся в виде таблицы к методике расчета. Обратите внимание, что для гармонического сигнала у нас формула отражает действующее значение тока, а для прямоугольного мгновенное.

Ток холостого хода стараются стараются сделать поменьше, в разумных пределах, конечно. Для маломощных трансформаторов он, обычно, не превышает 10%, а для мощных порядка 3%, от тока первичной обмотки при полной нагрузке трансформатора. Таким образом, для заданной амплитуды первичного напряжения и частоты, или длительности импульсов, и желаемого тока холостого хода получаем требуемую индуктивность первичной обмотки. Индуктивность обмотки зависит от числа витков, магнитной проницаемости сердечника и геометрии обмотки, которая зависит от формы сердечника. Таким образом, мы получили один из параметров трансформатора — число витков первичной обмотки. Число витков вторичной обмотки определяется коэффициентом трансформации.

Связанный с током холостого хода магнитный поток, в очень грубом первом приближении, можно оценить по формуле (3) из упоминаемой статьи. Магнитный поток это интеграл от вектора магнитной индукции по поверхности, в нашем случае, по поперечному сечению сердечника-магнитопровода (формула (4) статьи).

Таким образом, мы получаем значение магнитной индукции для заданной частоты питающего напряжения, или длительности прямоугольных импульсов, и заданной индуктивности обмотки. Причем нам нужны амплитудные значения индукции, а не действующие. С учетом максимально допустимой для сердечника магнитной индукции (для работы на линейном участке), мы получаем один из параметров сердечника — площадь сечения.

Обмотки трансформатора размещаются в окнах сердечника. Исключением является стержневой сердечник. Что бы обмотки можно было намотать, нужно иметь достаточный размер окна, или его площадь. Площадь требуемого окна зависит не только от количества обмоток и числа их витков, но и от диаметра провода обмоток. Диаметр провода выбирается исходя из допустимой плотности тока и температуры.

Теперь у нас есть все данные для изготовления трансформатора. У нс были сходные параметры: форма и амплитуды напряжения на первичной обмотке, ток холостого хода, требуемая амплитуда напряжения на вторичной обмотке. Мы получили промежуточные параметры: индуктивность первичной обмотки, коэффициент трансформации, магнитная индукция в сердечнике на холостом ходу. Использовали параметры сердечника: магнитную проницаемость и максимальную магнитную индукцию, форму сердечника. В результате получаем параметры для изготовления: число витков обмоток и диаметр провода, площадь сечения сердечника, которая позволяет выбрать требуемый размер сердечника. Мы достигли нужного результата!

Как я уже говорил, существуют разные методики инженерного (упрощенного) расчета трансформаторов. Я не могу привести и описать их все. Формулы в этих методиках часто носят эмпирический характер, позволяя учесть основные соотношения с допустимой точностью без излишнего усложнения и углубления в физику процессов и тонкости математических преобразований. При правильном применении, в границах, установленных для конкретной методики, это позволяет значительно упростить расчет и получить приемлемый результат. При неверном выборе методики результат может быть катастрофическим.

Обычно, расчеты начинают с определения мощности трансформатора с учетом потерь. Такую мощность часто называют габаритной мощностью трансформатора. Исходя из мощности рассчитывают диаметр провода обмоток. Задав ток холостого хода первичной обмотки получают число ее витков. Причем, не редко, число витков считается не через ток холостого хода, а через «число витков на вольт», которое определяется из таблицы или по номограмме. Выбор сердечника может свестись к определению площади поперечного сечения, предоставляя выбор площади окна разработчику. А может быть использован параметр «произведение площади сечения сердечника на площадь окна», который кажется лишней степенью свободы при выборе размеров сердечника. Но он позволяет выбрать сердечник из стандартного ряда на который точно получится намотать все обмотки.

Расчет импульсных трансформаторов, не только для передачи сигнала, но и для применения, например, в двухтактных преобразователях, ведут по другим методикам, так как требования несколько иные. Но сама суть расчета точно такая же.

Я много говорил, что дроссели нельзя путать с трансформаторами, так как они, в отличии от трансформаторов, накапливают энергию в магнитном поле. Но сейчас я скажу то, что может показаться ересью и полным отрицанием моих же слов. Расчет дросселя почти не отличается от расчета трансформатора! Энергия, накопленная в магнитном поле, определяется током в катушке — обмотке дросселя. Вместо тока холостого хода мы должны использовать ток, обеспечивающий требуемую энергию. Собственно говоря, на этом различия расчета заканчиваются. Однако, для дросселей желательно иметь максимально протяженный линейный участок кривой намагничивания сердечника и, как следствие, максимально стабильная магнитная проницаемость сердечника. Для этого в сердечник вводят немагнитный зазор. Он снижает магнитную проницаемость, но линеаризует кривую намагничивания. Кажущееся радикальным различие в методиках расчета дросселя и трансформатора сводится к учету этого немагнитного зазора.

Я обещал немного рассказать о насыщающихся трансформаторах. Оставим в стороне магнитные усилители, все таки для большинства это экзотика. Рассмотрим широко известный блокинг-генератор.

В этой схеме трансформатор (дроссель) работает с насыщением сердечника. Пока ток коллектора транзистора нарастает, а сердечник не вошел в насыщение, на базовой обмотке наводится ЭДС, что создает положительную обратную связь и поддерживает транзистор открытым. Когда сердечник вошел в насыщение, ЭДС наводимая на базовой обмотке становится недостаточной для поддержания тока коллектора. А это вызывает закрывание транзистора. Накопленная в трансформаторе энергия уходит во вторичную цепь или рассеивается на демпферном диоде (на схеме не показан). Если объединить два блокинг-генератора, то получим широко известную схему двухтактного самовозбуждающегося преобразователя с насыщающимся трансформатором.

Однако, потери в трансформаторе для подобных схем слишком велики. Поэтому для относительно мощных преобразователей используют не насыщающийся силовой трансформатор, а ключевые транзисторы коммутируют внешним генератором, который может быть собран, в том числе, на основе подобной схемы.

Осталось коснуться особенностей работы трансформаторов на выпрямители с накопительной емкостью. Это работа на реактивную нагрузку, что вносит существенные коррективы в режим работы трансформатора. Тут два влияющих фактора. Первый, это собственно работа на емкостную нагрузку создающую дополнительный сдвиг фаз между напряжением и током. Возможные резонансы можно даже не учитывать. Второй, это то, что диоды выпрямителя откроются только при превышении напряжения на вторичной обмотке напряжения на конденсаторе, с учетом падения напряжения на самом диоде. Это так называемый угол открывания диодов выпрямителя. В результате, получаем ток вторичной обмотки существенно отличающимся от синусоидального. Что не может не влиять процессы в трансформаторе.

Однако, такой режим работы, обычно, уже учтен в формулах и номограммах методик расчета. Поэтому можно особо не переживать на этот счет.

Важно отметить, что упрощенные инженерные методики и формулы верны только для таких вот «стандартных» режимов использования трансформатора. Для не стационарных режимов, для переходных процессов, и в любых случаях, когда требуется точный учет влияния трансформатора, эти формулы и методики не применимы.

На этом все. Надеюсь, что теперь вам будет понятнее, откуда берутся эти упрощенные формулы и как они связаны с физикой работы трансформатора.

Расчет нагрузки токовых цепей с реле РНТ-565, ДЗТ-11 (Страница 1) — Трансформаторы тока (ТТ), напряжения (ТН) и их вторичные цепи — Советы бывалого релейщика

Уважаемые коллеги,  прошу высказать свое мнение по следующему вопросу:
Какое сопротивление реле РНТ-565, ДЗТ-11 необходимо применять при расчете токовых цепей по методике
Королева, Либерзона. Насколько я понимаю методика должна быть следующая:
— определяется расчетный ток(для дифзащиты трансформатора это максимальный ток внешнего КЗ который
проходит через проверяемый ТТ, для дифзащиты шин это большая из следующих величин: уставка ДЗШ или величина тока КЗ на шинах
за минусом тока тока подпитки КЗ от ТТ проверяемого присоединения,
— для данного расчетного тока по заводским характеристикам реле определяется нагрузка реле в ВА, эту нагрузку
в ВА делим на расчетный ток в квадрате получаем нагрузку в Омах
— зная количество витков которые по уставкам РЗА необходимо выставить на реле, по соотношению
количества витков по уставкам РЗА к максимально возможному количеству витков на реле определяем нагрузку в Омах
для данного по уставкам РЗА количества витков
-подставляем вычисленную величину нагрузки в Омах в формулы методики Королева, Либерзона для определения сечения
кабеля токовых цепей.
При данном расчете возникают следующие вопросы:
-вычисленное сопротивление реле очень велико, т.е сечения кабелей токовых цепей получаются запредельными,
-насколько корректно переводить сопротивление реле из ВА в Омы через величину расчетного тока, ведь как я понимаю
сопротивление кабеля переводится из ОМ в ВА через величину номинального тока ТТ,
-по каким кривым(для нормального или аварийного режима) для ДЗТ-11 брать нагрузку реле и если по кривым аварийного
режима то где применять кривые нормального режима
-правильно ли по вашему я определяю величину расчетного тока для ДЗТ и ДЗШ 110-220кВ
Техн. документацию на реле прилагаю
Заранее благодарю за ваши комментарии по данной теме

Post’s attachments

ДЗТ 11.pdf 859.23 Кб, 205 скачиваний с 2013-07-16 

Реле РНТ.pdf 2.13 Мб, 105 скачиваний с 2013-07-16 

You don’t have the permssions to download the attachments of this post.

Power Electronics • Просмотр темы

Во! Вот и надыбал. А я прыгаю тудым-сюдым, а Multik уж давно подумал. У меня много инфы в башке (неупорядоченной), а тут как раз «в тему».
Multik, я полагаю (да простят меня участники этой темы) Вас, кроме gyrator, Burner и Aml не поняли.

Multik писал(а):

— упрощение многопостовых источников, где входная часть может быть одна, а чопперов несколько

наверняка, все подумали о многопостовой сварке (статья В.Володина в журнале Радио)

Multik писал(а):

Чё-то у меня сложилось такое ощущение, что здесь КПД никого не беспокоит

Меня то как раз и беспокоит.

гость писал(а):

Шоттки вольт на стописят уже почти не имеют преимуществ перед ультрафастами по статическим потерям.

а кто говорил о больших токах? Multik сказал лишь то, что сказалгость вот читаю ваше сообщение и такое впечатление, что всё не в тему. Ну причём здесь служебный источник? Ведь понятно, что схема чоппера будет питаться от отдельной обмотки квазирезонанса. Оптроны, дрова и т.п. Так ведь задумка как раз на то, чтоб избавиться от них.
Multik мною открыта тема «Аппарат для размагничивания свариваемых изделий» на форуме «Разное»
Модульная структура на основе квазирезонанса в башке витала, а ребята с форума предложили ещё и чоппер. Отсюда вопросы (уж не обессудте за некоторые неточности, аль ещё чего другое):
1.Я знаю квазирезонанс по статьям в журнале «Радио» — п/мост. Мне непонятна

Multik писал(а):

во входной части возможно использовать топологию, позволяющую отказаться от изолирующих драйверов, например, пушпул

как пуш-пул вяжется с квази…? Если возможно, царапните простую схемку квази… пуш-пула (только не модель).
2.Можно ли сделать квази… мост?
3.Можно ли в квази… п/мосте или квази… мосте (1,5-2,0 кВт) использовать мощные ключи MOSFET или IGBT без усложнения схемы? Может знаете, или есть ссылка или схема?
Multik, я нашёл что искал. Как раз в этом направлении и собираюсь двигаться. Но, управление чоппером буду делать на наших микрухах К1561 серии (температурный диапазон до -45 гр.С).
«Забугорные» TLки и UCки, судя по даташетам и отклика масс загибаются при -20-25, а наши «дубовые» работают и при морозах, когда дуб трещит. В моём варианте (по открытой теме) вместо чоппера достаточно иметь генератор с изменяемой скважностью, который управляет мощным(и) ключами на выходе. И мне непонятно сомнение гость в малых потерях квази…+чоппер. Для Вас гость пример. Ширпотребовский ЭТ мощностью 250ВА (вход) я грузил по выходу на 360Вт (выход) и хоть бы хны. Ессно, на входе, после моста ставил электролит на 350В (других не было). А радиаторы унутрях ЭТ — ну, взгляните сами! А Вы потери, потери… Это действительность.


_________________
Есть только миг между прошлым и будущим, именно он называется ЖИЗНЬ ©

Инструкция по проверке реле серии ДЗТ с магнитным торможением — Инструкции по РЗА

Инструкция по проверке реле серии ДЗТ с магнитным торможением
Составлено бюро технической информации ОРГРЭС
Авторы: инженеры Б. И. Иофьев и Н. Ф. Шибенко
Редактор: инженер М. М. Мирумян
Издательство: М.-Л.: Энергия, 1965

В настоящей инструкции описаны способы провер­ки выпускаемых отечественной промышленностью реле типов ДЗТ-1, ДЗТ-3, ДЗТ-3/2 и ДЗТ-4 с магнитным торможением, используемых для дифференциальной защиты трансформаторов и автотрансформаторов. Инструкция может быть частично использована при проверке реле с магнитным торможением других типов.
Реле серии ДЗТ с магнитным торможением применяются в дифференциальных защитах трансформаторов и автотрансформаторов в тех случаях, когда отстройка от токов небаланса при внешних коротких замыканиях приводит к недопустимому загрублению дифференциальной защиты, если ее выполнить с реле серии РНТ.
Применение реле, ток срабатывания которого зависит от величины тока, протекающего во вторичных цепях дифференциальной защиты, как правило, позволяет обеспечить достаточную чувствительность защиты при коротком замыкании в зоне ее действия не только в нормальном, но и в минимальном режимах работы трансформатора (автотрансформатора). Это достигается тем, что при больших токах коротких замыканий ток срабатывания защиты за счёт торможения автоматически увеличивается, чем устраняется возможность действия защиты от возросших токов небаланса, если повреждение произошло вне зоны действия защиты. При повреждении в зоне действия защиты чувствительность защиты вследствие торможения несколько снижается.
Степень отстройки защиты от токов небаланса при внешних коротких замыканиях и чувствительность защиты при повреждениях в зоне определяются выбранной при расчете уставок зависимостью тока срабатывания от тока торможения реле, т. е. так называемой тормозной характеристикой реле.
Реле с торможением серии ДЗТ подобно реле без торможения серии РНТ осуществляет магнитное сравнение токов в плечах дифференциальной защиты, их выравнивание путем включения определяемого расчетом соответствующего числа витков рабочих обмоток и отстройку от бросков токов намагничивания трансформатора путем включения исполнительного реле через промежуточные насыщающиеся трансформаторы.
Отличительной особенностью реле ДЗТ является наличие тор­мозных обмоток, которые включаются на токи отдельных групп трансформаторов тока дифференциальной защиты и обусловливают зависимость тока срабатывания защиты от тока в ее плечах, т. е. торможение.
Реле серии ДЗТ различаются количеством цепей, по которым может осуществляться торможение, и параметрами обмоток. Применение того или иного типа реле этой серии определяется номинальными вторичными токами трансформаторов тока, от которых питается защита (5 или 1 А), типом защищаемого трансформатора (двухобмоточный, трехобмоточный и т. д.), схемой присоединения этого трансформатора к другим элементам энергосистемы, величиной токов коротких замыканий, проходящих через трансформатор, и  т. п.


Рисунок 1. Упрощенная схема дифференциальной защиты трехобмоточного трансформатора с реле типа ДЗТ-3 (для одной фазы) и расположение обмоток на промежуточных насыщающихся трансформаторах (ответвления на обмотках не указаны).
Ɯд – дифференциальная рабочая обмотка; Ɯур – уравнительная рабочая обмотка; фактически из имеющихся трех обмоток показана одна; Ɯ21, Ɯ22, Ɯ23 – первая, вторая и третья вторичные обмотки; Ɯт1, Ɯт2, Ɯт3 – первая, вторая и третья тормозные обмотки; НТ1, НТ2, НТ3 – первый, второй и третий насыщающиеся трансформаторы; Т – исполнительное реле.

Реле серии ДЗТ состоит из двух основных элементов: промежуточных насыщающихся трансформаторов, на которых расположены рабочие, вторичные и тормозные обмотки, и исполнительного реле – электромагнитного реле максимального тока типа ЭТ-521, подключаемого к выводам вторичных обмоток, промежуточных насыщающихся трансформа торов.
Каждый промежуточный насыщающийся трансформатор состоит из наборного стального трехстержневого сердечника, средний стержень которого охватывается рабочими обмотками, а на крайних стержнях расположены вторичные и тормозные обмотки. В выпускаемых в настоящее время заводом реле устанавливается один, три или четыре промежуточных насыщающихся трансформатора (цифра, стоящая после обозначения серии реле, показывает число имеющихся в реле промежуточных насыщающихся трансформаторов). Рабочие обмотки являются общими для всех насыщающихся промежуточных трансформаторов, имеющихся в реле (охватывают средние стержни всех насыщающихся трансформаторов данного реле).
Каждый промежуточный трансформатор имеет по одной тормозной обмотке, которая подключается к соответствующему плечу защиты. Каждая тормозная обмотка состоит из двух частей с одинаковым числом витков, соединенных таким образом, чтобы создаваемый ими магнитный поток замыкался только по крайним стержням и, подмагничивая их, не попадал в средний стержень, охватываемый рабочей обмоткой.
Вторичные обмотки всех промежуточных насыщающихся трансформаторов соединяются между собой параллельно и подключаются к обмотке токового реле. Каждая вторичная обмотка состоит из двух частей с одинаковым числом витков, соединенных таким образом, чтобы наводимые в них рабочим потоком э. д. с. суммировались, а суммарная э. д. с. от магнитных потоков тормозных обмоток была равна нулю.
В качестве примера на рисунке 1 приведена упрощенная схема дифференциальной защиты трехобмоточного трансформатора с реле типа ДЗТ-3 (для одной фазы) и схематически показано размещение обмоток, на промежуточных насыщающихся трансформаторах реле типа ДЗТ-3.
На промежуточных насыщающихся трансформаторах реле типа ДЗТ-1, ДЗТ-3/2, ДЗТ-4 обмотки размещаются аналогично.
Для регулирования токов срабатывания защиты и степени торможения, а также для выравнивания вторичных токов от рабочих и тормозных обмоток сделаны ответвления. Переключение ответвлений осуществляется либо ввертыванием контактного винта в соответствующее гнездо, либо переключением перемычки в соответствующие зажимы на переключательных платах. Переключение витков одновременно на обеих тормозных обмотках осуществляется с помощью одного переключателя осуществляется так.
Для измерений тока в обмотке исполнительного левого правого реле и разделения цепей стержня рабочих и тормозных обмоток при проверке реле предусмотрены специальные перемычки между связанными с соответствующими обмотками выводами реле.


Рисунок 2. Схема переключения ответвлений тормозных обмоток реле серии ДЗТ.
а – с помощью одной перемычки; б – с помощью двух перемычек.

Реле типа ДЗТ-1 имеет рабочую обмотку, состоящую из одной дифференциальной и двух уравнительных обмоток, и тормозную обмотку.
Длительно допустимый ток рабочей и тормозных обмоток равен 10 А.
Мощность, потребляемая реле в режиме короткого замыкания вне зоны действия защиты при токе 5 А и полностью включенных витках тормозной и рабочей обмоток, не превышает 7 ВА (при отсутствии небаланса токов).
Реле типа ДЗТ-3 имеет рабочую обмотку, состоящую из дифференциальной и трех уравнительных обмоток, и три тормозные обмотки.
Длительно допустимый ток рабочих и тормозных обмоток равен 10 А.
Мощность, потребляемая реле в режиме короткого замыкания вне зоны действия защиты при токе 5 А и полностью включенных витках тормозной и рабочей обмоток, не превышает 10 ВА (при отсутствии небаланса токов).
Мощность, потребляемая реле в режиме короткого замыкания в зоне действия защиты при токе 5 А, не превышает 45 ВА.
Реле типа ДЗТ-4 имеет рабочую обмотку, состоящую из одной дифференциальной и трех уравнительных обмоток, и четыре тормозные обмотки.
Длительно допустимый ток рабочей и тормозных обмоток равен 10 А.
Мощность, потребляемая реле в режиме короткого замыкания вне зоны действия защиты при токе 5 А и полностью включенных витках тормозных и рабочей обмоток, не превышает 10 ВА (при отсутствии небаланса токов).
Мощность, потребляемая реле в режиме короткого замыкания в зоне действия защиты при токе 5 А, не превышает 45 ВА.
Реле типа ДЗТ-3/2 имеет три тормозные и три рабочие обмотки и предназначается для тех случаев, когда номинальный вторичный ток двух групп трансформаторов тока равен 1 А, а третьей труппы – 5 А.
Рабочие и тормозные обмотки в нормальном режиме длительно выдерживают ток:
а) первые обмотки (выводы 1 – 7): все витки тормозной и рабочих обмоток – 1,2 А, рабочей обмотки – 0,7 А;
б) вторые обмотки (выводы 3 – 9): все витки тормозной и рабочих обмоток – 3,5 А, рабочей обмотки – 1,2 А;
в) третьи обмотки (выводы 5 – 11): все витки тормозной и рабочих обмоток – 12 А.
Потребляемая мощность в режиме короткого замыкания вне зоны действия защиты при полностью включенных витках рабочей я тормозной обмоток не превышает (при отсутствии небаланса токов):
а) в первой рабочей и тормозной обмотках при токе 0,35 А – 3 ВА;
б) во второй рабочей и тормозной обмотках при токе 0,6 А – 3 ВА;
в) в третьей рабочей и тормозной обмотках при токе 3,5 А – 6,5 ВА.
Потребляемая мощность при повреждении в зоне действия защиты и пятикратном токе от тока срабатывания на минимальной уставке не превышает 140 ВА для цепи каждой рабочей и соответствующей тормозной обмоток.


Рисунок 3. Схема электрических соединений реле типа ДЗТ-1 и схема его включения (в цепи дифференциальной защиты трансформатора (для одной фазы).
Ɯд – дифференциальная рабочая обмотка; Ɯур1, Ɯур2 – первая и вторая уравнительные обмотки; Ɯ2 –вторичная обмотка; Ɯт – тормозная обмотка; Т – исполнительное реле.

Принцип действия реле с торможением проще всего показать на примере реле типа ДЗТ-1 (рисунок 3), имеющего один промежуточный насыщающийся трансформатор с одной тормозной, одной дифференциальной и двумя уравнительными обмотками (две уравнительные обмотки позволяют использовать реле для защиты трехобмоточных трансформаторов).
При протекании тока в рабочей обмотке промежуточного насыщающегося трансформатора в среднем стержне (рисунок 4) создается рабочий магнитный поток Фраб. Этот магнитный поток разветвляется и, замыкаясь в крайних стержнях, наводит во вторичных обмотках электродвижущие силы.
Вторичные обмотки соединены так, что наводимые рабочим магнитным потоком в обмотках левого и правого стержней э. д. с. суммируются. Под влиянием суммы э. д. с. создается ток в катушке исполнительного реле Т.


Рисунок 4. Принципиальная схема промежуточного насыщающегося трансформатора реле типа ДЗТ-1.
Фраб – магнитный поток, создаваемый рабочей обмоткой; Фт – магнитный поток, создаваемый тормозными 
обмотками Ɯт; Ɯр – рабочая обмотка; Ɯ2 – вторичные обмотки.

При протекании тока в тормозной обмотке создается тормозной магнитный поток Фт. Как указывалось выше, тормозные обмотки соединены так, что создаваемый ими магнитный поток замыкается по крайним стержням и не попадает в средний. Наводимые тормозным потоком во вторичных обмотках э. д. с. направлены навстречу друг другу и взаимно уничтожаются, поэтому под влиянием тормозного магнитного потока э. д. с. на выходе вторичной обмотки не появляется, а значит, и ток в реле Т не возникает. Тормозной магнитный поток только подмагничивает крайние стержни магнитопровода, насыщает их и тем самым влияет на величину тока во вторичной обмотке промежуточного трансформатора.

Содержание

Глава первая
Общие сведения о реле серии ДЗТ с магнитным торможением
1. Назначение и область применения реле
2. Устройство реле
3. Принцип действия
Глава вторая
Наладка и проверка реле
4. Общие указания
5. Внешний осмотр и проверка механической части
6. Проверка изоляции
7. Настройка исполнительного реле
8. Проверка отсутствия взаимной индукции между тормозными и вторичными обмотками промежуточных трансформаторов
9. Настройка токов срабатывания реле при питании ис­полнительного реле от промежуточных трансформаторов  
10. Проверка коэффициентов надежности
11. Проверка тормозных характеристик
12. Проверка потребления   реле
13. Определение времени срабатывания защиты 
14. Дополнительные проверки
15. Проверка реле током нагрузки в полной схеме   защиты
Приложение 1. Технические данные реле серии ДЗТ
Приложение 2. Рекомендуемый объем работ по проверке реле серии ДЗТ
Приложение 3. Протокол
Приложение 4. Устройства и приборы, необходимые при проверке реле
Литература

12. Насыщающиеся реакторы | 9. Трансформаторы | Часть2

12. Насыщающиеся реакторы

Насыщающиеся реакторы

До сих пор мы исследовали трансформатор как устройство, предназначенное для преобразования одних значений напряжения, тока и импеданса в другие. Сейчас мы рассмотрим его как устройство совершенно другого типа: устройство, позволяющее небольшому электрическому сигналу управлять гораздо большим количеством электроэнергии. В этом режиме трансформатор действует как усилитель.

Устройство, которое мы сегодня рассмотрим, называется реактором с насыщающимся сердечником или просто насыщающимся реактором. На самом деле этот реактор представляет собой не трансформатор, а особый вид катушки индуктивности, индуктивность которой можно изменять путем подачи постоянного тока на вторичную обмотку, намотанную вокруг того же железного сердечника. Как и феррорезонансный трансформатор, насыщающийся реактор основан на принципе магнитного насыщения. Когда такой материал, как железо, полностью насыщен (то есть все его магнитные домены выровнены с приложенной силой намагничивания), дополнительное увеличение тока через намагничивающую обмотку не приведет к дальнейшему увеличению магнитного потока.

Как вы уже знаете, индуктивность — это мера того, насколько хорошо катушка индуктивности противостоит изменениям тока, создавая противоположное этим изменениям напряжение. Способность катушки индуктивности генерировать такое противоположное напряжение напрямую зависит от изменения магнитного потока внутри этой катушки (в результате изменения тока и количества витков обмотки). Если сердечник катушки индуктивности «насытился», то дальнейшее увеличение тока не приведет к возникновению дополнительного магнитного потока, а значит, не будет никакого напряжения, индуцированного в противоположность изменению тока. Другими словами, катушка индуктивности теряет свою индуктивность (способность противостоять изменениям тока), когда её сердечник становится магнитно насыщенным.

Если изменится индуктивность катушки, то изменится и ее реактивное сопротивление (и импеданс) переменному току. В цепи с источником переменного напряжения, величина которого представляет собой константу, изменение индуктивности катушки приведет к изменению тока. 

 

При изменении L катушки индуктивности, соответственно изменяется и ее ZL, изменяя тем самым ток цепи.

 

Принцип действия насыщающегося реактора основан на рассмотренном выше эффекте. Насыщающийся реактор приводит свой сердечник в состояние насыщения сильным магнитным полем, которое создается проходящим через вторичную обмотку катушки током. Обмотка реактора, по которой протекает переменный ток нагрузки, называется «силовой». Вторая обмотка, по которой протекает постоянный ток, достаточно сильный для того, чтобы вызвать насыщение активной зоны, называется «управляющей».

 

Постоянный ток, проходящий через управляющую обмотку, насыщает сердечник, в результате чего происходит регулирование индуктивности, импеданса и тока силовой обмотки.

 

Странно выглядящее графическое обозначение трансформатора, показанное на приведенной выше схеме, представляет собой реактор с насыщающимся сердечником. Верхняя обмотка здесь является управляющей обмоткой постоянного тока, а нижняя — является силовой обмоткой, через которую проходит управляемый переменный ток. Увеличение управляющего постоянного тока создает больший магнитный поток в активной зоне реактора, приближая его к состоянию насыщения. В результате этого увеличиваются индуктивность и импеданс силовой обмотки, а так же увеличивается ток нагрузки. Таким образом, управляющий постоянный ток способен контролировать переменный ток, подаваемый на нагрузку.

Приведенная выше схема будет работать, но не очень хорошо. Первая проблема заключается в естественных процессах, присущих всем трансформаторам (в том числе и насыщающимся реакторам): переменный ток, проходящий через силовую обмотку, приведет к возникновению напряжения в управляющей обмотке, что может создать проблемы для подключенного к ней источника постоянного напряжения. Кроме того, насыщающиеся реакторы, как правило, регулируют силу переменного тока только в одном направлении: в одной половине цикла переменного тока магнитодвижущая сила добавляется к обеим обмоткам; в другой половине цикла — она вычитается. Таким образом, сердечник будет иметь больший поток в течение одной половины цикла переменного тока и соответственно, он будет насыщаться именно в этой половине цикла, пропуская ток нагрузки в одном направлении легче, чем в другом. К счастью, обе эти проблемы можно преодолеть, проявив небольшую изобретательность:

 

 

Обратите внимание на расположение фазирующих точек в двух реакторах: силовые обмотки здесь находятся «в фазе», а управляющие обмотки — «в противофазе». Если оба реактора идентичны, то любое индуцированное в управляющих обмотках напряжение обнуляется на клеммах батареи, устраняя тем самым первую упомянутую выше проблему. Кроме того, поскольку постоянный управляющий ток обоих реакторов создает в сердечниках магнитные потоки разных направлений, один реактор будет больше насыщаться в одном цикле переменного тока нагрузки, в то время как другой реактор будет больше насыщаться в другом цикле. Таким образом, переменный ток будет «регулироваться» симметрично. Фазировка управляющих обмоток может быть выполнена как с использованием двух отдельных реакторов, как показано на схеме выше, так и при помощи одного реактора с грамотной компоновкой обмоток и сердечника.

Технология насыщаемых реакторов была миниатюризирована до уровня печатной платы, и более известна нам как магнитные усилители. Эффект усиления (один электрический сигнал управляет другим), обычно требующий использования физически хрупких электронных ламп или электрически «хрупких» полупроводниковых приборов, может быть реализован в устройстве как физически, так и электрически прочном. Магнитные усилители имеют недостатки по сравнению с их более «хрупкими» аналогами, а именно: размер, вес, нелинейность и полоса пропускания (частотная характеристика), но их абсолютная простота все еще требует определенной степени признания, если не практического применения.

(PDF) Оценка характеристик насыщения трансформатора по осциллограммам пускового тока

АБДУЛСАЛАМ и др .: ОЦЕНКА ХАРАКТЕРИСТИК НАСЫЩЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРА ПО ВОЛНОВЫМ СИГНАЛАМ БЫСТРОГО ТОКА 177

ПРИЛОЖЕНИЕ

Результаты моделирования

TRANSFORMER

бумага была получена и исследована на лабораторном трансформаторе

Y-

, 30 кВА, 3-фазном, 3-фазном, 208 В / 208 В

, имеющем следующие данные:

Сопротивление первичной обмотки

; индуктивность утечки —

tance

[мГн]; Количество витков;

Сопротивление воздушного тракта нулевой последовательности

.

A

ЗНАНИЕ

Авторы хотели бы поблагодарить A. Terheide, техника

Power Lab Университета Альберты, за экспериментальные исследования.

R

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

[1] Р. Дж. Руш и М. Л. Гуд, «Соединения трехфазных распределительных трансформаторов

» в

Proc. IEEE Conf. Бумага, №

89Ч3709-4-С2, 1989.

[2] Р.С. Бэйлесс, Дж. Д. Селман, Д.E. Truax и W. E. Reid, «Конденсатор

коммутации и переходные процессы трансформатора», IEEE Trans. Мощность Del., Т. 3,

нет. 1, pp. 349–357, Jan. 1988.

[3] С. Калабро, Ф. Коппадоро и С. Крепаз, «Измерение характеристик намагничивания

больших силовых трансформаторов и реакторов

посредством возбуждения постоянным током. , ”IEEE Trans. Мощность Del., Т. PWRD-1, вып.

4, стр. 224–234, октябрь 1986 г.

[4] Э. П. Дик и У. Уотсон, «Модели трансформаторов для исследования переходных процессов

на основе полевых измерений», IEEE Trans Power App.Syst., Т. ПАС-

100, № 1, pp. 409–418, Jan. 1981.

[5] К. Г. А. Кореман, «Определение намагничивающей характеристики трехфазных трансформаторов

в полевых испытаниях», IEEE Trans. Мощность Del., Т. 4,

нет. 3, pp. 1779–1785, Jul. 1989.

[6] Дж. Такехара, М. Китагава, Т. Наката и Н. Такахаши, «Анализ с помощью конечных элементов

пусковых токов в трехфазных трансформаторах», IEEE Пер.

Магн., Об. МАГ-23, вып. 5. С. 2647–2649, сен.1987.

[7] М. А. Рахман и А. Гангопадхай, «Цифровое моделирование бросков пусковых токов в трехфазных трансформаторах», IEEE Trans. Мощность

Дел., Об. PWRD-1, вып. 4, pp. 235–242, Oct. 1986.

[8] Д. Долинар, Дж. Пилер и Б. Гркар, «Динамическая модель трехфазного силового трансформатора

», IEEE Trans. Мощность Del., Т. 8, вып. 4, pp.

1811–1819, октябрь 1993 г.

[9] К. Э. Линь, Дж. Б. Вэй, К. Л. Хуанг и К. Дж. Хуанг, «Новый метод представления петель гистерезиса

», IEEE Trans.Мощность Del., Т. 4, вып.

1, стр. 413–419, январь 1989 г.

[10] А. Гордо, П. Пичер, Л. Болдук и А. Куту, «Отсутствие потерь нагрузки в трансформаторе

в условиях перевозбуждения / пускового тока. : Испытания и новая модель

», IEEE Trans. Мощность Del., Т. 17, нет. 4, pp. 1009–1017,

Oct. 2002.

[11] Т. Нода, Х. Накамото и С. Йокояма, «Точное моделирование распределительных трансформаторов

сердечникового типа для исследований электромагнитных переходных процессов

. ”IEEE Trans.Мощность Del., Т. 17, нет. 4, pp. 969–976, Oct.

2002.

[12] M. Elleuch и M. Poloujadoff, «Вклад в моделирование трех фазных трансформаторов

с использованием сопротивлений», IEEE Trans. Магн., Т. 32, нет.

2, стр. 335–343, март 1996 г.

[13] М. Эллеух и М. Полужадофф, «Новая модель трансформатора, включая стыковые воздушные зазоры

и анизотропию расслоения», IEEE Trans. Magn., Pt. 2, т. 34,

нет. 5, pp. 3701–3711, Sep. 1998.

[14] M.Elleuch и M. Poloujadoff, «Аналитическая модель потерь в стали в силовых трансформаторах

», IEEE Trans. Magn., Pt. 2, т. 39, нет. 2, pp.

973–980, март 2003 г.

[15] EF Fuchs, Y. You и DJ Roesler, «Моделирование и симуляция», и

их валидация трехфазных трансформаторов с тремя ветвями под DC

.

смещения », IEEE Trans. Мощность Del., Т. 14, вып. 2, pp. 443–449, Apr. 1999.

[16] CE Lin, CL Cheng, CL Huang и JC Yeh,

«Модель переходных процессов и моделирование

в трехфазных трехсторонних трансформаторах», IEEE Transform .Мощность

Дел., Об. 10, вып. 2, pp. 896–905, Apr. 1995.

[17] Э. Фукс и Ю. Ю, «Измерение характеристик

-I метрического трехфазного трансформатора asym-

и их применения», IEEE Trans.

Power Del., Об. 17, нет. 4, pp. 983–990, Oct. 2002.

[18] Б. А. Морк, «Модель пятиконечного трансформатора с обмоткой с сердечником: вывод,

, параметры

, реализация и оценка», IEEE Trans. Power Del.,

об. 14, вып.4, pp. 1519–1526, Oct. 1999.

[19] В. Л. Невес и Х. В. Доммель, «О моделировании нелинейных железных сердечников

», IEEE Trans. Power Syst., Т. 8, вып. 2, pp. 417–425, May 1993.

[20] W. L. A. Neves и H. W. Dommel, «Кривые насыщения трансформаторов с дельта-соединением

по результатам измерений», IEEE Trans. Мощность Del., Т.

10, шт. 3, pp. 1432–1437, Jul. 1995.

[21] W. L. A. Neves, H. W. Dommel и W. Xu, «Практическое распределение транс-

бывших моделей для гармонических исследований», IEEE Trans.Мощность Del., Т. 10,

нет. 2, pp. 906–912, Apr. 1995.

[22] C. E. Lin, C. L. Cheng, C. L. Huang, и J. C. Yeh,

«Исследование

пускового тока намагничивания в трансформаторах», IEEE Trans. Power Del.,

об. 8, вып. 1, pp. 255–263, Jan. 1993.

Сами Г. Абдулсалам (S’03) получил степень бакалавра наук. и M.Sc. степени в области электротехники

инженеров Университета Эль-Мансура, Эль-Мансура, Египет, в 1997 году и

2001, соответственно.В настоящее время он работает над докторской степенью. степень в области электротехники и

компьютерной инженерии в Университете Альберты, Эдмонтон, AB, Канада.

С 2001 г. работал в Enppi Engineering Company, Каир, Египет. Его текущие исследовательские интересы

связаны с электромагнитными переходными процессами в энергосистемах и качеством электроэнергии

.

Вильсун Сюй (M’90 – SM’95 – F’05) получил степень доктора философии. степень от Университета

Британской Колумбии, Ванкувер, Британская Колумбия, Канада, в 1989 году.

В настоящее время он является профессором Университета Альберты, Эдмонтон, AB,

Канада. Он был инженером в BC Hydro с 1990 по 1996 год. Его основные интересы — качество электроэнергии и гармоники.

Вашингтон Л. А. Невес (M’95) получил докторскую степень. получил степень в Университете

Британской Колумбии, Ванкувер, Британская Колумбия, Канада, в 1995 году.

В настоящее время он работает на кафедре электротехники Университета

Federal de Campina Grande (UFCG), Кампина-Гранди, Бразилия.С 1982 по

и

1985 работал в Факультете инженерии Жуанвилля (FEJ), Жоинвиль, Бразилия.

С 1985 по 2002 год работал в УФПБ-Бразилия.

Его исследовательские интересы — электромагнитные переходные процессы в энергосистемах и

качество электроэнергии.

Сиань Лю (M’95) получил докторскую степень. степень в области компьютерной инженерии из

Университета Британской Колумбии, Ванкувер, Британская Колумбия, Канада, в 1996 году.

Перед тем, как поступить в Арканзасский университет в Литл-Роке, он работал в Nortel

Networks, Оттава, ON, Канада, и Университет Альберты, Эдмонтон, AB,

Канада, с 1995 по 2001 год.Он и его сотрудники опубликовали

более чем 50 статей для журналов и конференций, в основном в области

электрических машин, сетей связи и инженерной оптимизации.

Почему в трансформаторе происходит насыщение сердечника и каковы его эффекты

Трансформаторы

также ограничены в своей работе из-за ограничений магнитного потока сердечника. Для трансформаторов с ферромагнитным сердечником необходимо учитывать пределы насыщения сердечника.Помните, что ферромагнитные материалы не могут поддерживать бесконечную плотность магнитного потока: они имеют тенденцию «насыщаться» на определенном уровне (продиктованном материалом и размерами сердечника), а это означает, что дальнейшее увеличение силы магнитного поля (ммс) не приводит к пропорциональному увеличению магнитного поля. поток поля (Φ).

Когда первичная обмотка трансформатора перегружается из-за чрезмерно приложенного напряжения, магнитный поток сердечника может достигать уровней насыщения в пиковые моменты цикла синусоидального сигнала переменного тока. Если это произойдет, напряжение, индуцированное во вторичной обмотке, больше не будет соответствовать форме волны, как напряжение, питающее первичную катушку.Другими словами, перегруженный трансформатор будет искажать форму волны от первичной до вторичной обмоток, создавая гармоники на выходе вторичной обмотки. Как мы обсуждали ранее, содержание гармоник в энергосистемах переменного тока обычно вызывает проблемы.

Специальные трансформаторы, известные как трансформаторы максимального напряжения , используют этот принцип для создания коротких импульсов напряжения вблизи пиков формы волны напряжения источника. Ядро рассчитано на быстрое и резкое насыщение при уровнях напряжения значительно ниже пикового.Это приводит к сильно обрезанной форме волны синусоидального потока, а вторичные импульсы напряжения возникают только при изменении потока (ниже уровней насыщения): (рисунок ниже)

Формы сигналов напряжения и магнитного потока для пикового трансформатора

Другой причиной ненормального насыщения сердечника трансформатора является работа на частотах ниже нормы. Например, если силовой трансформатор, предназначенный для работы на частоте 60 Гц, вынужден работать на частоте 50 Гц, поток должен достигать более высоких пиковых уровней, чем раньше, чтобы создать такое же противоположное напряжение, необходимое для балансировки с напряжением источника.Это верно, даже если напряжение источника такое же, как и раньше. (Рисунок ниже)

Магнитный поток выше в сердечнике трансформатора с частотой 50 Гц по сравнению с 60 Гц для того же напряжения.

Поскольку мгновенное напряжение обмотки пропорционально скорости изменения мгновенного магнитного потока в трансформаторе, форма волны напряжения, достигающая того же пикового значения, но требующая более длительного времени для завершения каждого полупериода, требует, чтобы магнитный поток поддерживал та же скорость изменения, что и раньше, но на более длительные периоды времени.Таким образом, если поток должен расти с той же скоростью, что и раньше, но в течение более длительных периодов времени, он поднимется до более высокого пикового значения. (Рисунок ниже)

Математически это еще один пример исчисления в действии. Поскольку напряжение пропорционально скорости изменения потока, мы говорим, что форма волны напряжения — это производная формы волны потока, «производная» — это операция вычисления, определяющая одну математическую функцию (форму волны) с точки зрения скорости: замены другого.Однако, если мы возьмем противоположную точку зрения и свяжем исходную форму волны с ее производной, мы можем назвать исходную форму волны интегралом производной формы волны. В этом случае форма волны напряжения является производной формы волны магнитного потока, а форма волны магнитного потока является интегралом формы волны напряжения.

Интеграл любой математической функции пропорционален площади, накопленной под кривой этой функции. Поскольку каждый полупериод сигнала 50 Гц накапливает большую площадь между ним и нулевой линией графика, чем будет форма сигнала 60 Гц — а мы знаем, что магнитный поток является интегралом напряжения — поток будет достигать более высоких значений в Рисунок ниже.

Поток, изменяющийся с той же скоростью, возрастает до более высокого уровня при 50 Гц, чем при 60 Гц.

Еще одна причина насыщения трансформатора — наличие постоянного тока в первичной обмотке. Любая величина постоянного напряжения, падающего на первичную обмотку трансформатора, вызовет дополнительный магнитный поток в сердечнике. Это дополнительное «смещение» или «смещение» потока будет подталкивать форму волны переменного магнитного потока ближе к насыщению в одном полупериоде, чем в другом. (Рисунок ниже)

Постоянный ток в первичной обмотке, сдвигает пики формы сигнала к верхнему пределу насыщения

Для большинства трансформаторов насыщение сердечника является очень нежелательным эффектом, и его можно избежать за счет хорошей конструкции: спроектировав обмотки и сердечник так, чтобы плотности магнитного потока оставались значительно ниже уровней насыщения.Это гарантирует, что соотношение между mmf и Φ будет более линейным на протяжении всего цикла потока, что хорошо, поскольку способствует меньшим искажениям в форме волны тока намагничивания. Кроме того, проектирование сердечника для низких плотностей магнитного потока обеспечивает безопасный запас между нормальными пиками магнитного потока и пределами насыщения сердечника, чтобы приспособиться к случайным, ненормальным условиям, таким как изменение частоты и смещение постоянного тока.

Трансформаторы Часть 1

Трансформаторы Часть 1
Верх
Elliott Sound Products Руководство по трансформаторам для начинающих — часть 1
© 2001 — Род Эллиотт
Страница опубликована и обновлена ​​в ноябре 2018 г.
Основной индекс Указатель статей
Содержание — Часть 1
Предисловие

Одна вещь, которая явно сбивает с толку многих, — это идея плотности потока внутри сердечника трансформатора.Хотя это более подробно рассматривается в Разделе 2, важно, чтобы информация из этого раздела запоминалась на каждом этапе чтения этой статьи. Для любого силового трансформатора максимальная плотность магнитного потока в сердечнике достигается при простое трансформатора. Повторюсь, это очень важно …

Для любого силового трансформатора максимальная плотность потока достигается, когда трансформатор находится в режиме ожидания.

Идея противоречит интуиции, она даже почти не имеет смысла.Как бы то ни было, это факт, и его отсутствие разрушит ваше понимание трансформаторов. На холостом ходу обратная ЭДС трансформатора почти точно компенсирует приложенное напряжение. Небольшой ток, который течет, поддерживает плотность потока на максимально допустимом значении и представляет потери в стали (см. Раздел 2). Поскольку ток отводится от вторичной обмотки, поток немного падает. Причина этого кроется в конечном сопротивлении обмотки и в законе Ома.

Неважно, что вы понимаете причины этого с самого начала, но — это , важно помнить, что для любого силового трансформатора максимальная плотность потока достигается, когда трансформатор находится в режиме ожидания .Пожалуйста, не забывай об этом.

В другом месте в сети вы найдете утверждения о том, что максимальная мощность, доступная от трансформатора, ограничена насыщением сердечника — это чушь, полная ложь и необходимо игнорировать , иначе вы никогда не поймете трансформаторы правильно ! Информация, представленная здесь, является точной и правильной, и любой, кто утверждает иное, неправильный! Это может показаться резким, но, тем не менее, это правда.

Еще нужно задуматься об индуктивности трансформатора. Принято считать, что трансформатор представляет собой индуктивную нагрузку, но … это верно только при отсутствии нагрузки или при очень небольшой нагрузке . Когда трансформатор нагружен до номинальной мощности резистивной нагрузкой, индуктивной составляющей можно пренебречь. Когда любой трансформатор подает что-либо от 5% до 100% от его полного тока нагрузки, индуктивная составляющая подавляется током нагрузки, и фазовый угол (Φ) между первичным напряжением и током минимален.Все это более подробно объясняется ниже.


‘Окружной ток’ (добавлено в июле 2020 г.)

Существует некоторая путаница из-за статьи в Википедии, в которой обсуждаются тороидальные трансформаторы (по состоянию на июль 2020 года). Почти все, что нужно знать, исключено, но есть продолжительная дискуссия о «окружном токе». Во-первых, я не отрицаю, что он существует, но я знаю из многолетнего опыта (наряду с множеством измерений), что это не имеет отношения к 99,9% пользователей.Мне кажется, что страница была взломана кем-то, кто либо хочет показать, насколько он умен, либо просто хочет продвинуть эту конкретную тему по неизвестным причинам.

Стоит отметить, что ссылки, представленные в статье Википедии, (в основном) бесполезны, и некоторые из них возвращают вас на страницу, где цитируется ссылка. Довольно много людей очень недовольны страницей, и один участник описал ее как «как руководство IBM; полное совершенно правильной, но совершенно бесполезной информации».

Все трансформаторы имеют некоторую «утечку» магнитного потока, и думать иначе… неразумно. Важно то, вызывает ли утечка флюса какие-либо проблемы с разумной компоновкой. Ответ на этот вопрос — «нет». Прокладка даже кабеля динамика через тороидальный трансформатор обычно вызывает «гудение» в динамике (из-за нелинейного тока намагничивания), но это не то, как люди подключают усилители. Точно так же следует избегать прокладки проводов постоянного тока поверх (или в непосредственной близости от) любого трансформатора .Утечка магнитного потока и / или окружной ток вызывают мало проблем для любого, кто понимает, что периферия любого трансформатора электрически враждебна. Единственное корректирующее действие, необходимое для тороидального трансформатора, — поддержание «безопасного» расстояния, которое обычно должно быть не более 25 мм. Если проводка находится на таком расстоянии (или более), помехи обычно незначительны.

Чтобы доказать (по крайней мере, самому себе), что я не ошибаюсь, я использовал тороидальный трансформатор на 300 ВА и исследовал его во всех направлениях с помощью одного петлевого детектора, усиленного в 1000 раз (да, 60 дБ).Я слушал результат через усилитель и динамик. Как и ожидалось, наибольший поток утечки наблюдается там, где выводятся выводы, поскольку возникает разрыв, когда выводы выводятся из обмоток. Петля зонда должна быть в пределах 10 мм или около того от обмоток, чтобы обнаружить что-либо существенное. Вставка петли зонда в отверстие в середине трансформатора дала наивысшее значение, но это пространство всегда используется только для монтажного болта.

Я не показывал формы сигналов и амплитуду и не пытался измерить ток, который может возникнуть в контуре с низким сопротивлением.Я этого не делал по одной простой причине — нет точки . Мы, , знаем, что будет утечка магнитного потока и / или «окружной ток», но нам все равно. Это ничего не меняет, и мы все можем продолжать использовать тороидальные трансформаторы, как если бы этих вещей не существовало. Это может быть важно для некоторых коммутационных приложений, где сложно полностью окружить сердечник обмотками, и могут быть другие приложения, где это важно. На блоки питания аудиосистемы это никак не влияет!


Введение

Эта статья посвящена трансформаторам, используемым в типичных электронных проектах, источниках питания и т.п.Это правило , а не , распространяется на большие трансформаторы, используемые на подстанциях и в электросети в целом (кроме проходных), хотя обсуждаемые факторы также применимы к этим гораздо более крупным трансформаторам. В машиностроении трансформатор — одна из самых эффективных машин, которые есть в нашем распоряжении, но те, которые используются для распределения и промышленности, являются (большим) шагом вперед по сравнению с теми, с которыми мы обычно работаем.

Основы, которые позволяют нам использовать электромагнетизм, были открыты только в 1824 году, когда датский физик Ганс Эрстед обнаружил, что ток, протекающий по проводу, отклоняет стрелку компаса.Через несколько лет после этого было обнаружено, что движущееся магнитное поле индуцирует ток в проводе. От этой, казалось бы, базовой концепции, область электромагнетизма выросла до такой степени, что общество в том виде, в каком мы его знаем, не существовало бы без множества машин, использующих эти открытия.

Принципы магнитной индукции охватываются законом Фарадея, названным в честь Майкла Фарадея, британского ученого, который впервые количественно оценил вовлеченные процессы (1831 г.). Основные принципы были независимо открыты Джозефом Генри (в честь которого названа единица индуктивности) в 1832 году.«Закон индукции» Фарадея описывает способ, которым (нестатическое) магнитное поле индуцирует ток в проводе, и, наоборот, как ток в проводе создает магнитное поле. Трансформаторы основаны на принципе постоянно меняющегося магнитного поля (создаваемого первичной обмоткой), которое взаимодействует со вторичной обмоткой, генерируя переменное напряжение (и ток при нагрузке) во вторичной обмотке. Экспериментальные данные Фарадея были преобразованы в уравнения Джеймсом Клерком Максвеллом и добавлены и расширены Оливером Хевисайдом.Эмиль Ленц сформулировал концепцию «обратной ЭДС» (электродвижущей силы), где полярность тока в проводе (или обмотке) создает магнитное поле, которое противодействует магнитному полю, приложенному к обмотке (1834).

Все эти концепции важны, но, к счастью, полное понимание различных законов и формул не является необходимым для понимания того, как работает трансформатор. Я говорю «к счастью», потому что многие вычисления обширны и с ними трудно работать большинству нематематиков.Большинство из них даже не является обязательным при проектировании трансформаторов, тем более что существует множество практических правил, которые обычно применяются на этапе проектирования, что упрощает процесс.


Когда вы просматриваете эту статью, вас могут простить за восклицание: «Это для новичков? — человек сумасшедший. Безумный , говорю вам!» Вероятно, это справедливый комментарий, но трансформаторы не просты, и нет простого способа предоставить всю информацию, которая вам нужна, чтобы правильно их понять.Здесь есть разделы, которые, вероятно, идут немного глубже, чем я изначально предполагал, но были слишком интересны, чтобы их не учитывать. Хотя это может не выглядеть так, информация здесь упрощена. Это не учебник по теории магнитного поля или глубокое обсуждение плотности потока и того, как она рассчитывается. Эти темы не являются обязательными для понимания того, как работает трансформатор или что с ним можно делать.

Есть части этой статьи, которые вы можете пропустить, но я предлагаю вам прочитать их полностью, если сможете.Полное понимание того, в какой степени вы можете спроектировать свой собственный трансформатор, не является целью, но большая часть информации, по крайней мере, интересна и расширит ваши общие знания в области электроники.

Для тех, кто хочет погрузиться глубже, Раздел 2 делает именно это. Рекомендуется к прочтению даже новичкам, поскольку о трансформаторах можно многое узнать, несмотря на их кажущуюся простоту.

Трансформаторы необходимы для всего современного электронного оборудования, и очень мало устройств, которые их не используют.Каждый тип трансформатора имеет определенное применение, и редко бывает, что трансформатор, предназначенный для одного применения, может использоваться для другой (совершенно другой) цели. Это не значит, что «переориентация» невозможна, но вы должны знать, что вы делаете, и какие риски могут вас поджидать, чтобы вызвать горе.

Прежде чем приступить к описанию различных типов, необходимо понять основную теорию. Все трансформаторы используют один и тот же основной принцип, и меняются только самые мелкие детали. Трансформатор работает по принципу магнитной связи для передачи энергии от одной стороны (обмотки) к другой.

Трансформаторы

двунаправленные и будут работать независимо от того, где подключен вход. Они могут работать не так хорошо, как в противном случае, но базовая функциональность не изменилась. Идеальный трансформатор не нагружает источник питания (питает первичную обмотку), если нет нагрузки на вторичную обмотку — в реальных компонентах есть потери, так что это не совсем так, но это предположение можно использовать в качестве основы для понимания.

Силовые трансформаторы указаны в вольт-амперах (ВА).Использование ваттов бесполезно, так как полностью реактивная нагрузка не рассеивает мощность, но все же есть вольты и амперы. Это продукт реального напряжения и тока, который важен — ваттметр может указывать на то, что в нагрузке мало или совсем нет реальной мощности, но трансформатор все еще подает напряжение и ток и нагревается из-за внутренних потери независимо от мощности.

Сердечники трансформатора имеют указанную проницаемость, которая является мерой того, насколько хорошо они «проводят» магнитное поле.Магнетизм будет придерживаться пути наименьшего сопротивления и останется в ядре с высокой проницаемостью с небольшой утечкой. Чем ниже проницаемость, тем больше утечка потока из активной зоны (это, конечно, грубое упрощение, но достаточно хорошо, чтобы дать начальное объяснение этого термина).

Трансформатор может быть изготовлен с использованием различных материалов в качестве сердечника (магнитного пути). К ним относятся …

  • Air — обеспечивает наименьшее сцепление, но идеально подходит для высоких частот (особенно RF).Проницаемость 1.
  • Iron — Неправильное название, поскольку все трансформаторы с сердечником из железа являются стальными с различными добавками для улучшения магнитных свойств. Начальная проницаемость обычно около 500 и выше.
  • Порошковое железо — стальные магнитные частицы, сформированные в сердечник, скрепленные связующим веществом и обожженные при высокой температуре для создания керамический материал с очень хорошими свойствами на средних и высоких частотах (более 1 МГц). Особенно подходит для приложений, где есть значительная составляющая постоянного тока в обмотке или при очень большой мощности.Начальная проницаемость обычно составляет 40-90.
  • Феррит — магнитная керамика, обычно использующая экзотические магнитные материалы для получения чрезвычайно высокой проницаемости и отличных высоких частот. производительность (от 50 кГц до более 1 МГц). Для разных областей применения доступен удивительный диапазон различных составов. Начальная проницаемость примерно от 500 до 9000 и более.

Проницаемость указана выше как «начальная проницаемость» — фактическая проницаемость материалов керна, отличных от воздуха (записывается как µ i).Это параметр «слабого сигнала», и он почти всегда уменьшается при значительных уровнях магнитного потока. Фактические характеристики ( эффективная проницаемость µ e) зависят от материала и напряженности поля, и здесь это не рассматривается. См. Термины и определения (от Hitachi Metals), если вам нужны более полные объяснения.

Технически порошковое железо и ферриты классифицируются как мягкие (см. Ниже) ферриты, но они имеют очень разные характеристики, даже в пределах одного «семейства».Обычно они не подходят для работы на низких частотах, за исключением низких уровней. Ферриты часто используются в качестве трансформаторов сигналов (например, изолирующих трансформаторов для телекоммуникаций или других приложений с малыми сигналами), где высокая магнитная проницаемость делает их идеальным выбором для небольших размеров и высокой индуктивности.

Материалы сердечника обычно классифицируются как «мягкие» — это не имеет ничего общего с их физическими свойствами (все они от твердого до очень твердого), но указывает на их способность сохранять магнетизм (остаточную намагниченность).Магнитно-мягкий материал имеет низкую намагничиваемость и его трудно намагнитить. Твердые магнитные материалы используются для «постоянных» магнитов, и они обладают очень высокой остаточной намагниченностью, то есть сохраняют очень большую часть исходного магнитного поля, которое было наведено в них во время производства.

Во всех импульсных источниках питания используются ферритовые трансформаторы, поскольку обычные пластинки нельзя сделать достаточно тонкими, чтобы предотвратить огромные потери в сердечнике. Для любого основного материала существует множество ограничений.Для низкочастотных источников питания кремнистая сталь с ориентированной зеренной структурой (около 4% кремния) является наиболее распространенной, так как она имеет очень высокую плотность магнитного потока до насыщения. Большинство других материалов уступают в этом отношении, что является одной из основных причин, по которым этот материал до сих пор так распространен. К специализированным материалам относятся MuMetal (он же µMetal, Mu-Metal и т. Д.) И Permalloy, и это материалы сердечника (и магнитного экранирования) с очень высокой проницаемостью.

Выше показан небольшой образец некоторых трансформаторов (не в масштабе).Тороидальные трансформаторы и трансформаторы E-I имеют одинаковую номинальную мощность, а также показан небольшой набор небольших трансформаторов и вставной блок (настенный трансформатор, стенная бородавка и т. Д.).


1. Магнетизм и индукторы

Трансформатор состоит из двух (или более) катушек индуктивности, имеющих общий магнитный путь. Любые две катушки индуктивности, размещенные достаточно близко друг к другу, будут работать как трансформатор, и чем теснее они соединены магнитным полем, тем более эффективными они становятся.Вот почему пассивные кроссоверные сети громкоговорителей должны иметь индукторы, ориентированные по-разному, чтобы они не работали как трансформатор.

Когда изменяющееся магнитное поле находится вблизи катушки с проволокой (индуктора), в катушке индуцируется напряжение, соответствующее приложенному магнитному полю. Статическое магнитное поле не действует и не генерирует электрическую мощность. Те же принципы применимы к генераторам, генераторам переменного тока, электродвигателям и громкоговорителям, хотя это действительно была бы очень длинная статья, если бы я охватил все существующие устройства магнитного поля.

Когда электрический ток проходит через катушку с проволокой, создается магнитное поле — это работает с переменным или постоянным током, но с постоянным током магнитное поле, очевидно, статично. По этой причине трансформаторы не могут использоваться напрямую с постоянным током, потому что, хотя магнитное поле существует, оно должно быть , изменяя , чтобы индуцировать напряжение в другой катушке. Статическое магнитное поле не может производить выходное напряжение / ток.

Попробуйте этот эксперимент. Возьмите катушку с проводом (для этого подойдет кроссоверная катушка громкоговорителя) и магнит.Подключите мультиметр (желательно аналоговый) к катушке и установите диапазон на наиболее чувствительный диапазон тока на измерителе. По мере того, как вы перемещаете магнит к катушке или от нее, вы увидите ток, показанный отклонением стрелки измерителя. При повороте магнита в одну сторону сила тока будет положительной, а в другую — отрицательной. Чем выше индуктивность катушки и чем сильнее магнит (и / или чем ближе он к катушке), тем больше будет индуцированный ток.

Двигайте магнит медленно, и сила тока будет меньше, чем при быстром перемещении.Оставьте его неподвижным, и ток вообще не будет, независимо от того, насколько близко может быть магнит. Это принцип магнитной индукции, и он применим ко всем катушкам (действительно, ко всем кускам провода, хотя катушка усиливает эффект).

Если вы теперь возьмете пригоршню гвоздей и поместите их через центр катушки, вы увидите, что ток увеличился во много раз — магнитное поле теперь более сконцентрировано, потому что стальные гвозди создают лучший магнитный путь (более высокая проницаемость) чем воздух.

Легкость, с которой любой материал может переносить магнитное поле, называется проницаемостью (или, точнее, начальной проницаемостью ), и разные материалы имеют разные проницаемости. Некоторые из них оптимизированы особым образом для конкретных требований — например, сердечники, используемые для трансформатора импульсного источника питания, сильно отличаются от сердечников, используемых для обычных сетевых трансформаторов 50/60 Гц.

Проницаемость сердечников трансформаторов сильно различается в зависимости от материала и применяемой обработки.Проницаемость воздуха равна 1, и большинство традиционных кернов имеют гораздо более высокую (т.е.> 1) проницаемость. Пара заметных исключений — это алюминий и латунь, которые иногда используются для уменьшения индуктивности катушек с воздушным сердечником в радиочастотной (RF) работе. Это гораздо реже, чем ферритовый сердечник, который увеличивает индуктивность и используется для настройки многих ВЧ трансформаторов.

Помимо проницаемости, магнитопроводы (за исключением воздуха) обладают максимальным магнитным потоком, с которым они могут работать без насыщения.В этом контексте насыщение означает то же самое, что и в большинстве других: когда полотенце пропитано, оно не может больше удерживать воду, а когда магнитный сердечник насыщен, он не может больше переносить магнитный поток. В этот момент магнитное поле больше не меняется, поэтому ток в обмотке не индуцируется.

Вероятно, вам не удастся пропитать ногти магнитом, так как между двумя полюсными наконечниками очень большой воздушный зазор. Это означает, что сердечник всегда сможет поддерживать магнитный поток, но эффективность также намного ниже, поскольку магнитная цепь разомкнута.Почти все трансформаторы, которые вы увидите, имеют полностью замкнутую магнитную цепь, чтобы гарантировать, что как можно большая часть наведенного на сердечник магнетизма пройдет через обмотку (и).

Есть некоторые случаи, когда крошечный воздушный зазор будет намеренно оставлен, и это делается обычно, когда трансформатор или катушка должны выдерживать значительную составляющую постоянного тока, а также переменного тока. Об этом вкратце рассказывается ниже, но больше по этому поводу во втором разделе статьи.


Рисунок 1.1 — Основные принципы работы трансформатора

На Рисунке 1.1 показаны основы всех трансформаторов. Катушка (первичная) подключена к источнику переменного напряжения — обычно это сеть для силовых трансформаторов. Поток, наведенный в сердечник, передается во вторичную обмотку, в обмотке индуцируется напряжение, и через нагрузку создается ток.

На схеме также показаны различные части трансформатора. Это простой трансформатор с двумя обмотками. Первичная обмотка (обозначенная как таковая при проектировании) будет индуцировать магнитное поле в сердечнике в соответствии с током, создаваемым приложенным напряжением переменного тока.Магнитное поле концентрируется сердечником, и почти все оно также проходит через обмотки вторичной обмотки, где индуцируется напряжение. Сердечник в этом случае типичен для конструкции трансформатора «C-Core», где первичная и вторичная обмотки иногда разделены. Более распространенным является «традиционный» тип E-I (ee-eye), который, хотя и несколько не в моде, в наши дни все еще широко используется. Это показано ниже.

Величина напряжения во вторичной обмотке определяется по очень простой формуле, которая определяет отношение витков (N) компонента — это традиционно рассчитывается путем деления витков вторичной обмотки на витки первичной обмотки…

1.1.1 N = Ц / Тп

Tp — это просто количество витков провода, составляющего первичную обмотку, а Ts — количество витков вторичной обмотки. Трансформатор с 500 витками на первичной обмотке и 50 витками на вторичной имеет отношение витков 1:10 (т.е. 1/10 или 0,1)

1.1.2 Vs = Vp × N

В большинстве случаев вы никогда не узнаете количество витков, но, конечно, мы можем просто перевернуть формулу, чтобы соотношение витков можно было вывести из первичного и вторичного напряжений…

1.1.3 N = Vs / Vp

Если напряжение 230 В (естественно, переменного тока) приложено к первичной обмотке, мы ожидаем 23 В на вторичной обмотке, и это действительно то, что будет измеряться. У трансформатора есть дополнительная полезная функция — «трансформируется» не только напряжение, но и ток.

1.1.4 Is = Ip / N

Если в приведенном выше примере из вторичной обмотки потребляется ток 10 А, то логически в первичной обмотке будет измеряться ток 1 А — напряжение уменьшается, но увеличивается ток.Это было бы так, если бы трансформатор был на 100% эффективен, но даже эта самая эффективная «машина», которая у нас есть, к сожалению, никогда не будет идеальной. В результате при потреблении 10 А от вторичной обмотки напряжение будет меньше, чем 23 В, которые были у нас без нагрузки. Это мера регулирования трансформатора, и большая часть падения напряжения происходит из-за сопротивления обмотки.

При использовании больших трансформаторов для национальной энергосистемы, КПД трансформаторов обычно превышает 95%, а некоторых достигает 98% (или даже больше).

Меньшие трансформаторы всегда будут иметь более низкий КПД, но те, которые обычно используются в усилителях мощности, могут иметь КПД до 90% для больших размеров. Причины потери мощности станут ясны (я надеюсь) по мере нашего продвижения. Пока что для простоты будем считать трансформатор «идеальным» (т.е. без потерь).


Рисунок 1.2 — Ламинирование E-I

Обычный набор для ламинирования E-I все еще широко используется, и стоит упомянуть несколько важных моментов.Центральная ножка всегда в два раза больше ширины внешних ножек для сохранения площади поперечного сечения. Точно так же ламинация «I» и «задняя часть» буквы E имеют такую ​​же ширину (или иногда немного больше) ширины внешних ножек. Окно обмотки — это место, где живут медные обмотки, и в хорошо спроектированном трансформаторе оно будет почти полностью заполнено. Это максимизирует количество меди и снижает резистивные потери, поскольку обмотки имеют максимально возможную толщину.

См. Раздел 2, чтобы узнать, как определяются размеры пластин E и I.Это обычно называют ламинированием без царапин и практически исключает любые потери материала.


2. Терминология магнитного сердечника

Этот список далеко не полный, но его будет достаточно, чтобы вы начали или отпугнули. Я включил символы и единицы только трех из приведенных ниже записей, так как большинство из них не представляют особого интереса.

Коэрцитивная сила — это напряженность поля, которая должна быть применена для уменьшения (или coerce ) остаточного потока до нуля.Материалы с высокой коэрцитивной силой (например, те, которые используются для постоянных магнитов) называются жесткими . Материалы с низкой коэрцитивной силой (используемые для трансформаторов) называются soft .

Эффективная площадь — сердечника — это площадь поперечного сечения центральной ветви для пластин E-I или общая площадь магнитной цепи для тороида. Обычно это соответствует физическим размерам сердечника, но поскольку поток может распределяться неравномерно, производитель может указать значение, которое отражает это.

Эффективная длина — сердечника — это расстояние, которое магнитный поток проходит при замыкании замкнутой цепи. Обычно это близко соответствует среднему физическому размеру сердечника, но поскольку поток имеет тенденцию концентрироваться на внутренних углах пути, производитель может указать значение эффективной длины.

Плотность потока — (символ; B, единица; тесла (Т)) — это просто общий поток, деленный на эффективную площадь магнитной цепи, через которую он течет.

Магнитопровод — в идеальном индукторе магнитный поток, создаваемый одним витком, будет заключаться во всех остальных витках. Настоящие катушки приближаются к этому идеалу, когда другие размеры катушки малы по сравнению с ее диаметром или когда подходящий сердечник направляет поток через обмотки.

Магнитодвижущая сила — MMF можно рассматривать как магнитный эквивалент электродвижущей силы. Это произведение тока, протекающего в катушке, и количества витков, составляющих катушку.

Напряженность магнитного поля — (обозначение: H, единица измерения; амперметры (A m -1 )), когда ток течет в проводнике, он всегда сопровождается магнитным полем. Сила или интенсивность этого поля пропорциональна величине тока и обратно пропорциональна расстоянию от проводника (отсюда и надстрочный индекс -1).

Магнитный поток — (символ: Φ; единица измерения: Веберс (Вб)) мы относимся к магнетизму в терминах силовых линий или магнитного потока, который является мерой общей величины магнетизма.

Проницаемость — (символ; µ, единицы: генри на метр (Hm -1 ) определяется как отношение плотности потока к напряженности поля и определяется типом материала в магнитном поле, т. Е. Сердечником Сам материал. Большинство ссылок на проницаемость на самом деле относятся к «относительной проницаемости», поскольку проницаемость почти всех материалов изменяется в зависимости от напряженности поля (и в большинстве случаев также от температуры).

Remanence — (или остаток) — это плотность магнитного потока, которая остается в магнитном материале, когда внешнее приложенное поле удаляется.Трансформаторы требуют минимально возможной намагниченности, в то время как постоянные магниты требуют высокого значения намагниченности.

Насыщенность — точка, в которой ядро ​​больше не может принимать больше потока. Когда это происходит, первичный ток трансформатора ограничивается только любым последовательным сопротивлением (например, внешним сопротивлением и сопротивлением обмотки). Насыщение сердечника ограничивает пиковое входное напряжение переменного тока для заданного числа витков первичной обмотки. Начало насыщения обычно довольно постепенное, но может быть очень резким для некоторых материалов с высокой проницаемостью.Особенно это заметно на тороидальных сердечниках.

Я упоминаю их здесь для полноты картины, но их реальная важность не обсуждается далее в этом разделе. В разделе 2 этой статьи снова рассматриваются термины, и их важность несколько увеличивается в контексте.


3. Как работает трансформатор

Идеальный трансформатор без нагрузки практически не потребляет ток из сети, поскольку это просто большая индуктивность. Весь принцип работы основан на индуцированном магнитном потоке, который не только создает напряжение (и ток) во вторичной обмотке, но также и в первичной! Именно эта характеристика позволяет любой катушке индуктивности функционировать должным образом, а напряжение, генерируемое в первичной обмотке, называется «обратной ЭДС» (электродвижущая сила).Величина этого напряжения такова, что оно почти равно (и составляет , фактически, в той же фазе, что и) приложенной ЭДС.

Хотя для определения внутреннего генерируемого напряжения можно выполнить простой расчет, это бессмысленно, поскольку его нельзя изменить. Для синусоидальной формы волны ток через катушку индуктивности отстает от напряжения на 90 градусов. Поскольку наведенный ток отстает на 90 градусов, внутреннее генерируемое напряжение снова смещается на назад на на 90 °, поэтому оно находится в фазе с входным напряжением.Для простоты представьте себе катушку индуктивности или трансформатор (без нагрузки) с приложенным напряжением 230 В. Чтобы эффективная обратная ЭДС сопротивлялась полному приложенному напряжению переменного тока (как и должно быть), фактическая величина наведенного напряжения (обратная ЭДС) составляет чуть менее 230 В. Выходное напряжение трансформатора всегда находится в фазе с приложенным напряжением (в пределах нескольких тысячных градуса).

Например … первичная обмотка трансформатора, работающая от входного напряжения 230 В, потребляет 15 мА из сети на холостом ходу и имеет сопротивление постоянному току 2 Ом.Обратной ЭДС должно быть достаточно, чтобы ограничить ток через сопротивление 2 Ом до 15 мА, поэтому будет достаточно близко к 229,97 В (30 мВ на 2 Ом составляет 15 мА). В реальных трансформаторах есть дополнительные сложности, которые увеличивают общий ток (в частности, потери в стали и / или частичное насыщение), но принцип не сильно изменился.

Если все это слишком сбивает с толку, не беспокойтесь об этом. Если вы не собираетесь посвятить свою карьеру проектированию трансформаторов, эта информация на самом деле мало полезна для вас, поскольку вы ограничены «реальными» характеристиками компонентов, которые вы покупаете — внутреннее устройство не имеет большого значения.Даже если вы посвятите свою жизнь дизайну трансформеров, эта информация по большей части останется просто любопытством, поскольку вы все еще мало что можете с этим поделать.

Когда вы подключаете нагрузку к выходной (вторичной) обмотке, через нагрузку проходит ток, который отражается через трансформатор на первичную обмотку. В результате первичная обмотка теперь должна потреблять больше тока из сети. Возможно, несколько интригующе то, что чем больше тока потребляется из вторичной обмотки, первоначальный сдвиг фазы тока на 90 ° становится все меньше и меньше по мере того, как трансформатор приближается к полной мощности.Коэффициент мощности ненагруженного трансформатора очень низкий, что означает, что, хотя есть вольты и амперы, но есть относительно небольшая мощность. Коэффициент мощности улучшается с увеличением нагрузки и при полной нагрузке будет близок к единице (идеал).

Однако это зависит от нагрузки — нелинейная нагрузка на вторичной обмотке трансформатора отражает нелинейную нагрузку на сеть.

Теперь можно рассмотреть еще один интересный факт о трансформаторах.

Мы будем использовать тот же пример, что и выше.Первичная обмотка 230 В потребляет 1 А, а вторичная обмотка 23 В обеспечивает нагрузку 10 А. Таким образом, согласно закону Ома, сопротивление нагрузки (импеданс) составляет 23/10 = 2,3 Ом. Полное сопротивление первичной обмотки должно составлять 230/1 = 230 Ом. Это соотношение 100: 1, а соотношение оборотов всего 10: 1 — что происходит?

Коэффициент импеданса трансформатора равен квадрату отношения витков …

3.1.1 Z = N²
Трансформаторы

обычно проектируются в зависимости от требуемой мощности, и это определяет размер сердечника для данного материала сердечника.Исходя из этого, можно определить необходимое число витков на вольт, исходя из максимальной плотности магнитного потока, которую может выдержать материал сердечника. Опять же, это сильно зависит от материалов сердечника.

Можно применить эмпирическое правило, согласно которому площадь сердечника для «стандартных» (если действительно существует) стальных пластин (в квадратных сантиметрах) равна квадратному корню из мощности. Таким образом, трансформатору на 625 ВА потребуется сердечник (как минимум) 25 кв. См, если предположить, что проницаемость сердечника составляет около 500, что довольно типично для стандартных пластин трансформатора.Это также предполагает, что материал сердечника не будет насыщаться с плотностью потока, необходимой для получения этой мощности.

Следующим шагом является вычисление количества витков на вольт первичной обмотки. Это зависит от частоты, но для трансформатора с частотой 50 Гц количество витков на вольт (приблизительно) составляет 45, деленное на площадь сердечника (в квадратных сантиметрах). Для трансформатора на 60 Гц требуется меньше витков, и число витков на вольт будет около 38 на площадь жилы. Материалы сердечника с более высокими рабочими характеристиками могут допускать более высокую плотность магнитного потока, поэтому возможно меньшее количество витков на вольт, что увеличивает общую эффективность и регулирование.Эти расчеты необходимо производить с осторожностью, иначе трансформатор перегреется без нагрузки.

Для трансформатора 625 ВА вам потребуется около 432 витков для первичной обмотки 230 В, хотя на практике это может быть меньше этого значения. Кремнистые стали с ориентированной структурой, используемые в трансформаторах более высокого качества, часто допускают более высокий общий магнитный поток на единицу площади, и потребуется меньше витков.

Вы можете определить количество витков на вольт любого трансформатора (по причинам, которые станут яснее по мере дальнейшего развития), добавив ровно 10 витков тонкого «сигнального провода» или аналогичного изолированного провода к тестируемому трансформатору, намотанному поверх существующих обмоток.При питании от правильного номинального напряжения питания измерьте напряжение на созданной вами дополнительной обмотке. Разделите количество витков (10) на измеренное напряжение, чтобы получить число витков на вольт для этого трансформатора. Например, если вы измеряете 5 В, трансформатор имеет 2 витка / вольт.

Итак, какая вам польза от этого на земле? Что ж, вы можете быть удивлены тем, что вы можете сделать с этими знаниями. Предположим на мгновение, что у вас есть трансформатор для усилителя мощности приличного размера. Вторичное напряжение составляет 35-0-35 В, что слишком велико для питания цепи предусилителя или даже его источника питания, но вы сможете сделать это с помощью одной обмотки 16 В.Обычно используется другой трансформатор, но вы также можете добавить дополнительную обмотку самостоятельно. С тороидальными трансформаторами это почти слишком просто, но с другими может быть вообще невозможно. Если трансформатор использует (скажем) 2 витка на вольт, всего 32 дополнительных витка провода звонка (или эмалированного медного провода) обеспечат 16 В при типичных 100 мА или около того, которые вам понадобятся. Добавьте 10% запаса, и у вас останется только 36 витков, и это можно будет сделать за несколько минут. Убедитесь, что дополнительная обмотка надежно закреплена лентой хорошего качества (настоятельно рекомендуется использовать каптон, если вы можете его достать).Не используйте , а не , обычную электротехническую ленту — она ​​не рассчитана на температуру, при которой трансформаторы могут работать при постоянной нагрузке.

ПРИМЕЧАНИЕ: Убедитесь, что нет никакой возможности дополнительного короткого замыкания обмотки между витками — это вызовет эффектный выход дыма из изоляции, и вы можете повредить сам трансформатор.


3.1 Насыщение ядра

Ток намагничивания, указанный или измеренный для любого трансформатора, обычно представляет собой комбинацию истинного тока намагничивания (который обычно очень низкий) и тока насыщения, который может составлять до половины расчетного тока полной нагрузки для небольших трансформаторов.Любой трансформатор с сердечником (кремнистая сталь, феррит и т. Д.) Перейдет в насыщение, если первичное напряжение холостого хода будет увеличено достаточно сильно. Это более подробно рассматривается в Части 2, Разделе 12.1.

Насыщение сердечника достигается, когда пиковое входное напряжение является достаточным для достижения сердечником максимального номинального магнитного потока. Когда плотность потока слишком высока, сердечник больше не может принимать больше и насыщается. Форма волны насыщения показана в Разделе 2, и хотя вы можете увидеть указанный «ток намагничивания» трансформатора, это почти всегда первичный ток холостого хода, включая ток насыщения .

Нереалистично ожидать, что какой-либо сетевой трансформатор останется значительно ниже насыщения на всех рабочих уровнях. Это потребует, чтобы ядро ​​было намного больше и дороже, чем обычно. Когда плотность потока сердечника превышает примерно 1,4 Тесла (кремнистая сталь), он начинает насыщаться. Как только сердечник на полностью насыщен на , он больше не существует, и ток ограничивается только сопротивлением цепи. Это недопустимо, но частичное насыщение на холостом ходу является обычным явлением, и это увеличивает кажущийся ток намагничивания.

Для трансформаторов, используемых в аудиосистеме (клапанные выходные трансформаторы, микрофонные или «линейные» трансформаторы и т. Д.), Сердечник должен работать значительно ниже насыщения при всех возможных напряжениях и частотах, чтобы предотвратить серьезные искажения. Для силовых трансформаторов характерно небольшое насыщение без нагрузки. Хотя это увеличивает ток холостого хода (и температуру) трансформатора, это также позволяет немного лучше регулировать, поскольку используется меньше витков, что снижает сопротивление обмотки.

Насыщение — сложный процесс, который не совсем понятен большинству любителей (и даже некоторым профессионалам).Степень допустимой насыщенности зависит от предполагаемого использования и допустимого искажения. При уменьшении частоты трансформатор будет больше насыщаться, если входное напряжение остается неизменным. Например, силовой трансформатор, рассчитанный на работу с частотой 60 Гц, обычно сильно насыщается на частоте 50 Гц, даже если напряжение правильное. Нормальная работа может быть восстановлена ​​только в том случае, если входное напряжение уменьшается в том же соотношении, что и частота — от 60 Гц до 50 Гц составляет 17%, поэтому входное напряжение также должно быть уменьшено на 17%, чтобы получить расчетный ток «намагничивания».


4. Интересные факты о трансформаторах

Как обсуждалось выше, коэффициент импеданса — это квадрат отношения витков, но это только одна из многих интересных особенностей трансформаторов … (ну, и , в любом случае, думают, что они интересны).

Например, можно подумать, что увеличение числа витков приведет к увеличению плотности потока, поскольку больше витков вносят вклад в магнитное поле. На самом деле, верно обратное, и при том же входном напряжении увеличение числа витков приведет к уменьшению плотности потока и наоборот.Это нелогично, пока вы не поймете, что увеличение числа витков увеличивает индуктивность и, следовательно, уменьшает ток через обмотку.

Я уже упоминал, что коэффициент мощности (и фазовый сдвиг) меняется в зависимости от нагрузки, и это (хотя и довольно интересно) не имеет для большинства из нас никаких реальных последствий.

Когда мы потребляем ток от вторичной обмотки, возникает очень интересное явление. Поскольку первичный ток увеличивается для питания нагрузки, мы ожидаем, что магнитный поток в сердечнике также увеличится (больше ампер, то же количество витков, больше потока).На самом деле плотность потока уменьшается! В идеальном трансформаторе без потерь в меди магнитный поток останется прежним — дополнительный ток питает только вторичную обмотку. В реальном трансформаторе, когда ток увеличивается, потери увеличиваются пропорционально, и первичное напряжение немного меньше (из-за сопротивления меди), поэтому магнитный поток при полной нагрузке на ниже, чем на , чем при отсутствии нагрузки. Об этом стоит немного пошуметь, так как это широко неправильно понимается. Хотя это уже было указано в начале, это настолько важно, что я повторю это еще раз…

Плотность магнитного потока в трансформаторе максимальна на холостом ходу, и уменьшается при увеличении нагрузки.

Когда вы тестируете трансформатор без нагрузки, первичный ток возникает исключительно из-за тока намагничивания и дополнительного тока, вызванного частичным насыщением (почти все сетевые трансформаторы покажут некоторые свидетельства тока насыщения — см. Часть 2, Раздел 12.1). Предположим, трансформатор работает от 230 В на первичной обмотке и имеет сопротивление первичной обмотки 10 Ом.Если мы теперь подключим нагрузку к вторичной обмотке, которая вызывает повышение первичного тока до 1 А, эффективное первичное напряжение уменьшится на 10 В (10 Ом × 1 А), поэтому оно упадет до 220 В. Плотность магнитного потока уменьшается пропорционально, и при более низком значении эффективного напряжения плотность магнитного потока должна быть на ниже, когда ток отводится от вторичной обмотки.

Плотность потока от вторичной обмотки не влияет, потому что любой дополнительный поток, создаваемый током нагрузки, равен, но противоположен потоку, вызванному первичным током, потому что направление тока противоположно (правило правой руки Флеминга).Это (IMO) «периферийная» тема, и она объясняет, почему вторичный ток не увеличивает плотность потока. Настоящая причина того, что магнитная индукция падает на , связана исключительно с сопротивлением обмотки. Трансформатор, использующий «сверхпроводники» (нулевое сопротивление) для первичной и вторичной обмоток, будет поддерживать одинаковый магнитный поток независимо от тока нагрузки.


4.1 Индуктивность

Также важно понимать еще один интересный факт о сетевом трансформаторе . Мы склонны полагать, что индуктивность важна — в конце концов, это то, что мешает трансформатору потреблять 10 А или более из сети на холостом ходу.На самом деле индуктивность обычно не является параметром конструкции, а просто результатом правильного расчета числа витков на вольт. Индуктивность также является туманной цифрой, и ее значение составляет , а не , постоянное, но изменяется (или, по крайней мере, кажется, что меняется) в зависимости от условий. Когда у вас есть правильное количество витков первичной обмотки, индуктивность в значительной степени заботится о себе. Быстрый расчет продемонстрирует, что я имею в виду.

Предположим, тороидальный трансформатор на 600 ВА с измеренной индуктивностью 52 Гн при 50 Гц.Формула для индуктивности говорит нам, что ток намагничивания будет …

I mag = В / (2π × f × L)
I mag = 230 / (2π × 50 × 52) = 14 мА

Однако, когда этот трансформатор испытывается (см. Часть 2 — Ток намагничивания), фактически измеренный ток намагничивания составляет 42 мА — в 3 раза выше ожидаемого. Это происходит потому, что сердечник частично насыщен, а не , а не , потому что индуктивность ниже измеренной или рассчитанной.При работе при (намного) более низком напряжении, когда ток намагничивания не искажается (что означает, что нет насыщения сердечника вообще), ток намагничивания подчиняется формуле, показанной выше. Без насыщения сердечника ток определяется индуктивностью, напряжением и частотой, как и в любой катушке индуктивности. Однако трансформаторы (большинство) не являются индукторами как таковые !

Примечание: Для многих других трансформаторов индуктивность является конструктивным параметром (и очень важным).Это относится к трансформаторам, используемым в импульсных источниках питания, или к аудио трансформаторам и другим, где критична низкочастотная характеристика. Это только с трансформаторами частоты сети (50 или 60 Гц), где мы действительно не заботимся об индуктивности, при условии, что ток намагничивания является ощутимым. «Разумность» определяется тем, как и где используется трансмиссия, и чего хотел достичь дизайнер. Здесь нет никаких «правил» — если он работает, как требуется (и в соответствии с проектной спецификацией), остается при приемлемой температуре, надежен и безопасен, то это все, что имеет значение.

Вот почему производители редко (если вообще когда-либо) указывают индуктивность трансформаторов сетевой частоты. Вместо этого (и если вам повезет) они могут сказать о токе намагничивания без нагрузки при номинальном напряжении и частоте. Большинство даже не удосуживаются сказать вам об этом много. В конце концов, вы все равно ничего не можете с этим поделать.

В предисловии я упомянул, что трансформатор не является индуктивным при работе с номинальной нагрузкой. Если мы представим тот же самый трансформатор, описанный выше (индуктивность 52H), он будет потреблять 14 мА индуктивного тока на холостом ходу (без учета насыщения).Ток будет отставать от напряжения на 90 °, а коэффициент мощности, определяемый cos (Φ), равен cos (90) = 0. Если вторичная обмотка нагружена так, что первичный ток нагрузки составляет всего 14 мА (общий ток теперь составляет 20 мА). , , а не 28 мА, как вы могли предположить), фазовый угол падает до 45 °, а коэффициент мощности увеличивается до cos (45) = 0,707 — при токе нагрузки всего 14 мА !

Если нагрузка такова, что первичный ток составляет около 5% или более номинального значения трансформатора (около 130 мА для трансформатора на 600 ВА), фазовый сдвиг составляет всего несколько градусов (около 5.6 °), а коэффициент мощности близок к единице (0,995 для обсуждаемого гипотетического трансформатора). Однако (и это важно) первичный ток является почти идеальным воспроизведением вторичного тока, и если вторичный ток является нелинейным, первичный ток также является нелинейным. Выпрямительные и конденсаторные нагрузки, которые используются почти во всех линейных источниках питания, имеют низкий коэффициент мощности, но это из-за нелинейности , а не индуктивности .

Итак, для обычных сетевых трансформаторов индуктивность не является частью спецификации и может считаться «случайной».Он должен существовать, чтобы ограничить ток холостого хода до разумного значения, но большая часть тока намагничивания возникает из-за частичного насыщения. Большинство сетевых трансформаторов необходимо испытывать при напряжении значительно ниже заданного входного напряжения сети, чтобы можно было измерить индуктивность. Типичный трансформатор 230 В должен быть измерен при напряжении не более 50-100 В, чтобы получить фактическую индуктивность.

Измерив индуктивность первичной обмотки, вы быстро обнаруживаете, что эти данные бесполезны — вы ничего не можете с ними поделать, и это не поможет вам понять ни на йоту.Отчасти это связано с тем простым фактом, что он меняется. Поскольку плотность потока внутри сердечника изменяется, также изменяется и измеренная индуктивность, так что это действительно бессмысленный параметр в более широкой схеме вещей. Трансформаторы предназначены для получения требуемых напряжения и тока на вторичной обмотке, а процесс проектирования основан на количестве витков первичной обмотки, необходимых для получения ощутимого тока холостого хода («намагничивания»).

Это в значительной степени балансирующий акт. Для данного размера сердечника более высокий ток намагничивания является результатом использования меньшего количества витков на первичной обмотке, и это улучшает регулирование, поскольку провод может быть больше.Однако, если ток холостого хода слишком высок, трансформатор будет перегреваться из-за насыщения сердечника из-за высокого первичного тока. Трансформатор , который никогда не работает на холостом ходу , может быть спроектирован таким образом, чтобы он был намного меньше, чем в противном случае.

Если мы предположим, что трансформатор для конкретного применения должен обеспечивать хорошее регулирование и что он всегда работает только при полной нагрузке, нет причин делать сердечник настолько большим, насколько это было бы необходимо в противном случае. Мы также можем использовать меньше витков и уменьшить резистивные потери.Современные трансформаторы для микроволновых печей попадают в эту категорию — если они работают без нагрузки, ток намагничивания может быть настолько высоким, что трансформатор может перегреться и выйти из строя, но при нормальной работе (питание магнетрона) они идеально подходят для этой работы. Большинство из них также охлаждаются вентилятором, что позволяет им быть еще меньше!

Когда трансформатор работает только с полной нагрузкой, ток намагничивания больше не является важным фактором, и количество необходимых витков основывается на эффективном напряжении на обмотке при полной нагрузке.Трансформатор мощностью 1 кВт обычно может иметь сопротивление первичной обмотки от 1,0 до 1,2 Ом, но если его можно уменьшить, потери в меди также уменьшатся. При 1 кВт первичный ток составляет 4,35 А, и это снизит напряжение, воспринимаемое трансформатором, возможно, на 5–6 В RMS. Вместо того, чтобы разрабатывать трансформатор для приятного низкого тока намагничивания при 230 В, его можно спроектировать для несколько более высокого тока намагничивания при 225 В — один только ток намагничивания может составлять 1 или 2 А, а может быть и больше.

Попытка измерить индуктивность такого трансформатора — пустая трата времени.Вы сможете измерить это, но чтение не имеет значения. Еще более традиционные сетевые трансформаторы находятся в той же лодке — индуктивность (возможно, с натяжкой) можно считать « показателем качества », но единственное, что действительно имеет значение, — это общий ток намагничивания, включая эффекты частичного насыщения. Не думайте ни на минуту, что обычные сетевые трансформаторы не насыщаются — каждый трансформатор, который я когда-либо измерял, потребляет в 2-5 раз больше тока, чем вы ожидаете, исходя только из одной индуктивности.Конечно, при нормальном рабочем напряжении они неразделимы.

Коэффициент индуктивности любого трансформатора (между первичной и вторичной обмотками) — это квадрат отношения витков. Трансформатор, рассчитанный на сеть 230 В с измеренным выходным напряжением 23 В без нагрузки (полная нагрузка 20 В), имеет коэффициент трансформации 10: 1 (230: 23). Если вы измеряете индуктивность первичной обмотки (скажем) 30 Гн, вторичная индуктивность составляет 300 мГн. Это тоже бесполезно, но может пригодиться, если вы хотите использовать трансформатор в обратном направлении, например, с генератором и усилителем мощности.


4.2 Взаимная индуктивность

Одна из вещей, которая имеет тенденцию вызывать путаницу, связана с тем, как трансформатор «знает», что кто-то пытается получить ток из вторичной обмотки, поэтому первичный ток может быть увеличен пропорционально. Это происходит из-за взаимной индуктивности (также известной как взаимная связь или просто коэффициент связи) между обмотками. Когда две или более обмоток используют одну и ту же магнитную цепь, они связаны магнитным потоком. В идеальном трансформаторе эта связь равна единице, что означает, что любое возмущение на одной обмотке напрямую связано с другой (конечно, с учетом коэффициента трансформации).

Если связь равна единице, обмотки действуют как единое целое. Электрическое разделение (изоляция) не имеет значения, поэтому попытка отвода тока из вторичной обмотки ничем не отличается от отвода тока от первичной — две обмотки соединены вместе и неразделимы. Конечно, настоящие трансформаторы не идеальны, но (что может удивить) это лишь немного меняет ситуацию. Это ключ к работе трансформатора, но (несмотря на его большое значение) он мало влияет на конструкцию трансформатора.Это также то, что вы не можете изменить — трансформатор такой, какой он есть, а параметры можно изменить только во время разработки.

Индуктивность утечки уменьшает взаимную индуктивность, предотвращая единичную связь. Однако в преобразователях частоты это практически ничего не меняет. Даже «обычные» трансформаторы (с ламинированием E-I) имеют сравнительно низкую индуктивность рассеяния (по сравнению с индуктивностью первичной обмотки), а тороидальные трансформаторы имеют очень низкую индуктивность рассеяния . Любой поток, который «просачивается» из сердечника, не может проходить через две обмотки одинаково, что снижает эффективный поток во вторичной обмотке и уменьшает связь между ними.

Связь такова, что если вы управляете сетевым трансформатором от генератора сигналов с низким импедансом, все, что находится на вторичной обмотке, отражается обратно к первичной. Если нагрузка представляет собой конденсатор, первичная обмотка будет казаться емкостной (опережающий коэффициент мощности). Когда нагрузка представляет собой резистор, первичная обмотка кажется резистивной. Первичная обмотка будет индуктивной только , если нагрузка — индуктор. Чтобы провести этот тест (который нетрудно сделать), ток, потребляемый от вторичной обмотки, должен быть как минимум в 10 раз (а предпочтительно в 100 раз) больше, чем ток намагничивания (ток холостого хода из-за индуктивности первичной обмотки трансформатора.

Например, если трансформатор имеет индуктивность первичной обмотки (при низком напряжении) 100 Гн, ток намагничивания будет около 390 мкА при 50 Гц. Вам необходимо потреблять не менее 39 мА от вторичной обмотки, и этого достаточно, чтобы напряжение и ток в первичной обмотке находились в пределах менее одного градуса друг от друга. Если вы теперь подключите конденсатор, который потребляет такой же ток (это необходимо рассчитать на основе напряжения и частоты), первичная обмотка окажется полностью емкостной.

Это аспект взаимной связи, который редко объясняется, но понимание этой простой концепции означает, что вы можете избежать целой кучи довольно утомительной математики, которая на самом деле не поможет вам понять задействованные принципы.Как знают постоянные читатели, я не буду приводить подробных формул, если они никому не помогут понять, как что-то работает. Это показательный пример. Использование формулы почти ничего не покажет, но если вы запустите тест самостоятельно, вы, , поймете, как это работает.


4.3 Импеданс

Трансформатор не имеет определенного импеданса. Вы можете извиниться за то, что думаете иначе, но это потому, что некоторые трансформаторы предназначены для выходных каскадов ламповых усилителей или для номинальных сигнальных линий 600 Ом (например).Для выходного трансформатора отношения импеданса определяются так, чтобы соответствовать анодному сопротивлению / импедансу конкретных выходных клапанов, и преобразовывать его в импеданс, подходящий для громкоговорителя. В этой роли важна индуктивность первичной обмотки , потому что она должна быть достаточно высокой, чтобы гарантировать хорошее соединение между лампами и динамиками на самой низкой интересующей частоте.

Это кратко рассматривается в этом разделе и более подробно рассматривается в разделе 2.Хотя индуктивность важна, еще более важно обеспечить, чтобы сердечник оставался вдали от даже частичного насыщения на самых низких частотах. Вот почему хорошие выходные трансформаторы такие большие и дорогие. Однако важно понимать, что, хотя трансформатор разработан и рекламируется как (например) 6 кОм P-P: 8 Ом, это не означает, что сам трансформатор имеет такие импедансы. означает, что означает, что при питании от источника 6 кОм (пара выходных клапанов) выходное сопротивление будет таким, что максимальная мощность будет подаваться на нагрузку 8 Ом.

Точно такой же трансформатор может питаться от источника 3 кОм и выдавать максимальную мощность на нагрузку 4 Ом. Он также работает с более высоким импедансом источника, но тогда индуктивность может быть недостаточно большой для обеспечения хорошего воспроизведения низких частот. Требуемая индуктивность определяется импедансом источника и наименьшей интересующей частотой — обычно 40 Гц для многих ламповых усилителей. Итак, используя приведенный пример, можно определить индуктивность и частоту -3 дБ …

L = Z / (2π × f -3 дБ ) (где Z — импеданс источника, а f -3 дБ — частота -3 дБ)
L = 6k / (2π × 40) = 24H

Как должно быть очевидно, по мере увеличения импеданса источника требуется больше индуктивности для той же частоты -3 дБ.Это также требует, чтобы поток в сердечнике оставался значительно ниже насыщения. Даже небольшая насыщенность вызывает грубые искажения. Некоторые утверждают, что это искажение не так нежелательно, как можно было бы представить, потому что оно спадает с увеличением частоты. Однако, если низкая и высокая частота передаются одновременно, более высокая частота также будет искажена — как только ядро ​​начинает насыщаться, искажаются все частоты, присутствующие в данный момент, а не только частота, вызывающая насыщение.


5. Примеры использования трансформатора

Это лишь краткое описание множества применений трансформаторов. В этом разделе я отказался от источников питания с переключаемым режимом и представлю только наиболее распространенные линейные приложения. Применение источников питания более полно рассматривается в Разделе 2, а также в статье о проектировании линейных источников питания.

Было бы невозможно охватить все аспекты трансформаторов и их использования, поскольку они очень разнообразны и используются во многих разных вещах.Компьютерные сетевые карты, модемы, усилители мощности и микроволновые печи, автомобильные и морские системы зажигания, катушки Тесла и фонокорректоры с подвижной катушкой, распределение мощности от электростанции до вашего дома … разнообразие скромного трансформера (ну, может, не так уж и скромно).


5.1 — Выходной каскад двухтактного клапана

Трансформаторы используются не только в источниках питания, но и в других областях.Клапанные усилители мощности (ламповые) почти все используют трансформатор для выходного каскада, который преобразует высокий импеданс анодов в импеданс громкоговорителя, а также обеспечивает подачу напряжения на выходные клапаны. Здесь не было показано никаких смещений или других компонентов поддержки — для получения дополнительной информации см. Как работают усилители. Еще одна ссылка на ступени клапана находится в разделе «Клапаны».


Рисунок 5.1 — Выходной каскад двухтактного клапана

Рисунок 5.1 показывает, как это работает. Работа первичной обмотки может поначалу вас удивить, но это вполне соответствует всей теории. Показанное напряжение питания составляет 500 В, и мы предполагаем, что клапан может включаться достаточно сильно, чтобы уменьшить его до нуля поочередно на каждом конце обмотки. В действительности это не так, потому что клапаны не имеют достаточно низкого внутреннего импеданса, но это упрощает объяснение.

Ни один из клапанов не будет потреблять значительный ток без сигнала, а потребляемая величина не намагничивает сердечник.Причина проста — через каждую секцию первичной обмотки проходит равный ток, но в противоположных направлениях. Магнитное поле, создаваемое одной половиной обмотки, нейтрализуется магнитным полем второй половины, оставляя чистый установившийся магнитный поток равным нулю.

Когда клапан V1 полностью включается, напряжение на его конце обмотки уменьшается до нуля, а напряжение на аноде V2 составляет 1000 вольт. Так должно быть, иначе теория трансформаторов развалилась.Первичная обмотка работает как «автотрансформатор». Аналогичным образом, когда V1 выключается, а V2 включается, ситуация меняется на противоположную. Вы вполне можете спросить, зачем вообще нужны 2 клапана? Казалось бы, напряжение от одного клапана вполне способно качнуть напряжение из одной крайности в другую.

Это не так. Поскольку клапан может только включаться, он сможет подавать ток только на половину формы волны. В двухтактной конструкции класса A каждый клапан обычно пропускает 1/2 максимального пикового тока, необходимого на холостом ходу, и полный пиковый ток при включении на максимум до искажения (другой клапан выключен).В случае двухтактной конструкции насыщения сердечника не происходит из-за постоянного тока (который, как и раньше, уравновешивается), поэтому, хотя необходимы два клапана, трансформатор будет меньше и будет иметь гораздо лучшие характеристики. Для несимметричных усилителей класса A требуется очень большой сердечник с воздушным зазором для предотвращения насыщения. Это резко снижает производительность трансформатора, увеличивает искажения и ухудшает низкочастотную характеристику из-за более низкой индуктивности. Также могут отрицательно сказаться высокие частоты, потому что воздушный зазор заставляет часть магнитного потока «просачиваться» из сердечника.Это одна из причин возникновения индуктивности рассеяния (более подробно рассматривается в разделе 2).

Стоит отметить, что эффективный размах размаха по всей первичной обмотке трансформатора составляет 2000 В. Когда V1 полностью включен, он имеет нулевое напряжение (только для нашего примера) на пластине, а V2 имеет напряжение на пластине 1000 В. V1 и V2 имеют одинаковые пики напряжения, но они сдвинуты по фазе на 180 градусов. Таким образом, полное напряжение на трансформаторе является суммой двух напряжений. С точки зрения переменного тока линию питания B + можно рассматривать как нулевое напряжение (помните, что она будет шунтироваться с большой емкостью).

Среднеквадратичное значение напряжения (с учетом синусоиды и игнорирования потерь) легко вычисляется по стандартной формуле …

5.1.1 Vp = Vp-p / 2

Чтобы получить пиковое значение от пика к пику, затем …

5.1.2 Vrms = Vp / √2

Чтобы найти среднеквадратичное значение.

В этом случае размах напряжения составляет 2000 В, поэтому от пика до 1000 В. Среднеквадратичное значение составляет 707 В.


5.2 Выход на несимметричный триод (SET)

Рисунок 5.2 показана базовая компоновка выходного каскада усилителя SET. Полный постоянный ток должен протекать через первичную обмотку трансформатора, и, как обсуждалось выше, в сердечнике должен быть воздушный зазор, чтобы предотвратить насыщение. Поскольку воздушный зазор снижает эффективность магнитного пути, сердечник должен быть значительно больше, чем в противном случае.


Рисунок 5.2 — Выходной каскад на несимметричном триоде

Сердечник работает только с одной полярностью потока, которая меняется в зависимости от сигнала.Можно подумать, что одно только это уменьшит искажения, поскольку поток никогда не пересекает нулевую точку, но это не так. По-прежнему необходимо, чтобы поток изменял направление, и характеристики магнитных материалов указывают на то, что сопротивление изменению (а не абсолютная полярность магнитного поля) является доминирующим фактором. Клапан (и первичная обмотка трансформатора) теперь должны пропускать ток, равный пиковому переменному току, требуемому нагрузкой — конечно, в зависимости от коэффициента трансформации.

Максимальное отрицательное колебание (клапан включен) удвоит этот ток и снизится почти до нуля при выключении клапана (положительное колебание). Когда ток уменьшается ниже среднего постоянного (покоящегося) тока, напряжение на трансформаторе увеличивается в противоположной полярности — отсюда и тот факт, что напряжение на пластине превышает напряжение питания. Это одна из областей, где трансформатор на самом деле является катушкой индуктивности , а работа схемы зависит от накопленного «заряда» катушки индуктивности.Вторичная обмотка просто передает напряжение на нагрузку.

Для такой же выходной мощности клапан в несимметричной цепи должен быть значительно больше, чем требуется для двухтактной схемы, из-за более высокого рассеяния, необходимого для дополнительного тока. Есть также много других проблем с этой схемой — в частности, высокие искажения и сравнительно высокий выходной импеданс.

Не менее важная проблема заключается в том, что преимущество дополнительного размаха напряжения при использовании трансформатора с центральным ответвлением теперь утрачено, поэтому максимальное эффективное среднеквадратичное напряжение, которое может быть разработано, составляет 353 В — значительное падение первичного переменного напряжения (опять же без учета потерь, это ровно половина).Это означает, что нагрузка клапана выше при том же импедансе динамика, потому что коэффициент трансформации меньше, поэтому мы снова получаем меньшую мощность.

Постоянные читатели знают, что я считаю «НАБОР» мерзостью. Заявленные преимущества в основном видны (или ухом) смотрящего и не выдерживают ни малейшей проверки.


5.3 Приложения линейного уровня Трансформаторы

также используются для «линейных» приложений с низким энергопотреблением, как правило, для симметричных микрофонных входов и линейных выходных каскадов.Трансформатор не имеет себе равных для реальных симметричных схем, поскольку вход или выход действительно плавающий и не требует заземления. Это означает, что синфазные сигналы (то есть любой сигнал, общий для обоих сигнальных проводов) почти полностью отклоняются.

На рис. 5.3 показан симметричный вход трансформатора, преобразующийся в несимметричный. Сигнал усиливается и снова отправляется на выходной трансформатор для распределения в виде сбалансированного сигнала. «Усилитель», как правило, представляет собой микшерный пульт и принимает сигналы микрофонного или линейного уровня в качестве входа (идущие от сцены к зоне микширования), а конечный микшированный выход отправляется обратно на сцену для основного (передний дома) усилители громкой связи и колонки.От микрофона до микшера и обратно к основным усилителям может быть более 100 метров кабеля, и при этом практически не будет слышен какой-либо шум.


Рисунок 5.3 — Симметричный микрофонный и линейный выходы

Телефонная система раньше полностью зависела от трансформаторов для передачи сигнала от АТС (или центрального офиса в США) на оборудование в помещении клиента (CPE). Телефонный коммутатор, используемый в офисах, оборудовании (PABX — Private Automatic Branch Exchange, или PBX для США) по-прежнему использует трансформаторы почти для всех входящих цепей, аналоговых или цифровых.

Принцип в точности такой же, как и для показанного выше аудиоприложения, за исключением того, что для телефонных цепей обычно присутствует постоянное напряжение для питания CPE (в случае домашнего телефона) и для обеспечения некоторой базовой сигнализации. В современных схемах PABX используются трансформаторы с ферритовым сердечником и схема развязки постоянного тока, чтобы гарантировать, что постоянный ток не течет в обмотках трансформатора, поскольку это ухудшает характеристики так же, как и выходной трансформатор для усилителя мощности SET. (Обратите внимание, что многие абонентские цепи теперь управляются через специально изготовленные ИС, которые исключают трансформатор.)

Аудиоприложения для трансформаторов в симметричных схемах пришли из телекоммуникационной отрасли, где впервые были придуманы эти концепции. Телефонная линия может иметь длину 4 км и более и не экранирована, поэтому метод устранения гудения и шума был необходим. Сегодня существуют десятки (сотни?) Миллионов трансформаторов, используемых для соединений Ethernet LAN, и розетки RJ45 доступны со встроенными трансформаторами.


6. Безопасность

Безопасность является основным соображением для любого силового трансформатора (а в случае телекоммуникаций — изолирующих трансформаторов), и электрический контакт между первичной и вторичной обмотками не должен допускаться при любых реальных условиях неисправности .Во всех странах есть стандарты безопасности, которые применяются к трансформаторам, где важна электрическая изоляция, и если есть какие-либо сомнения в безопасности трансформатора для конкретной цели, убедитесь, что вы убедитесь, что трансформатор соответствует соответствующему стандарту (-ам). Рассмотрение всех возможных стандартов и вопросов соответствия выходит за рамки данной статьи, поэтому я оставлю это вам — и вашему поставщику.

Многие силовые трансформаторы оснащены внутренним предохранителем, работающим только на один раз, который размыкает цепь в случае превышения заданной температуры.Эта температура выбрана в качестве максимальной безопасной температуры обмоток перед тем, как изоляция расплавится или сломается, поэтому в случае неисправности плавкий предохранитель сработает до того, как будет повреждена изоляция, и компонент станет потенциально опасным. Это также помогает предотвратить риск пожара (и нет, это не предназначено для юмора — мой друг сгорел дотла из-за неисправного силового трансформатора в видеомагнитофоне — как было определено следователями по пожару.Правдивая история!). См. Рис. 6.1 (ниже) в качестве примера того, насколько плохо может быть, если трансформатор не защищен.

После размыкания плавкого предохранителя трансформатор необходимо выбросить, так как обычно невозможно получить доступ к предохранителю для его замены. Это не так глупо, как может показаться, поскольку термическое разрушение перегретой изоляции невозможно предсказать, и трансформатор может быть небезопасным, если его все еще можно использовать.

Есть трансформаторы, которые спроектированы так, чтобы быть «изначально безопасными», и у них обычно есть обмотки на отдельных участках сердечника, а не в физическом контакте друг с другом.Если сердечник соединен с заземлением с электробезопасностью (что обычно является обязательным), никакой метод отказа (включая полное расплавление) в первичной обмотке не позволит сетевому напряжению появиться во вторичной обмотке. Боковые обмотки являются следующими по безопасности, и хотя первичная и вторичная обмотки находятся на одной катушке, используемый материал выбран таким, чтобы выдерживать высокие температуры и обеспечивать разделение обмоток. Тороидальные сердечники и другие трансформаторы с концентрической намоткой являются наименее безопасными, поскольку единственное разделение между первичной и вторичной обмотками — это довольно тонкий слой изоляции.Это одна из причин того, что термопредохранители часто используются с тороидами. Обратите внимание, что любой трансформатор, классифицированный как «безопасный по своей природе», обычно должен соответствовать очень строгим условиям утверждения в большинстве стран.


Рисунок 6.1 — Расплавление трансформатора

На рис. 6.1 показан трансформатор, который я снял с ремонтных работ. Это полный расплав, и остатки пластиковой шпульки видны достаточно четко. В любой цепи чрезвычайно важно защитить пользователя от контакта с сетью, если это произойдет.В этом случае бобина расплавилась с обмоток, стекала по основанию оборудования и в целом создавала большой беспорядок. Несмотря на все это, не было электрического соединения между первичной и вторичной обмотками или пластинами. Это был хорошо сделанный трансформатор (он вышел из строя из-за большой продолжительной перегрузки, а не из-за отказа самого трансформатора).

Надлежащее защитное заземление — единственный реальный способ гарантировать, что катастрофический отказ трансформатора (как показано на рисунке) не приведет к подаче напряжения на шасси — не все трансформаторы созданы равными с точки зрения безопасности.Правильный предохранитель гарантирует, что предохранитель перегорит — надеюсь, с до электробезопасность будет нарушена. Тепловой предохранитель не позволил бы ситуации стать настолько плохой, как показано на рисунке, но трансформатор был бы так же мертв.


7. Шум

Трансформаторы шумят. Это не только электрический шум, который создается опасной формой волны тока через обмотки, диоды и конденсаторы фильтра, но и реальный слышимый шум. Одним из источников является вибрация обмотки из-за движения провода из-за магнитного поля и тока, протекающего по проводникам.Этого следует избегать любой ценой, поскольку постоянная вибрация в конечном итоге приведет к износу изоляции, короткому замыканию обмоток и выходу трансформатора из строя. К счастью, это довольно необычно, но иногда случается (и случается).

Большая часть шума исходит от пластин или другого материала сердечника, который сжимается под воздействием сильного магнитного поля. Это называется магнитострикцией и происходит в большей или меньшей степени со всеми магнитными материалами. Стетоскоп проверит источник шума, и нет ничего или почти ничего, что могло бы его остановить.Упругая установка предотвратит акустическое усиление большей части шума шасси, и, как правило, шум будет хуже без нагрузки. В некоторых случаях трансформатор может быть рассчитан на 60 Гц, но используется на 50 Гц. В этом случае плотность потока, вероятно, превысит максимально допустимую для сердечника (который насыщается), и трансформатор станет намного горячее, чем должен, и почти наверняка будет намного более шумным. Тороидальные трансформаторы обычно намного тише, чем ламинированные EI (т.е.е. обычные) типы.

Большинство (все?) Трансформаторов, разработанных специально для 60 Гц, в конечном итоге выйдут из строя с сетью 50 Гц из-за перегрева. Обратное неверно, и трансформаторы на 50 Гц могут вполне безопасно работать на 60 Гц.

Другая проблема с пластинами E-I заключается в том, что они могут быть недостаточно хорошо скреплены друг с другом, и это, в частности, позволяет внешним пластинам вибрировать. Обычные трансформаторы более высокого качества обычно пропитывают лаком (иногда под вакуумом) и запекают в умеренной печи до готовности…. ой, то есть до полного высыхания лака. Это связывает пластинки и обмотки вместе, предотвращая шум, а также делая трансформатор более устойчивым к повреждениям водой или другими загрязнениями и / или в условиях высокой влажности (например, в тропиках).


Щелкните любой из вышеперечисленных разделов, чтобы просмотреть остальные разделы этой серии. Как вы, наверное, заметили, трансформаторы все-таки не так просты.


Список литературы

Эти ссылки являются общими для обоих разделов статьи, хотя большинство из них относится только к разделу 2.Во время составления этих статей было исследовано бесчисленное количество различных веб-страниц, и, хотя некоторые из них были интересными, большинство использовалось минимально. Из тех, кого я действительно помню (сложная задача сама по себе, учитывая огромное количество поисков, которые мне приходилось делать), я должен поблагодарить следующие веб-страницы (в алфавитном порядке) …

  • Амидон
  • Школа ATDL (Армия США)
  • Трансформеры Jensen
  • Mitchell Electronics Corporation
  • Томи Энгдал — (ePanorama.нетто)

Я рекомендую статью «История трансформатора», хотя и не используется в качестве справочной. Он не технический, но дает некоторое представление о разработке трансформаторов в том виде, в каком мы их знаем.

Кроме того, я использовал различные другие ссылки, но, в частности (в порядке полезности) …


Следующие (слегка отредактированные) определения взяты из Единицы измерения

Авторские права на сайт «Единицы измерения» принадлежат Рассу Роулетту и Университету Северной Каролины в Чапел-Хилл.
(Определения использованы с разрешения автора.)

Тесла (Тл) — плотность потока (или напряженность поля) для магнитных полей (также называемая магнитной индукцией). Напряженность магнитного поля можно измерить, поместив в поле проводник с током. Магнитное поле оказывает на проводник силу, которая зависит от силы тока и длины проводника. Один Тесла определяется как напряженность поля, создающая один Ньютон силы на ампер тока на метр проводника.Эквивалентно, одна тесла представляет собой плотность магнитного потока, равную одному Веберу на квадратный метр площади. Поле в один тесла довольно сильно: самые сильные поля, доступные в лабораториях, составляют около 20 тесла, а плотность магнитного потока Земли на ее поверхности составляет около 50 микротесла (мкТл). Одна Тесла равна 10000 Гс. Tesla, определенная в 1958 году, названа в честь Николы Теслы (1856-1943), чья работа в области электромагнитной индукции привела к появлению первых практических генераторов и двигателей, использующих переменный ток (к большому раздражению Эдисона, который утверждал, что постоянный ток был « более безопасным »). .

Weber (Wb) — магнитный поток. «Поток» — это скорость (в единицу времени), с которой что-то пересекает поверхность, перпендикулярную потоку. В случае магнитного поля магнитный поток через перпендикулярную поверхность является произведением плотности магнитного потока в теслах и площади поверхности в квадратных метрах. Если переменное магнитное поле проходит перпендикулярно круговой петле из проводящего материала (один виток), изменение поля индуцирует электрический потенциал в петле.Если поток изменяется с постоянной скоростью один Вебер в секунду, индуцированный потенциал составляет один вольт. Это означает, что численно поток в веберах равен потенциалу в вольтах, который был бы создан путем равномерного сжатия поля до нуля за одну секунду. Один Вебер — это поток, индуцированный таким образом током, изменяющимся с постоянной скоростью один ампер в секунду. Единица посвящена немецкому физику Вильгельму Эдуарду Веберу (1804–1891), одному из первых исследователей магнетизма.



Основной индекс Указатель статей
Уведомление об авторских правах. Эта статья, включая, но не ограничиваясь, весь текст и диаграммы, является интеллектуальной собственностью Рода Эллиотта и © 2001. Воспроизведение или повторная публикация любыми способами, электронными, механическими или электромеханическими, строго запрещены в соответствии с Международные законы об авторском праве. Автор (Род Эллиотт) предоставляет читателю право использовать эту информацию только в личных целях, а также разрешает сделать одну (1) копию для справки. Коммерческое использование запрещено без письменного разрешения Рода Эллиотта.

Страница создана и авторские права © 17 марта 2001 г. / обновлено 25 июня 2005 г. / ноя 2018 — незначительные обновления, удалены мертвые ссылки. / Ноя 2018 — добавлена ​​взаимная индуктивность.


Упрощенный расчет насыщения ТТ подстанции

CT критически важны для работы энергосистем. Расчет насыщения ТТ покажет, насколько хорошо ТТ может работать в неидеальных условиях.

Я покажу вам шаг за шагом, как производить расчеты и какую информацию вам нужно собрать.

Прежде чем перейти к расчетам, давайте обсудим трансформаторы тока и трансформаторы тока. Тогда вы сможете лучше оценить важность этого расчета.

Что происходит, когда ТТ насыщается? Трансформаторы тока, используемые в измерительном оборудовании (Фото предоставлено Alistair1978)

Когда трансформатор тока насыщается, вторичный ток не пропорционален первичному току. Разница во вторичном токе зависит от уровня насыщения трансформатора тока.

Например, у вас есть ТТ с номиналом 100: 5.Если через первичную обмотку проходит 200А, вы ожидаете увидеть 10А на вторичной обмотке. Но с насыщенным CT вы можете увидеть только 5A.

Условия насыщения ТТ обычно имеют одну из следующих причин:

  • Высокий первичный ток, возникший из-за неисправности
  • Обрыв цепи на вторичной стороне ТТ
  • Высокая нагрузка на вторичном контуре трансформатора тока
  • Неправильное отключение CT
  • Постоянный ток смещения
  • Высокое отношение x / r в цепи

Точка насыщения ТТ также известна как точка перегиба.Вы можете увидеть эту точку перегиба на кривой возбуждения CT.

Отметим, что класс точности CT не является точкой перегиба. Класс точности, который вы увидите, выражается в рейтинге C. Чтобы проиллюстрировать это, давайте рассмотрим пример сценария для номинального тока 10P20 C400 CT.

C400 означает, что трансформатор тока должен вырабатывать 400 В при нагрузке 4 Ом при 20-кратном превышении тока. Таким образом, 20 х 5 А х 4 Ом = 400 В. В то же время не превышайте погрешность 10%, то есть ток возбуждения ниже 10 А.

Также, IEEE C57.13 сообщает нам, что напряжение в точке перегиба обычно составляет около 80% от напряжения, ограничивающего точность. Таким образом, напряжение точки перегиба трансформатора тока с номиналом C100 составляет около 80 вольт.

Важное примечание: Насыщение ТТ вызывает плохую работу устройств. Например, устройства измерения, измерения и защиты могут считывать недопустимые значения. Это происходит потому, что вторичный ток ТТ не пропорционален первичному току.

Неправильная настройка ТТ может привести к взрыву электрических устройств из-за несогласованности.Вы не только повредите дорогое оборудование, но и получите травму людей.

Измерение и защита ТТ

Вы можете использовать трансформаторы тока для контроля тока и защиты. Однако каждый вариант использования CT имеет уникальный дизайн.

Точность измерения ТТ имеют номинальные значения для стандартных нагрузок. Они очень точны при измерении тока от низкого до максимального. Из-за их точности коммунальные предприятия используют эти CT для выставления счетов клиентам.

Точность защитного реле не так точна, как ТТ точности измерения.Потому что они предназначены для работы в очень широком диапазоне токов. Например, чтобы обнаружить высокий ток короткого замыкания.

Отметим, что измерительные трансформаторы тока будут иметь большие ошибки в условиях неисправности. На короткое время токи могут в несколько раз превышать нормальные значения. Однако это не имеет большого значения, так как измерение не является проблемой в случае неисправности.

Короче говоря, при расчете насыщения ТТ критически важно знать о применении ТТ.

Расчет насыщения трансформатора тока подстанции в реальных условиях SF6 трансформатор тока 110 кВ (Фото: Vivan755)

ТТ в нашем расчете будут использоваться для релейной защиты подстанции.

В нашем расчете мы будем использовать следующую информацию:

  1. Максимально допустимый ток короткого замыкания при 115000 вольт составляет 24900 ампер
  2. Вторичная проводка ТТ — медь # 10 AWG (1,3 Ом / 1000 ′ сопротивление)
  3. Длина проводки от ТТ выключателя до счетчика реле составляет не более 500 футов. Таким образом, общая длина цепи составляет 2 x 500 ′ = 1000 ′.

Важное примечание: Нагрузка ТТ и ток короткого замыкания определяют класс точности ТТ.Например, выбрать ли C100, C200 или C400.

Выбор подходящего класса точности ТТ гарантирует, что ТТ может выдавать линейный выходной сигнал. Это очень важно, когда трансформатор тока должен отреагировать на высокий ток короткого замыкания.

Чтобы выбрать правильный класс точности, вам необходимо знать ток короткого замыкания и нагрузку на ТТ. Например, предположим, что вторичная обмотка ТТ подключена к защитному реле. Затем нагрузка включает реле, проводку ТТ и все остальное между ТТ и реле.Это могут быть тестовые переключатели и клеммники.

Итак, если у вас длинная проводка ТТ, вам понадобится ТТ более высокого класса. Это из-за повышенного сопротивления. Теперь предположим, что нагрузка для ТТ C200 остается фиксированной на уровне 1 Ом. Давайте посмотрим, что произойдет, когда ток короткого замыкания увеличится со 100 A до 400 A:

Таким образом, нам нужен трансформатор тока класса C400, чтобы выдержать нагрузку в 1 Ом. C400 CT вычисляет,

CT (1x, 3x, 5x) к существующему 115,000 дифференциальному реле GE L90

CT = 2000: 5A MRCT подключен 2000: 5A (400: 1)

Важное примечание: ток короткого замыкания составляет 24 900 ампер.Поэтому нам нужен точный рабочий трансформатор тока при токе короткого замыкания 24 900 А.

Предположим, мы используем трансформатор тока 10P20. Это означает, что ТТ будет иметь точность 10%, сохраняемую до 20 раз превышающую номинальный первичный ток. Используя эту метрику, мы можем рассчитать коэффициент трансформатора тока, который составляет 24 900/20 = 1,245 А. Таким образом, нам нужно использовать коэффициент ТТ 2000: 5А.

Другой способ просмотреть этот расчет: ТТ 2000/5 — 20 x 2000 = 40 000 ампер. Это показывает, что ТТ будет оставаться точным в полевых условиях, если произойдет сбой на 24 900 А.

Отметим, что нагрузка сильно влияет на рейтинг точности ТТ. Чем ниже нагрузка на вторичный ТТ, тем выше точка насыщения для данного ТТ. Например, представьте, что ТТ 10P20 50 ВА имеет нагрузку 25 ВА. Это означает, что ТТ не должен насыщаться в 40 раз, 50/25 x 20, сверх номинального первичного тока, а не в 20.

Нагрузка реле GE L90 = 0,2 ВА при входе 5 А

0,2 ​​ВА / 5 А = 0,04 Ом

Важное примечание: обычно старые электромеханические реле имеют высокую нагрузку.Таким образом, они требуют высоких классов точности ТТ. В то время как микропроцессорные реле нового поколения несут очень небольшую нагрузку.

Нагрузка ТТ = сопротивление проводов ТТ + нагрузка реле

= (2) x (500 ′) x (1,3 Ом / 1000 ′) + 0,04 Ом

= 1,3 Ом + 0,04 Ом = 1,34 Ом

Вторичный ток при максимальной нагрузке на КЗ

Я округляю ток короткого замыкания 24 900 А до 25 000 А, чтобы учесть любые ошибки.

= 62,5 А

= 62.5 x = 83,8 вольт

Минимальный класс точности ТТ должен быть C100.

Важное примечание: Энергетические компании США обычно используют C800 для высоковольтного оборудования. Например, использование трансформаторов тока класса точности C800 для выключателей и трансформаторов на подстанциях. Это независимо от того, велик ли доступный ток повреждения или нет.

НО для проектов модернизации всегда важно проверять физическое доступное пространство для установки. Потому что трансформаторы тока класса C800 могут не поместиться в существующий корпус из-за их большого размера.Вот почему определение размеров КТ — это искусство.

CT (1y, 3y, 5y) к существующему 115,000 дифференциальному реле ABB 350

CT = 2000: 5A MRCT подключен 2000: 5A (400: 1)

Нагрузка реле ABB 350 = 0,45 ВА при входном токе 5 А

0,45 ВА / 5A = 0,09 Ом

Нагрузка ТТ = сопротивление проводов ТТ + нагрузка реле

= (2) x (500 ′) x (1,3 Ом / 1000 ′) + 0,9 Ом

= 1,3 Ом + 0,09 Ом = 1,39 Ом

Вторичный ток при максимальной нагрузке на КЗ

= 62.5 ампер

= 62,5 x = 86,9 вольт

Минимальный класс точности ТТ должен быть C100.

Завершение расчета насыщения ТТ Расчет насыщения

CT очень прост и важен. Эти расчеты обеспечат правильную работу вашей энергосистемы.

Это означает, что все ваши схемы измерения и защиты будут надежными.

С другой стороны, использование трансформаторов тока с неправильным номиналом может легко вызвать сбои в энергосистеме.Это может привести к ущербу в миллионы долларов, и люди могут пострадать.

Таким образом, просуммируйте нагрузки ТТ и используйте максимальный ток короткого замыкания для определения размеров ТТ.

Есть ли у вас какие-нибудь советы по расчету насыщения ТТ? Считаете ли вы определение размеров трансформаторов тока «искусством»?


Показанное изображение Фотография предоставлена: Vivan755 (изображение обрезано)

Коуша основал Engineer Calcs в 2020 году, чтобы помочь людям лучше понять инженерную и строительную отрасль, а также обсудить различные темы, связанные с наукой и инженерией, чтобы заставить людей задуматься.Он работает в инженерной и технологической отрасли в Калифорнии более 15 лет и является лицензированным профессиональным инженером-электриком, а также занимается различными предпринимательскими занятиями.

Кооша имеет обширный опыт проектирования и спецификации электрических систем с областями знаний, включая производство электроэнергии, передачу, распределение, контрольно-измерительные приборы и управление, а также распределение и перекачку воды, а также альтернативную энергию (ветровую, солнечную, геотермальную и накопление). .

Коуша больше всего интересуется инженерными инновациями, космосом, нашей историей и будущим, спортом и фитнесом.

Калькулятор насыщения трансформатора тока (ТТ),

Просмотрено страницы: 328

Время считывания: 4 минуты, 57 секунд

Калькулятор насыщения трансформатора тока (CT)

Расчет рабочих характеристик трансформатора тока

Характеристики трансформатора тока

(CT) можно оценить с помощью одного из следующих методов:

  1. Метод формул
  2. Метод кривой возбуждения
  3. Стандарты ANSI

Формульный метод

Метод использует основное уравнение трансформатора для расчета эффективной плотности магнитного потока для конкретного значения тока короткого замыкания. Затем рассчитанная магнитная индукция сравнивается со способностью стали, используемой в сердечнике трансформатора тока, и определяется, будет ли сердечник насыщаться или нет для этого тока короткого замыкания.

Получить площадь поперечного сечения и максимальную магнитную индукцию сердечника трансформатора тока непросто, и этот метод применим только в некоторых редких ситуациях. Этот метод далее не обсуждается.

Метод возбуждения

Кривая возбуждения представляет собой кривую среднеквадратичного значения вторичного напряжения ТТ в зависимости от среднеквадратичного значения тока при разомкнутой первичной цепи. Достаточно точная кривая вторичного возбуждения для данного ТТ может быть получена путем размыкания цепи первичной обмотки и подачи переменного напряжения соответствующей частоты на вторичную.Ток, который течет к трансформатору тока, необходимо измерить. Кривая приложенного среднеквадратичного напряжения на клеммах относительно среднеквадратичного вторичного тока приблизительно соответствует кривой вторичного возбуждения.

Знакомство с калькулятором

Электронная таблица «Калькулятор насыщения ТТ» предназначена не только для быстрого определения того, будет ли ТТ насыщаться в конкретном приложении, но и для точного определения фактической формы волны вторичной обмотки. ток, так что степень насыщения как функция времени очевидна.Кроме того, данные доступны пользователю для использования в качестве входных данных для модели цифрового реле, если таковая имеется.

Калькулятор насыщения трансформатора тока (ТТ)

Пользователь может преобразовать данные, например, в файл COMTRADE. Существует множество технических статей по моделированию поведения трансформаторов тока с железным сердечником, используемых для защитных реле. Одна из трудностей при использовании сложной модели (в любой области техники) заключается в получении параметров в конкретном случае, чтобы реализовать эту модель легко, эффективно и точно.

Например, ток возбуждения в области ниже точки перегиба представляет собой сложную комбинацию составляющих намагничивания, гистерезиса и вихревых токов, параметры которых в конкретном случае обычно не известны. Оказывается (можно показать ), что, если форма волны тока возбуждения достигает области насыщения, часть формы волны в области ниже точки перегиба оказывает незначительное влияние на решение в целом. Это значительно упрощает решение, практически не влияя на точность.

Если представляют интерес ошибки в условиях низкого тока и низкой нагрузки, необходимо использовать более сложную модель.

Тестирование модели

Доказательство того, что пудинг — это еда. Поскольку эта модель является новой и сильно отличается от моделей, описанных в литературе, тестирование на реальных сильноточных лабораторных результатах было важным. С этой целью два лабораторных примера, опубликованные в ссылке (*), сравнивались с результатами этой программы. Соглашение было очень близким.

Кроме того, программа получила широкое распространение, и на сегодняшний день есть два отчета пользователей коммунальных служб о согласии с предыдущими результатами и ни одного отчета о несогласии.

(*) Циоуварас, Д.А. и др., Математические модели для трансформаторов напряжения тока, напряжения и конденсатора связи

Инструкции

Первым шагом является определение напряжения насыщения (Vs) для рассматриваемого ТТ. Это определяется как действующее значение напряжения возбуждения, соответствующее десятипроцентному току ошибки.Например, для номинального 5-амперного трансформатора тока, который, как ожидается, будет обрабатывать 100 ампер с погрешностью в десять процентов, , ток ошибки при напряжении насыщения Vs составляет десять ампер . Для максимальной точности это должно быть измеренное значение. от производителя. Например, трансформатор тока C400 имеет номинальное значение Vs, равное 400 вольт, среднеквадратичное значение, но фактическое измеренное значение Vs будет более высоким; например, это может быть 420 вольт (действующее значение).

Между прочим, фактические измерения изготовителем могли быть выполнены не с помощью измерителя «истинного среднеквадратичного значения».Было определено, что ошибка из-за использования, например, счетчика типа «выпрямленное среднее» не является существенной.

Асимметричный ток короткого замыкания

Второй этап заключается в определении наклона (1 / S) верхней части кривой насыщения, при этом необходимо следить за тем, чтобы кривая строилась в логарифмических масштабах с шагом декады, равным по обеим осям. . «S» определяется как величина, обратная этому наклону. Вы должны получить такой наклон, чтобы S находилась в районе 15

Третий и последний шаг: Введите другие параметры, такие как сопротивление обмотки ТТ, нагрузка, степень смещения постоянного тока в форме волны первичного тока (вверх до 1 на единицу), отношение X / R первичной системы, остаточная намагниченность (*) и симметричный среднеквадратичный ток первичной обмотки.

После любого изменения параметра INPUT автоматически появляется новый график. Регулировка масштаба выполняется автоматически, и график не требует пояснений.Это определение, используемое в Руководстве, не является строго правильным, но используется здесь для согласования с Руководством. Если идеальный (максимальный номинальный) вторичный ток составляет 100 ампер (среднеквадратичное значение), а возбуждающий (ошибочный) ток составляет 10 ампер (среднеквадратичное значение), то фактический вторичный ток обычно составляет 99+ ампер (среднеквадратичное значение), а не 90 ампер (среднеквадратичное значение). Это связано с тем, что ток возбуждения не совпадает по фазе и не является синусоидальным, поэтому простое вычитание неприменимо.

Итак, когда мы указываем ток ошибки 10 ампер при вторичном токе 100 ампер, ошибка обычно составляет менее 1%, но включает фазовую ошибку, скажем, 5 градусов с опережением.

Требования к конструкции солнечной панели Excel Таблица

Насыщение трансформатора тока — MATLAB и Simulink

Этот пример показывает искажение измерения из-за насыщения трансформатора тока (CT).

G. Sybille (Hydro-Quebec)

Описание

Трансформатор тока (CT) используется для измерения тока в шунтирующем индукторе, подключенном к сети 120 кВ. ТТ рассчитан на 2000 А / 5 А, 5 ВА. Первичная обмотка, состоящая из одного витка, проходящего через тороидальный сердечник ТТ, подключена последовательно с шунтирующим индуктором номиналом 69.3 Мвар, 69,3 кВ (120 кВ / кв (3)), 1 кА, действ. Вторичная обмотка, состоящая из 1 * 2000/5 = 400 витков, замкнута накоротко через сопротивление нагрузки 1 Ом. Датчик напряжения, подключенный к вторичной обмотке, считывает напряжение, которое должно быть пропорционально первичному току. В установившемся режиме ток, протекающий во вторичной обмотке, составляет 1000 * 5/2000 = 2,5 А (2,5 В среднеквадратичного значения или 3,54 В пиковое значение, считываемое блоком измерения напряжения V2).

Откройте диалоговое окно CT и посмотрите, как задаются параметры CT. Предполагается, что ТТ насыщается при 10 о.е., и используется простая двухсегментная характеристика насыщения.

Первичный ток, отраженный во вторичной обмотке, и напряжение, развиваемое на сопротивлении 1 Ом, отправляются на дорожку 1 блока Scope. Поток CT, измеренный блоком Multimeter, преобразуется в о.е. и отправляется на график 2. (1 о.е. поток = 0,0125 В * sqrt (2) / (2 * pi * 50) = 5,63e-5 Вс)

Переключатель соединенный последовательно с вторичной обмоткой ТТ, нормально замкнут. Этот переключатель будет использоваться позже для иллюстрации перенапряжений, возникающих, когда вторичная обмотка ТТ остается разомкнутой.

Моделирование

1.Нормальный режим работы

В этом испытании выключатель замыкается при пике напряжения источника (t = 1,25 цикла). Это переключение не вызывает асимметрии тока. Запустите моделирование и наблюдайте за первичным током и вторичным напряжением ТТ (первая кривая блока Scope). Как и ожидалось, ток и напряжение ТТ имеют синусоидальную форму, а ошибка измерения, связанная с сопротивлением ТТ и реактивными сопротивлениями утечки, несущественна. Поток содержит составляющую постоянного тока, но он остается ниже значения насыщения 10 о.е.

2. Насыщение ТТ из-за асимметрии тока

Теперь измените время включения выключателя, чтобы замкнуть его при переходе через нуль напряжения. Используйте t = 1/50 с. Этот момент переключения вызовет полную асимметрию тока в шунтирующем реакторе. Перезапустите симуляцию. Обратите внимание, что в течение первых 3 циклов поток остается ниже точки перегиба насыщения (10 о.е.). Выход напряжения ТТ V2 следует за первичным током. Однако после 3 циклов асимметрия потока, создаваемая первичным током, вызывает насыщение ТТ, тем самым вызывая большие искажения вторичного напряжения ТТ.

3. Перенапряжение из-за вторичного размыкания ТТ

Перепрограммируйте время включения первичного выключателя на t = 1,25 / 50 с (без асимметрии потока) и измените время размыкания вторичного выключателя на t = 0,1 с. Перезапустите моделирование и обратите внимание на большое перенапряжение, возникающее при размыкании вторичной обмотки ТТ. Флюс имеет прямоугольную форму волны, нарезанную на +10 и -10 о.е. Большое значение dphi / dt, возникающее при инверсии потока, генерирует выбросы высокого напряжения (250 В).

Насыщение трансформатора

Насыщение трансформатора из-за увеличения первичного напряжения.Увеличение первичного напряжения приводит к увеличению напряженности магнитного поля и магнитной индукции до «напряжения точки перегиба» на кривой намагничивания. От «напряжения в точке перегиба», если напряжение увеличивается, то напряженность магнитного поля также увеличивается, но магнитная индукция остается почти такой же, как и до повышения напряжения, или немного увеличивается (намного меньше, чем в линейной области) … Эта область кривой намагничивания называется областью насыщения. Область насыщения — очень опасная зона для работы трансформатора, так как в этой зоне ферромагнитный сердечник нагревается больше, чем в линейной зоне, что приводит к повреждению ферромагнитного сердечника.

Сердечник трансформатора может насыщаться из-за высокого напряжения, низкой частоты или их комбинации. Элемент защиты В / Гц (ANSI 24) может использоваться для защиты трансформатора от чрезмерного возбуждения, так как это может вызвать повреждение из-за перегрева / чрезмерных потерь в сердечнике. Этот элемент защиты обычно используется в повышающих трансформаторах генератора.

Еще одна причина, о которой я теперь могу думать, — это наличие в вашем напряжении возбуждения постоянной составляющей. Это может произойти, если ваша нейтральная точка находится под повышенным напряжением.Это может происходить по разным причинам. Один из них — геомагнитные индуцированные токи, вызванные взаимодействием между солнечными вспышками и магнитным полем нашей Земли.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Программное обеспечение: Трансформатор тока (CT) 9067 9028 9028 Калькулятор насыщения 909
Разработчик: IEEE PSRC (Glenn Swift)
Размер: 2.30 МБ (.xls)
Цена: Бесплатно
Теория: Прямо здесь
Скачать: Формула прямо здесь