Трансформатор обратного тока: принцип работы, схема подключения, типы

Содержание

принцип работы, схема подключения, типы

В данной статье мы подробно рассмотрим что такое трансформатор тока, опишем принцип его работы, какие бывают типы, а так же расчеты и схемы трансформатора тока.

Описание и принцип работы

Трансформатор тока представляет собой тип «измерительного трансформатора», который предназначен для производства переменного тока в его вторичной обмотки, которое пропорционально току измеряется в его первичном. Трансформаторы тока уменьшают токи высокого напряжения до гораздо более низкого значения и обеспечивают удобный способ безопасного контроля фактического электрического тока, протекающего в линии электропередачи переменного тока, с использованием стандартного амперметра. Принцип работы основного трансформатора тока немного отличается от обычного трансформатора напряжения.

Типичный трансформатор токаТипичный трансформатор тока

В отличие от трансформатора напряжения или мощности, рассматриваемого ранее, трансформатор тока состоит из одного или нескольких витков в качестве своей первичной обмотки. Эта первичная обмотка может иметь либо один плоский виток, либо катушку из сверхпрочного провода, намотанного на сердечник, либо просто проводник или шину, расположенную через центральное отверстие, как показано на рисунке. Купить трансформатор тока вы можете в популярном интернет магазине Алиэкспресс:

Типичный трансформатор токаТипичный трансформатор тока

Из-за такого типа расположения трансформатор тока часто называют также «последовательным трансформатором», поскольку первичная обмотка, которая никогда не имеет более нескольких витков, соединена последовательно с проводником с током, питающим нагрузку.

Однако вторичная обмотка может иметь большое количество витков катушки, намотанных на многослойный сердечник из магнитного материала с малыми потерями. Этот сердечник имеет большую площадь поперечного сечения, так что создаваемая плотность магнитного потока является низкой при использовании провода с меньшей площадью поперечного сечения, в зависимости от того, какой ток должен быть понижен, когда он пытается выдать постоянный ток, независимо от подключенной нагрузки.

Вторичная обмотка будет подавать ток либо на короткое замыкание, в виде амперметра, либо на резистивную нагрузку, пока напряжение, наведенное во вторичной обмотке, не станет достаточно большим, чтобы насытить сердечник или вызвать отказ из-за чрезмерного пробоя напряжения.

В отличие от трансформатора напряжения, первичный ток трансформатора тока не зависит от тока вторичной нагрузки, а контролируется внешней нагрузкой. Вторичный ток обычно оценивается в стандартный 1 Ампер или 5 Ампер для больших значений первичного тока.

Существует три основных типа трансформаторов тока: обмоточныйтороидальный и стержневой.

  • Обмоточный трансформатор тока — первичная обмотка трансформатора физически соединена последовательно с проводником, который несет измеренный ток, протекающий в цепи. Величина вторичного тока зависит от коэффициента оборотов трансформатора.
  • Тороидальный трансформатор тока — они не содержат первичной обмотки. Вместо этого линия, по которой проходит ток, протекающий в сети, проходит через окно или отверстие в тороидальном трансформаторе. Некоторые трансформаторы тока имеют «разделенный сердечник», который позволяет открывать, устанавливать и закрывать его, не отключая цепь, к которой они подключены.
  • Трансформатор тока стержневого типа — в этом типе трансформатора тока используется фактический кабель или шина главной цепи в качестве первичной обмотки, что эквивалентно одному витку. Они полностью изолированы от высокого рабочего напряжения системы и обычно крепятся болтами к токонесущему устройству.

Трансформаторы тока могут снизить или «понизить» уровни тока с тысяч ампер до стандартного выходного сигнала с известным отношением либо к 5 А, либо к 1 А для нормальной работы. Таким образом, небольшие и точные приборы и устройства управления могут использоваться с трансформаторами тока, потому что они изолированы от любых высоковольтных линий электропередач. Существует множество применений для измерения и использования для трансформаторов тока, таких как ваттметры, измерители коэффициента мощности, защитные реле или в качестве катушек отключения в магнитных выключателях или MCB.

Конструкция и схема трансформатора тока

конструкция и символ на схеме трансформатора токаконструкция и символ на схеме трансформатора тока

Обычно трансформаторы тока и амперметры используются вместе как согласованная пара, в которой конструкция трансформатора тока такова, чтобы обеспечить максимальный вторичный ток, соответствующий полномасштабному отклонению амперметра. В большинстве трансформаторов тока существует приблизительное соотношение обратных витков между двумя токами в первичной и вторичной обмотках. Вот почему калибровка трансформатора тока обычно для определенного типа амперметра.

Большинство трансформаторов тока имеют стандартную вторичную номинальную мощность 5 А, при этом первичные и вторичные токи выражаются в таком соотношении, как 100/5. Это означает, что ток первичной обмотки в 20 раз больше, чем ток вторичной обмотки, поэтому, когда в первичном проводнике протекает 100 ампер, во вторичной обмотке будет протекать 5 ампер. Трансформатор тока, скажем, 500/5, будет производить 5 А во вторичной обмотке при 500 А в первичной обмотке, что в 100 раз больше.

Увеличивая количество вторичных обмоток Ns, ток вторичной обмотки можно сделать намного меньшим, чем ток в измеряемой первичной цепи, потому что, когда Ns увеличивается, Is уменьшается пропорционально. Другими словами, число витков и ток в первичной и вторичной обмотках связаны обратно пропорционально.

Трансформатор тока, как и любой другой трансформатор, должен удовлетворять уравнению ампер-виток, и мы знаем из нашего учебника по трансформаторам напряжения с двойной обмоткой, что это отношение витков равно:

отношение витковотношение витков

из которого мы получаем:

вторичный токвторичный ток

Коэффициент тока устанавливает коэффициент витков, и, поскольку первичный обычно состоит из одного или двух витков, тогда как вторичный может иметь несколько сотен витков, соотношение между первичным и вторичным может быть довольно большим. Например, предположим, что номинальный ток первичной обмотки составляет 100А. Вторичная обмотка имеет стандартный рейтинг 5А. Тогда соотношение между первичным и вторичным токами составляет 100А-5А или 20: 1. Другими словами, первичный ток в 20 раз больше вторичного тока.

Однако следует отметить, что трансформатор тока с номиналом 100/5 не совпадает с трансформатором с номиналом 20/1 или подразделениями 100/5. Это связано с тем, что отношение 100/5 выражает «номинальный ток на входе / выходе», а не фактическое соотношение первичных и вторичных токов. Также обратите внимание, что число витков и ток в первичной и вторичной обмотках связаны обратно пропорционально.

Но относительно большие изменения в соотношении витков трансформаторов тока могут быть достигнуты путем изменения первичных витков через окно трансформатора ток, где один первичный виток равен одному проходу, а более одного прохода через окно приводит к изменению электрического соотношения.

Так, например, трансформатор тока с отношением, скажем, 300 / 5А можно преобразовать в другой из 150 / 5А или даже 100 / 5А, пропустив основной первичный проводник через его внутреннее окно два или три раза, как показано ниже. Это позволяет более высокому значению трансформатора тока обеспечивать максимальный выходной ток для амперметра, когда используется на меньших первичных линиях тока.

Коэффициент первичных оборотов трансформатора токаКоэффициент первичных оборотов трансформатора тока

Пример трансформатора тока

Трансформатор тока стержневого типа, который имеет 1 виток на своей первичной обмотке и 160 витков на своей вторичной обмотке, должен использоваться со стандартным диапазоном амперметров с внутренним сопротивлением 0,2 Ом. Амперметр необходим для полного отклонения шкалы, когда первичный ток составляет 800 А. Рассчитайте максимальный вторичный ток и вторичное напряжение на амперметре.

Вторичный ток:

расчет вторичного тока
расчет вторичного тока

Напряжение через амперметр:

напряжение через амперметрнапряжение через амперметр

Выше мы видим, что, поскольку вторичная обмотка трансформатора тока подключена к амперметру с очень малым сопротивлением, падение напряжения на вторичной обмотке составляет всего 1,0 В при полном первичном токе.

Однако, если амперметр был удален, вторичная обмотка фактически разомкнута, и, таким образом, трансформатор действует как повышающий трансформатор. Это частично связано с очень большим увеличением намагничивающего потока во вторичном сердечнике, поскольку реактивное сопротивление вторичной утечки влияет на вторичное индуцированное напряжение, потому что во вторичной обмотке нет противоположного тока, чтобы предотвратить это.

Результатом является очень высокое напряжение, наведенное во вторичной обмотке, равное отношению:

Vp (Ns / Np), развиваемое через вторичную обмотку. Например, предположим, что наш трансформатор тока сверху используется на трехфазной линии электропередачи напряжением 480 вольт. Следовательно:

расчет высокого напряжениярасчет высокого напряжения

Это высокое напряжение связано с тем, что отношение вольт на витки в первичной и вторичной обмотках практически постоянно, а поскольку Vs = Ns * Vp, значения Ns и Vp являются высокими значениями, поэтому Vs чрезвычайно велико.

По этой причине трансформатор тока никогда не следует оставлять разомкнутым или работать без нагрузки, когда через него протекает основной первичный ток, точно так же, как трансформатор напряжения никогда не должен работать при коротком замыкании. Если амперметр (или нагрузка) должен быть удален, сначала следует установить короткое замыкание на вторичных клеммах, чтобы исключить риск удара током.

Это высокое напряжение объясняется тем, что когда вторичная обмотка разомкнута, железный сердечник трансформатора работает с высокой степенью насыщения и ничто не может его остановить, он создает аномально большое вторичное напряжение, и в нашем простом примере выше это было рассчитано на 76,8 кВ ! Это высокое вторичное напряжение может повредить изоляцию или привести к поражению электрическим током при случайном прикосновении к клеммам трансформатора тока.

Ручные трансформаторы тока

ручной трансформатор токаручной трансформатор тока

В настоящее время доступно много специализированных типов трансформаторов тока. Популярный и портативный тип, который может быть использован для измерения нагрузки цепи, называется «клещами», как показано на рисунке.

Измерители зажимов открывают и закрывают вокруг проводника с током и измеряют его ток, определяя магнитное поле вокруг него, обеспечивая быстрое считывание результатов измерений, как правило, на цифровом дисплее без отключения или размыкания цепи.

Наряду с ручным зажимом типа трансформатора тока имеются трансформаторы тока с разделенным сердечником, у которых один конец съемный, поэтому нет необходимости отсоединять проводник нагрузки или шину для его установки. Они доступны для измерения токов от 100 до 5000 ампер, с квадратными размерами окна от 1 ″ до более 12 ″ (от 25 до 300 мм).

Подводя итог, можно сказать, что трансформатор тока (ТТ) представляет собой тип измерительного трансформатора, используемого для преобразования первичного тока во вторичный ток через магнитную среду. Его вторичная обмотка обеспечивает значительно уменьшенный ток, который можно использовать для обнаружения условий сверхтока, пониженного тока, пикового или среднего тока.

Первичная катушка трансформатора тока всегда соединена последовательно с главным проводником, в результате чего ее также называют последовательным трансформатором. Номинальный вторичный ток рассчитан на 1А или 5А для простоты измерения. Конструкция может представлять собой один первичный виток, как в типах тороидальных, кольцевых или стержневых, или несколько витков первичной обмотки, как правило, для малых коэффициентов тока.

Трансформаторы тока предназначены для использования в качестве устройств пропорционального тока. Поэтому вторичная обмотка трансформаторов тока никогда не должна эксплуатироваться в разомкнутой цепи, точно так же, как трансформатор напряжения никогда не должен работать при коротком замыкании.

Очень высокое напряжение возникает в результате разомкнутой цепи вторичной цепи трансформатора тока под напряжением, поэтому их клеммы должны быть замкнуты накоротко, если амперметр должен быть удален или когда ТТ не используется перед включением питания системы.

В следующей статье о трансформаторах мы рассмотрим, что происходит, когда мы соединяем вместе три отдельных трансформатора в конфигурации «звезда» или «треугольник», чтобы получить более мощный силовой трансформатор, называемый трехфазным трансформатором, который используется для питания трехфазных источников питания.

принцип работы, назначение и схемы включения

Трансформатором тока(ТН, TV) – называют электротехническое устройство, изменяющее величину выходного значения электротока в процессе передачи с первичной на вторичную обмотку. В результате пропуска через трансформатор, электрический ток передаётся из одной системы в другую, пропорционально изменяясь, в зависимости от поставленной задачи.

Высоковольтный ТТ(слева) и низковольтный ТТ(справа) Высоковольтный ТТ(слева) и низковольтный ТТ(справа)

Особенности конструкции и принцип работы

Принцип работы трансформаторов тока основан на использовании закона электромагнитной индукции.

Прибор состоит из следующих элементов:

  • первичной и вторичной обмоток;
  • замкнутого сердечника (магнитопровода).
Принцип работы трансформатораПринцип работы трансформатора

Обмотки накручены вокруг сердечника, изолированно от него и друг от друга. Иногда первичная обмотка может заменяться медной или алюминиевой шиной. Трансформация величины электрического тока происходит за счёт разницы количества витков первичной и вторичной обмоток. В большинстве случаев устройство предназначено для снижения показателя тока, поэтому вторичная обмотка выполняется с меньшим количеством витков, нежели первичная.

Электроток подаётся на первичную обмотку при последовательном подключении. В результате на катушке формируется магнитный поток и наводится электродвижущая сила, вызывающая возникновение тока на выходной катушке.

К выходной обмотке подключают потребляющий прибор, в зависимости от целей, для которых используется устройство.

Некоторые устройства выполняются с несколькими выходными катушками, что позволяет путём переключения изменять величину трансформации электрического тока. В целях безопасности, для обеспечения защиты при пробое изоляции, выходной контур заземляется.

Виды трансформаторов тока

Данные электротехнические устройства классифицируются по нескольким характеристикам. В зависимости от назначения токовые трансформаторы могут быть:

  • защитными – снижающими параметры тока для предотвращения выхода из строя потребляющих устройств;
  • измерительными – через которые подключаются средства измерения, в том числе электросчётчики;
  • промежуточными – устанавливаемыми в системы релейной защиты;
  • лабораторными – используемыми для исследовательских целей, обладающими низкой погрешностью измерения, нередко – с несколькими коэффициентами трансформации.

Учитывая характер условий эксплуатации, различают трансформаторы:

  • для наружной установки – защищённые от воздействия атмосферных факторов, которые можно использовать на открытом воздухе;

    Три трансформатора тока для 3-х фаз(А, B? C)Три трансформатора тока для 3-х фаз(А, B? C)

  • внутренние – применяемые внутри помещений;

    ТТ для установки внутри помещенийТТ для установки внутри помещений

  • встроенные – расположенные внутри электрических приборов и являющиеся их составной частью(3 ТА для каждой фазы показаны стрелкой).

    встроенный-таВстроенные ТТ

В зависимости от исполнения первичных обмоток различают устройства:

  • одновиткового исполнения;
  • многовитковые;
  • шинные.

исполнение первичных обмоток

С учётом способа установки их подразделяют на следующие типы:

  • проходной;
  • опорный.

опорный и проходной та

По числу ступеней изменения тока выделяют трансформаторы:

  • одноступенчатого,
  • двухступенчатого (каскадного) типа.

Устройства, в зависимости от величины напряжения, на которое они рассчитаны делят на предназначенные для работы в условиях более и менее 1000 В.

Для изготовления сердечника применяется специальная трансформаторная сталь. Изоляция выполняется сухой (бакелитовой, фарфоровой), обычной или бумажно-масляной.

Расшифровка маркировки

Расшифровка маркировки трансформаторов токаРасшифровка маркировки трансформаторов тока

Технические параметры

Трансформаторы тока характеризуются следующими индивидуальными параметрами:

  1. Номинальным током – позволяющим аппарату функционировать длительное время, не перегреваясь;
  2. Номинальным напряжением – значение должно обеспечивать нормальную работу трансформатора. Именно этот показатель влияет на качество изоляции между обмотками, одна из которых находится под высоким напряжением, а другая заземлена.
  3. Коэффициентом трансформации; Формула по вычислению коэффициента трансформацииФормула по вычислению коэффициента трансформации

    где:

    • U1 и U2 – напряжение в первичной и вторичной обмотки,
    • N1 и N2 – количество витков в первичной и вторичной обмотке,
    • I1 и I2 – ток в первичной и вторичной обмотки(обычно ток во вторичной обмотке равен 1А или 5А).
  4. Погрешностью значения электротока – вызывается намагничиванием;
  5. Номинальной нагрузкой, определяющей нормальную работу прибора;
  6. Номинальной предельной кратностью – максимально допустимое значение отношения первичного значения электротока к номинальному;
  7. Предельной кратностью вторичного тока – соотношение наибольшего тока вторичной обмотки к его номинальной величине.
ЗначенияЗначения которыми могут обладать ТТ

При выборе устройства необходимо учитывать значение указанных и других характеристик.

Схемы подключения трансформаторов тока

Силового оборудования

Схема подключения для 110 кВ и выше:

подключение тт на 110 кВ

Схема подключения для 6-10 кВ в ячейках КРУ:

подключение тт на 10 кв

Вторичные цепи

Схема включение трансформатора тока в полную звезду:

1

Схема включение трансформатора тока в неполную звезду(З а счет распределения токов на дополнительном приборе получается отобразить векторную сумму фаз А и С, которая противоположно направлена вектору фазы В при симметричном режиме нагрузки сети):

4

Схема включение трансформатора тока в неполную звезду(для контроля линейного тока с помощью реле):

3

Схема включение трансформатора тока в полную звезду с подключением обмотки реле к фильтру нулевой последовательности(ФТНП):

2

Популярные виды и стоимость трансформаторов

Бытового потребителя больше интересуют токовые трансформаторы, используемые для подключения электросчётчиков. В продаже предлагаются приборы типов:

  • ТТИ;
  • ТТН;
  • ТОП;
  • ТОЛ и другие.

Цена зависит от разновидности, конструкции, характеристик и напряжений на котором будет использоваться ТН:

  • 0,66 кВ от 300 – 5000,
  • 6-10 кВ 10000 – 45000,
  • 35 кВ – около 50 000р,
  • 110 кВ и выше – нужно уточнять у производителя.

Возможные неисправности

Указанные устройства чаще всего выходят из строя в результате повреждения изоляции, вызванного перегревом, непредусмотренным механическим воздействием или ошибкой при сборке.

Чтобы проверить состояние прибора, измеряют сопротивление межвитковой изоляции. Если она меньше установленного значения, оборудование нуждается в замене или ремонте.

Также для диагностики используются специальные приборы – тепловизоры, позволяющие проверить состояние всей действующей схемы. Наиболее сложные диагностические процедуры производятся в лабораторных условиях. Своевременная диагностика позволяет исключить аварийные ситуации и обеспечить нормальную работу устройств.

Страничка эмбеддера » Трансформатор тока

Иногда нужно узнать – какой ток течет в электрической цепи. Если ток небольшой, для этого можно использовать простой резистор. Если-же ток достигает неприличных величин (к примеру, как в трансформаторах Тесла), приходится искать другие методы измерения. Один из таких методов – использование трансформатора тока.

 image

Что это такое?

Трансформатор тока, для краткости будем называть его ТТ, используется повсеместно. К примеру, в электросчетчиках и на подстанциях. Мы-же будем рассматривать то, как его можно использовать для измерения тока в импульсных источниках питания – сварочных аппаратах, трансформаторах Тесла итп. Стоит сразу обратить внимание, что с помощью ТТ можно измерять только переменный ток, но никак не постоянный!

Итак, ТТ позволяет нам измерять очень большой ток. Чем-же ТТ отличается от обычного трансформатора? А вот ничем! Название придумали из-за области применения и характерной конструкции – катушка на тороидальном сердечнике, через которую пропущен провод.

ТТ преобразует проходящий через него ток в пропорциональное напряжение. К примеру, если через трансформатор проходит 100А, то он выдает 1В, а если проходит 200А, то на выходе мы получим 2В.

 

Основные соотношения

Проделав нехитрые математические выкладки, можно убедиться, что для токов в обмотках ТТ с очень большим коэффициентом трансформации по напряжению и  с короткозамкнутой вторичной обмоткой действует такой закон для тока в обмотках:

image

Для того, чтобы преобразовать ток в напряжение, используют обычный резистор. Типичная схема включения ТТ:

image

Напряжение, падающее на резисторе R, согласно закону Ома, равно E=IR. Таким образом, зависимость выходного напряжения ТТ от тока определяется простым выражением:

imageК примеру, рассмотрим трансформатор Тесла, где через ТТ течет ток в 500А. Если у нас 1 виток в первичной обмотке ( да, просто пропущенный через кольцо провод считается за один виток), а во вторичной обмотке — 1000 витков, то ток во вторичной обмотке окажется равным 0.5А. Если мы возьмем сопротивление R1 = 2ом, то при полном токе на нем будет падать 1вольт.

Просто? Еще-бы!

 

Применения

Раз мы уже знаем, что такое токовый трансформатор, давайте подумаем куда его можно всунуть. Кроме того, что можно измерять большие токи, можно еще строить автогенераторы с обратной связью по току. Практически все DRSSTC являются именно такими. Можно также организовывать защиту от превышения тока, без такой защиты большинство импульсных блоков питания являются ”живыми мертвецами”.

 

Запаздывание по фазе

Для автогенераторного применения важна еще одна характеристика ТТ – задержка сигнала.

Запаздывание сигнала может произойти из-за таких факторов

  • Индукция рассеяния ТТ вместе с выходным резистором образует ФНЧ.

  • Межвитковая емкость в ТТ может стать причиной сдвига фазы.

Для анализа обоих этих ситуация, я набросал простую модель в SWCad’е.

Для предыдущего примера с трансформатором Тесла, возьмем сердечник R25.3 из материала N87 фирмы Epcos. В качестве паразитной емкости, возьмем 1нФ. Не спрашивайте, откуда такая емкость. Мне она кажется значительно большей, чем может возникнуть в любой реальной ситуации. Модель выглядит так:

image

Результаты симуляции при к. связи = 1

image

К. связи = 0.5

image

 

Как видно, отличаются только амплитуды. Сигнала. Никакого запаздывания нет в обоих случаях. Такое поведение сохраняется вплоть до очень высоких частот и до очень маленьких коэффициентов связи. Таким образом, можно сделать вывод, что фаза сигнала практически не зависит от паразитных параметров.

 

Каскадирование токовых трансформаторов

Люди всегда были ленивыми. Некоторым лениво встать из-за компа, а некоторым – мотать тысячи витков в ТТ. Поэтому придумали соединять трансформаторы последовательно. Решение спорное, и поэтому попробуем его проанализировать при помощи того-же симулятора. Включим последовательно два трансформатора на том-же сердечнике с обмоткой по 33 витка на каждом. Замечу, что паразитная емкость в каждом из трансформаторов сильно уменьшилась, что не удивительно.

image

Результаты симуляции очень похожи на одиночный трансформатор. Никакого запаздывания нет. Только амплитуда становится немного менее предсказуемая – она определяется произведением коэффициентов связи в обоих трансформаторах.

image

Вывод – в подавляющем большинстве случаев можно применять несколько ТТ, включенных последовательно.

 

Прямоугольный выходной сигнал

Часто необходимо получить прямоугольный выходной сигнал из синусоиды, выдаваемой ТТ. Конечно, это можно сделать с помощью компаратора, однако быстродействующие компараторы дороги и требуют особых навыков от разработчика. Проще собрать следующую, уже почти ставшую стандартом, схему:

 

 

image

Для чего такие сложности? Стабилитроны – очень медленные устройства. Для повышения быстродействия ограничителя, к ним добавлены диоды Шоттки. Когда напряжение меняет полярность – диоды Шоттки быстро закрываются и не дают стабилитронам испортить сигнал. Такой ограничитель выдает сигнал +-5 вольт. Замечу, что сигнал нужно обязательно ограничивать симметрично, иначе произойдет сдвиг фазы.

Далее идет диодная “вилка” которая защищает вход последующей микросхемы от пробоя отрицательным напряжением.

Диодную вилку нельзя поставить сразу после ТТ, потому, как выбросы из силовой части преобразователя попадут в чувствительные цепи управляющей электроники.

 

Конструкция

Заметьте, что ТТ работает как источник тока, и чем больше витков вы намотаете, тем ближе ТТ будет к идеальному источнику тока и тем точнее будут показания. Также, чем больше витков, тем меньше ток течет через резистор, а значит, уменьшается рассеиваемая на нем мощность. Именно предельная мощность на резисторе обычно является определяющим факторов для количества витков в любительских конструкциях.

Для того, чтобы сделать коэффициент трансформации побольше, первичную обмотку обычно делают всего из одного витка, а во вторичной мотают порядка тысяч.

Проблема насыщения сердечника очень редко проявляется в токовых трансформаторах. Что такое насыщение и как с ним бороться, можно прочитать в статье о GDT.

Чем больше проницаемость сердечника, тем больше к. связи и точнее показания, однако больше становится и паразитная индуктивность, добавляемая в измеряемые цепи. Это часто нежелательно. На практике, в качестве сердечника для ТТ может использоваться практически любой феррит, работающий на необходимой частоте. Для низкочастотных применений используют обычное трансформаторное железо.

В качестве проволоки для вторичной обмотки стоит выбирать проволоку с наибольшим возможным сечением – так уменьшается погрешность измерения.

 

Промышленные ТТ

Естественно, промышленность выпускает громаднейший ассортимент токовых трансформаторов. Они хорошо настроены и могут быть использованы для точных измерений.  Естественно, есть проблемы с доставабельностью в неэпических количествах. К примеру, в киеве, несколько ТТ я видел в магазине “радиомаг”

image

https://www.rcscomponents.kiev.ua/modules.php?name=Asers_Shop&s_op=viewproduct&cid=236

 

Еще почитать

К моему удивлению, материалов по ТТ очень мало. Но википедия, все-же, знает, что это такое.

https://ru.wikipedia.org/wiki/Трансформатор_тока

Привенение ТТ в электросчетчиках. Там-же описывается немного теории.

https://www.eltranstech.ru/aspect.php

Назначение, принцип действия трансформаторов тока и отличие от ТН

В сегодняшнем материале, я решил начать рассматривать вопросы, касающиеся основ теории трансформаторов тока. Сами эти аппараты распространены повсеместно в электроустановках, и я думаю, всем будет интересно и полезно обновить в памяти принцип их работы.

Назначение трансформаторов тока: преобразование тока и разделение цепей

Начнем с ответа на вопрос – для чего нужен трансформатор тока? Здесь существует несколько основных вопросов, которые решает установка трансформаторов тока.

  • Во-первых, это измерение больших токов, когда измерение непосредственно реальной величины первичного тока не представляется возможным. Измеряют преобразованную в меньшую сторону после трансформатора тока величину. Обычно это 1, 5 или 10 ампер.
  • Во-вторых, это разделение первичных и вторичных цепей. Таким образом, происходит защита изоляции релейного оборудования, приборов учета электроэнергии, измерительных приборов.

Из чего состоит ТТ, принцип его работы

Трансформатор тока имеет замкнутый сердечник (магнитопровод), который собирают из листов электротехнической стали. На сердечнике расположено две обмотки: первичная и вторичная.

Первичная обмотка включается последовательно (в рассечку) цепи, по которой течет измеряемый (первичный) ток. К вторичной обмотке присоединяются последовательно соединенные реле, приборы, которые образуют вторичную нагрузку трансформатора тока. Такое описание состава трансформатора тока достаточно для описания принципа его работы, более подробное описание реального состава трансформатора тока приведено в другой статье.

Для рассмотрения принципа действия трансформатора тока рассмотрим схему, расположенную на рисунке.

В первичной обмотке протекает ток I1, создавая магнитный поток Ф1. Переменный магнитный поток Ф1 пересекает обе обмотки W1 и W2. При пересечении вторичной обмотки поток Ф1 индуцирует электродвижущую силу Е2, которая создает вторичный ток I2. Ток I2, согласно закону Ленца имеет направление противоположное направлению I1. Вторичный ток создает магнитный поток Ф2, который направлен встречно Ф1. В результате сложения магнитных потоков Ф1 и Ф2 образуется результирующий магнитный поток (на рисунке он обозначен Фнам). Этот поток составляет несколько процентов от потока Ф1. Именно поток Фнам и является тем звеном, что производит передачу и трансформацию тока. Его называют потоком намагничивания.

Коэффициент трансформации идеального ТТ

В первичной обмотке w1 создается магнитодвижущая сила F1=w1*I1, а во вторичной - F2=w2*I2. Если принять, что в трансформаторе тока отсутствуют потери, то магнитодвижущие силы равно по величине, но противоположны по знаку. F1=-F2. В итоге получаем, что I1/I2=w2/w1=n. Это отношение называется коэффициентом трансформации трансформатора тока.

Коэффициент трансформации реального ТТ

В реальном трансформаторе тока существуют потери энергии. Эти потери идут на:

  • создание магнитного потока в магнитопроводе
  • нагрев и перемагничивание магнитопровода
  • нагрев проводов вторичной обмотки и цепи

К магнитодвижущим силам из прошлого пункта прибавится мдс намагничивания Fнам=Iнам*w1. В выражении ниже токи и мдс это вектора. F1=F2+Fнам или I1*w1=I2*w2+Iнам*w1 или I1=I2*(w2/w1)+Iнам

В нормальном режиме, когда первичный ток не превышает номинальный ток трансформатора тока, величина тока Iнам не превышает 1-3 процента от первичного тока, и этой величиной можно пренебречь. При ненормальных режимах происходит так называемый бросок тока намагничивания, об этом более подробно можно почитать здесь. Из формулы следует, что первичный ток разделяется на две цепи – цепь намагничивания и цепь нагрузки. Более подробно о схеме замещения ТТ и о векторной диаграмме ТТ.

Режимы работы трансформаторов тока

У ТТ существуют два основных режима работы – установившийся и переходный.

В установившемся режиме работы токи в первичной и вторичной обмотке не содержат свободных апериодических и периодических составляющих. В переходном режиме по первичной и вторичной обмотке проходят свободные затухающие составляющие токов.

Если ТТ выбран правильно, то в обоих режимах работы погрешности не должны превышать допустимых в этих режимах, а токи в обмотках не должны превышать допустимые по термической и динамической стойкости.

ТТ для измерений предусмотрены для работы в установившемся режиме, при условии не превышения допустимых погрешностей. Работа ТТ для защиты начинается с момента возникновения тока перегрузки или тока КЗ, в этих режимах должны обеспечиваться требования определенных типов защит.

Чем отличается трансформатор тока от трансформатора напряжения и силового трансформатора

Существуют существенные отличия в работе ТТ и ТН.

Во-первых, первичный ток ТТ не зависит от вторичной нагрузки, что свойственно ТН. Это определяется тем фактом, что сопротивление вторичной обмотки ТТ на порядок меньше сопротивления первичной цепи. В трансформаторах напряжения и силовых трансформаторах же первичный ток зависит от величины тока вторичной нагрузки.

Во-вторых, ТТ всегда работает с замкнутой вторичной обмоткой и величина его вторичного сопротивления нагрузки в процессе работы не изменяется.

В-третьих, не допускается работа ТТ с разомкнутой вторичной обмоткой, для ТН и силовых при размыкании вторичной обмотки происходит переход в режим работы холостого хода.

Сохраните в закладки или поделитесь с друзьями



Последние статьи


Самое популярное

как выбрать трансформатор тока
Трансформаторы тока в переходных режимах / Статьи и обзоры / Элек.ру

Измерительные трансформаторы являются неотъемлемой частью любой энергоустановки. С помощью измерительных трансформаторов осуществляется учет электроэнергии, измерения параметров сети, они являются первичными источниками сигнала для релейных защит, устройств телемеханики и автоматики. Мы уже затрагивали тему выбора трансформаторов тока в целях учета электрической энергии, сегодня уделим внимание общим принципам их классификации и конструкции, а также нормативно-технической базе в части обеспечения функционала релейных защит.

В первую очередь нужно отметить, что важным аспектом работы современных микропроцессорных релейных защит является их быстродействие, которое должно обеспечиваться не только собственными возможностями программно-технических комплексов устройств РЗА, но и возможностями первичных аналоговых преобразователей, таких как трансформаторы тока.

Токовые цепи релейных защит, как правило, питаются таким же образом, как приборы учета и устройства измерения — источником аналогового сигнала для них являются трансформаторы тока. Отличие состоит в условиях работы: измерительные приборы работают в классе точности при фактическом первичном токе, не превышающем номинального, тогда как устройства релейной защиты рассчитаны на работу в режимах короткого замыкания или перегрузки, когда фактический ток значительно превышает номинальный ток трансформатора. К тому же, такие режимы являются переходными — в составе первичного тока появляются свободные апериодические составляющие.

Как известно, работа трансформатора тока характеризуется уравнением намагничивающих сил: I1 • w1 + I2 • w2 = Iнам • w1

Где:

I1 ток в первичной обмотке;
w1количество витков первичной обмотки;
I2 ток во вторичной обмотке;
w2 количество витков вторичной обмотки;
Iнамток намагничивания.

Из приведенного выражения видно, что первичный ток трансформируется во вторичную обмотку не полностью — часть его уходит на формирование тока намагничивания, создающего рабочий магнитный поток в сердечнике ТТ (поток, формирующий ЭДС во вторичной обмотке, под воздествием которой там и протекает ток). Это происходит как в установившихся, так и в переходных режимах. В переходном процессе каждая составляющая, протекая по первичной обмотке трансформатора тока, делится на две части: одна трансформируется во вторичную обмотку, а вторая идет на намагничивание сердечника. В связи с тем, что скорость изменения апериодической составляющей гораздо меньше скорости изменения переменной составляющей, а периодическая составляющая плохо трансформируется во вторичную цепь и большая ее часть идет на насыщение сердечника. Это, в свою очередь, ухудшает трансформацию периодической составляющей во вторичную цепь и также повышает долю этого тока в токе намагничивания. Возникает так называемое, «подмагничивающее действие». Учитывая, что в сердечниках ТТ во многих случаях имеет место остаточная магнитная индукция, которая сохраняется в течение длительного времени (дни, недели и даже месяцы), наихудший режим работы возникает в случае, если остаточный магнитный поток в сердечнике совпадает по направлению с магнитным потоком, создаваемым апериодической составляющей тока намагничивания.

В результате трансформатор начинает работать в режиме насыщения, т.е. когда ток намагничивания растет значительно быстрее рабочего магнитного потока.

Все вышеописанное вносит искажения в величину и фазу вторичного тока, создавая тем самым погрешность (именно величина тока намагничивания определяет точность работы ТТ). И, несмотря на то, что в релейных защитах точность траснформации имеет гораздо меньшее значение, чем в измерительной технике, погрешности могут быть настолько велики, что могут вызвать существенную задержку срабатывания устройств РЗА, а также их ложное действие или отказ. Это особенно актуально для дифференциальных защит, т.к. вместе с токами намагничивания ТТ возрастают и токи небаланса в схеме защиты. Также ситуацию может ухудшить применение промежуточных быстронасыщающихся трансформаторов тока.

Существует несколько способов борьбы с остаточной намагниченностью сердечника, как с одной из основных причин возникновения насыщения. Один из методов — применение трансформаторов тока с сердечниками без стали, обладающих линейными свойствами. Но использование таких трансформаторов тока может быть весьма ограниченным, в связи с небольшой мощностью вторичных обмоток. Второй метод (наиболее распостраненный) — изготовление сердечников из электротехнической стали, имеющих немагнитные зазоры. Этот метод по сравнению с использованием сердечников без стали позволяет конструировать сердечники меньшего сечения. Однако в России трансформаторы тока с такими сердечниками не выпускались и не выпускаются. Нужно отметить, что европейские производители успешно производят такие изделия в вполне приемлемых габаритах, размещая в корпусе трансформатора как обмотки с привычными нам классами точности, так и специализированные обмотки для работы РЗА в переходных процессах. Почему же сложилась такая ситуация? Наверное, отнюдь не потому, что российские конструкторы гораздо хуже европейских знают свое дело и не потому, что эксплуатирующие организации не желают располагать таким оборудованием.

Рассмотрим действующую нормативную базу, регламентирующую производство трансформаторов тока. Действующий сегодня ГОСТ 7746-2001 «Трансформаторы тока. Общие технические условия» включает в себя два класса точности релейных защит — 5Р и 10Р (пределы допускаемых погрешностей — см. Таблицу 1). Ни в одном из этих классов не нормируется работа ТТ в переходных режимах — указанные в ГОСТ погрешности имеют место при нормальных режимах и токе предельной кратности (также в установившемся режиме).

Таблица 1. Пределы допускаемых погрешностей вторичных обмоток для защиты в установившемся режиме при номинальной вторичной нагрузке

Класс точности

Предел допускаемой погрешности

При номинальном первичном токе

При токе номинальной предельной кратности

Токовой, %

Угловой

Полной, %

±1

±60’

±1,8 срад.

5

10Р

±3

Не нормируют

10

Здесь предполагается традиционный способ выбора ТТ для релейных защит — по кривой 10% погрешности — зависимости отношения максимального первичного тока к номинальному и сопротивлению (мощности) вторичной обмотки.

Вроде бы, глядя на кривую можно сказать, что достаточная кратность обеспечинвается в широких пределах вторичных нагрузок. Однако такой способ не является точным даже с учетом коэффициента, учитывающего влияние апериодической составляющей (1,2–2), ведь как уже описывалось выше, ток намагничивания в переходном режиме может многократно отличаться от тока намагничивания в установившемся режиме.

В этой связи существует необходимость внедрения в эксплуатацию специальных трансформаторов тока для работы РЗА в переходных режимах, а также новых классов точности для них. Данный факт был отмечен еще в 60–70-е года прошлого столетия отечественными специалистами, а сегодня реализован экспертами МЭК. Следует обратить внимание, что и в России с 1 января 2014 года действует новый стандарт — ГОСТ IEC 60044-1-2013 «Трансформаторы измерительные. Часть 1. Трансформаторы тока», но он совсем не для России, ведь распространяется только на трансформаторы тока для экспортных поставок. Кроме того, данный стандарт является переведенным IEC 60044-1:2003, который был принят за рубежом в 2003 году, то есть более 10 лет назад, где теперь вместо серии 60044 внедряется серия стандартов 61869.

При переходе от IEC 60044 к IEC 61869 состав документа претерпел некоторые изменения, поэтому ГОСТ IEC 60044-1-2013 для экспорта можно назвать, как минимум, не совсем актуальным. Кроме того, ГОСТ IEC 60044-1-2013 содержит ссылки на международные стандарты, которые официально не переведены на русский язык и не введены в действие на территории РФ, даже для продукции на экспорт. Иными словами, ситуация на сегодняшний день в плане стандартизации абсолютно такая же, как и несколько лет назад — имеются только планы и структуры предлагаемой нормативно-технической базы в области измерительных трансформаторов. А заказчикам требуются трансформаторы тока с нормируемыми метрологическими характеристиками в переходных режимах. Но в связи с отсутствием нормативной базы заказчики, например ОАО «ФСК ЕЭС», вынуждены формулировать требования «своими словами» и ссылаться на нелигитимный в стране стандарт, например: «трансформаторы должны обеспечивать с заданным классом точности предел погрешности в переходных режимах, включая цикл АПВ, в том числе и неуспешное АПВ «КЗ — отключение — пауза 1 сек. — включение» согласно требованиям МЭК 44-6», а не указывать требуемый конкретный класс точности, определенный действующим нормативным документом. Справедливости ради надо отметить, что стандарт организации СТО 56947007-29.180.085-2011 «Типовые технические требования к трансформаторам тока 110 и 220 кВ», создан исключительно в соответствии с действующими ГОСТами.

С отечественным ГОСТ 7746-2001 все понятно, теперь предлагаю разобраться «как у них». IEC 61869-2, кроме традиционных 5Р и 10Р (допускаемые погрешности соответствуют ГОСТ 7746-2001) нормирует следующие классы точности трансформаторов тока для релейной защиты:

  • PR — трансформатор с лимитированным значением остаточной магнитной индукции (<10%). Для него в некоторых случаях может указываться значение постоянной времени намагничивания, а также предел значения сопротивления обмотки. Величина допустимых погрешностей соответствует Таблице 1 и измеряется при токе номинальной предельной кратности.
  • PX — трансформатор с низким значением индуктивного сопротивления, для которого известна вторичная характеристика намагничивания, сопротивление вторичной обмотки, сопротивление вторичной нагрузки и витковый коэффициент трансформации, а также учтены характеристики защитных устройств с которыми он будет использоваться.
  • PXR — соответствует классу точности PX, но с ограничением остаточной магнитной индукции (<10%).

Также, в состав IEC 61869-2 вошли требования к классам точности трансформаторов тока для переходных режимов:

  • TPX — метрологические характеристики определяеются максимальным мнгновеннным значением погрешности в течение заданного цикла переходного процесса. Остаточный магнитный поток не ограничивается.
  • TPY — метрологические характеристики определяются максимальным мнгновенным значением погрешности в течение заданного цикла переходного процесса. Остаточный магнитный поток не должен превышать 10% потока насыщения.
  • TPZ — метрологические характеристики определяются аплитудным мнгновенным значением переменной составляющей тока в течение однократной подачи питания при максимальной постоянной составляющей и при заданной постоянной времени вторичной цепи. Требования по ограничению погрешности постоянной составляющей отсутствуют. Остаточный магнитный поток фактически должен отсутствовать.

Таблица 2. Погрешности трансформаторов тока классов TPX, TPY, TPZ

Класс

При номинальном первичном токе

При предельном значении первичного тока

Токовая погрешность, %

Угловая погрешность

Максимальное значение величины мгновенной погрешности в %

минуты

сантирадианты

TPX

±1,0

±60

±1,8

ε = 10

TPY

±1,0

±60

±1,8

ε = 10

TPZ

±1,0

180±18

5,3±0,6

εас = 10

При изготовлении трансформаторов тока классов TPX, TPY, TPZ на табличку с техническими данными трансформаторов тока дополнительно наносится следующая информация (Таблица 3).

Таблица 3. Дополнительная информация для трансформаторов тока классов TPX, TPY, TPZ

Класс ТТ

TPX

TPY

TPZ

Номинальный первичный ток

да

да

да

Номинальный вторичный ток

да

да

да

Номинальная частота

да

да

да

Наибольшее напряжение оборудования и номинальный уровень изоляции

да

да

да

Ith

да

да

да

Idyn

да

да

да

KТТ, к которому относится данная спецификация

да

да

да

KSCC

да

да

да

Tp

да

да

да

Ts

-//-

да

-//-

Временные характеристики рабочего цикла (однократного, двойного)

да

да

да

Rb

да

да

да

Где:

Ith — номинальный ток термической стойкости трансформатора тока.
Idyn — номинальный ток электродинамической стойкости трансформатора тока.
KТТ
— коэффициент трансформации.
KSCC
— коэффициент номинального симметричного тока короткого замыкания (отношение номинального первичного тока короткого замыкания к номинальному первичному току. Номинальный первичный ток КЗ — среднеквадратичное значение симметричного первичного тока КЗ, на основе которого определяются номинальные метрологические характеристики ТТ). Tp — заданная постоянная времени первичной цепи.
Ts — номинальная постоянная времени вторичной цепи (сумма индуктивности намагничивания и индуктивности рассеяния, отнесенное к активному сопротивлению вторичной цепи).
Временные характеристики рабочего цикла — временные параметры цикла «включение-отключение» или «включение-отключение-включение-отключение» — длительности первого и второго протекания тока, время запаздывания во время АПВ.
Rb — номинальная активная вторичная нагрузка.

Таким образом, в стандартах IEC имеется четыре варианта классов точности ( P, PX, PR, PXR), нормируемых для установившихся режимов. Также имеется три варианта классов точности (TPX, TPY, TPZ) для переходных процессов, что по моему мнению является более чем достаточным для организации правильной работы современных микропроцессорных релейных защит с максимально возможным быстродействием, в том числе в переходных режимах. Конечно, для получения столь подробных характеристик обмоток требуется приложить некоторые усилия как проектной организации, выбирающей трансформатор тока, так и производителю при конструировании ТТ. К счастью, на сегодняшний день методики расчета переходных процессов доступны, имеются программы для математического и графического моделирования, способные вычислить необходимые параметры сети и трансформатора тока. Предприятия, производящие трансформаторы тока по стандартам IEC, производят такие расчеты автоматизированным способом.

Учитывая набирающую с каждым годом обороты политику импортозамещения, сложные текущие отношения с европейскими государствами, а также растущий курс европейской валюты, на мой взгляд, отечественным производителям трансформаторов тока было бы не лишним перенять опыт западных коллег и наладить производство вышеописанных ТТ, а органам стандартизации — предварительно обеспечить соответствующую нормативно-техническую базу.

А. А. СЕРЯКОВ,
Группа компаний «РусЭнергоМир»

Список используемой литературы:

  1. ГОСТ 7746-2001. Трансформаторы тока. Общие технические условия.
  2. ГОСТ IEC 60044-1-2013. Трансформаторы измерительные. Часть 1. Трансформаторы тока.
  3. IEC 61869-2 Instrument Transformers. Part 2: Current Transformers.
  4. IEC 60044-6 Instrument Transformers. Part 6: Requirements for Protective Current Transformers for Transient Performance.
  5. Н.В. Чернобровов. «Релейная защита», изд. «Энергия», 1971 г.
  6. В.В. Афанасьев, Н.М. Адоньев, В.М. Кибель, И.М. Сирота, Б.С. Стогний. «Трансформаторы тока», изд. Энергоатомиздат, 1989 г.
  7. И.М. Сирота. «Переходные режимы работы трансформаторов тока», Издательство Академии Наук Украинской ССР, 1961 г.
  8. Стандарт организации ОАО «ФСК ЕЭС» СТО 56947007-29. 180.085-2011. Типовые технические требования к трансформаторам тока 110 и 220 кВ (с изменениями от 24.05.2013 г.).
  9. И. Матюхов. «Измерительные трансформаторы. Нормативно-техническая документация», Новости Электротехники, №1 (85) 2014 г.

Статья опубликована в журнале «Электротехнический рынок», № 3 (57), 2014

Расчет трансформатора для обратноходового импульсного источника питания (Flyback)
Популярность обратноходовых источников питания (ОИП, Flyback) последнее время сильно возросла в связи с простотой и дешевизной этого схемного решения – на рынке можно часто встретить интегральные схемы, включающие в себя практически всю высоковольтную часть такого источника, пользователю остается только подключить трансформатор и собрать низковольтную часть по стандартным схемам. Для расчета трансформаторов также имеется большое количество программного обеспечения – начиная от универсальных программ и заканчивая специализированным ПО производителей интегральных схем.

Сегодня же я хочу поговорить о ручном расчете импульсного трансформатора. «Зачем это нужно?», может спросить читатель. Во-первых, ручной расчет трансформатора подразумевает полное понимание процессов, происходящих в источнике питания, чего зачастую не происходит, если начинающий радиолюбитель рассчитывает трансформатор в специальном ПО. Во-вторых, ручной расчет позволяет выбирать оптимальные параметры функционирования источника (и иметь представление, какой параметр в какую сторону надо изменить для достижения заданного результата) еще на этапе разработки.

Итак, начнем. Структурная схема ОИП представлена на рис. 1. Он состоит из следующих основных функциональных узлов: ключ Sw, трансформатор Т1, выпрямитель выходного напряжения VD1 и C2, фильтр высокочастотных помех С1 и снаббер Snb.

Рис. 1

Работает такой источник следующим образом (см. упрощенные графики на рис. 2): в начальный момент времени t0 ключ Sw открывается, подавая входное напряжение Uin на первичную обмотку трансформатора Т1. В это время напряжение на нижнем выводе обмотки I (точка а) равно нулю (относительно отрицательного провода входного напряжения), в обмотке I начинает линейно нарастать ток, а на обмотке II появляется напряжение, пропорциональное коэффициенту трансформации Т1 (UoutInv). Но полярность этого напряжения оказывается отрицательной (на верхнем по схеме выводе обмотки II, точка b), поэтому диод VD1 закрыт и напряжение на выходной конденсатор С2 не проходит. За промежуток Ton (от t0 до t1) ток через обмотку I линейно нарастает до значения Imax, и энергия запасается внутри трансформатора Т1 в виде магнитного поля.


Рис. 2

В момент времени t1 ключ Sw резко закрывается, ток через обмотку I прекращается и в ней возникает ЭДС самоиндукции, направленная так, чтобы продолжить прекратившийся ток. В этот момент обмотка I сама становится источником напряжения. Так получается потому, что энергия в катушке индуктивности запасается в виде тока (на самом деле, в виде магнитного поля, но он пропорционален току через катушку, поэтому формула энергии в катушке A = LI²/2), но по закону сохранения энергии она не может исчезнуть бесследно, она должна куда-то перейти. Следовательно, ток в катушке не может прекратиться мгновенно, поэтому катушка сама становится источником напряжения, причем любой амплитуды (!) – такой, чтобы обеспечить сразу после закрытия ключа продолжение того же самого тока Imax. Это является первой важной особенностью катушки индуктивности, которую следует запомнить – при резком прекращении тока в катушке, она становится источником напряжения любой амплитуды, пытаясь поддержать прекратившийся в ней ток, как по направлению, так и по амплитуде. Какой же именно «любой» амплитуды? Достаточно большой, чтобы, например, вывести из строя высоковольтный ключ или образовать искру в свече зажигания автомобиля (да, в зажигании автомобиля использует именно это свойство катушек индуктивности).

Все, что описано выше так и происходило бы, если бы обмотка I была единственной обмоткой трансформатора Т1. Но в нем еще есть обмотка II, индуктивно связанная с I. Поэтому, в момент времени t1 в ней тоже возникает ЭДС, направленная так, что в точке b оказывается плюс по отношению к земле. Эта ЭДС открывает диод VD1 и начинает заряжать конденсатор C2 током I2max. Т.е. заряд конденсатора C2 и передача энергии в нагрузку происходит в тот момент времени, когда ключ Sw закрыт. Именно поэтому источники питания, построенные по такому принципу, называют обратноходовыми – потому что в них нет прямой передачи энергии из высоковольтной части в низковольтную, энергия сначала запасается в трансформаторе, а потом отдается потребителю.

В интервал времени от t1 до t2 линейно спадающий от I2max до 0 ток I2 вторичной обмотки поддерживает магнитное поле внутри катушки в соответствии с законом сохранения энергии и не дает напряжению на первичной обмотке (т.к. они индуктивно связаны) вырасти до неконтролируемого значения. Напряжение на обмотке I в этот момент становится равно напряжению выхода, умноженному на коэффициент трансформации Т1. Однако, полярность этого напряжения такова, что оно складывается с входным напряжением Uin и прикладывается к закрытому ключу Sw. Т.е. на закрытый ключ Sw прикладывается напряжение больше входного! Это также является важной особенностью ОИП, которую следует запомнить.

В момент времени t2 энергия, запасенная в трансформаторе Т1 заканчивается, диод VD1 закрывается, напряжение в точке b становится равным нулю, в точке a – входному напряжению питания, и все процессы в схеме прекращаются до момента t3, когда весь цикл повторяется с самого начала. При этом, в интервалах времени t0-t1 и t2-t4 питание нагрузки осуществляется исключительно за счет энергии, запасенной выходным конденсатором С2.

Описанный режим работы ОИП называется режимом разрывных токов – т.е. за интервал Toff (t1-t3) вся энергия, запасенная в трансформаторе Т1 передается в нагрузку, поэтому, в момент t3 ток через первичную обмотку I начинает нарастать с нуля. Существует также режим неразрывных токов, когда на момент t3 некоторая часть энергии еще продолжает находиться в трансформаторе Т1, и ток через обмотку I в момент t3 начинается не с нулевого значения. Данный режим имеет свои особенности, преимущества и недостатки, о которых мы поговорим в следующий раз.

Итак, какими основными особенностями обладает ОИП в режиме разрывных токов? Выпишем основные пункты:

  1. Передача энергии от источника к потребителю в ОИП не идет напрямую, энергия сначала запасается в трансформаторе, а затем передается в нагрузку. Это однозначно определяет фазировку первичной и вторичной обмоток, а также заставляет использовать только однополупериодный выпрямитель на выходе блока. Также отсюда следует неявный вывод 2, который, как показала моя личная практика, к сожалению, не до конца понимают даже достаточно опытные конструкторы блоков питания.
  2. Максимальная мощность, которую может выдать ОИП в нагрузку, кроме всего прочего, ограничена максимальным количеством энергии, которую может запасти трансформатор! А это, в свою очередь, определяется конструктивными особенностями сердечника и не зависит от обмоток и количества их витков (ниже в статье я рассмотрю данный «парадокс» отдельно и приведу математические доказательства). Эта особенность ограничивает применение ОИП там, где нужны большие выходные мощности.
  3. Низковольтная цепь ОИП состоит из диода, конденсатора и, возможно, дополнительных фильтрующих элементов. Однако, в ОИП первым всегда стоит диод, затем идет конденсатор и никак иначе.
  4. В установившемся режиме работы ОИП количество энергии, полученное первичной обмоткой I трансформатора Т1 за время Ton равно (без учета потерь) количеству энергии, отданному обмоткой II за время Toff. Поскольку скорость приема или отдачи энергии катушкой определяется напряжением на ней, то зависимость между напряжением «заряда» и «разряда» определяется именно интервалами Toff и Ton. Т.е., по сути, в самом сложном режиме работы блока Duty cycle (коэффициент заполнения, D), равный Ton/(Ton + Toff) определяет отношение обратного напряжения на обмотке I к напряжению питания Uin. Этот пункт будет пояснен подробнее ниже.
  5. По закону сохранения энергии, ток I2max, отдаваемый обмоткой II в нагрузку в момент времени t1 численно равен току Imax, только что протекавшему в первичной обмотке, умноженному на отношение количества витков в обмотке I к количеству витков в обмотке II (пояснение ниже).
  6. Импульсное значение тока I2max значительно превышает средний выходной ток блока питания (в 2.5 и более раз), поэтому на выпрямительном диоде VD1 может рассеиваться значительная мощность. Именно эта особенность ограничивает применение ОИП там, где нужны большие выходные токи.
  7. То же самое (высокое импульсное значение тока) относится и к вторичной обмотке II.
  8. Обратное напряжение на диоде VD1 в несколько раз выше выходного напряжения. Это происходит из-за того, что обычно обратное напряжение на первичной обмотке (которое является прямым для диода) выбирается в несколько раз ниже входного, поэтому входное (которое является обратным для диода) после трансформации оказывается в несколько раз выше выходного.

Пояснение к п. 4. Из физики мы помним формулу для катушки индуктивности:

U(t) = L*(dI(t)/dt),

которая означает, что напряжение на катушке прямо пропорционально ее индуктивности, умноженной на скорость изменения тока в ней. Что это нам дает? Прежде всего, то, что если мы прикладываем к катушке постоянное напряжение U, то скорость изменения тока в ней постоянна. Это позволяет переписать формулу для постоянного напряжения без дифференциалов:

U = L*(ΔI/Δt),

и именно в соответствии с этой формулой графики тока на рис. 2 прямые. Далее, если мы прикладываем напряжение Uin к катушке на время Ton, ток в ней возрастет до значения

Imax = Uin*Ton/L

Теперь мы хотим (в самом нагруженном режиме работы), чтобы вся энергия катушки, которую мы только что набрали, была передана в нагрузку за интервал Toff, т.е. на момент t3 ток в катушке должен упасть до нуля. Здесь для упрощения представим, что мы как подаем, так и снимаем напряжение/ток с одной и той же катушки I, позже я объясню, почему такое допущение возможно. Посчитаем, на какое напряжение мы можем «разряжать» катушку, чтобы ток в момент t3 достиг нуля:

Udis = L*Imax/Toff,

Подставляем и упрощаем:

Udis = L*Uin*Ton/(L*Toff) = Uin*Ton/Toff

Т.е. напряжение, на которое мы должны «разряжать» катушку в моменты закрытия ключа Sw зависит только от входного напряжения и интервалов «заряда»-«разряда». Вспомним формулу коэффициента заполнения D:

D = Ton/(Ton + Toff),

таким образом:

Udis = Uin*D/(1 – D)

Но, напряжение, на которое мы «разряжаем» катушку – это и есть то обратное напряжение, которое возникает в первичной обмотке в моменты закрытия ключа. Т.е. мы получили, что оно зависит только от входного напряжения и коэффициента заполнения D и определяется формулой:

Uinv = Uin*D/(1 – D)

При работе в реальных условиях значение коэффициента заполнения D будет меняться в зависимости от входного напряжения и нагрузки блока питания. Свое максимальное значение D будет принимать при минимальном входном напряжении и максимальной выходной мощности — этот режим работы считается самым сложным, и данное максимальное значение D и задается при проектировании блока. Что будет в те моменты, когда входное напряжение блока будет выше или нагрузка будет неполной? D будет принимать меньшие значения, т.к. от более высокого напряжения энергия быстрее «запасется» в первичной обмотке, или же (в случае меньшей нагрузки) надо просто «запасать» меньшее количество энергии. В любом случае, обратное напряжение на первичной обмотке будет всегда одинаковым, т.к. оно жестко связано с выходным напряжением, а то, в свою очередь, стабилизируется схемой. Итак, максимальное обратное напряжение на ключе равно:

Usw = Umax + Umin*D/(1 – D)

Это важный момент при проектировании ОИП, т.к. обычно максимальное обратное напряжение на ключе является исходным параметром, т.е. максимальный коэффициент заполнения D также является исходной величиной. На практике обычно применяют следующие максимальные значения D: 25% (1/4), 33% (1/3) и реже 50% (1/2). Как вы понимаете, в последнем случае максимальное обратное напряжение на ключе будет равно удвоенному минимальному входному напряжению, что усложняет выбор полупроводникового прибора. Более низкие максимальные значения D, в свою очередь, снижают максимальную мощность при том же токе Imax, затрудняют процесс управления ключом Sw и снижают стабильность работы блока.

Почему же здесь мы применили допущение, что мы как подаем энергию, так и снимаем ее с первичной обмотки I, и что будет в реальности, когда снимается энергия с катушки II? То же самое. Напряжение на выводах любой обмотки трансформатора пропорционально скорости изменения магнитного поля в сердечнике (а поле пропорционально току, поэтому напряжение пропорционально скорости изменения тока). Поэтому не важно, с какой обмотки мы будем снимать энергию, если мы будем делать это с одной и той же скоростью, магнитное поле в трансформаторе будет уменьшаться одинаково, а на выводах первичной обмотки будет одно и то же напряжение. Но на какое напряжение надо «разряжать» вторичную обмотку, чтобы снятие энергии происходило с той же самой скоростью? Для этого сначала рассмотрим ток во вторичной обмотке.

Пояснение к п. 5. Пусть обмотка I имеет N1 витков, в то время как обмотка II – N2. Магнитное поле создается током, проходящим через каждый виток катушки, т.е. оно пропорционально произведению I*N. Тогда, получаем Imax*N1 = I2max*N2 (исходя из того, что обе обмотки намотаны в абсолютно одинаковых условиях), отсюда начальный ток вторичной обмотки:

I2max = Imax*N1/N2

Итак, ток во вторичной обмотке будет в N1/N2 раз выше, чем в первичной. Но на какое напряжение мы должны «разряжать» вторичную обмотку, чтобы к моменту t3 потратить всю энергию, запасенную в трансформаторе? Очевидно, что делать это мы должны с точно такой же скоростью; т.е. в каждый отдельный момент времени трансформатор будет терять одно и то же значение энергии dA(t). Но в первом случае dA(t) = Udis*I1(t)*dt (получено из A = W*T, W = U*I), а теперь это будет dA(t) = Uout*I2(t)*dt. Приравняем эти две функции:

Uout *I2(t) = Udis*I1(t), следовательно, в самом начале «разряда» моментальные мощности разряда должны быть равны:

Uout*I2max = Udis*Imax,

Uout = Udis*Imax/I2max = Udis*Imax/(Imax*N1/N2) = Udis*N2/N1

Т.е. для того, чтобы потратить всю энергию трансформатора к моменту t3, мы должны «разряжать» вторичную обмотку II на напряжение Udis*N2/N1, при этом ток разрядки будет линейно падать от Imax*N1/N2 до нуля. Таким образом, мы установили связь между выходным напряжением блока, количеством витков в обмотках и обратным напряжением на первичной обмотке трансформатора.

На этом сугубо теоретическая часть заканчивается, и мы можем перейти к практике. Первый вопрос, который, скорее всего, возникает на данный момент у читателя – это с чего вообще начать разработку ОИП? Ниже я приведу рекомендованную последовательность шагов. Начнем с ситуации, когда трансформатор планируется изготовить полностью самостоятельно (на него нет жестких ограничений).

  1. Определяем выходные напряжения и токи источника питания.
  2. Увеличиваем выходные напряжения на величину, падающую на выпрямительных диодах (VD1). Лучше всего воспользоваться справочной информацией, но в первом приближении можно брать 1В для обычных кремниевых диодов и 0.3В для диодов Шоттки. Особую точность следует соблюдать, когда ОИП имеет несколько выходных обмоток с разным напряжением, т.к. стабилизовать напряжение возможно только на одной из них.
  3. Считаем суммарную выходную мощность трансформатора.
  4. Считаем расчетную входную мощность блока как Pin = Pout/0.8 (здесь берется КПД блока 80%).
  5. Определяем частоту преобразования F. Обычно выбирается частота от 20КГц до 150КГц. Частоты ниже 20КГц могут быть слышны человеческому уху (блок будет «пищать»), частоты выше 150КГц накладывают более серьезные ограничения на элементную базу, также увеличиваются потери на переключение полупроводников (ключа и диодов). Увеличение частоты преобразования позволяет уменьшить габариты трансформатора, наиболее распространенный диапазон частот для ОИП: от 66 до 100 Кгц.
  6. Вычисляем максимальное входное напряжение, от которого нам придется работать. Обычно оно вычисляется как выпрямленное напряжение сети +20%, т.е. Umax = Uсети*1.7 (391В для сети 230В). На это напряжение также должен быть рассчитан конденсатор входного фильтра (не менее 400В в данном случае).
  7. Вычисляем минимальное входное напряжение, от которого нам придется работать. Обычно вычисляется как минимальное допустимое рабочее напряжение -20%, минус просадка напряжения на фильтрующем конденсаторе за полупериод входного напряжения. Для сети 230В и емкости конденсатора входного фильтра из расчета не менее 1мкф на 1 ватт нагрузки, можно брать (в среднем) значение Umin = 220В. Если представить, что напряжение на конденсаторе вообще не просаживается от одного полупериода входного напряжения до другого, то Umin можно взять 260В.
  8. Определяем коэффициент заполнения D исходя из максимально допустимого обратного напряжения на ключе (считается по формуле Uinv = Umax + Umin*D/(1 – D)).
  9. Рассчитываем количество энергии, которую необходимо передать во вторичную обмотку за один импульс: Aimp = Рin*1s/F = Рin/F.
  10. Решаем систему уравнений для самого тяжелого режима работы: A = LImax²/2, Umin = LImax*F/D, получаем L = Umin²*D²/(2*Aimp*F²), Imax = Umin*D/(L*F) – это будет требуемая индуктивность первичной обмотки и максимальный ток, протекающий через нее.
  11. Исходя из полученного Imax выбираем ключ.
  12. Если Imax получился несколько больше, чем может обеспечить имеющийся (выбранный) ключ, меняем исходные параметры – увеличиваем D (насколько возможно исходя из допустимого обратного напряжения ключа), увеличиваем емкость фильтрующего конденсатора, чтобы поднять Umin. На первый взгляд может показаться удивительным, но максимальный ток в первичной обмотке не зависит от частоты – если всё подставить в формулы, получим Imax = 2*Pin/(Umin*D). Исходя из этой формулы, можно было рассчитать максимальный ток и на этапе 8 (сразу после выбора D), но там было бы сложно объяснить, откуда взялся такой расчет.
  13. Если значение Imax все равно оказывается больше допустимого и увеличить его никак нельзя, следует рассмотреть конструкцию ОИП в режиме неразрывных токов.
  14. Исходя из требуемой индуктивности первичной обмотки и максимального тока в ней, выбираем сердечник трансформатора, рассчитываем необходимый зазор и количество витков первичной обмотки (формулы будут ниже в статье).
  15. По формуле N2 = Uout*N1*(1 – D)/(Umin*D) рассчитываем количество витков вторичной обмотки.
  16. Определяем среднеквадратичное значение токов в обмотках трансформатора по формуле Irms = Imax*SQRT(D/3), исходя из которых рассчитываем диаметр провода, необходимого для намотки. Чаще всего в импульсных источниках питания применяется плотность тока от 2 до 5 А/мм².
  17. Мотаем трансформатор по всем правилам намотки трансформаторов для ОИП.
  18. Для того, чтобы убедиться в правильности намотки, измеряем индуктивность первичной обмотки.

Теперь немного рассмотрим сам трансформатор и его конструкцию. Традиционно для импульсных источников питания трансформатор изготавливается на каком-либо сердечнике, выполненном из материала с высокой магнитной проницаемостью. Это позволяет при том же самом количестве витков обмоток сильно увеличить их индуктивность, т.е. сократить количество витков для достижения заданной индуктивности, и, следовательно, уменьшить габариты намотки. Однако, применение сердечника добавляет и недостатки – за счет магнитного гистерезиса в сердечнике теряется некоторая часть энергии, сердечник нагревается, причем потери в сердечнике растут с увеличением частоты (еще одна причина, из-за которой нельзя сильно повышать частоту преобразования). Также добавление сердечника вносит новое, ранее нигде не озвучиваемое ограничение – максимально допустимую плотность потока магнитной индукции Bmax. На практике это проявляется в том, что если увеличивать ток через обмотку, в определенный момент времени, когда ток достигнет определенного максимального значения, сердечник войдет в насыщение и дальнейшее увеличение тока не будет вызывать такое же как раньше увеличение магнитного потока. Это, в свою очередь, приведет к тому, что «относительная индуктивность» обмотки резко упадет, что вызовет еще более быстрое нарастание тока через нее. На практике, если не предусмотреть защиту ключа Sw ОИП от входа сердечника в насыщение, ключ просто сгорит от перегрузки по току. Поэтому во всех схемах ОИП, за исключением простейших блокинг-генераторов, применяется контроль тока через ключ Sw и досрочное закрытие ключа при достижении максимально допустимого тока через первичную обмотку.

Насколько же велико это максимальное значение плотности потока магнитной индукции? Для наиболее распространенного материала сердечников – феррита – оно считается равным 0.3Т. Это – среднее значение, оно может отличаться для каждого конкретного материала, поэтому здесь неплохо обратиться к справочнику. Также, оно зависит от температуры сердечника и, как вы, наверное, уже догадались, падает с ее увеличением. Если вы проектируете ОИП, предназначенный для работы в экстремальных условиях, где температура сердечника может доходить до 125 градусов, уменьшайте Bmax до 0.2Т.

Основная формула, которой вам придется пользоваться при расчете трансформаторов – это индуктивность обмотки по ее габаритам:

L = (μ0*μe*Se*N²)/le, где

μ0 – абсолютная магнитная проницаемость вакуума, 4πе-7,
μe – эффективная магнитная проницаемость сердечника,
Se – эффективная площадь сечения магнитопровода, м².
N – количество витков
le – длина средней магнитной линии сердечника, м

Плотность потока магнитной индукции в сердечнике:

B = (μ0*μe*I*N)/le, где

I – ток через обмотку, А

Таким образом, исходя из максимальной допустимой плотности потока магнитной индукции, максимально допустимый ток для обмотки будет равен:

Imax = (Bmax*le)/(μ0*μe*N)

А теперь еще один очень важный момент – на практике, если подставить реальные данные трансформатора в вышеприведенные формулы, окажется, что максимально допустимый ток в первичной обмотке оказывается в несколько раз меньше того, который нам нужен! Т.е. сердечник будет введен в насыщения еще до того, как мы сможем «вкачать» в него требуемую энергию Aimp. Так что же делать, не увеличивать же габариты трансформатора до неприличных значений?

Нет. Надо вводить в сердечник немагнитный зазор! Введение немагнитного зазора сильно снижает эффективную магнитную проницаемость сердечника, позволяя пропускать через обмотки значительно больший ток. Но, как вы понимаете, это потребует большего числа витков для достижения требуемой индуктивности обмотки.

Рассмотрим формулы для сердечника с зазором. Эффективная магнитная проницаемость сердечника с зазором:

μe = le/g, где

g – суммарная толщина зазора, м.

Следует отметить, что данная формула справедлива только если получаемая μe много меньше исходной магнитной проницаемости (несколько раз), а g много меньше размеров поперечного сечения сердечника. Итак, рассмотрим формулу индуктивности обмотки на сердечнике с зазором:

L = (μ0*Se*N²)/g

Формула от введения зазора стала только проще. Максимально допустимый ток через обмотку:

Imax = (Bmax*g)/(μ0*N)

Ну и последняя формула, которую можно вывести и самостоятельно. Размер зазора для заданного тока:

g = (I*μ0*N)/Bmax

А теперь сделаем интересный вывод. Как вы помните, энергия, запасенная в катушке, выражается формулой A = LI²/2. Так какую максимальную энергию можно запасти в каком-то абстрактном сердечнике? Подставим данные в формулы.

Amax = (μ0*Se*N²)*(Bmax*g) ²/((μ0*N) ²*2g) = Se*g*Bmax²/2μ0

Сейчас вы можете удивиться, но максимальная энергия, которую можно запасти в сердечнике, не зависит от того, какие обмотки на нем намотаны! Но это и логично, ведь энергия выражается в магнитном поле, а обмотки лишь позволяют его менять в ту или другую сторону! Количество витков в обмотках определяет только скорость, с которой магнитная индукция может достигнуть своего максимального значения при данном подведенном напряжении, но это максимальное значение определяется только конструкцией сердечника!

Данный вывод имеет огромное значение при проектировании ОИП на унифицированных сердечниках. Если перед вами стоит именно такая задача, то, прежде всего, вам необходимо рассчитать, какое максимальное количество энергии способен «впитать» выбранный сердечник за один импульс, чтобы понять, подходит ли он для вашей мощности блока. Как вы понимаете, в этом случае максимальную мощность блока можно повысить только за счет повышения частоты преобразования – чем чаще мы будем перекачивать энергию Amax от входа на выход, тем большую мощность блока в результате сможем получить.

Также, из полученной формулы видно, что количество энергии, которое может «уместиться» в сердечнике прямо пропорционально немагнитному зазору! Это позволяет использовать маленькие сердечники на больших мощностях за счет увеличения зазора в них. Ограничением теперь будет только физические размеры – увеличение зазора вызывает уменьшение магнитной проницаемости, что требует большее количество витков.

А теперь вернемся к структурной схеме ОИП на рис. 1. В ней остались два блока, о которых я ничего не сказал – это конденсатор С1 и снаббер Snb.

Назначение конденсатора С1 – заземление выходной части блока по высоким частотам. Дело в том, что любой трансформатор, даже намотанный по всем правилам с экранами, имеет какую-то межобмоточную емкость. Прямоугольное высокочастотное напряжение огромной амплитуды из точки а проходит через эту емкость в выходные цепи блока. Конденсатор С1, имеющий емкость намного больше емкости трансформатора Т1, заземляет выход блока по высоким частотам. Значение емкости этого конденсатора в ОИП чаще всего выбирают в районе 2нф, напряжение – около киловольта. Если предполагается жесткое заземление выхода блока (например, используется только розетка с заземлением), С1 можно не ставить.

Необходимость в Снаббере Snb также вытекает из неидеальности трансформатора Т1, но уже совсем другого рода. Не смотря на то, что обмотки I и II индуктивно связаны между собой, эта связь не составляет 100%. В схемотехнике ОИП принято говорить, что обмотка I представляет собой две части, соединенные последовательно, где первая полностью индуктивно связана с обмоткой II, а вторая – полностью изолирована от нее. Эту вторую часть обмотки I называют «индуктивностью рассеяния».

Когда в момент t1 ток в первичной обмотке (обоих частях ее) резко прекращается, индуктивность рассеяния также пытается его продолжить. А так, как она не связана ни с какой другой обмоткой, она генерирует высоковольтный импульс, прикладываемый к закрытому ключу Sw. Энергия этого импульса во много раз меньше полезной энергии Aimp (чем лучше трансформатор, тем она меньше вообще), но и ее может оказаться достаточно, чтобы повредить ключ (в случае с биполярным транзистором, например, ее вполне хватит для лавинного пробоя). Для защиты ключа от этого импульса, он гасится на специальном схемном решении.


Рис. 3

Самый простой вариант – RCD снаббер, выполненный из диода, конденсатора и резистора (см. рис. 3). Обратное напряжение, возникающее на обмотке I, открывает диод VD и начинает заряжать конденсатор С. В результате, вся энергия импульса передается в конденсатор. В перерывах между импульсами конденсатор разряжается через резистор R. Т.е. энергия, снимаемая с индуктивности рассеяния, превращается в конечном счете в тепло на резисторе R, поэтому мощность этого резистора должна быть значительной (достигает единиц ватт). Преимуществом снаббера можно считать его схемную простоту, и то, что часть энергии из конденсатора С можно выкачать обратно в трансформатор Т применяя медленный диод VD, но эти процессы уже несколько сложней нашей простой статьи. Основным же недостатком снаббера является то, что на нем падает и полезная мощность! Ведь рабочее обратное напряжение первичной обмотки Vinv также заряжает конденсатор до этого значения, т.е. полезная мощность Uinv²/R теряется впустую.

Схемным решением, лишенным этого недостатка является супрессор. Он представляет собой последовательно соединенный быстрый диод VD1 и мощный и быстрый стабилитрон VD2. Когда индуктивность рассеяния генерирует свой высоковольтный импульс, он открывает диод VD1, пробивает стабилитрон VD2 и энергия импульса рассеивается на нем. Стабилитрон VD2 выбирается с большим напряжением пробоя, чем обратное напряжение Uinv, поэтому он не рассеивает полезной мощности блока. К недостаткам супрессора можно отнести более высокий уровень электромагнитных помех, связанный с резким открытием и закрытием полупроводниковых приборов.

Что будет, если этот высоковольтный импульс не погасить ничем? В случае биполярного ключа, скорее всего, в нем возникнет лавинный пробой и блок питания перейдет в режим кипятильника. Современные же полевые транзисторы устойчивы к лавинному пробою и позволяют рассеивать некоторое количество энергии на стоке (это описано в документации), поэтому такой транзистор может работать и без снаббера или супрессора – его роль будет выполнять сам транзистор. Более того, я встречал некоторые дешевые китайские блоки питания, в которых так и было сделано. Однако, я настоятельно не рекомендую такой режим работы, т.к. он дополнительно снижает надежность блока. Супрессорный диод (стабилитрон) стоит очень дешево и рассчитан на колоссальные импульсные мощности (600W, 1.5KW), так почему бы не применять его по назначению?

Также из вышеописанного следует еще один вывод. Независимо от того, решили ли вы применять снаббер или супрессор, обратное напряжение на закрытом ключе будет еще выше, чем рабочее рассчитанное значение Usw! Это следует иметь в виду при выборе ключа.

Обычно современные ключевые транзисторы и микросхемы имеют допустимое обратное напряжение 600 – 800 вольт. При Umax = 391В, Umin = 220В, обратное напряжение на ключе Usw будет иметь следующие значения (в зависимости от D): D = 25%, Usw = 464B; D = 33%, Usw = 501B; D = 50%, Usw = 611B. Это означает, что для ключей с максимальным обратным напряжением 600В следует выбирать только D = 33% или меньше. Для ключей с обратным напряжением 700В можно выбирать D = 50%.

Ну и в завершении статьи приведу простой пример расчета ОИП. Допустим, мы хотим сделать простой блок питания, позволяющий получить на своем выходе 12В 1А. Рассчитаем его по пунктам:

  1. Выход блока – 12В 1А.
  2. До выходного диода (будем применять обычный кремниевый) должно быть 13В.
  3. Выходная мощность трансформатора – 13Вт.
  4. Расчетная входная мощность блока Pin = 13/0.8 = 16Вт.
  5. F = 100 КГц.
  6. Umax = 391В.
  7. Umin = 220В (емкость конденсатора входного фильтра – 22мкф).
  8. D = 33%, Uinv = 110В, Usw = 501В. Будем ориентироваться на ключи с обратным напряжением 600В.
  9. Aimp = 16/100000 = 1.6e-4Дж = 160мкДж.
  10. L = 1.65е-3Гн = 1.65мГн, Imax = 0.44А
  11. Производим выбор сердечника, расчет параметров намотки и зазора.

А теперь, для сравнения рассчитаем тот же ОИП для случая, когда допустимое напряжение сети может быть в интервале 85-230В. В чем будут отличия?
  1. Umax = 391B
  2. Umin = 85B (емкость конденсатора фильтра надо будет увеличить до 47мкф)
  3. D = 60%, Uinv = 128В, Usw = 519В, Будем ориентироваться на ключи с обратным напряжением 600В.
  4. Aimp = 16/100000 = 1.6e-4Дж = 160мкДж.
  5. L = 813мкГн, Imax = 0.63А

Заметьте, что параметры максимального тока через ключ изменились не столь значительно — с 0.44А до 0.63А, индуктивность упала в два раза, однако диапазон допустимых входных напряжений расширился очень существенно. В этом заключается еще одно преимущество ОИП — легкость в создании источников питания, работающих от широкого диапазона входных напряжений.

Возможно, в данной статье не до конца рассмотрены все нюансы построения ОИП, однако ее объем и так получился больше, чем планировалось. Но тем не менее, я надеюсь, что она сможет помочь начинающим радиолюбителям понять принципы и самостоятельно создавать обратноходовые источники питания.

Примеры использования трансформаторов тока в различных приложениях

Уважаемые господа разработчики, как Вы понимаете, можно приводить огромную массу примеров применения трансформаторов тока, но мы остановимся только на некоторых, не связанных с измерением параметров электрических сетей для функций коммерческого учета. Моя задача постараться донести общий подход к решению практических задач, переодически возникающих при разработке новых приборов или контроле за состоянием переферийных устройств. Все остальное — доделает полет мысли разработчика, а я никоем образом не хочу вводить ограничения и навязывать свое мнение в вопросах выбора. Со своей стороны я постараюсь продолжать публиковать интересные решения для общего обозрения, так что делитесь проблемами и решениями. Итак начнем:

1. Индикация включенной нагрузки

Достаточно часто, возникает необходимость дистанционного контроля за работой различных энергопотребляющих устройств. Например работа ТЭНов. Как правило, в силовую цепь нагревателей помещают спец. защитные отключатели (например биметаллические), которые срабатывают при достижении аварийной температуры. Как узнать — греет ТЭН или нет? Можно пощупать пальцем — вскочил волдырь, значит греет, холодный — либо перегорел, либо включилась защита. А есть более безопасный вариант? Конечно! В цепь питания такого ТЭНа включим трансформатор тока и будем внимательно наблюдать за его работой. Если по первичке трансформатора течет ток — он будет стараться выдать и вторичный ток, который можно использовать, например засветить светодиод или подключить стрелочный индикатор или вообще — передать в контроллер, который будет принимать решения.

1.1. Используем светодиод.

Как Вы знаете, для того, что-бы светодиод светился, на него надо подать ток, чем ток больше — тем ярче светится светодиод, но тем более короткую жизнь он проживает. Обычно величину этого тока принимаю равным 5-10мА, для ярких соответственно 2-5мА. При этом они живут очень долго и счастливо. С учетом того, что светодиод работает на постоянном токе, а трансформатор этого категорически не любит — выходной ток трансформатора мы будем выпрямлять. Можно конечно включить встречно 2 светодиода — один горит на одной полуволне, второй на другой. Это выход, но напряжение стабилизации светодиодов немного разнится от экземпляра к экземпляру, поэтому мы имеем несимметричную нагрузку, а это нехорошо для трансформатора. В принципе, некоторый перекос он прощает, но если просто повесить на выход тр-ра один светодиод, то придется наблюдать за его слабеньким свечением.

Почему слабеньким? Да потому, что работая на одну полуволну, сердечник трансформатора постепенно намагнитится до режима насыщения и трансформатор перестанет правильно работать. Идеальный выход — включить на выходе трансформатора диодный мостик, например на КД522 (LL4148), стоит копейки, а пользу для трансформатора приносит громадную. Если на выход моста включить еще и конденсатор — то и нагрузка начнет ощущать себя поспокойней. Итак мы имеем трансформатор, диодный мост и конденсатор. Включим на выход моста красный светодиод. А для того, что бы он светился правильно — займемся предварительным расчетом и выбором трансформатора.

Для того, чтобы в нагрузку потек ток, трансформатор в нашем примере должен развить на выходе некоторую ЭДС (для преодоления напряжения открывания диодов моста и светодиода). Считаем эту ЭДС: падение напряжения на диоде LL4148 можно принять за 0.9в ( они слабенькие, падение напряжения при хорошем токе побольше чем 0.6в.), их у нас работает по 2 в каждой полуволне, на красном светодиоде — 1.7в. Итого имеем 0.9*2+1,7=3.5в.

Т.е. трансформатор должен уметь развивать на выходе ЭДС значительно больше 3.5 в. Теперь считаем ток на входе: Если на выходе нам нужно 5 мА, то при коэфф. трансформации 1:3000, первичный ток должен быть 5мА*3000=15А. Смотрим сколько нам надо: например ТЭН имеет мощность 1 кВт, т.е. ток = 1000Вт/220в=4.8А. А нам надо 15А! Что делать? Все просто — 15А/4.8А=3, т.е., нам надо трижды просунуть через центральное отверстие токоведущий проводник и мы получим практически искомую величину — 15А, которая нам и нужна. (т.е. получить фактический коэфф. трансформации 3:3000). Итак, ищем трансформатор, который может выдать на выходе ЭДС не менее 3.5в, при этом не уйти в насыщение при 15А на входе, а не вдаваясь в подробности — ищите с запасом в 2-3 раза.

С учетом того, что нам надо просунуть аж 3 витка — ищем трансформатор с подходящим отверстием. Возьмем например Т10-110А-90-З/0 (см фото). Он имеет ЭДС не менее 10В, и что самое для нас главное — огромное отверстие (11мм), в которое легко просунем 3 витка сетевого провода (внимание-только один провод из двух, идущих на ТЭН!).

Проверим: сопр. обмотки у Т10-110А-90-З/0=190 Ом. При токе 5 мА, на обмотку придется 5мА*190 Ом=0,95в. Да еще 3.5в на нагрузке, итого имеем 3.5+0,95=4.45в. что меньше 10в. А это значит что все работает! Если отв. не нужно такое большое, например мотаем 3 витка проводом ПЭТВ2-1.05 и запаиваем его в плату (см примеры монтажа на печ. плату), то можно выбрать трансформатор поменьше и подешевле.

А что, если мы проверяем работу ТЭНа аж на 10 кВт? Коротко считаем: 10кВт/220в=48А. А надо всего 15А! Значит на сетодиод пойдет аж 16мА! Либо мы с этим миримся, либо надо отвести лишний ток от светодиода. Как это сделать? Поставим резистивный шунт параллельно светодиоду. Посчитаем шунт? Итак мы имеем 1.7в на нагрузке, и при этом лишний ток 11мА (5 мА съедает светодиод). Считаем 1.7в/11мА=0,15кОм. Ближайший 150 Ом. Считаем мощность = 1,7в*11мА=19мВт. Значит резистор ставим любой (берем обычный 0.125Вт). С учетом того, что особая точность нам не нужна (не измеряем, а просто светим), на этом расчет остановим.

1.2 Стрелочный индикатор

Ход рассуждений абсолютно такой-же как и при выборе светодиода, но считать надо поточнее и ввести элемент для калибровки (все-таки какой-никакой, а измеритель).

Итак мы имеем все тот-же мост на выходе трансформатора и стрелочный прибор. С учетом того, что стрелочный прибор обладает большой инерционностью, большой конденсатор ему не требуется, но, что-бы убрать всякие переходные процессы, лучше все-же небольшой конденсатор (0.1-0.22 мкФ) поставить. Итак, например, мы имеем полное отклонение стрелки на 100 мкА, сопротивление обмотки 1600 Ом. (первая цифра пишется у прибора на циферблате, вторую можно получить померив сопр. прибора омметром). Считаем падение напряжения на приборе при полном отклонении стрелки: 100мкА*1600ом=160мв. Добавим к этому падение напряжения на мосте 1.6в, итого трансформатор ищем с ЭДС более 1,8в. Например Т04-90А-110-К/0 (см фото) или Т04-90А-110-Т/0 (см фото)

Для случая ТЭНа=1кВт (см выше) имеем на выходе трансформатора 4.8А/3000=1,6мА. Стрелочный прибор зашкаливает на 0.1 мА. Значит лишние 1.5мА надо увести в шунт. Считаем 160мв/1.5мА=107 ом. Т.е. в теории, зашунтировав прибор резистором 107 ом мы получим полное отклонение стрелки при мощности нагрузки 1 кВт. А что будет, если мы поставим резистор 130 ом? А это значит, что ток через стрелочный прибор будет больше максимального и его зашкалит. Что-бы этого не случилось, мы включим последовательно с прибором (внимание не с шунтом!) подстроечный резистор, которым и ограничем ток. Расчет подстроечного резистора: Итак, если мы ставим шунт 130 ом, при прохождении через него тока 1.5 мА, падение напряжения составит 13ом*1.5мА=195 мВ. Считам нужное сопротивление в цепи стрелочного прибора: 195мв/0,1мА=1950ом. Сопротивление катушки 1600ом, 1950ом-1600ом=350ом. Значит, в теории, нам не хватает сопротивления 350ом для того, что бы все замечательно работало. Берем подстроечный резистор 470ом, которым мы легко сможем выставить показание стрелочного прибора в максимум при максимальной мощности (т.к. откалибровать стрелочный прибор по максимальному току в первичке). Что нам собственно и требовалось.

1.3 Передача информации в контроллер или исполнительное устройство.

Все абсолютно так-же как и выше. Единственно, надо решить — мы контролируем форму тока и принимаем решения, или нам не важно как этот ток течет, главное — поймать что его слишком много или слишком мало. В первом случае ставим АЦП, во втором — триггер шмитта, компаратор, или, если работать по принципу есть/нет, то просто логический вход. Наша задача — получиь напряжение заданной величины при заданном входном токе. Рассмотрим это на примере работы того-же ТЭНа 1кВт. Наша задача среагировать на защитное отключение ТЭНа при аварийном отключении ТЭНа внешним размыкателем, например биметаллическим при перегреве.

Используем PIC16F630 имеющий в своем составе компаратор (встроенное опорное по 24 уровням). С учетом того, что при включении нагрузки может проходить мощный пусковой ток, надо ограничить возможность трансформатора выдавать напряжение на м.сх. более напряж. питания м.сх., для этой цели достаточно защитить вход м.сх. стабилитроном. В данном примере предлагаю заменить стабилитрон копеечным диодом LL4148 с прямым включением и не переживать за сохранность микросхемы (весь ток диод заберет на себя и больше 1 в. ну никак не пропустит). С учетом того, что диод реально начнет влиять на измерительную цепь уже на 0.2-0.3в надо ограничиться этим уровнем при измерении, хотя для контроля до 0.6в все будет достаточно корректно.

Далее, по уже знакомому пути, считаем величину нагрузочного резистора: Считаем ток: 4.8А/3000=1.6мА. Примем величину опорного напряжения = 2/24 напр. питания или (при 5в) = 5/24*2=0,41в.Принимаем, что если напряж. на входе компаратора более 0,41в, считаем что ТЭН включен, менее — выключен. Примем, что при 1 кВт нагрузки, на входе компаратора должно быть не менее 0,5в.( т.е. больше 0.41в) Значит: 0.5в/1,6мА=0,3125 кОм. Выбираем ближайший резистор = 330 Ом. Рассуждения по поводу выбора трансформатора уже приводились выше, повторяться не будем.

Как это реализовано можно посмотреть на фото контроллера управления температурой сушильного шкафа (справа, между реле, виден трансформатор Т04-90А-25-Т/25К-18, слева сетевой трансформатор питания ТТН3):

Вид снизу на контроллер, трансформатор Т04-90А-25-Т/25К-18 впаян в разрыв токоведущей шины (широкая шина справа), под трансформатором расположен диодный мост, нагрузочный резистор и сглаживающий конденсатор (стабилитрон пока не установлен), слева PIC16F630.

Если взять резистор сопротивлением побольше расчетного, в этом случае можно снизить требования по емкости сглаживающего конденсатора. В данном примере совсем не обязательно проверять, что нагрузка именно 1 кВт. Она либо есть, либо ее нет. Так что, если контроллер увидит нагрузку не 1 кВт,а 100Вт, это никого не обидит, лишний ток заберет на себя защитный диод, в общем все довольны. Однако, если взять за основу данную схему, то можно обеспечить дистанционный контроль не только за состоянием нагрузки (включена/выключена), но и, например, за количеством перегоревших ламп в подъезде или складе и т.д., т.е. контролировать подключенную мощность.

2. Простейшие защиты электродвигателей

Защиты бывают разные, но мы остановимся на защите от холостого хода (актуально для погружных насосов и насосных станций) и защите от перегрузки (например эл. двигатель открывания ворот). Все остальные применения будут находится между этими вариантами.

2.1. Защита от холостого хода.

Наша задача отключить исполнительное устройство в том случае, если в процессе работы произошло снижение тока потребления ниже заданной величины. Рассмотрим как это сделать. Если мы поставим в разрыв токоведущей шины токовый трансформатор, то, при протекании тока, на его выходе будет создаваться ЭДС, пропорциональная протекающему току. Достаточно эту ЭДС выпрямить, сгладить и передать на исполнительное устройство. Как только ЭДС снизится ниже определенного порога — исполнительное устройство выключится, отключив эл. двигатель. Идея понятна? Идем дальше.

Раз мы имеем на выходе напряжение, что у нас работает от напряжения и не хочет при этом потреблять ток? Конечно полевой транзистор. Как его заставить коммутировать нагрузку при переменном токе? Тоже не проблема — включить его в диагональ моста. Транзистор открыт — мост закорочен, ток через мост идет. Транзистор закрыт — ток через мост не течет, нагрузка отключена. Если в качестве нагрузки включить обмотку реле магн. пускателя — можно управлять двигателем насоса. Ток течет через насос, транзистор открыт, пускатель под напряжением, ток снизился — напряжение снизилось, транзистор закрылся, пускатель выключился, ток упал до нуля, насос выключен. Запуск только вручную (кнопка параллельно мосту) шунтированием моста. Ток потек, транзистор открылся и шунтировал мост параллельно кнопке, бросил кнопку — все работает. ток снизился — все выключилось. Учитывая, что трансформатор электрически изолирован от силовой цепи, его можно смело включать непосредственно на вход полевого транзистора. Если ЭДС > 5.5в (1.2в падение при выпрямлении и 4в — пороговое напряжение полевого транзистора) — транзистор открыт, ниже — транзистор закрыт. Как посчитать нагрузочный резистор для нужного входного тока в п.1. не раз приводилось, так что опустим этот аспект. Как выбрать трансформатор по ЭДС также описано. Не забудьте защитить затвор полевого транзистора стабилитроном от возможного пробоя (обычно 10в.). Учтите, если поставить на затвор полевика управляемый напряжением ключ, да еще и с гистерезисом — можно коммутировать непосредственно саму нагрузку данным устройством. Самое приятное — для такого устройства не требуется внешнее питание, вполне хватает генерации напряжения от тока нагрузки.

2.2 Безконтактное пусковое реле

Здесь даже и писать особенно нечего — это задача п.2.1, с той лишь разницей, что нагрузкой является пусковая обмотка двигателя. При пуске потек значительный ток — подключим пусковую обмотку, двигатель раскрутился, ток снизился — пусковая обмотка сама выключилась. Самое приятное — никаких контактов.

2.3 Защита от перегрузки

Фактически это тоже задача п.2.1, с той лишь разницей, что нагрузку надо выключить если ток возрос, например автоматическое открывание ворот — двигатель довел ворота до упора, пошла перегрузка двигателя (он толкает, а толкать то некуда дальше) — исполнительное устройство отключило пускатель. Можно применить полевик во встроенным каналом (он открыт при нулевом напряжении, а закрывается подачей отрицательного напряжения), но их нет на большие токи и напряжения. Хотя как датчик края вполне хорош, нет контактов и питания, монтируется в любом месте силового кабеля. А вот если поставить инвертирующий каскад перед обычным полевиком, правда потребуется его запитывать (т.е. полностью автономное устройство не получится), то можно управлять магнитным пускателем на отключение. Так как ток потребления маленький, на схему надо подать небольшое напряжение с параметрического стабилизатора с конденсатором в качестве гасящего резистора. Получается также вполне жизнеспособно.

3. Работаем с постоянным током.

3.1 Контроль постоянного тока

Как сделать защиту от перегрузки в цепи постоянного тока? Попробуем оценить этот ток трансформаторм тока. Казалось-бы, как трансформатор будет работать с постоянным током? Как известно — трансформатор работает только в переменном магнитном поле, которое постоянный ток создать не может. Идея проста — создать такое переменное поле, чтобы он смог работать. Однако, если во вторичку давать ток, то и в первичке будет также создаваться ток и влиять на измеряемую цепь. А этого делать нельзя. Давайте возьмем два одинаковых трансформатора, оденем их на общий токоведущий провод, а вторичные обмотки включим последовательно встречно. Теперь, если мы будем подавать переменный ток во вторички, в первичках будут наводиться ЭДС, пропорциональные току, но направленные встречно друг другу, т.е. в сумме равные 0. Таким образов влияние на первичную цепь мы исключим.

Скажете — ну и что с этого? А вот что. Как известно, зависимость магнитной проницаемости ферромагнетиков сильно зависит от напряженности магнитного поля. Т.е., если в обмотку трансформатора подать переменный ток, он будет создавать определенное магнитное поле в сердечнике, равное для обоих полуволн и величина индуктивности обмотки трансформатора будет одинакова для обоих полуволн. А вот если на сердечник наложить постоянное поле, тогда, в одну полуволну поля будут складываться, а в другую — вычитаться. В результате поле в одной полуволне будет больше, чем в другой, и индуктивности не будут равны. Если смотреть на примеры, описанные выше — мы всячески пытались избежать этого варианта и клеймили его как плохой режим работы трансформатора тока, а здесь он придется как раз в пору.. А что создаст нам постоянное поле? А это поле создаст проводник, проходящий через оба трансформатора, в котором мы и собирались имерить постоянный ток.

Помните, мы включили обмотки трансформаторов встречно? В сумме, индуктивности обоих трансформаторов будут постоянны в обоих полуволнах, ток также постоянен, а вот напряжения на них различны для каждой полуволны (индуктивности же разные). Т.е., если проводить замер напряжения на одной из обмоток, оно будет разное для каждой полуволны. Момент можно усугубить, если взять соединенные последовательно 2 резистора, включить их параллельно обмоткам трансформаторов и снимать напряжение со средних точек. Получается измерительный мост и мы снимаем уже разницу напряжений для каждой полуволны. Если направление тока в первичке не представляет интерес, это напряжение с выхода моста можно выпрямить и работать с постоянным напряжением, пропорциональным постоянному току.

Следует учесть, что зависимость магнитной проницаемости от поля нелинейна, и мы не сможем получить линейный выходной сигнал с выхода этой схемы в широком диапазоне.

3.2 Измерение постоянного тока.

Как замерить ток мощного эл. двигателя, работающего от аккумулятора? А как померить ток в цепи под высоким напряжением? Да в принципе точно также как описано выше в небольшом диапазоне или так-же в широком, но с той лишь разницей, что ток надо дать такой, что-бы трансформаторы входили в режим насыщения. В этом случае мы можем уже оценивать не напряжение на выходе, а длительность нахождения трансформатора в режиме насыщения в каждой полуволне или же сам факт вхождения в режим насыщения. Посмотреть на искажения сигнала в режиме насыщения можно на фото:

Эти фото уже фигурировали в предыдущих заметках. Понятно, чем глубже трансформатор уходит в насыщение, тем больше горизонтальная полка. Берем диф. сигнал и работаем с ним. Я не предполагаю детально рассматривать схемотехнические решения, но очень неплохо ввести в обратную связь усилитель сигнала генератора, управляемый напряжением и контролировать уже не сам диф. сигнал, а управляющее напряжение этого усилителя. можно подать линейно изменяюшийся сигнал и ловить его длительность до момента насыщения трансформатора. Можно запустить подмагничивание постоянным током во вторичку (его величина меньше измеряемого тока в коэфф. трансформации раз!) и наложить на него переменный ток. Управляя током подмагничивания добиваться постоянства напряжения на катушке и замерять ток подмагничивания. В общем способов масса, а описание практической реализации займет уйму места и потребует столько-же времени для изучения. Так что на этом и ограничимся.

Узнайте, как определить трансформаторы тока

ТТ прибора и защиты

Трансформаторы тока используются для подачи информации на защитные реле и / или «приборы» измерения тока, мощности и энергии. Для этого они должны подавать вторичный ток, пропорциональный первичному току, протекающему через них, и должны быть адаптированы к характеристикам сети: напряжение , частота и ток .

Learn How To Specify Current Transformers Узнайте, как определить текущие трансформаторы (фото предоставлено: naswgr.сеть)

Они определяются соотношением, мощностью и классом точности. Их класс (точность в зависимости от нагрузки ТТ и перегрузки по току) выбирается в соответствии с приложением .

«Защитный» трансформатор тока (CT) должен насыщаться достаточно высоко, чтобы обеспечить относительно точное измерение тока повреждения защитой, рабочий порог которой может быть очень высоким. Таким образом, ожидается, что трансформаторы тока будут иметь ограничивающий коэффициент точности (ALF), который обычно достаточно высок.Обратите внимание, что соответствующее «реле» должно быть способно выдерживать высокие перегрузки по току.

«Приборный» трансформатор тока (ТТ) требует хорошей точности относительно номинального значения тока. Измерительные приборы не должны выдерживать токи, которые превышают защитные реле. Вот почему ТТ «прибора», в отличие от ТТ «защиты», имеют наименьший возможный коэффициент безопасности (SF) для защиты этих приборов за счет более раннего насыщения.

Некоторые трансформаторы тока имеют вторичные обмотки, предназначенные для защиты и измерения.Эти «измерительные» и «защитные» ТТ регулируются стандартом IEC 60044-1 (во Франции NF C 42-502 ).

Сопоставление трансформаторов тока с защитными реле требует глубокого знания трансформаторов тока. Следующий раздел дает несколько напоминаний о КТ, соответствующих этому использованию.


Характеристика КТ

Пример защиты CT //

  • Номинальный первичный ток: 200 А,
  • Номинальный вторичный ток: 5 А.
An example of a protection CT An example of a protection CT Пример защиты CT

Его точность нагрузки: Pn = 15 ВА
Его предел точности равен ALF = 10

Для I = ALF . В, его точность составляет 5% (5P), (см. Рисунок 1)

Для упрощения, для защитного ТТ, приведенного в примере, погрешность отношения составляет менее 5% при 10 В , если реальная нагрузка потребляет 15 ВА при In. Однако этих данных недостаточно. Также полезно знать стандартные значения.

Example of the nameplate of a current transformer with two secondaries Example of the nameplate of a current transformer with two secondaries Рисунок 1 - Пример паспортной таблички трансформатора тока с двумя вторичными

12 определений, относящихся к трансформаторам тока //


≡ Номинальный (номинальный) первичный ток I 1

Определяемый стандартами, он выбирается из дискретных значений: 10 - 12,5 - 15 - 20 - 25 - 30 - 40 - 50 - 60 - 75 А и их десятичных кратных.

≡ Номинальный (номинальный) вторичный ток I 2

равно 1A или 5 A .

≡ Коэффициент (I 1 / I 2 )

Первичный и вторичный токи являются стандартными, поэтому эти значения являются дискретными. (Узнайте больше о соотношениях магнитных измерительных трансформаторов тока высокого напряжения - здесь)

load Точность нагрузки

Значение нагрузки, на котором основаны условия точности.

≡ Номинальная (номинальная) точность измерения P n

Выражается в ВА, это полная мощность, подаваемая во вторичную цепь для номинального (номинального) вторичного тока и точности нагрузки.Стандартные значения: 1 - 2,5 - 5 - 10 - 15 - 30 ВА .

≡ Реальная мощность P r

В этой технической статье это мощность, соответствующая фактическому потреблению нагрузки ТТ при I n .

class Класс точности

Этот класс определяет пределы погрешности, гарантируемые для отношения и сдвига фаз в указанных условиях мощности и тока. Для номинальных классов 5P и 10P таблица на рисунке 6 определяет эти пределы.

Рисунок 2 // Ошибки модуля и фазы при номинальном токе
(согласно стандарту IEC 60044-1)

Класс точности Ошибка тока для
номинального тока в%
Фазовый сдвиг для номинального тока Составные ошибки для предела точности тока в%
минут Сентирадийцев
5P ± 1 ± 60 ± 1.8 5
10P ± 3 - - 10
≡ Специальный класс точности

Класс X - это класс, определенный британским стандартом BS 3938 . Он также должен быть определен в будущем стандарте IEC 60044-1 под названием класса PX. Этот класс определяет минимальное значение напряжения Vk точки перегиба CT.

Это также накладывает максимальное значение Rct (сопротивление вторичной обмотки ТТ) .Иногда оно указывает максимальное значение тока намагничивания Io при напряжении точки перегиба.

Если мы рассматриваем намагничивающую кривую V (Io) ТТ, то напряжение Vk точки перегиба определяется как точка на этой кривой, из которой увеличение напряжения на 10% вызывает увеличение тока намагничивания на 50% , Класс X соответствует лучшей точности измерения, чем класс 5P и даже больше 10P (см. Рисунок 3).

Voltages corresponding to different CT classes Voltages corresponding to different CT classes Рисунок 3 - Напряжения, соответствующие различным классам ТТ

Всегда можно найти эквивалент между CT, определенным в классе X, и 5P CT или, в некоторых случаях, даже 10P CT.

≡ Фактический коэффициент точности (F p или K r )

Это отношение между максимальным током, соответствующим номинальной ошибке, и номинальным током ТТ, когда реальная нагрузка отличается от номинальной нагрузки.

factor Коэффициент предела точности (ALF или Kn)

Это соотношение между номинальным максимальным током (например, 10 In) и номинальным током (In).

current Выдерживает короткое время

Выражается в кА, это максимальный ток Ith, который может выдерживаться в течение одной секунды (когда вторичная цепь замкнута накоротко).Он представляет собой термостойкость CT от перегрузок по току (стандартные значения приведены в стандартах, упомянутых в приложении).

≡ CT номинальное напряжение

Это номинальное напряжение, которому подвергается первичная ТТ. Важно помнить, что первичная обмотка находится под высоким напряжением и что одна из клемм вторичной обмотки (которую никогда нельзя открывать) обычно заземлена.

Как и для любых устройств, также определяется максимальное выдерживаемое напряжение в течение одной минуты при частоте питания и максимальное выдерживаемое импульсное напряжение.Их значения определены стандартами.

Например: для номинального напряжения 24 кВ, ТТ должен выдерживать 50 кВ в течение 1 минуты при 50 Гц и 125 кВ при импульсном напряжении.


CT с несколькими вторичными

Некоторые трансформаторы тока могут иметь несколько вторичных , предназначенных для защиты или измерения. Наиболее типичными случаями являются КТ с 2 вторичными, реже с 3 вторичными. Физически эти КТ объединяют в одной форме эквивалент 2 или 3 отдельных КТ, которые могут иметь разные классы и соотношения (см. Рисунок 4 ниже).

Manufacturing principle of a CT with 3 secondaries (with 3 windings in the same mould) Manufacturing principle of a CT with 3 secondaries (with 3 windings in the same mould) Рисунок 4 - Принцип изготовления ТТ с 3 вторичными (с 3 обмотками в одной форме)

Трансформаторы тока - ВИДЕО сессий

Что такое КТ и зачем их использовать?


CT Polarity


CTR


Wye соединены CTs


Delta подключен CTs


Трансформатор тока модель

Ссылка // Cahier Technique Schneider Electric №.194 - Трансформаторы тока: как их определить Schneider Electric

,Трансформатор тока
: определение, принцип, эквивалентная схема, ошибки и типы

Идеальный трансформатор тока можно определить как трансформатор тока, в котором любое первичное состояние воспроизводится во вторичной цепи в точном соотношении и соотношении фаз. Фазовая диаграмма для идеального трансформатора тока показана на рисунке 1.

Для идеального трансформатора:

I p T p = I с T с

I р / I с = Т с / Т р

Следовательно, отношение первичных и вторичных обмоток равно отношению витков.Также токи первичной и вторичной обмоток находятся точно в фазе 180 0 .

В реальном трансформаторе обмотки имеют сопротивление и реактивное сопротивление, а также трансформатор имеет компонент намагничивания и потери тока для поддержания потока (см. Рисунок 2). Следовательно, в реальном трансформаторе отношение тока не равно отношению витков, а также имеется разность фаз между первичным током и вторичными токами, отраженными обратно на первичной стороне, и, следовательно, мы имеем ошибку отношения и ошибку фазового угла.

K n = коэффициент поворота

= число витков вторичной обмотки / число витков первичной обмотки,

r с , x с = сопротивление и реактивное сопротивление соответственно вторичной обмотки,

r p , x p = сопротивление и реактивное сопротивление соответственно первичной обмотки,

E p , E s = первичное и вторичное индуцированные напряжения соответственно,

T p , T s = число витков первичной и вторичной обмоток соответственно,

I p , I s = токи первичной и вторичной обмоток соответственно,

θ = фазовый угол трансформатора

Φ м = рабочий поток трансформатора

δ = угол между вторичным наведенным напряжением и вторичным током,

I o = ток возбуждения,

I м = намагничивающая составляющая тока возбуждения

I l = составляющая потерь тока возбуждения,

α = угол между I o и Φ м

Фактический коэффициент трансформации

R = I p / I s

= K n + (I l cos δ + I m sin δ) / K n I s

Фазовый угол θ = 180 / π (I l cos δ + I м sin δ) / K n I с

Ошибка

= (K n I с - I p ) / I p x 100%

= (K n - R) / R x 100%

.
Что такое пусковой ток трансформатора? Определение и объяснение

Определение : Пусковой ток трансформатора - это максимальный мгновенный ток, потребляемый первичной обмоткой трансформатора, когда его вторичная обмотка находится в разомкнутой цепи. Пусковой ток не создает каких-либо постоянных неисправностей, но вызывает нежелательное переключение в автоматическом выключателе трансформатора. Во время пускового тока максимальное значение, достигаемое потоком, более чем в два раза превышает нормальный поток.

Пусть синусоидальное напряжение

transformer-inrush-current V 1 следует применять к трансформатору, вторичной обмоткой которого является разомкнутая цепь.Здесь α угол синусоиды напряжения при t = 0. Предположим, что потерями в сердечнике и первичным сопротивлением пренебрегают, тогда transformer-inrush-current-equation-2, где T 1 - число витков, а Φ - поток в сердечнике. В устойчивом состоянии

transformer-inrush-currrent-equation-3 Из уравнения (1) и уравнения (2) получаем

transformer-inrush-current-equation-4 Из уравнения (3) и (4)

transformer-inrush-current-equation-5 Интегрирование уравнения (5) дает

transformer-inrush-current-equation-6, где Φ c - постоянная или интеграция, найденная из начального условия при t = 0.Считается, что когда трансформатор последний раз отключался от питающей линии, в сердечнике оставался небольшой остаточный поток Φ r . Таким образом, при t = 0, Φ = Φ r .

Подставляя это значение в уравнение (6), получаем

transformer-inrush-current-equation-7 Уравнение (6) становится

transformer-inrush-current-equaation-8 Уравнение (8) показывает, что поток состоит из двух компонентов: стационарного компонента Φ сс и переходного компонента Φ с . Величина переходного компонента

transformer-inrushcurrent-equation-9 Φ c является функцией от α, где α - это момент, в который трансформатор включен в источник питания.Если трансформатор включен при α = 0, то cosα = 1.

transformer-inrush-current-equation-10 При этом условии

transformer-inrush-current-equation-14

При ωt = π,

transformer-inrush-current-equation-11 Таким образом, основной поток достигает максимального значения потока, равного (2φ м + φ r ), что более чем в два раза превышает нормальный поток. Это известно как двойное действие. Благодаря этому двойному эффекту ядро ​​переходит в глубокое насыщение. Ток намагничивания, необходимый для создания такого большого потока в сердечнике, может в десять раз превышать нормальный ток намагничивания.

transformer-inrush-current-graph

Иногда среднеквадратичное значение тока намагничивания больше, чем первичный номинальный ток трансформатора. Этот ток может создавать электромагнитную силу, которая примерно в двадцать пять раз превышает нормальное значение. Поэтому обмотка трансформатора жестко закреплена. Неправильная работа защитных устройств, таких как неоправданное отключение реле, мгновенные большие падения напряжения и сильное гудение из-за магнитострикции сердечника.

Чтобы не было переходного пускового тока, Φ c должен быть равен нулю.

transformer-inrush-current-equation-12 transformer-inrush-currrent-equation-13 Поскольку Φ r обычно очень мало, потому что α α 0 и α ≅ nπ / 2

Другими словами, если трансформатор подключен к линии питания вблизи положительного или отрицательного максимального напряжения, пусковой ток будет минимизирован. Но обычно нецелесообразно подключать трансформатор в заранее установленное время в цикле напряжения

,
Разница между датчиком тока и трансформатором тока

Трансформатор тока в основном используется для измерения тока шины и первичной стороны с железными сердечниками в случае переменного тока. Он может определять постоянный ток, может быть одноядерный или двухъядерный, как правило, он оснащен вспомогательной обмоткой постоянного тока. Такая структура проста, надежна и медленна. Технология и конструкция трансформатора тока сложны, его общая точность составляет 5%, трудно достичь 0,5%, потому что положение фазы и компенсация трудны.Трансформатор тока - это электрический компонент, который превращает большой ток в маленький, он не меняет частоту тока, а только его размер. Его вторичный ток составляет 5А, что означает, что выходной номинальный ток составляет 5А. Он в основном используется для электрического управления, измерения, защиты и сигнала.

Датчик тока представляет собой обобщенную концепцию, он обычно относится к вторичному инструменту в настоящее время, в частности, в области полупроводников и микроэлектроники, таких как датчик Холла, волоконно-оптический датчик.Полупроводниковый датчик тока является удобным товаром с быстрым откликом, легкой компенсацией и коррекцией, его точность может достигать одной тысячной. Датчик тока - это электрический компонент, который преобразует переменный ток в постоянный или постоянный ток в постоянный. Его выходной ток составляет 4 ~ 20 мА, что является аналоговой величиной. Current Transformer vs Current Sensor

Трансформатор тока основан на принципе электромагнитной индукции. Трансформатор тока состоит из замкнутых сердечников и обмотки, имеет несколько витков первичной обмотки и подключен последовательно к цепи, ток которой необходимо измерять.Поэтому полный ток цепи часто протекает через него. Он имеет большее количество витков вторичной обмотки и соединен последовательно с измерительным прибором и схемой защиты. Когда трансформатор тока работает, его вторичная цепь всегда замкнута, поэтому полное сопротивление последовательной катушки измерительного прибора и цепи защиты очень мало, а рабочее состояние трансформатора тока близко к короткому замыканию.

Когда провод первичной стороны проходит через датчик тока, ток IP первичной стороны создает магнитные линии потока.Магнитные линии первичной стороны потока концентрируются на магнитном сердечнике, электроды Холла, встроенные в воздушный зазор магнитного сердечника, могут генерировать напряжение всего в несколько милливольт, пропорциональное магнитным линиям первичной стороны потока. Электронная схема может преобразовать этот крошечный сигнал во вторичный ток IS при следующем соотношении: среди IS - вторичный ток, IP - ток первичной стороны, NP - витки первичной обмотки, NS - витки вторичная боковая обмотка, NP / NS относится к соотношению виток, и, как правило, NP равен 1.Выходным сигналом датчика тока является ток IS вторичной стороны, который пропорционален входному сигналу (первичный ток IP). IS, как правило, небольшой, около 100 ~ 400 мА. Если выходной ток проходит через измеренное сопротивление RM, может быть получен сигнал выходного напряжения в несколько вольт, пропорциональный первичному току.

Вторичный выход трансформатора тока - это вторичный ток, который прямо пропорционален первичному току, а напряжение очень низкое; Однако вторичный выход трансформатора напряжения является вторичным напряжением, которое прямо пропорционально первичному напряжению, а ток очень низкий.

Датчики тока могут обнаруживать как переменный, так и постоянный ток, необходим внешний источник питания. Трансформаторы тока могут измерять только переменный ток, а выходной сигнал - AC 5A или AC1A, внешний источник питания не требуется. Общий трансформатор тока может измерять только переменный ток. Если трансформатор переменного тока разомкнут, он будет создавать высокое напряжение, что приведет к разрушению изоляции линии и вызовет удар током, угрожающий безопасности персонала, поэтому вторичная сторона не может быть разомкнута при использовании. При снятии вторичная сторона должна быть замкнута накоротко.

Таким образом, трансформатор тока используется для подачи сигнала тока, пропорционального первичной шкале, для защиты и измерения, в то время как трансформатор напряжения используется для подачи сигнала напряжения, пропорционального первичной шкале, для защиты и измерения.

ATO предоставляет вам трансформаторы тока с 10 / 5A до 75 / 5A, 200 / 5A до 1000 / 5A ......

,

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о