Измерительные трансформаторы тока. Схема замещения, принципы работы, Векторная диагрмма.

 

Трансформатор тока работает в режиме, близком к короткому замыканию, так как в его вторичную обмотку включаются приборы с малым сопротивлением. Полное

суммарное сопротивление Z=R + jX приборов и подводящих проводов является нагрузкой трансформатора тока.

На рис. 1 приведена векторная диаграмма трансформатора тока, построение которой начинают с вектора I 2 ω 2 - магнитодвижущей силы (МДС) вторичной обмотки. Вектор напряжения U2 получают как сумму векторов напряжений I 2 R и I 2 Х на активном R и реактивном X сопротивлениях нагрузки при токе I 2 во вторичной цепи трансформатора.

Рис. 1- Векторная диаграмма трансформатора тока

Электродвижущая сила Е2 наводимая во вторичной обмотке потоком Ф0 в магнитопроводе, получена в результате сложения вектора U2 с векторами I 2 R2 и I 2 Х2 напряжений на активном R2 сопротивлении вторичной обмотки и его реактивном сопротивлении Х2, обусловленном потоком рассеяния.

Вектор МДС I 1 ω 1 получен путем сложения вектора МДС I 0 ω 1 с повернутым на 180° вектором МДС I 2 ω 2, т. е.

I 0 ω 1 = I 1 ω 1 + I 2 ω 2 (1)

Из векторной диаграммы и уравнения (1) можно сделать следующие выводы.

Токовую погрешность для одного значения I 2 можно свести к нулю подбором числа витков ω 2 вторичной обмотки. Для других значений тока I 2 погрешность не будет равна нулю, так как ток I 0 не пропорционален току I 2.

На рис. 2, а, б даны схема и внешний вид универсального трансформатора типа УТТ-5М. Он имеет магнитопровод из пермаллоя и две обмотки: вторичную (выводы И1, И 2) с номинальным током I 2ном =5 А и первичную, состоящую из двух секций с номинальными токами 1 5 и 50 А. При измеряемых токах 100—600 А первичная обмотка создается витками гибкого провода, проходящими через окно в трансформаторе.

Рис. 2- Трансформатор тока типа УТТ-5М.

а — схема; б — внешний вид.

 

Принцип работы трансформатора тока

Демонстрацию процессов, происходящих при преобразованиях электрической энергии внутри трансформатора, поясняет схема.

Через силовую первичную обмотку с числом витков ω1 протекает ток I1, преодолевая ее полное сопротивление Z1. Вокруг этой катушки формируется магнитный поток Ф1, который улавливается магнитопроводом, расположенным перпендикулярно направлению вектора I1. Такая ориентация обеспечивает минимальные потери электрической энергии при ее преобразовании в магнитную.

Пересекая перпендикулярно расположенные витки обмотки ω2, поток Ф1 наводит в них электродвижущую силу Е2, под влиянием которой возникает во вторичной обмотке ток I2, преодолевающий полное сопротивление катушки Z2 и подключенной выходной нагрузки Zн. При этом на зажимах вторичной цепи образуется падение напряжения U2.

Величина К1, определяемая отношением векторов I1/I2, называется коэффициентом трансформации. Ее значение задается при проектировании устройств и замеряется в готовых конструкциях. Отличия показателей реальных моделей от расчетных значений оценивается метрологической характеристикой — классом точности трансформатора тока.

В реальной работе значения токов в обмотках не являются постоянными величинами. Поэтому коэффициент трансформации принято обозначать по номинальным значениям. Например, его выражение 1000/5 означает, что при рабочем первичном токе 1 килоампер во вторичных витках будет действовать нагрузка 5 ампер. По этим значениям и рассчитывается длительная эксплуатация этого трансформатора тока.

Магнитный поток Ф2 от вторичного тока I2 уменьшает значение потока Ф1 в магнитопроводе. При этом создаваемый в нем поток трансформатора Фт определяется геометрическим суммированием векторов Ф1 и Ф2.

Схемы замещения

Возможны три режима работы трансформатора: режим холостого хода (ХХ), рабочий режим (номинальный) и режим короткого замыкания (КЗ). Рассмотрим работу трансформатора в этих режимах.

Режим холостого хода. В этом режиме сопротивление нагрузки равно бесконечности, в результате чего трансформатор эквивалентен обычной катушке индуктивности с ферромагнитным сердечником. В режиме холостого хода трансформатор можно представить схемой замещения, приведенной рисунке 4.

Рисунок 4 Схема замещения трансформатора для режима холостого хода (а — последовательная, б — параллельная)

В эквивалентной схеме трансформатора, приведенной на рисунке 4:

r₁ — активное сопротивление первичной обмотки
L_S1 — индуктивность, характеризующая поток рассеивания первичной обмотки
r₀ — сопротивление активных потерь в магнитопроводе
L₀ — основная индуктивность первичной обмотки

(2)

Трансформатор является обращаемым устройством (первичную и вторичную обмотки можно поменять местами!), поэтому для каждой из обмоток записываемосновную формулу трансформаторной ЭДС.

(3)
(4)

Разделив уравнение (3) на (4), получим выражение для коэффициента трансформации:

(5)

В режиме холостого хода трансформатора как раз и определяют его коэффициент трансформации.