Меню

Сигнал напряжения с трансформатора тока

Что такое трансформатор тока, его конструкция и принцип работы

Для нормального функционирования устройств обеспечивающих релейную защиту высоковольтных ЛЭП, требуется контролировать параметры электрической линии. Снимать показания с высоковольтных проводов напрямую – опасно и не эффективно. Режим работы обычного трансформатора не позволяет контролировать изменение тока. Решает эту проблему трансформатор тока, у которого показатели вторичной цепи изменяются пропорционально величине тока первичной обмотки.

Конструкция и принцип действия

Внешний вид типичного трансформатора тока представлен на рисунке 1. Характерным признаком этих моделей является наличие у них диэлектрического корпуса. Формы корпусов могут быть разными – от прямоугольных до цилиндрических. В некоторых конструкциях отсутствуют проходные шины в центре корпуса. Вместо них проделано отверстие для обхвата провода, который выполняет функции первичной обмотки.

Трансформатор тока

Рис. 1. Трансформатор тока

Материалы диэлектриков выбирают в зависимости от величины напряжений, для которых предназначено устройство и от условий его эксплуатации. Для обслуживания промышленных энергетических систем изготавливают мощные ТТ с керамическими корпусами цилиндрической формы (см. рис. 2).

Промышленный керамический трансформатор тока

Рис. 2. Промышленный керамический трансформатор тока

Особенностью трансформатора является обязательное наличие нагрузочного элемента (сопротивления) во вторичной обмотке (см. рис. 3). Резистор необходим для того, чтобы не допускать работы в режиме без вторичных нагрузок. Функционирование трансформатор тока с ненагруженными вторичными обмотками недопустимо из-за сильного нагревания (вплоть до разрушения) магнитопровода.

Принципиальная схема трансформатора тока

Рис. 3. Принципиальная схема трансформатора тока

В отличие от трансформаторов напряжения, ТТ оснащены только одним витком первичной обмотки (см. рис. 4). Этим витком часто является шина, проходящая сквозь кольцо сердечника с намотанными на него вторичными обмотками (см. рис. 5).

Схематическое изображение ТТ Рис. 4. Схематическое изображение ТТ Устройство ТТ Рис. 5. Устройство ТТ

Иногда в роли первичной обмотки выступает проводник электрической цепи. Для этого конструкция сердечника позволяет применить шарнирное соединение частей трансформатора для обхвата провода (см. рис. 6).

ТТ с разъемным корпусом

Рис. 6. ТТ с разъемным корпусом

Сердечники трансформаторов выполняются способом шихтования кремнистой стали. В моделях высокого класса точности сердечники изготовляют из материалов на основе нанокристаллических сплавов.

Принцип действия.

Основная задача токовых трансформаторов понизить (повысить) значение тока до приемлемой величины. Принцип действия основан на свойствах трансформации переменного электрического тока. Возникающий переменный магнитный поток улавливается магнитопроводом, перпендикулярным направлению первичного тока. Этот поток создается переменным током первичной катушки и наводит ЭДС во вторичной обмотке. После подключения нагрузки начинает протекать электрический ток по вторичной цепи.

Зависимости между обмотками и токами выражены формулой: k = W2 / W1 = I1 / I2 .

Поскольку ток во вторичной катушке обратно пропорционален количеству витков в ней, то путем увеличения (уменьшения) коэффициента трансформации, зависящего от соотношения числа витков в обмотках, можно добиться нужного значения выходного тока.

На практике, чаще всего, эту величину устанавливают подбором количества витков во вторичной обмотке, делая первичную обмотку одновитковой.

Линейная зависимость выходного тока (при номинальной мощности) позволяет определять параметры величин в первичной цепи. Численно эта величина во вторичной катушке равна произведению реального значения тока на номинальный коэффициент трансформации.

В идеале I1 = kI2 = I2W2/W1. С учетом того, что W1 = 1 (один виток) I1 = I2W2 = kI2. Эти несложные вычисления можно заложить в программу электронного измерителя.

Принцип действия трансформатора тока

Рис. 7. Принцип действия трансформатора тока

На рисунке 7 не показан нагрузочный резистор. При измерениях необходимо учитывать и его влияние. Все допустимые погрешности в измерениях отображает класс точности ТТ.

Классификация

Семейство трансформаторов тока классифицируют по нескольким признакам.

Пример наружного использования ТТ

  1. По назначению:
    • защитные;
    • линейки измерительных трансформаторов тока;
    • промежуточные (используются для выравнивания токов в системах дифференциальных защит);
    • лабораторные.
  2. По способу монтажа:
    • наружные (см. рис. 8), применяются в ОРУ;
    • внутренние (размещаются в ЗРУ);
    • встраиваемые;
    • накладные (часто совмещаются с проходными изоляторами);
    • переносные.

Рис. 8. Пример наружного использования ТТ

  • Классификация по типу первичной обмотки:
    • многовитковые, к которым принадлежат катушечные конструкции, и трансформаторы, с обмотками в виде петель;
    • одновитковые;
    • шинные.
  • По величине номинальных напряжений:
    • До 1 кВ;
    • Свыше 1 кВ.

Трансформаторы тока можно классифицировать и по другим признакам, например, по типу изоляции или по количеству ступеней трансформации.

Расшифровка маркировки

Каждому типу трансформаторов присваиваются буквенно-цифровые символы, по которым можно определить его основные параметры:

  • Т — трансформатор тока;
  • П — буква указывающая на то, что перед нами проходной трансформатор. Отсутствие буквы П указывает, что устройство принадлежит к классу опорных ТТ;
  • В — указывает на то, что трансформатор встроен в конструкцию масляного выключателя или в механизм другого устройства;
  • ВТ — встроенный в конструкцию силового трансформатора;
  • Л— со смоляной (литой) изоляцией;
  • ФЗ — устройство в фарфоровом корпусе. Звеньевой тип первичной обмотки;
  • Ф — с надежной фарфоровой изоляцией;
  • Ш — шинный;
  • О — одновитковый;
  • М — малогабаритный;
  • К — катушечный;
  • 3 — применяется для защиты от последствий замыкания на землю;
  • У — усиленный;
  • Н — для наружного монтажа;
  • Р — с сердечником, предназначенным для релейной защиты;
  • Д — со вторичной катушкой, предназначенной для питания электричеством дифференциальных устройств защиты;
  • М — маслонаполненный. Применяется для наружной установки.
  1. Номинальное напряжение (в кВ) указывается после буквенных символов (первая цифра).
  2. Числами через дробь обозначаются классы точности сердечников. Некоторые производители вместо цифр проставляют буквы Р или Д.
  3. следующие две цифры «через дробь» указывают на параметры первичного и вторичного токов;
  4. после позиции дробных символов — код варианта конструкционного исполнения;
  5. буквы, расположенные после кода конструкционного варианта, обозначают тип климатического исполнения;
  6. цифра на последней позиции — категория размещения.

Схемы подключения

Первичные катушки трансформаторов тока включаются в цепь последовательно. Вторичные катушки предназначены для подключения измерительных приборов или используются системами релейной защиты.

Во вторичную цепь включаются выводы измерительных приборов и устройства релейной защиты. С целью обеспечения безопасности, сердечник магнитопровода и один из зажимов вторичной катушки должны заземляться.

При подключении трехфазных счетчиков, в сетях с изолированной нейтралью обмотки трансформатора соединяются по схеме «Неполная звезда». При наличии нулевого провода применяется схема полной звезды.

Выводы трансформаторов маркируются. Для первичной обмотки применяются обозначения Л1 и Л2, а для вторичной – И1 и И2. При подключении измерительных приборов следует соблюдать полярность обмоток.

Схема «неполная звезда» применяется для двухфазного соединения.

В дифференциальных защитах, используемых в силовых трансформаторах, обмотки включаются треугольником.

Основные схемы подключения:

Основные схемы подключения

  • В сетях с глухозаземленной нейтралью ТТ подключается к каждой фазе. Соединение обмоток трансформатора – полная звезда.
  • Подключение по схеме неполной звезды. Применяется в сетях с изолированными нулевыми точками.
  • Схема восьмерки. Симметрично распределяет нагрузки при трехфазном КЗ.
  • Соединение ТТ в фильтр токов нулевой последовательности. Применяется для защиты номинальной нагрузки от коротких замыканиях на землю.

Технические параметры

Очень важной характеристикой трансформатора тока является класс точности. Этот параметр характеризует погрешность измерения, то есть показывает, на сколько номинальный (идеальный) коэффициент трансформации отличается от реального.

Коэффициент трансформации

Так как в реальном коэффициенте трансформации присутствует синфазная и квадратурная составляющая, то значения коэффициента всегда отличаются от номинального. Разницу (погрешность) необходимо учитывать при измерениях. На результаты измерений влияют также угловые погрешности.

У всех ТТ погрешность отрицательна, так как у них всегда присутствуют потери от намагничивания и нагревания токовых катушек. С целью устранения отрицательного знака погрешности, для смещения параметров трансформации в положительную сторону, применяют витковую коррекцию. Поэтому в откорректированных устройствах привычная формула для вычислений не работает. Поэтому коэффициенты трансформации в таких аппаратах производители определяют опытным путем и указывают их в техпаспорте.

Класс точности

Токовые погрешности искажают точность измерения электрического тока. Поэтому для измерительных трансформаторов высокие требования к классу точности:

  • 0,1;
  • 0,5;
  • 1;
  • 3;
  • 10P.
Читайте также:  Сила тока в цепи изменяется по закону амплитуда силы тока равна

Трансформатор может находиться в пределах заявленного класса точности, только если сопротивление максимальной нагрузки не превышает номинального, а ток в первичной цепи не выходит за пределы 0,05 – 1,2 величины номинального тока трансформатора.

О назначении

Основная сфера применения трансформаторов – защита измерительного и другого оборудования от разрушительного действия предельно высоких токов. ТТ применяются для подключения электрического счетчика, изоляции реле от воздействия мощных токовых нагрузок.

Видео по теме

Источник

Все о трансформаторах тока. Классификация, конструкция, принцип действия

трансформатор тока

Трансформаторами тока (ТТ) принято называть электротехнические устройства, предназначенные для трансформирования величин токов (с больших на меньшие) до требуемых значений, с целью подключения приборов измерения, устройств РЗиА. Трансформаторы тока получили широкое применение в энергетике и являются составным элементом любой электростанции или подстанции.

Установка в силовых электроустановках трансформаторов низкой мощности позволяет также обезопасить производство работ, поскольку их использование разделяет цепи высокого / низкого напряжения, упрощает конструктивное исполнение дорогостоящих измерительных приборов, реле.

  1. Конструкция и принцип действия трансформатора тока
  2. Классификация трансформаторов тока
  3. Трансформаторы тока разных производителей
  4. Трансформаторы тока ТОЛ-НТЗ-10-01
  5. Расположение вторичных выводов:
  6. Требования к надежности
  7. Пример условного обозначения опорного трансформатора тока с литой изоляцией
  8. Опорные трансформаторы тока TОП-0,66
  9. Проходные шинные трансформаторы тока для внутренней установки BB, BBO

Конструкция и принцип действия трансформатора тока

Трансформаторы тока конструктивно состоят из:

  • замкнутого магнитопровода;
  • 2-х обмоток (первичной, вторичной).

Трансформаторы тока

Орлов Анатолий Владимирович

Поскольку сопротивление измерительных устройств незначительно, то принято считать, что все трансформаторы тока работают в режиме близком к КЗ.

Это означает, что геометрическая сумма магнитных потоков равна разности потоков, генерируемых обеими обмотками.

Традиционно трансформаторы тока выпускают с несколькими группами вторичных обмоток, одна из которых предназначена для подключения аппаратов защиты, другие – для включения приборов контроля, диагностики и учета.

К этим обмоткам в обязательном порядке должна быть подключена нагрузка.

Ее сопротивление строго регламентируется, так как даже незначительное отклонение от нормируемой величины может привести к увеличению погрешности и как следствие снижению качества измерения, неселективной работе РЗ.

Интересное видео о трансформаторах тока смотрите ниже:

Погрешность ТТ определяется в зависимости от:

  • сечения магнитопровода;
  • проницаемости используемого для производства магнитопровода материала;
  • величины магнитного пути.

Значительное возрастание сопротивления нагрузки во вторичной цепи генерирует повышенное напряжение во вторичной цепи, что приводит к пробою изоляции и, как следствие, выходу из строй трансформатора.

Предельное значение сопротивление нагрузки указывается в справочных материалах.

Классификация трансформаторов тока

Трансформаторы тока принято классифицировать по следующим признакам:

  1. В зависимости от назначения их разделяют на:
    1. защитные;
    2. измерительные;
    3. промежуточные, используемые для подключения устройств измерения в токовые цепи, выравнивания токов в системах диф. защит и т. п.);
    4. лабораторные.
  2. По типу установки разделяют устройства:
    1. наружной установки (размещаемые в ОРУ);
    2. внутренней установки (размещаемые в ЗРУ);
    3. встроенные в электрические машины, коммутационные аппараты: генераторы, трансформаторы, аппараты и пр.;
    4. накладные — устанавливаемые сверху на проходные изоляторы;
    5. переносные (для лабораторных испытаний и диагностических измерений).
  3. Исходя из конструктивного исполнения первичной обмотки ТТ разделяют на:
    1. многовитковые (катушечные, с обмоткой в виде петли или восьмерки);
    2. одновитковые;
    3. шинные.
  4. По способу исполнения изоляции ТТ разбивают на устройства:
    1. с сухой изоляцией (из фарфора, литой изоляции из эпоксида, бекелита и т. п.);
    2. с бумажно-масляной либо конденсаторной бумажно-масляной изоляцией;
    3. имеющие заливку из компаунда.
  5. По количеству ступеней трансформации ТТ бывают:
    1. одноступенчатые;
    2. двухступенчатые (каскадные).
  6. Исходя из номинального напряжения различают:
    1. ТТ с номинальным напряжением — выше 1 кВ;
    2. ТТ с напряжением – до 1 кВ.

Все о трансформаторах тока. Классификация, конструкция, принцип действия

Ещё одно интересное видео о схемах включения трансформаторов тока:

Трансформаторы тока разных производителей

Рассмотрим несколько трансформаторов тока разных производителей:

ТОЛ-НТЗ-10-01Трансформаторы тока ТОЛ-НТЗ-10-01

Производитель ООО «Невский трансформаторный завод «Волхов», предназначены для передачи сигнала измерительной информации измерительным приборам и устройствам защиты и управления, для изолирования цепей вторичных соединений от высокого напряжения в комплектных устройствах внутренней и наружной установки (КРУ, КРУН, КСО) переменного тока на класс напряжения до 10 кВ и являются комплектующими изделиями.

Трансформаторы изготавливаются в виде опорной конструкции, в климатических исполнениях «УХЛ» и «Т», категории размещения «2» по ГОСТ 15150-69.

Рабочее положение трансформатора в пространстве – любое.

Трансформаторы работают в электроустановках, подвергающихся воздействию грозовых перенапряжений и имеют:

  • класс нагревостойкости «В» по ГОСТ 8865-93;
  • уровень изоляции «а» и «б» по ГОСТ 1516.3-96.

Варианты исполнения трансформатора: «Б» — оснащён изолирующими барьерами.

Расположение вторичных выводов:

  • «А» — параллельно установочной поверхности;
  • «В» — перпендикулярно установочной поверхности;
  • «С» — из гибкого провода, параллельно установочной поверхности;
  • «D» — из гибкого провода, перпендикулярно установочной поверхности.

ТОЛ-НТЗ-10-01 1

Требования к надежности

Для трансформаторов установлены следующие показатели надежности:

  • средняя наработка до отказа – 2´105 ч.;
  • полный срок службы – 30 лет.

Пример условного обозначения опорного трансформатора тока с литой изоляцией

ТОЛ-НТЗ-10-01АБ-0,5SFs5/10Р10–5/15-300/5 31,5 кА УХЛ2

  • 10 — номинальное напряжение;
  • «0» — конструктивный вариант исполнения;
  • «1» — исполнение по длине корпуса;
  • «А» — вторичные выводы расположенные параллельно установочной поверхности;
  • «Б» — изолирующие барьеры;
  • 0,5S — класс точности измерительной вторичной обмотки;
  • (Fs)5 — коэффициент безопасности приборов вторичной обмотки для измерения;
  • 10Р — класс точности защитной вторичной обмотки;
  • 10 — номинальная предельная кратность вторичной обмотки для защиты;
  • 5 — номинальная вторичная нагрузка обмотки для измерения;
  • 15 — номинальная вторичная нагрузка обмотки для защиты;
  • 300 — номинальный первичный ток;
  • 5 — номинальный вторичный ток;
  • 31,5 — односекундный ток термической стойкости;
  • «УХЛ» — климатическое исполнение;
  • 2 – категория размещения ГОСТ 15150-69 при его заказе и в документации другого изделия.

TОП-066Опорные трансформаторы тока TОП-0,66

Трансформаторы предназначены для передачи сигнала измерительной информации измерительным приборам в установках переменного тока частоты 50 или 60 Гц с номинальным напряжением до 0,66 кВ включительно. Испытательное одноминутное напряжение промышленной частоты — 3 кВ.

Трансформаторы класса точности 0,2; 0,5; 0,2S и 0,5S применяются в схемах учета для расчета с потребителями, класса точности 1,0 — в схемах измерения.

Корпус трансформаторов выполнен из самозатухающих трудногорючих материалов. Трансформаторы изготавливаются в исполнении «У» или «Т» категории 3 по ГОСТ 15150, предназначены для работы в следующих условиях:

  • высота над уровнем моря не более 1000 м;
  • температура окружающей среды: при эксплуатации — от минус 45°С до плюс 50°С, при транспортировании и хранении — от минус 50°С до плюс 50°С;
  • окружающая среда невзрывоопасная, не содержащая пыли, химически активных газов и паров в концентрациях, разрушающих покрытия металлов и изоляцию;
  • рабочее положение — любое.

TОП-066 1

presentation

Первичная шина трансформаторов ТОП-0,66 и ТШП-0,66 медная, покрытая оловом. Трансформаторы ТШП-0,66 могут комплектоваться медными шинами, покрытыми оловом.

Проходные шинные трансформаторы тока для внутренней установки BB, BBO

Изготовитель — Фирма ООО «ABB»

Проходные шинные трансформаторы тока BB и BBO изготовлены в корпусе из эпоксидного компаунда и предназначены для установки в РУ напряжением до 24 кВ (25 кВ).

Трансформатор тока без первичного проводника, но с собственной первичной изоляцией может использоваться в качестве втулки.

Трансформаторы спроектированы и изготовлены согласно следующим стандартам:

  • МЭК, VDE, ANSI, BS, ГОСТ и CSN.
  • Максимальное напряжение — 3.6 кВ — 25 кВ
  • Первичный ток — 600 A – 5000 A
  • Сухой трансформатор с изоляцией из эпоксидного компаунда для внутренней установки
  • Предназначены для измерения и защиты, могут иметь до трех вторичных обмоток
  • Исполнения с возможностью переключения коэффициента трансформации на стороне первичной или вторичной обмоток.

Источник

Сигнал напряжения с трансформатора 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.

Читайте также:  Используя график зависимости силы тока от напряжения определите сопротивление участка цепи

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.

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

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

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

Еще почитать

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

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

Источник



Схемы датчиков тока на основе трансформатора тока

В статье предложены варианты пассивных и активных (на ОУ широкого применения и на специализированной микросхеме)датчиков, собранных на основе трансформатора тока.

Нередко требуется измерять или контролировать ток, потребляемый от электрической сети различными нагрузками, например электроприборами.

Для этих целей широко применяют как пассивные резистивные датчики и датчики на основе трансформаторов тока, самодельных или выпускаемых серийно, так и различные активные датчики на основе специализированных микросхем с гальванической развязкой от сети и без неё.

Основное назначение такого датчика тока — преобразовать переменный ток в переменное или постоянное напряжение, пропорциональное этому току.

Когда на выходе необходимо получить постоянное напряжение, совместно с пассивными датчиками потребуется применение выпрямителей, усилителей ИТ. д., и такие датчики, конечно, более востребованы.

Далее речь пойдёт о датчиках с использованием трансформатора тока. Основа такого датчика — трансформатор, по первичной обмотке (один или несколько витков) которого протекает ток нагрузки, а во вторичной наводится напряжение, пропорциональное этому току. Основной параметр трансформатора — коэффициент трансформации тока, который показывает, во сколько раз ток во вторичной обмотке (на низкоомной нагрузке) меньше, чем в первичной.

Читайте также:  Тело тока лост арк

Датчик можно сделать пассивным, применив для получения постоянного напряжения простейший однополупериодный выпрямитель, или активным, с использованием различных микросхем.

В статье рассмотрены три варианта датчиков: на основе диодного выпрямителя, на основе выпрямителя на ОУ и на основе специализированной микросхемы ZXCT1009 [1, 2].

Передаточные характеристики этих датчиков показаны на рис. 1 при условии, что первичная обмотка трансформатора тока — один виток провода, через который протекает синусоидальный ток. При увеличении числа витков первичной обмотки крутизна передаточной характеристики пропорционально увеличится.

Передаточные характеристики датчиков

Рис. 1. Передаточные характеристики датчиков.

Принципиальная схема

Схема датчика на основе диодного однополупериодного выпрямителя показана на рис. 2 Конденсатор С1 подавляет импульсные сетевые помехи, выпрямитель собран на конденсаторе С2 и диоде VD1.

На выходе интегрирующей цепи R1C3 формируется постоянное напряжение, пропорциональное среднему значению тока нагрузки.

Все детали установлены на печатной плате из фольгированного с одной стороны стеклотекстолита, чертёж которой показан на рис. 3.

Схема датчика на основе диодного однополупериодного выпрямителя

Рис. 2. Схема датчика на основе диодного однополупериодного выпрямителя.

Датчик налаживания не требует. Выпрямительный диод должен быть диодом Шоттки, но если чувствительность не нужна и датчик рассчитан на ток более 0,5 А, можно применить обычный выпрямительный или импульсный диод, например, серий 1N400x, 1N4148, КД522. Поскольку датчик пассивный, его чувствительность и крутизна передаточной характеристики относительно невелики (см. рис. 1).

Печатная плата для схемы датчика

Рис. 3. Печатная плата для схемы датчика.

Активный датчик тока

Чтобы повысить чувствительность, можно использовать активный датчик тока, например, применив ОУ. Схема такого варианта показана на рис. 4 На двух ОУ DA1.1 и DA1.2 собран двухполупериодный выпрямитель [3].

Схема активного датчика тока на LM358AM

Рис. 4. Схема активного датчика тока на LM358AM.

Принцип работы такого выпрямителя основан на использовании ОУ с однополярным питанием. При подаче на неинвертирующий вход ОУ он будет усиливать сигнал положительной полуволны переменного напряжения и ограничивать сигнал отрицательной полуволны.

На ОУ DA 1.1 собран неинвертирующий усилитель с малым коэффициентом усиления (около 2), а на ОУ DA1.2 — усилитель с коэффициентом усиления около 10.

Конденсатор С1 подавляет импульсные и высокочастотные помехи. резистор R1 обеспечивает номинальный коэффициент трансформации трансформатора тока Т1. Резистор R2 и диод VD1 ограничивают минусовое напряжение на неинвертирующем входе ОУ DA 1.1, исключая перегрузку входа ОУ по напряжению.

Положительную полуволну усиливает сначала ОУ DA1.1, затем — ОУ DA1.2, и усиленный в десять раз сигнал появляется на его выходе. Отрицательную полуволну инвертирует и усиливает ОУ DA1.2. поэтому на его выходе формируется полуволна плюсового напряжения. В результате обеспечиваются двухполупериодное выпрямление и одновременно усиление переменного напряжения.

Подборкой резисторов R3-R6 можно подобрать желаемый коэффициент передачи устройства К = R6/R4. при этом соотношение сопротивления резисторов R3 и R5 находят из равенства R5/R3 = (К-1)/(К+1).

Выходной сигнал ОУ DA 1.2 поступает на интегрирующую RC-цепь R7C3, и на конденсаторе C3 формируется постоянное напряжение, пропорциональное среднему значению тока нагрузки.

Печатная плата

Рис. 5. Печатная плата.

Расположение деталей на печатной плате

Рис. 6. Расположение деталей на печатной плате.

Внешний вид собранного датчика

Рис. 7. Внешний вид собранного датчика.

Все детали установлены на печатной плате из фольгированного с двух сторон стеклотекстолита, чертёж которой показан на рис. 5, а расположение элементов — на рис. 6.

Одна сторона платы (противоположная установке деталей) оставлена металлизированной, на ней лишь раззенкованы отверстия под крайние выводы разъёма ХР1.

В отверстия в левом нижнем и правом верхнем углах необходимо вставить и с обеих сторон платы пропаять отрезки лужёного провода. Плату можно изготовить из фольгированного с одной стороны стеклотекстолита.

В этом случае вышеупомянутые отверстия в углах платы соединяют отрезком провода со стороны. противоположной расположению деталей. Внешний вид варианта смонтированной платы показан на рис. 7.

В этих конструкциях применены элементы для поверхностного монтажа. Резисторы — типоразмеров 0805, 1206. оксидные конденсаторы — танталовые типоразмеров С, D. неполярные — К10-17в. Вилка ХР1 — три контакта от однорядной угловой вилки серии PLD-10R.

Трансформатор тока Т1 был снят с платы источника бесперебойного питания. Маркировка на трансформаторе — FALCO 9418. К сожалению, в Интернете никаких конкретных данных найти не удалось, но по своим параметрам (индуктивность и сопротивление обмотки) он близок к трансформаторам тока AS-103 или AS-104 фирмы Talema.

Еще одна схема датчика тока

Если габариты датчика тока не имеют значения, для его изготовления можно применить выводные детали. Схема такого устройства показана на рис. 8, номиналы некоторых элементов изменены по причине их наличия. Чертёж печатной платы этого варианта устройства показан на рис. 9, а внешний вид смонтированной платы — на рис. 10.

Схема датчика тока с измененными деталями

Рис. 8. Схема датчика тока с измененными деталями.

Печатная плата для схемы датчика тока

Рис. 9. Печатная плата для схемы датчика тока.

Внешний вид датчика тока

Рис. 10. Внешний вид датчика тока.

Датчик тока на микросхеме ZXCT1009F

Упростить схему активного датчика и увеличить крутизну передаточной характеристики датчика тока можно, применив специализированную микросхему ZXCT1009F.

О возможности применения этой микросхемы для измерения переменного тока было рассказано в [2]. Схема устройства показана на рис. 11. Назначение элементов R1 и С1 такое же, как в ранее описанных устройствах.

Диод VD1 защищает вход микросхемы DA1 от нештатной полярности входного напряжения. Эта микросхема работает как однополупериодный выпрямитель, напряжение на выходе интегрирующей цепи R3C2 будет пропорционально среднему значению тока нагрузки.

Схема датчика тока на микросхеме ZXCT1009F

Рис. 11. Схема датчика тока на микросхеме ZXCT1009F.

Печатная плата

Рис. 12. Печатная плата.

Размещение деталей на печатной плате

Рис. 13. Размещение деталей на печатной плате.

Детали устройства смонтированы на печатной плате из фольгированного с одной стороны стеклотекстолита, чертёж которой приведён на рис. 12. Расположение элементов показано на рис. 13, а внешний вид варианта смонтированной платы — на рис. 14. Применены элементы для поверх ностного монтажа.

При выборе напряжения питания активных датчиков не следует забывать о так называемом коэффициенте амплитуды Ка (или крест-факторе) потребляемого нагрузкой тока, который характеризует отношение амплитуды потребляемого тока Іа к его действующему (или эффективному) значению Іэф: Ка = Iа/Iэф.

Дело в том, что многие бытовые устройства, питающиеся от сети, имеют встроенный импульсный источник питания с выпрямителем на входе.

Сглаживающий конденсатор выпрямителя заряжается только вблизи максимума сетевого напряжения, и от сети потребляется ток только в эти моменты. Для переменного тока прямоугольной формы Ка = 1, для синусоидального — Ка = 1,41, а для импульсного источника — Кa = 2. 4.

Вид датчика

Рис. 14. Вид датчика.

Это означает, что в активных датчиках максимальное неискаженное выходное напряжение ииыима,с должно быть больше, чем напряжение Uвых на выходе датчика (см. рис. 1), по крайней мере, в Ка, раз, а напряжение питания — ещё больше.

Например, для датчика на ОУ (двухполупериодный выпрямитель) при Uвых = 2 В и Ка = 2 напряжение питания Uпит >= 4 В для ОУ структуры rail-to-rail или Uпит >= 5. 6 В для обычного ОУ.

Поскольку на микросхеме ZXCT1009F собран одполупериодный выпрямитель, при тех же условиях напряжение питания должно быть примерно в три раза больше, чем Uвых. При этом не следует забывать, что для питания самой микросхемы требуется напряжение не менее 1,5. 2 В.

Поскольку интегрирующие цепи на выходе датчиков высокоомные, к их выходам следует подключать нагрузку, сопротивление которой, по крайней мере, в десять раз больше сопротивления резистора в интегрирующей цепи.

Каждый из датчиков требует калибровки, которую можно провести с помощью амперметра действующего значения переменного тока, источника переменного напряжения, в качестве которого можно применить вторичную обмотку понижающего трансформатора, включённого в сеть, и мощного переменного резистора.

Источник

Сигнал напряжения с трансформатора тока

Трансформаторы тока в переходных режимах

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

I1 ток в первичной обмотке;
w1количество витков первичной обмотки;
I2 ток во вторичной обмотке;
w2 количество витков вторичной обмотки;
Iнам ток 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

Источник



Что такое трансформатор тока, его конструкция и принцип работы

Для нормального функционирования устройств обеспечивающих релейную защиту высоковольтных ЛЭП, требуется контролировать параметры электрической линии. Снимать показания с высоковольтных проводов напрямую – опасно и не эффективно. Режим работы обычного трансформатора не позволяет контролировать изменение тока. Решает эту проблему трансформатор тока, у которого показатели вторичной цепи изменяются пропорционально величине тока первичной обмотки.

Читайте также:  Электрический обогреватель постоянного тока

Конструкция и принцип действия

Внешний вид типичного трансформатора тока представлен на рисунке 1. Характерным признаком этих моделей является наличие у них диэлектрического корпуса. Формы корпусов могут быть разными – от прямоугольных до цилиндрических. В некоторых конструкциях отсутствуют проходные шины в центре корпуса. Вместо них проделано отверстие для обхвата провода, который выполняет функции первичной обмотки.

Трансформатор тока

Рис. 1. Трансформатор тока

Материалы диэлектриков выбирают в зависимости от величины напряжений, для которых предназначено устройство и от условий его эксплуатации. Для обслуживания промышленных энергетических систем изготавливают мощные ТТ с керамическими корпусами цилиндрической формы (см. рис. 2).

Промышленный керамический трансформатор тока

Рис. 2. Промышленный керамический трансформатор тока

Особенностью трансформатора является обязательное наличие нагрузочного элемента (сопротивления) во вторичной обмотке (см. рис. 3). Резистор необходим для того, чтобы не допускать работы в режиме без вторичных нагрузок. Функционирование трансформатор тока с ненагруженными вторичными обмотками недопустимо из-за сильного нагревания (вплоть до разрушения) магнитопровода.

Принципиальная схема трансформатора тока

Рис. 3. Принципиальная схема трансформатора тока

В отличие от трансформаторов напряжения, ТТ оснащены только одним витком первичной обмотки (см. рис. 4). Этим витком часто является шина, проходящая сквозь кольцо сердечника с намотанными на него вторичными обмотками (см. рис. 5).

Схематическое изображение ТТ Рис. 4. Схематическое изображение ТТ Устройство ТТ Рис. 5. Устройство ТТ

Иногда в роли первичной обмотки выступает проводник электрической цепи. Для этого конструкция сердечника позволяет применить шарнирное соединение частей трансформатора для обхвата провода (см. рис. 6).

ТТ с разъемным корпусом

Рис. 6. ТТ с разъемным корпусом

Сердечники трансформаторов выполняются способом шихтования кремнистой стали. В моделях высокого класса точности сердечники изготовляют из материалов на основе нанокристаллических сплавов.

Принцип действия.

Основная задача токовых трансформаторов понизить (повысить) значение тока до приемлемой величины. Принцип действия основан на свойствах трансформации переменного электрического тока. Возникающий переменный магнитный поток улавливается магнитопроводом, перпендикулярным направлению первичного тока. Этот поток создается переменным током первичной катушки и наводит ЭДС во вторичной обмотке. После подключения нагрузки начинает протекать электрический ток по вторичной цепи.

Зависимости между обмотками и токами выражены формулой: k = W2 / W1 = I1 / I2 .

Поскольку ток во вторичной катушке обратно пропорционален количеству витков в ней, то путем увеличения (уменьшения) коэффициента трансформации, зависящего от соотношения числа витков в обмотках, можно добиться нужного значения выходного тока.

На практике, чаще всего, эту величину устанавливают подбором количества витков во вторичной обмотке, делая первичную обмотку одновитковой.

Линейная зависимость выходного тока (при номинальной мощности) позволяет определять параметры величин в первичной цепи. Численно эта величина во вторичной катушке равна произведению реального значения тока на номинальный коэффициент трансформации.

В идеале I1 = kI2 = I2W2/W1. С учетом того, что W1 = 1 (один виток) I1 = I2W2 = kI2. Эти несложные вычисления можно заложить в программу электронного измерителя.

Принцип действия трансформатора тока

Рис. 7. Принцип действия трансформатора тока

На рисунке 7 не показан нагрузочный резистор. При измерениях необходимо учитывать и его влияние. Все допустимые погрешности в измерениях отображает класс точности ТТ.

Классификация

Семейство трансформаторов тока классифицируют по нескольким признакам.

Пример наружного использования ТТ

  1. По назначению:
    • защитные;
    • линейки измерительных трансформаторов тока;
    • промежуточные (используются для выравнивания токов в системах дифференциальных защит);
    • лабораторные.
  2. По способу монтажа:
    • наружные (см. рис. 8), применяются в ОРУ;
    • внутренние (размещаются в ЗРУ);
    • встраиваемые;
    • накладные (часто совмещаются с проходными изоляторами);
    • переносные.

Рис. 8. Пример наружного использования ТТ

  • Классификация по типу первичной обмотки:
    • многовитковые, к которым принадлежат катушечные конструкции, и трансформаторы, с обмотками в виде петель;
    • одновитковые;
    • шинные.
  • По величине номинальных напряжений:
    • До 1 кВ;
    • Свыше 1 кВ.

Трансформаторы тока можно классифицировать и по другим признакам, например, по типу изоляции или по количеству ступеней трансформации.

Расшифровка маркировки

Каждому типу трансформаторов присваиваются буквенно-цифровые символы, по которым можно определить его основные параметры:

  • Т — трансформатор тока;
  • П — буква указывающая на то, что перед нами проходной трансформатор. Отсутствие буквы П указывает, что устройство принадлежит к классу опорных ТТ;
  • В — указывает на то, что трансформатор встроен в конструкцию масляного выключателя или в механизм другого устройства;
  • ВТ — встроенный в конструкцию силового трансформатора;
  • Л— со смоляной (литой) изоляцией;
  • ФЗ — устройство в фарфоровом корпусе. Звеньевой тип первичной обмотки;
  • Ф — с надежной фарфоровой изоляцией;
  • Ш — шинный;
  • О — одновитковый;
  • М — малогабаритный;
  • К — катушечный;
  • 3 — применяется для защиты от последствий замыкания на землю;
  • У — усиленный;
  • Н — для наружного монтажа;
  • Р — с сердечником, предназначенным для релейной защиты;
  • Д — со вторичной катушкой, предназначенной для питания электричеством дифференциальных устройств защиты;
  • М — маслонаполненный. Применяется для наружной установки.
  1. Номинальное напряжение (в кВ) указывается после буквенных символов (первая цифра).
  2. Числами через дробь обозначаются классы точности сердечников. Некоторые производители вместо цифр проставляют буквы Р или Д.
  3. следующие две цифры «через дробь» указывают на параметры первичного и вторичного токов;
  4. после позиции дробных символов — код варианта конструкционного исполнения;
  5. буквы, расположенные после кода конструкционного варианта, обозначают тип климатического исполнения;
  6. цифра на последней позиции — категория размещения.

Схемы подключения

Первичные катушки трансформаторов тока включаются в цепь последовательно. Вторичные катушки предназначены для подключения измерительных приборов или используются системами релейной защиты.

Во вторичную цепь включаются выводы измерительных приборов и устройства релейной защиты. С целью обеспечения безопасности, сердечник магнитопровода и один из зажимов вторичной катушки должны заземляться.

При подключении трехфазных счетчиков, в сетях с изолированной нейтралью обмотки трансформатора соединяются по схеме «Неполная звезда». При наличии нулевого провода применяется схема полной звезды.

Читайте также:  Дать определение трехфазной системы переменного тока

Выводы трансформаторов маркируются. Для первичной обмотки применяются обозначения Л1 и Л2, а для вторичной – И1 и И2. При подключении измерительных приборов следует соблюдать полярность обмоток.

Схема «неполная звезда» применяется для двухфазного соединения.

В дифференциальных защитах, используемых в силовых трансформаторах, обмотки включаются треугольником.

Основные схемы подключения:

Основные схемы подключения

  • В сетях с глухозаземленной нейтралью ТТ подключается к каждой фазе. Соединение обмоток трансформатора – полная звезда.
  • Подключение по схеме неполной звезды. Применяется в сетях с изолированными нулевыми точками.
  • Схема восьмерки. Симметрично распределяет нагрузки при трехфазном КЗ.
  • Соединение ТТ в фильтр токов нулевой последовательности. Применяется для защиты номинальной нагрузки от коротких замыканиях на землю.

Технические параметры

Очень важной характеристикой трансформатора тока является класс точности. Этот параметр характеризует погрешность измерения, то есть показывает, на сколько номинальный (идеальный) коэффициент трансформации отличается от реального.

Коэффициент трансформации

Так как в реальном коэффициенте трансформации присутствует синфазная и квадратурная составляющая, то значения коэффициента всегда отличаются от номинального. Разницу (погрешность) необходимо учитывать при измерениях. На результаты измерений влияют также угловые погрешности.

У всех ТТ погрешность отрицательна, так как у них всегда присутствуют потери от намагничивания и нагревания токовых катушек. С целью устранения отрицательного знака погрешности, для смещения параметров трансформации в положительную сторону, применяют витковую коррекцию. Поэтому в откорректированных устройствах привычная формула для вычислений не работает. Поэтому коэффициенты трансформации в таких аппаратах производители определяют опытным путем и указывают их в техпаспорте.

Класс точности

Токовые погрешности искажают точность измерения электрического тока. Поэтому для измерительных трансформаторов высокие требования к классу точности:

  • 0,1;
  • 0,5;
  • 1;
  • 3;
  • 10P.

Трансформатор может находиться в пределах заявленного класса точности, только если сопротивление максимальной нагрузки не превышает номинального, а ток в первичной цепи не выходит за пределы 0,05 – 1,2 величины номинального тока трансформатора.

О назначении

Основная сфера применения трансформаторов – защита измерительного и другого оборудования от разрушительного действия предельно высоких токов. ТТ применяются для подключения электрического счетчика, изоляции реле от воздействия мощных токовых нагрузок.

Видео по теме

Источник

Схемы датчиков тока на основе трансформатора тока

В статье предложены варианты пассивных и активных (на ОУ широкого применения и на специализированной микросхеме)датчиков, собранных на основе трансформатора тока.

Нередко требуется измерять или контролировать ток, потребляемый от электрической сети различными нагрузками, например электроприборами.

Для этих целей широко применяют как пассивные резистивные датчики и датчики на основе трансформаторов тока, самодельных или выпускаемых серийно, так и различные активные датчики на основе специализированных микросхем с гальванической развязкой от сети и без неё.

Основное назначение такого датчика тока — преобразовать переменный ток в переменное или постоянное напряжение, пропорциональное этому току.

Когда на выходе необходимо получить постоянное напряжение, совместно с пассивными датчиками потребуется применение выпрямителей, усилителей ИТ. д., и такие датчики, конечно, более востребованы.

Далее речь пойдёт о датчиках с использованием трансформатора тока. Основа такого датчика — трансформатор, по первичной обмотке (один или несколько витков) которого протекает ток нагрузки, а во вторичной наводится напряжение, пропорциональное этому току. Основной параметр трансформатора — коэффициент трансформации тока, который показывает, во сколько раз ток во вторичной обмотке (на низкоомной нагрузке) меньше, чем в первичной.

Датчик можно сделать пассивным, применив для получения постоянного напряжения простейший однополупериодный выпрямитель, или активным, с использованием различных микросхем.

В статье рассмотрены три варианта датчиков: на основе диодного выпрямителя, на основе выпрямителя на ОУ и на основе специализированной микросхемы ZXCT1009 [1, 2].

Передаточные характеристики этих датчиков показаны на рис. 1 при условии, что первичная обмотка трансформатора тока — один виток провода, через который протекает синусоидальный ток. При увеличении числа витков первичной обмотки крутизна передаточной характеристики пропорционально увеличится.

Передаточные характеристики датчиков

Рис. 1. Передаточные характеристики датчиков.

Принципиальная схема

Схема датчика на основе диодного однополупериодного выпрямителя показана на рис. 2 Конденсатор С1 подавляет импульсные сетевые помехи, выпрямитель собран на конденсаторе С2 и диоде VD1.

На выходе интегрирующей цепи R1C3 формируется постоянное напряжение, пропорциональное среднему значению тока нагрузки.

Все детали установлены на печатной плате из фольгированного с одной стороны стеклотекстолита, чертёж которой показан на рис. 3.

Схема датчика на основе диодного однополупериодного выпрямителя

Рис. 2. Схема датчика на основе диодного однополупериодного выпрямителя.

Датчик налаживания не требует. Выпрямительный диод должен быть диодом Шоттки, но если чувствительность не нужна и датчик рассчитан на ток более 0,5 А, можно применить обычный выпрямительный или импульсный диод, например, серий 1N400x, 1N4148, КД522. Поскольку датчик пассивный, его чувствительность и крутизна передаточной характеристики относительно невелики (см. рис. 1).

Печатная плата для схемы датчика

Рис. 3. Печатная плата для схемы датчика.

Активный датчик тока

Чтобы повысить чувствительность, можно использовать активный датчик тока, например, применив ОУ. Схема такого варианта показана на рис. 4 На двух ОУ DA1.1 и DA1.2 собран двухполупериодный выпрямитель [3].

Схема активного датчика тока на LM358AM

Рис. 4. Схема активного датчика тока на LM358AM.

Принцип работы такого выпрямителя основан на использовании ОУ с однополярным питанием. При подаче на неинвертирующий вход ОУ он будет усиливать сигнал положительной полуволны переменного напряжения и ограничивать сигнал отрицательной полуволны.

На ОУ DA 1.1 собран неинвертирующий усилитель с малым коэффициентом усиления (около 2), а на ОУ DA1.2 — усилитель с коэффициентом усиления около 10.

Читайте также:  Сила тока в цепи изменяется по закону амплитуда силы тока равна

Конденсатор С1 подавляет импульсные и высокочастотные помехи. резистор R1 обеспечивает номинальный коэффициент трансформации трансформатора тока Т1. Резистор R2 и диод VD1 ограничивают минусовое напряжение на неинвертирующем входе ОУ DA 1.1, исключая перегрузку входа ОУ по напряжению.

Положительную полуволну усиливает сначала ОУ DA1.1, затем — ОУ DA1.2, и усиленный в десять раз сигнал появляется на его выходе. Отрицательную полуволну инвертирует и усиливает ОУ DA1.2. поэтому на его выходе формируется полуволна плюсового напряжения. В результате обеспечиваются двухполупериодное выпрямление и одновременно усиление переменного напряжения.

Подборкой резисторов R3-R6 можно подобрать желаемый коэффициент передачи устройства К = R6/R4. при этом соотношение сопротивления резисторов R3 и R5 находят из равенства R5/R3 = (К-1)/(К+1).

Выходной сигнал ОУ DA 1.2 поступает на интегрирующую RC-цепь R7C3, и на конденсаторе C3 формируется постоянное напряжение, пропорциональное среднему значению тока нагрузки.

Печатная плата

Рис. 5. Печатная плата.

Расположение деталей на печатной плате

Рис. 6. Расположение деталей на печатной плате.

Внешний вид собранного датчика

Рис. 7. Внешний вид собранного датчика.

Все детали установлены на печатной плате из фольгированного с двух сторон стеклотекстолита, чертёж которой показан на рис. 5, а расположение элементов — на рис. 6.

Одна сторона платы (противоположная установке деталей) оставлена металлизированной, на ней лишь раззенкованы отверстия под крайние выводы разъёма ХР1.

В отверстия в левом нижнем и правом верхнем углах необходимо вставить и с обеих сторон платы пропаять отрезки лужёного провода. Плату можно изготовить из фольгированного с одной стороны стеклотекстолита.

В этом случае вышеупомянутые отверстия в углах платы соединяют отрезком провода со стороны. противоположной расположению деталей. Внешний вид варианта смонтированной платы показан на рис. 7.

В этих конструкциях применены элементы для поверхностного монтажа. Резисторы — типоразмеров 0805, 1206. оксидные конденсаторы — танталовые типоразмеров С, D. неполярные — К10-17в. Вилка ХР1 — три контакта от однорядной угловой вилки серии PLD-10R.

Трансформатор тока Т1 был снят с платы источника бесперебойного питания. Маркировка на трансформаторе — FALCO 9418. К сожалению, в Интернете никаких конкретных данных найти не удалось, но по своим параметрам (индуктивность и сопротивление обмотки) он близок к трансформаторам тока AS-103 или AS-104 фирмы Talema.

Еще одна схема датчика тока

Если габариты датчика тока не имеют значения, для его изготовления можно применить выводные детали. Схема такого устройства показана на рис. 8, номиналы некоторых элементов изменены по причине их наличия. Чертёж печатной платы этого варианта устройства показан на рис. 9, а внешний вид смонтированной платы — на рис. 10.

Схема датчика тока с измененными деталями

Рис. 8. Схема датчика тока с измененными деталями.

Печатная плата для схемы датчика тока

Рис. 9. Печатная плата для схемы датчика тока.

Внешний вид датчика тока

Рис. 10. Внешний вид датчика тока.

Датчик тока на микросхеме ZXCT1009F

Упростить схему активного датчика и увеличить крутизну передаточной характеристики датчика тока можно, применив специализированную микросхему ZXCT1009F.

О возможности применения этой микросхемы для измерения переменного тока было рассказано в [2]. Схема устройства показана на рис. 11. Назначение элементов R1 и С1 такое же, как в ранее описанных устройствах.

Диод VD1 защищает вход микросхемы DA1 от нештатной полярности входного напряжения. Эта микросхема работает как однополупериодный выпрямитель, напряжение на выходе интегрирующей цепи R3C2 будет пропорционально среднему значению тока нагрузки.

Схема датчика тока на микросхеме ZXCT1009F

Рис. 11. Схема датчика тока на микросхеме ZXCT1009F.

Печатная плата

Рис. 12. Печатная плата.

Размещение деталей на печатной плате

Рис. 13. Размещение деталей на печатной плате.

Детали устройства смонтированы на печатной плате из фольгированного с одной стороны стеклотекстолита, чертёж которой приведён на рис. 12. Расположение элементов показано на рис. 13, а внешний вид варианта смонтированной платы — на рис. 14. Применены элементы для поверх ностного монтажа.

При выборе напряжения питания активных датчиков не следует забывать о так называемом коэффициенте амплитуды Ка (или крест-факторе) потребляемого нагрузкой тока, который характеризует отношение амплитуды потребляемого тока Іа к его действующему (или эффективному) значению Іэф: Ка = Iа/Iэф.

Дело в том, что многие бытовые устройства, питающиеся от сети, имеют встроенный импульсный источник питания с выпрямителем на входе.

Сглаживающий конденсатор выпрямителя заряжается только вблизи максимума сетевого напряжения, и от сети потребляется ток только в эти моменты. Для переменного тока прямоугольной формы Ка = 1, для синусоидального — Ка = 1,41, а для импульсного источника — Кa = 2. 4.

Вид датчика

Рис. 14. Вид датчика.

Это означает, что в активных датчиках максимальное неискаженное выходное напряжение ииыима,с должно быть больше, чем напряжение Uвых на выходе датчика (см. рис. 1), по крайней мере, в Ка, раз, а напряжение питания — ещё больше.

Например, для датчика на ОУ (двухполупериодный выпрямитель) при Uвых = 2 В и Ка = 2 напряжение питания Uпит >= 4 В для ОУ структуры rail-to-rail или Uпит >= 5. 6 В для обычного ОУ.

Поскольку на микросхеме ZXCT1009F собран одполупериодный выпрямитель, при тех же условиях напряжение питания должно быть примерно в три раза больше, чем Uвых. При этом не следует забывать, что для питания самой микросхемы требуется напряжение не менее 1,5. 2 В.

Поскольку интегрирующие цепи на выходе датчиков высокоомные, к их выходам следует подключать нагрузку, сопротивление которой, по крайней мере, в десять раз больше сопротивления резистора в интегрирующей цепи.

Каждый из датчиков требует калибровки, которую можно провести с помощью амперметра действующего значения переменного тока, источника переменного напряжения, в качестве которого можно применить вторичную обмотку понижающего трансформатора, включённого в сеть, и мощного переменного резистора.

Источник