Трансформатор тока позволяет преобразовывать большие токи в измеримый диапазон тока. Реле, включенные в несколько систем защиты, реализованы таким образом, что ток, подаваемый трансформатором тока, может использоваться для их приведения в действие. Также считается трудным измерять переменные токи большой величины с помощью обычных амперметров низкого диапазона, и поэтому трансформаторы тока используются в качестве промежуточной ступени для целей измерения и изоляции.
Рисунок 1. Различные трансформаторы тока. Изображение любезно предоставлено Talema Group.
магнитные компоненты, как правило, десятилетиями используются в различных силовых электронных устройствах. Они используются для управления, передачи и кондиционирования электроэнергии на разных этапах и в различных формах.
Дизайнеры всегда ищут новые материалы, топологии и процессы для повышения производительности. Было время в истории, когда создание магнетиков считалось скорее искусством, чем наукой. Это связано с тем, что дизайн в основном зависел от методов проб и ошибок, эмпирических формул и практических соображений. Кроме того, было несколько попыток стандартизировать процесс проектирования, чтобы сделать его более надежным и повторяемым.
Читайте дальше, чтобы узнать больше о принципе работы трансформатора тока и ключевых концепциях.
Трансформаторы тока и обзор схем
Трансформаторы тока используются для измерения тока, протекающего в цепях большой мощности, обычно для цепей измерения или обратной связи. Использование трансформаторов тока предпочтительнее измерения токов с использованием токовых шунтов, включенных последовательно с путем прохождения тока, из-за преимуществ трансформатора тока, таких как обеспечение изоляции между силовой цепью и измерительной цепью, меньший вклад в потери мощности и хорошее подавление синфазного сигнала. [1]. Обычно трансформатор поддерживает связь по переменному току, напряжение и преобразование уровня тока вместе с изоляцией постоянного тока [2].
Рисунок 2. Использование трансформатора тока для измерения большого тока. [3]
При проектировании трансформаторов тока учитывается их способность эффективно проводить необходимые значения токов первичной и вторичной обмоток. Это означает правильный выбор проводников, а также возможность достижения адекватной связи мощности. В идеале желательны жесткое регулирование напряжения без утечки и потерь тока - гистерезисных или вихревых - а также низкие общие искажения тока возбуждения.
Если все эти цели проектирования должны быть полностью выполнены, конечный продукт может быть громоздким, что опять-таки не предназначено. Таким образом, достичь наилучшего возможного дизайна на основе этих соображений крайне сложно.
Принцип работы
Трансформаторы тока относятся к семейству преобразователей тока, которые генерируют вторичный ток, по величине пропорциональный току, протекающему через первичную обмотку.
Первичная обмотка спроектирована так, что она состоит из одного или нескольких витков с большой площадью поперечного сечения и обычно подключается последовательно с цепью, которую необходимо определять на предмет протекания тока [4].
Вторичная обмотка имеет большее количество витков и выполнена из провода с меньшим поперечным сечением. Вторичная обмотка подключается к рабочей катушке реле или к измерителю тока.
Рисунок 3. Изображение трансформатора тока [4]
Область применения трансформатора тока определенного типа зависит от его точности, соотношения первичного и вторичного токов, типа используемой изоляции, механической конструкции и внешних условий эксплуатации.
Трансформатор тока работает аналогично обычным силовым трансформаторам, поскольку они в основном работают как повышающие трансформаторы напряжения. Обычно значение тока будет ниже на стороне высокого напряжения и наоборот. Таким образом, когда первичная сторона находится под напряжением, ампер-витки на первичной стороне создают магнитное поле в сердечнике.
Электродвижущая сила индуцируется на вторичной стороне из-за генерируемого магнитного потока, который, в свою очередь, управляет вторичным током. Ампер-витки сбалансированы в первичной и вторичной обмотках, а также падение напряжения на первичной обмотке намного меньше, что делает первичный ток независимым от вторичного тока.
Анализ конструкции трансформаторов тока
Конструкция трансформатора тока - это компромисс по стоимости, весу, количеству витков в обмотке и ее общим характеристикам [1]. Увеличение площади ядра увеличивает производительность, но отрицательно сказывается на стоимости и габаритах. Используются ферритовые или стальные сердечники, предпочтительно большее количество вторичных витков. Как правило, хорошая конструкция трансформатора тока ориентирована на более низкое напряжение на вторичной стороне, использование материала с высокой проницаемостью, большую площадь сердечника и большие витки вторичной обмотки.
Обычно при выборе материалов сердечника учитываются низкие потери в сердечнике, низкое значение сопротивления и низкая плотность потока. В изоляционных целях используются бумажные, лаковые, ленточные материалы и их разновидности.
Трансформатор тока может быть намотанным или стержневым. В случае применения низковольтного типа с обмоткой вторичные витки наматываются на бакелит, за которыми следуют первичные витки с соответствующей изоляцией между слоями. В стержневом типе одиночный стержень образует первичную обмотку и проходит через центр сердечника.
Рисунок 4. Трансформаторы тока могут быть стержневыми или намотанными.
Ключевые ссылки:
- Л. Умананд, С. Р. Бхат, «Дизайн магнитных компоненты для импульсных преобразователей мощности », Wiley Eastern Limited.
- Мариан К. Казимерчук, «Высокочастотные магнитные компоненты», John Wiley and Sons, Ltd.
- Марсель Деккар, «Справочник по проектированию трансформаторов и индукторов», 2004 г.
- Трансформатор тока