Параллельное и последовательное соединение трансформаторов. Последовательное и параллельное включение обмоток. Последовательное соединение обмоток

Бывает ситуация, когда у трансформатора нет обмотки на нужное напряжение или ток, зато есть много всяких разных обмоток. Что делать?

Для увеличения напряжения, обмотки можно соединять последовательно. При этом общее напряжение будет равно сумме напряжений всех обмоток. Максимальный ток будет равен наименьшему из номинальных токов всех этих обмоток.

В малогабаритных приборах, например, показанных на рис. 5, как правило, достаточно выделять тепло из-за внутренних потерь энергии, наружную поверхность металлического корпуса, возможно, увеличивая с соответствующими ребрами или рябью. В больших единицах поверхность передачи может быть дополнительно усилена за счет добавления трубчатых балок, которые соединены с верхней и нижней частью коробки, то есть с использованием двухстенных радиаторов, наружных воздушных жалюзи. это также можно активировать с помощью подходящих вентиляционных блоков, которые они распространяются по каналам или доппикам.

Обмотки надо сфазировать, иначе напряжения в них могут не складываться, а вычитаться (можно ра-

ботать и в такой ситуации, но КПД трансформатора снизится). Делается это так: первая и вторая обмотки соединяются последовательно, а к их концам подключается вольтметр переменного тока (рис. 16).

Вольтметр должен показать сумму напряжений обмоток 1 и 2 (это синфазное, или согласное включение обмоток). Если показания вольтметра меньше (в случае противофазного, или встречного включения он покажет разность напряжений обмоток), выводы обмотки 2 надо поменять местами. В случае, когда последовательно соединяется большее количество обмоток, то все повторяется, при этом роль обмотки 1 выполняют уже соединенные обмотки, а роль обмотки 2 – вновь подключаемая обмотка.

Рис.1. Трансформатор на сердечнике типа ПЛ

С другой стороны, циркуляция масла может быть вызвана через внешние охлаждающие устройства с помощью подходящих насосов. Выбор той или иной системы в основном зависит от наличия хладагента и других местных условий. Старое расположение с металлическими катушками, погруженное в масло в верхней части коробки и пересеченное водой, теперь встречается в Европе редко для конструктивного осложнения и опасности проникновения.
Замечательно то преимущество, которое дает большая масляная масса, так как она способствует увеличению водного эквивалента всей системы и увеличивает ее временную избыточность, ограничивая колебания температуры. Используемое масло получается из фракционной перегонки природной нефти. Оно должно быть настолько, насколько оно может быть очищено от любых следов щелочных и смолистых веществ; не содержат значительных количеств кислот и серы; имеют относительно небольшую вязкость и достаточно высокую температуру воспламенения.

На рис. 16 точкой возле обмотки обозначается ее условное начало. Оно имеет такой смысл: если на выводе с точкой первичной обмотки присутствует положительный полупериод напряжения (грубо говоря «плюс»), то и на выводах с точкой всех вторичных обмоток в этот момент также «плюс». Поэтому, зная условные начала обмоток, можно сразу соединить все обмотки синфазно. К сожалению, на самом трансформаторе начала обмоток обычно не обозначают.

Его диэлектрическая прочность быстро падает с помощью зерноуловителя поглощенной влаги, поэтому особенно важно высушить его химическими или механическими средствами, то есть с длительным нагреванием при подходящей температуре и, по возможности, при пониженном давлении.

Чтобы ограничить контакт с наружным воздухом и риск влагопоглощения, многие приборы оснащены внешним контейнером, общающимся с корпусом и предназначенным для расширения внутренней жидкости, он называется масляный фильтр. Некоторые производители предпочитают вместо этого заполнять верхнюю часть коробки инертным газом, таким как азот.

Если в трансформаторе много одинаковых вторичных обмоток на маленький ток, то по идее их можно соединить параллельно, тогда общий их ток будет равен сумме токов отдельных обмоток.

На самом деле это очень «тонкий» вопрос. В жизни практически никогда не бывает, чтобы две обмотки были абсолютно одинаковыми. Хоть малюсенькая разница в их напряжениях, но есть. И внутри параллельных обмоток могут возникнуть уравнительные токи иногда маленькой, а иногда и большой величины. Может получиться, что трансформатор здорово греется, а наружу тока почти не выдает. Но бывает и так, что производители мотают трансформатор в несколько проводов одновременно. Тогда обмотки получаются практически совсем одинаковыми и такие обмотки параллельно соединять можно (хотя, ГОСТ 14233-84 «Трансформаторы питания для бытовой аппаратуры» дает допуск на асимметрию обмоток, включаемых параллельно, до 3% от напряжения обмотки – это довольно большое рассогласование!). При этом очень важно правильно сфазировать обмотки, иначе будет короткое замыкание. Только надо быть абсолютно уверенным в том, что обмотки одинаковы. Поэтому давайте для надежности пользоваться таким правилом:

Стандарты, которые должны соблюдаться трансформаторами, разрабатываются и периодически пересматриваются Международной электротехнической комиссией, в которой также излагаются методы испытаний и допустимые пределы перегрева. Циркуляция масла естественна через трубчатый пучок, расположенный снаружи наружного воздуха, который окружает весь корпус; масляный ресивер помещается наверху.

Другой трехмоторный трансформатор с двойной мощностью и тем же напряжением, построенный мастерской Сан-Джорджио с циркуляцией масла, воспроизводится на рис. 9, что лучше всего иллюстрирует важность сквозных изоляторов, поддерживающих высоковольтные зажимы.

Если производитель явно указывает, что обмотки трансформатора можно соединять параллельно, то можно. Если такого явного указания нет – то нельзя.

Как правильно сфазировать обмотки? Начала всех обмоток соединить вместе – это будет начало общей обмотки. Конец общей обмотки составят соединенные вместе концы всех обмоток.

Если неизвестны начала и концы обмоток, то сначала соедините между собой один провод от одной обмотки и один от другой. Подайте питание на трансформатор и измерьте напряжение между оставшимися концами этих обмоток (рис. 17).

Внутренний реактор должен в этих случаях обеспечивать адекватную защиту от избыточного тока в переходном состоянии короткого замыкания. Когда трансформатор должен транспортироваться по железной дороге, максимальные размеры подчиняются контуру соответствующих фигур и весу до максимальных нагрузок, налагаемых типом транспортных средств и характером дорожного строительства. Большие строительные дома оснащены специальными плоскими вагонами, покоящимися на тележках на многочисленных колесах, для необходимого фракционирования веса между различными мостами.

Если между ними напряжение равное удвоенному напряжению каждой из обмоток, то концы одной из обмоток надо поменять местами. Снова подайте питание и снова измерьте напряжение. Если оно равно нулю, то все ОК, соединяете концы, между которыми измеряли напряжение и пользуетесь. Если же напряжение не равно нулю, то обмотки разные, и их паралле- лить нельзя!

Защита трансформаторов от риска внутреннего перенапряжения является одной из самых деликатных проблем в технике их строительства. Понятие о том, что всплеск волны на крутом фронте, от внешних линий, должны были найти самое сильное препятствие на пути их распространения в сильном реактивное сопротивление обмотки и быстро выгорают на своем пути, предложил многие изоляция первых шпилей, примыкающих к входным клеммам обмотки высокого напряжения, и средство защиты предполагало определенную рациональность в звездах-трансформаторах и нейтральную точку, стабильно связанную с землей.

А если напряжение на двух обмотках получилось не

ноль, но очень близкое к нулю? Давайте рассмотрим пример. Сопротивление вторичной обмотки тороидального трансформатора 75ВА 2×28В равно примерно 0,5 Ом. Допустим мы хотим получить такую обмотку из двух, каждая из которых рассчитана на вдвое меньший ток. Тогда сопротивление каждой обмотки вдвое выше и будет равно 1 Ом. С точки зрения уравнительных токов обмотки включены последовательно (значит, общее сопротивление удваивается) и к ним прикладывается разность напряжений между обмотками. Допустим, эта разность напряжений равна 0,5 вольт. Тогда уравнительный ток будет

Более глубокие исследования, в сочетании с осциллографическими формами, однако, показали, что на все внутренние части обмоток могут влиять затмевающие волны, особенно когда в сочетании с аутоиндукцией и мощностью возникают локальные резонансные явления.

Трансформаторы специального типа. — Обычный силовой трансформатор с фиксированными обмотками и нечетным отношением между количеством витков, приводимых в действие при постоянном первичном напряжении, имеет привилегию также обеспечивать приблизительно постоянное напряжение между терминалами; поэтому он поддается параллельной вставке первичных и вторичных цепей как в однофазных, так и в многофазных сетях и прекрасно адаптируется к наиболее распространенной форме распределения энергии.

2. Если вольтметр показывает разность напряжений обмоток в точности равную нулю, это означает, что и формы напряжений обмоток, и их величины одинаковы (что уже само по себе редкое явление). Но кто поручится, что при изменении напряжения в сети, или изменении тока, потребляемого нагрузкой, формы токов так одинаковыми и останутся? Это не всегда случается даже у однотипных трансформаторов (из-за разброса свойств стали они могут немного по-разному насыщаться), а для трансформаторов разных типов это вообще нереально.

Тем не менее, из-за его способности генерировать электромагнитные силы и токи величиной и интенсивностью он одинаково хорошо функционирует как контрольный и испытательный орган, а также как вспомогательный измерительный прибор, так и для других специальных целей.

Регулировочные трансформаторы. — Они функционируют в качестве регуляторов, в дополнение к уже упомянутым переменным переменным трансформаторам, которые имеют первичный в ответвлении и вторичный последовательно с главной цепью, так что регулируемое усилие электродвигателя может быть добавлено или вычтено к приложенному там напряжению, изменяя количество скручивание или относительное положение двух обмоток. В многофазных системах эта вторая искусственность поддается особенно хорошо для этой цели, как двойные первичной и вторичного ток системы может, через «симметричный магнитный кадр, чтобы генерировать вращающийся поток амплитуды, по существу, неизменной, это вызывает в» вторичной обмотке системы электромоторные силы, амплитудные константы, фазы которых могут быть изменены путем изменения относительного положения двух обмоток и что, формируя линейные напряжения, они могут изменять результирующую величину в определенных пределах.

Поэтому давайте не будем рисковать, и не будем создавать себе возможные проблемы, соединяя параллельно обмотки разных трансформаторов!

Бросок тока при включении трансформатора. При включении трансформатора в сеть даже на холостом ходу возникает всплеск тока (пусковой ток, являющийся следствием переходного процесса в трансформаторе), который может превышать номинальный в десятки раз. Длительность пускового тока обычно не превышает 0,02…0,03 секунды, поэтому он не приводит к перегреву обмоток. Однако в этот момент на проводники обмоток действуют значительные электромагнитные силы, которые могут сдвинуть плохо закрепленные витки. С течением времени витки разбалтываются, и акустический шум трансформатора растет.

Благодаря тому, что система вторичной звездочки независима, ее можно использовать в качестве источника постоянных, но с переменными фазами электродвижущих сил для участия в технике электрических измерений, например. для калибровки ваттметров и счетчиков; Затем прибор записывает имя фазовращателя.

При соединении последовательно первичной обмоткой, которая получает напряжение от генератора или сети, со вторичной, предназначенной для подачи устройства для утилизации или как таковая часть той же первичной обмотки, получается делитель напряжения или автотрансформатор; это предлагает по сравнению с общим трансформатором преимущество более дешевой конструкции, особенно когда коэффициент трансформации немного отличается от устройства, путем регулировки сечения общих витков в двух витках только при дифференциальном токе.

Другим неприятным последствием пускового тока является перегорание предохранителя в цепи первичной обмотки.

Величина пускового тока определяется как моментом времени включения (по отношению к начальной фазе сетевого напряжения), так и параметрами трансформатора. В частности, повышение числа витков первичной обмотки снижает пусковой ток, что еще раз говорит в пользу применения трансформаторов с пониженной рабочей индукцией. И наоборот, у трансформатора, работающего близко к насыщению, бросок тока при включении может быть очень большим.

Удобно настраивая магнитную раму и делая первичную спираль вторичной спирали, частично уравновешенной внешним противовесом и частично электродинамическим напряжением между ними, она позволяет преобразовать из первичного потенциала в постоянный вторичный ток, подходит для всех освещения с лампами в серии.

Испытательные трансформаторы. — Это, по существу, трансформаторы с неизменным и очень высоким соотношением, приводимые в действие регулируемыми первичными напряжениями и способные обеспечивать между терминалами вторичные разности потенциалов, которые являются более или менее высокими для тестирования изоляционных материалов или для других исследовательских целей. Конструкция становится дешевле, разделив преобразование на две или более последовательные этапы, с тем преимуществом, что ограничивает разницу в среднем потенциале между обмотками и сердечником, а также соответствующим корпусом для каждой фракции желаемого максимума.

Трансформаторы с пониженной рабочей индукцией. Существует мнение (вполне оправданное), что хорошие результаты дает применение в усилителях трансформаторов с пониженной индукцией, работающих практически на линейном участке кривой намагничивания (конец участка А – начало участка В на рис. 9). Действительно, снижение индукции уменьшает потоки рассеяния, а значит и магнитные поля трансформатора, а также снижает пусковой ток. Это достигается увеличением числа витков в обмотках в 1,2…1,3 раза выше номинального. Уменьшение полей рассеяния снижает индуктивность обмоток, но из-за повышения длины провода, возрастает их активное сопротивление, поэтому просадки напряжения под нагрузкой практически не меняются, а вот нагрев обмоток растет. Для нормализации нагрева увеличивают мощность трансформатора, повышая диаметр проводов обмоток.

Таким образом, мгновенная вставка конденсаторов последовательно приводит к чрезвычайно высокой разности потенциалов между экстремумами. Аналогичные устройства были также построены в Америке для генерации, одновременно заряжая одновременно конденсаторные батареи параллельно, правильно нагруженные, высокоинтенсивные импульсные токи.

Измерительные трансформаторы. — Использование специальных преобразователей напряжения и тока является необходимым для целей измерения, когда размеры в играх несовместимы с использованием устройств прямой индикации или когда измерение должно проводиться дистанционно с рассмотренных схем.

Таким образом, чтобы получить трансформатор с пониженной рабочей индукцией, необходимо изготовить трансформатор с мощностью в 1,3…1,5 раз больше требуемой, все обмотки которого рассчитаны на напряжение в 1,2…1,3 раза больше необходимого.

Необходимо отметить, что при этом улучшается только работа самого трансформатора, на усилитель это никак не сказывается (если только магнитные поля трансформатора не действуют на усилитель, но к этому необходимо стремиться в любом случае). Поэтому затраты на такой специальный трансформатор практически никогда не окупаются (кроме техники очень высокого качества, там применение подобного трансформатора не только оправдано, но и зачастую просто необходимо), а в конструкциях начинающих радиолюбителей – наверняка. Поэтому «низкоиндукционный» трансформатор имеет смысл применять, если он уже есть, а если его нет, то и не надо.

В трансформаторах с высокой интенсивностью тока первичная обмотка может быть уменьшена до небольшого числа витков или к одному проводнику, проходящему через кольцевой сердечник железа, на котором намотаны вторичные витки. Если сердечник сформирован что через него один или несколько раз может проходить гибкий первичный проводник, получается портативный редуктор, коэффициент трансформации которого может сильно варьироваться. Чтобы гарантировать постоянный масштаб коэффициента трансформации необходимо, в дополнение к сопротивлению вторичной электрической цепи, минимизировать сопротивление магнитной цепи.

Подмагничивание сердечника постоянным током. Трансформатор – устройство, предназначенное для работы на переменном токе (причем только своей, или близкой к ней частоты – если частота тока сильно отличается от номинальной, он может работать хуже или не работать вообще). Постоянный ток он не преобразует, потому что ЭДС в обмотках наводится только изменяющимся магнитным полем, которое получается, если ток переменный. И на постоянный ток не влияет индуктивность обмоток. Поэтому если на трансформатор подать 220 вольт постоянного тока, трансформатор сгорит – активное сопротивление первичной обмотки маленькое, и ток будет огромным.

Поэтому прецизионные высокоточные ядра предпочтительно сконструированы с использованием материалов с высокой магнитной проницаемостью, таких как сплавы железа и никеля, которые были названы пермаллоя, муметалла, пермиминвара и т.д. в частности, постоянство проницаемости, как и в балласты, предназначенные для компенсации длинных линий связи, ядра могут быть образованы с помощью тонко расположенных магнитных материалов, таких как железный порошок, смешанный с немагнитными материалами, например. парафином, в результате чего каждая частица подвергается слабому внутреннему магнитному полю.

А что случится, если через обмотку все же протекает постоянный ток? На переменном токе даже очень большие токи обмоток практически не изменяют рабочий магнитный поток, так как влияния первичной и вторичной обмоток взаимно компенсируются. На постоянном токе взаимодействия обмоток и взаимной компенсации токов не происходит. Постоянный ток создаст ничем не компенсируемое магнитное поле, которое будет подмагничивать сердечник, изменяя индукцию в нем. Если это поле достаточно велико, то сердечник начнет насыщаться со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Проблемы изоляции особенно важны для высоковольтных редукторов, где магнитные автоматические выключатели легче решать, так как промышленные приборы этой категории обычно подключаются к сетям с постоянным потенциалом и подвержены индукционным потокам неизменна.

Редукторы тока и напряжения должны удовлетворять особенно тонким требованиям, когда они предназначены для измерения мощности, для которых точность не достаточна для стабильности коэффициентов трансформации, но требуется «точное согласование» между относительными фазами токов и вторичным и первичным напряжениями. Технология строительства также добилась значительного прогресса в этом отношении, а прямые и косвенные методы испытаний позволяют выполнять быстрые и точные проверки работы.

Так что появления постоянного тока (заметной величины) в трансформаторе следует избегать. Исключение составляют выходные трансформаторы ламповой техники – в них предусмотрен зазор в сердечнике для исключения насыщения. Но и в таком случае трансформатору работать не очень комфортно.

Лежало несколько трансформаторов без дела, и один из них (советский ТСА-30-1

, 30 Вт) решил использовать для универсального блока питания.

Поскольку его родные обмотки меня не устраивали (в основном по допустимому току), то решил убрать все его вторичные обмотки и намотать свои. Процесс сопровождался множеством «открытий» и ставящих в тупик вопросов, в процессе решения которых собралось много полезных деталей, которыми захотелось поделится с такими же новичками в этом деле, как и я.

В статье есть видео с подробностями некоторых этапов.

В чем мне здесь несправедливо повезло:

1. Было свободное время и никто не мешал.
2. Было много разных старых запасов, в т.ч. медного провода нужной длины.
3. Много информации в Интернет (особенно по части теории).

Заратустра меня простил…

Видео перемотки трансформатора

Время разных этапов этого видео:

26 мин 28 сек

— экран из фольги между первичкой и вторичкой

27 мин 52 сек

— как правильно последовательно соединить обмотки

36 мин 43 сек

— как узнать направление витков при помощи батарейки и мультиметра

44 мин 14 сек

— расчет и намотка новой вторичной обмотки

1 ч 24 мин 20 сек

— просадка сетевого напряжения и другие потери

1 ч 30 мин 01 сек

— ток холостого хода

1 ч 32 мин 14 сек

— пайка алюминия

1 ч 33 мин 42 сек

— итог

Исследование модифицируемого трансформатора

Трансформатор ТСА-30-1

оказался намотан алюминиевым проводом (буква «А» как раз означает алюминий).

Информации о нем в Интернет, к счастью, было достаточно, хотя реальность не совпала с найденным на него паспортом. По паспорту одна из обмоток должна была быть вроде бы как медной (провод ПЭВ-1, не имеет буквы «А» в названии как другие — ПЭВА), и я планировал ее не трогать, но в процессе работы оказалось, что эта обмотка тоже алюминиевая. Поэтому я ее тоже удалил. Т.е. осталась нетронутой только первичная обмотка.

Экран из алюминиевой фольги

В процессе разборки, я из любопытства отмотал немного пропарафиненной бумаги над первичной обмоткой хотел на нее посмотреть, и натолкнулся на один виток фольги, который присутствовал между первичной обмоткой и вторичной. Этот виток фольги шел внахлест вместе с бумагой, т.е. он не замыкался, и только один из концов был отрезком медного провода соединен точечной сваркой с корпусом. Такое разделение используют в качестве экрана от помех, хотя по поводу его эффективности идут споры. Трансформатор советский и экран был заложен на заводе изготовителе — я его трогать не стал.

Направление витков

Витки на трансформаторе были намотаны на разных катушках (левой и правой) абсолютно одинаково (не зеркально, а именно одинаково). В дальнейшем стало понятно, что такая намотка сделана исключительно для удобства при последующем последовательном соединении обмоток с разных катушек. Видимо, по той же причине направление разных вторичных обмоток чередуется. В этом случае перемычки между обмотками при последовательном соединении просто удобнее ставить с одной стороны.

Металлические клеммы

Клеммы этого трансформатора очень трудно паять и лудить, поскольку они судя по-всему сделаны не из меди. Медь, чем лучше ее прогреешь, тем лучше она паяется, а у стальных (?) клемм прогрев приводит к скатыванию припоя в шарик и его перетеканию с клеммы на жало паяльника. Нужно ловить один из начальных моментов прогрева, чтобы припой остался на клемме в приемлемом виде.

В исследуемом трансформаторе было тяжело вдвойне, т.к. к металлическим клеммам был припаян алюминий. Пришлось использовать для пайки ортофосфорную кислоту

с последующей промывкой водой и сушкой на радиаторе.

Первичная обмотка

В этом трансформаторе две катушки, и каждая обмотка разделена на две равные части, которые намотаны на каждую из двух катушек, с последовательным соединением. Считается, что так выше КПД — равномернее нагрузка.

Первичная обмотка состоит из двух по 110v на каждой катушке, соединенных последовательно перемычкой. Кроме того к каждой из обмоток последовательно присоединена небольшая добавочная обмотка, которую я отсоединил и использовал в своих целях (превратив таким образом во вторичную). Напряжение этой добавочной пары — около 36v (при 230v в сети).

Схемы соединения трансформаторов тока

Для подключения реле и измерительных приборов вторичные обмотки ТТ соединяются в различные схемы. Наиболее распространенные схемы приведены на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Схемы соединения ТТ.

На рис. 2.5.а дана основная схема соединения в звезду, которая применяется для включения защиты от всех видов однофазных и междуфазных КЗ.

На рис. 2.5.б – схема соединения в неполную звезду, используемая главным образом для включения защиты от междуфазных КЗ в сетях с изолированными нейтралями.

На рис. 2.5.в – схема соединения в треугольник, используемая для получения разности фазных токов (например, для включения дифференциальной защиты трансформаторов).

На рис. 2.5.г – схема соединения на разность токов двух фаз. Эта схема используется для включения защиты от междуфазных КЗ, так же как схема на рис. 2.5.б.

На рис. 2.5.д – схема соединения на сумму токов всех трех фаз (фильтр токов нулевой последовательности), используемая для включения защиты от однофазных КЗ и замыканий на землю (подробно рассмотрена ниже).

На рис. 2.5.е дана схема последовательного соединения двух трансформаторов тока, установленных на одной фазе. При таком соединении нагрузка, подключенная к ним, распределяется поровну, т. е. на каждом из них уменьшается в 2 раза. Происходит это потому, что ток в цепи, равный , остается неизменным, а напряжение, приходящееся на каждый ТТ, составляет половину общего. Данная схема применяется при использовании маломощных ТТ (например, встроенных в вводы выключателей и трансформаторов).

На рис. 2.5.ж дана схема параллельного соединения двух ТТ, установленных на одной фазе. Коэффициент трансформации этой схемы в 2 раза меньше коэффициента трансформации одного ТТ. Схема параллельного соединения используется для получения нестандартных коэффициентов трансформации. Например, для получения коэффициента трансформации 37,5/5 соединяют параллельно два стандартных ТТ с коэффициентом трансформации 75/5.

Трехтрансформаторный фильтр токов нулевой последовательности (рис. 2.5.д)

Используется в сетях с глухозаземленными нейтралями (сети напряжением 110 кВ и выше) в защите от КЗ на землю. Значение тока в измерительном органе равно сумме вторичных токов:

.

При наличии в первичном токе составляющих прямой и обратной последовательностей, их сумма равна нулю (см. рис. 1.14). Составляющие нулевой последовательности, поскольку имеют одинаковое направление, утраиваются. Таким образом, в измерительном органе, включенном на сумму токов трех фаз имеем утроенное значение тока нулевой последовательности, что позволяет использовать его в качестве фильтра токов нулевой последовательности, т.е. при КЗ на землю ток в защите:

.

Однако, вследствие неравенства характеристик трансформаторов тока, вызванного различной погрешностью ТТ фаз, на выходе фильтра появляется ток небаланса и значение тока в измерительном органе с учетом этой погрешности определится соотношением:

.

Для расчетов релейной защиты обычно определяется первичный ток небаланса:

, где:

— коэффициент однотипности, принимаемый равным 0,5 при однотипных (близких по характеристикам) ТТ и 1 – при разнотипных;

— коэффициент апериодичности, учитывающий повышенное значение намагничивающих токов переходного режима КЗ и принимаемый для защит, работающих без выдержки времени, равным 2;

— полная погрешность трансформаторов тока;

— ток КЗ, при котором определяется небаланс.

Выбор трансформаторов тока

Исходные данные.

Все трансформаторы тока выбираются, как и другие аппараты, по номинальному току и напряжению установки и проверяются на термическую и электродинамическую стойкость при КЗ. Кроме того, ТТ, используемые в цепях релейной защиты, проверяются на значение погрешности, которая, как указывалось выше, не должна превышать 10% по току и 7° по углу. Для проверки по этому условию в информационных материалах заводов-изготовителей ТТ и в другой справочной литературе даются характеристики и параметры ТТ:

1) Кривые предельной кратности К10

от сопротивления нагрузки
ZH
, подключенной к вторичной обмотке (см. рис. 2.6). Предельной кратностью
К10
называется наибольшее отношение, т. е. наибольшая кратность, первичного тока, проходящего через ТТ, к его номинальному току, при которой полная погрешность ТТ (ε) при заданной вторичной нагрузке не превышает 10%. При этом гарантируемая предельная кратность при номинальной вторичной нагрузке
ZH.ном
. называется номинальной предельной кратностью.

Рис. 2.6. Кривая предельной кратности.

Таким образом, пользуясь кривыми предельной кратности, можно определить либо допустимую нагрузку по известной кратности первичного тока, либо допустимую кратность первичного тока по известной нагрузке, при которых полная погрешность ТТ не будет превышать 10%.

2) Типовые кривые намагничивания, представляющие собой зависимость максимальных значений индукции (В

) в сердечнике от действующих значений напряженности магнитного поля
Н
при средней длине магнитного пути и определенном сечении сердечника.

Таким образом, эта характеристика является характеристикой железа, из которого сделан ТТ, а для конкретного трансформатора тока она пересчитывается в вольтамперную с учетом числа витков и геометрических размеров сердечника.

Следует иметь в виду, что допускается 20% отклонение характеристик от типовой. Поэтому рассчитанную характеристику нужно понизить по напряжению на 20%.

3) Действительные характеристики намагничивания (называются ниже вольтамперными), представляющие собой зависимость напряжения на зажимах вторичной обмотки ТТ U2

от проходящего по этой обмотке тока намагничивания, т.е. . Пользуясь действительными характеристиками намагничивания, можно также определить и
I2
и оценить допустимость полученной погрешности. Эта характеристика снимается непосредственно на используемом трансформаторе тока.

4) Нагрузка вторичной обмотки трансформаторов тока.

Расчетная нагрузка трансформаторов тока в схемах защит определяется схемой соединения ТТ, сопротивлениями реле, сопротивлениями в контактных соединениях. Сопротивления отдельных элементов для упрощения расчетов складываются арифметически, переходное сопротивление принимается равным 0,05 Ом.

Расчет вторичной обмотки трансформатора

Главная ошибка которую я допустил — расчитывал вторичную обмотку, исходя из напряжения в сети 220v. Между тем, напряжение в сети в пиковые нагрузки может проседать до 185v , — это почти на 20% ниже положенного! Поэтому, рассчитывая вторичную обмотку, надо исходить из этого показателя — не 220, а например 180. Иначе можно сильно просчитаться.

При расчете напряжения в трансформаторе блока питания следует учитывать:

• Минимальное напряжение в сети ~180 V
• Падение напряжения на диодном мосту — более 2 V
• Падение напряжения на стабилизаторе — например 3 V
• Просадку напряжения на вторичных обмотках при увеличении тока нагрузки (умножаем в среднем на 1,02 — 1,06, в зависимости от предельного тока)

На рисунке ниже — напряжение на одном элементе диодного моста KBU801

при токе 8 A доходит до 1,08 V. Т.е. на всем мосту падение напряжения будет более 2 V (клинуть мышью для увеличения).

Для уточнения количества витков на вольт во вторичной обмотке можно сделать временную контрольную обмотку

(например 10 витков) и замерять выдаваемое ею напряжение (обязательно проверить напряжение в сети !). После чего разделить эти 10 (витков) на полученное напряжение. Таким образом получим количество витков на вольт.

ВАЖНО!

Необходимо делить витки контрольной обмотки на ее напряжение, а не наоборот!

Пример

.

Необходимо напряжение питания 20 V при максимальном постоянном токе 2 A.

Приблизительный подсчет выглядит примерно так:

20 + 3 = 23 V (падение напряжения на стабилизаторе)

23 + 2,2 = 25,2 V (падение напряжения на диодном мосту)

25,2 / 1,41 = ~17,3 V (переводим постоянное напряжение после диодного моста с конденсатором в необходимое переменное вторички)

17,3 * 1,06 = ~18,4 V (учитываем просадку напряжения в обмотке при максимальном токе нагрузки)

Если у нас идет например 4,4 витка на вольт при идеальных ~220 V, то при напряжении ~180 V в сети, нам понадобится

18,4 * 4,4 = 81 виток (для идеального напряжения ~220 V)

81 * (220/180) = 99 витков (для пикового падения напряжения до ~180 V)

Т.е. при ~220 V в сети, вторичная обмотка, содержащая 99 витков, будет выдавать около ~22,5 V (а при просадке в сети до ~180 V, необходимые ~18,4 V)

Схемы подключения трансформатора

Для осуществления максимальной токовой защиты применяются различные схемы подключения трансформаторов тока (ТТ). Какая из схем будет использоваться, зависит от того, где именно применяются ТТ. Так например, в городских сетях может использоваться схема «полной звезды», а в сельских – «неполной звезды». В дифференциальных и других защитах трансформаторы могут включать в треугольник, а реле — в звезду.

Полная звезда

Схема подключения трансформаторов тока «полная звезда» (рис.1), при которой ТТ устанавливают во всех трёх фазах, а нулевые точки вторичных обмоток последовательно соединены одним нулевым проводником. При таком подключении в реле тока (обозначены на рисунке I, II и III) протекают токи равные токам проходящие через первичные обмоток ТТ, делённые на коэффициент трансформации nT. В нулевом же проводе протекает геометрическая сумма всех токов Iн.п., которая в случае равенства этих трёх токов равна нулю.

Коэффициент схемы Ксх, представляющий собой отношение тока в реле к току в фазе, равен 1, поскольку ток в каждом из трёх реле равен току в соответствующей фазе.

Неполная звезда

На рис. 2 показана схема «неполная звезда». Отличием данной схемы от предыдущей является то, что ТТ установлены только на дух фазах из трех. В остальном же схема аналогична: обмотки реле (I и III) и вторичные обмотки ТТ установлены так же, как в полной звезде. В нулевом проводе протекает геометрическая сумма токов тех двух фаз, к которым подключены трансформаторы.

Также, как и для предыдущей схемы коэффициент Ксх = 1.

Треугольник

На рис. 3 показана схема подключения устройств максимальной токовой защиты в «треугольник». При такой схеме подключения вторичные обмотки ТТ соединены последовательно с противоположными выводами, образуя треугольник. Таким образом, в каждом из реле протекает ток, равный геометрической разнице тока в соответствующей фазе и тока в фазе, следующей за ней:

При этом Ксх = , поскольку ток в каждом из реле в раз больше, чем ток соответствующей фазе.

«Восьмёрка» («неполный треугольник»)

На рис. 4 показано подключение ТТ по схеме «восьмёрка» (неполный треугольник). В данной схеме трансформаторы установлены только в двух фазах, а вторичные обмотки соединены друг с другом противоположными выводами. Ток в реле равен разнице токов двух фаз, в которых установлены трансформаторы. При такой схеме подключения Ксх = 2.

Последовательное и параллельное включение трансформаторов тока

На рис.5 представлена схема последовательного соединения трансформаторов тока. При таком соединении вторичных обмоток ТТ с одинаковым коэффициентом трансформации сила тока такая же, как при включении в цепь только одного из трансформаторов, при этом нагрузка распределяется поровну по двум. Такая схема может применяться при использовании трансформаторов малой мощности.

При соединении трансформаторов тока по схеме указанной на рисунке 6 ток в реле равен сумме токов во вторичных обмотках каждого из трансформаторов. Обычно, данная схема используется для получения нестандартных коэффициентов трансформации.

Намотка

Я наматывал одновременно четыре параллельных провода . В результате получил четыре обмотки на каждой катушке в каждом ряду. Такое количество обмоток дает возможность, соединяя их последовательно (или параллельно), комбинировать необходимое напряжение (и ток).

Для лабораторного блока питания, используемого как инструмент при работе, это наиболее удобный вариант.

ВАЖНО!

Для трансформатора имеющего сердечник в виде буквы «О», с двумя катушками справа и слева (такого, как рассматривается в этой статье), лучше всего каждую обмотку разделить на две (одинаковые), намотанные на разные катушки и соединенные последовательно. В этом случае будет выше КПД.

КСТАТИ

при укладке на каркас, желательно слегка выгибать провод наружу перед каждым загибом на углах, чтобы витки потом не отходили в стороны от каркаса, образуя зазор при котором ухудшается плотность намотки. Я дополнительно еще придавливал провод сосновым бруском после каждого загиба на каркасе.

Расчет длины провода.

Перед намоткой необходимо замерять ширину каркаса и ширину окна между каркасами катушек (или каркасом и сердечником). После этого необходимо рассчитать длину провода, и учесть его диаметр (с лаковой изоляцией!). Если намотка происходит без разборки сердечника, способом продевания провода в окно, то кусок/куски провода необходимой длины нужно будет «откусить» заранее, поэтому важно не ошибиться. Если провод достаточно тонкий (например менее ᴓ 0,5 мм) и длинный, то имеет смысл сделать тонкий челнок, на который намотать провод нужной длины — так его будет легче протаскивать в окно.

У меня здесь например внутренняя длина каркаса была 54 мм, и рассчитывая уложить 52 витка провода диаметром 1мм, я не угадал — последние пол витка мне пришлось делать частично внахлест (видимо я не учел толщину лаковой изоляции). См. рисунок (для увеличения — нажать мышью):

При расчете возможностей окна нужно учитывать суммарную толщину изоляционных прокладок из бумаги или лакоткани между обмотками.

Для точного расчета необходимой длины нужно сделать контрольный виток и замерять его длину. При этом, в каждом следующем ряду виток будет немного длиннее (скажется толщина нижнего ряда и толщина междурядной изоляционной прокладки). Надо понимать, что например при 50 витках ошибка длины в один миллиметр на виток даст погрешность 5 см на 50 витках. Также надо учесть запас на выводы (я добавлял к общей длине кусков по 10 см с каждой стороны, т.е. всего 20 см. — этого было достаточно и на выводы, и на возможную ошибку).

Способ подключения параллельных обмоток трансформатора

Мне часто задают вопрос: “Можно ли соединять параллельно одинаковые вторичные обмотки силовых трансформаторов?” Вопрос, безусловно, правильный, и на него нужно отвечать. Ныне в устаревшей аппаратуре можно найти большое количество готовых силовых трансформаторов заводского изготовления, которые радиолюбители приспосабливают под свои запросы. Очень часто эти трансформаторы не совсем подходят по параметрам, например, по требуемому току нагрузки.

Когда на выводах удвоенное напряжение одной из обмоток, они соединены синфазно последовательно. В первом случае свободные концы обмоток можно соединить вместе и получить параллельное включение обмоток. Во втором случае концы одной из обмоток нужно поменять местами. Однако малейшая неидентичность обмоток способна повлиять на параметры силового трансформатора: его габаритная мощность и КПД при этом уменьшаются, а нагрев обмоток увеличивается.

Возьмем, скажем, унифицированный трансформатор ТН-60 (трансформатор накальный), имеющий 4 одинаковые вторичные обмотки по 6,3 В (две обмотки имеют еще и отводы на 5 В), рассчитанные каждая на ток 6 А. Для получения токов, вчетверо больших, необходимо соединить обмотки так, как показано на рис.1 (включение обмоток с однополупериодным выпрямлением). Поскольку из-за конструктивного разброса параметров обмотки могут иметь немного отличающиеся напряжения, большее потребление тока (при идентичных диодах) будет от той обмотки, напряжение которой выше.

Для питания различных конструкций часто применяется напряжение 12 В, поэтому соединение обмоток для такого применения можно выполнить согласно рис.3. В этом случае через каждый диод будет проходить половина тока нагрузки. Чтобы получить выходное стабилизированное напряжение около 13,8 В, принятое как стандарт в радиопередающей аппаратуре, необходимо применять стабилизаторы с низким падением напряжения на регулирующем элементе [1, 2].

Минимально необходимый перепад напряжений на регулирующем элементе таких стабилизаторов составляет около 0,5 В. Его устанавливают при максимальном токе нагрузки, подбирая емкость конденсатора фильтра после выпрямителя. Чем больше емкость этого конденсатора, тем больший выходной ток можно “отобрать” от стабилизатора при заданном входном напряжении.

Направление витков

Я с трудом нашел информацию про направление витков обмотки, — для этого пришлось освежить школьный курс физики (правило буравчика и т.п.). Хотя этот вопрос неизбежно возникает у новичка.

Главное правило — направление витков обмотки не имеет значения

… до тех пор пока возникает необходимость соединять обмотки друг с другом (последовательно или параллельно), либо в случае применения трансформатора в каких-нибудь устройствах, где важна фаза сигнала .

Не важно в каком направлении наматывать витки — важно как потом соединяются обмотки

Последовательное соединение обмоток

При последовательном соединении обмоток трансформатора, нужно мысленно представить, что одна обмотка является продолжением другой , а точка их соединения — это разрыв единой обмотки

, в которой
направление вращения
витков вокруг сердечника сохраняется неизменным (и конечно не может разворачиваться в обратную сторону!).

При этом любой вывод обмотки может быть началом или концом, а само направление вращения может быть любым. Главное, чтобы это направление оставалось одинаковым у соединяемых обмоток.

При этом, движение соединяемых обмоток сверху вниз катушки или снизу вверх не имеет значения (см. рисунок — увеличивается кликом мыши).

В трансформаторах, у которых сердечник имеет форму буквы «О», и катушки намотаны на двух каркасах справа и слева, действует те же правила. Но для простоты понимания можно мысленно «разорвать» сердечник (сверху или снизу), и представить, что он выпрямляется в один стержень, — так легче будет понять, как одна обмотка переходит в другую с сохранением направления вращения витков (по или против часовой стрелки). См. рисунок ниже (рисунок увеличивается кликом мыши).

Параллельное соединение обмоток

При параллельном соединении важна длина провода в обмотках.

Даже при одинаковом количестве витков , разные обмотки могут иметь разную длину провода (та обмотка, которая ближе к середине — будет короче, а та что дальше — длиннее). В результате этого могут возникать перетоки

.

Если предполагается параллельное соединение обмоток, то лучше мотать их одновременно в два (три, четыре…) провода. Тогда они будут одинаковой длины, что максимально исключит перетоки при их дальнейшем параллельном соединении.

Намотку в несколько проводов также используют при отсутствии провода нужного сечения (набирают большое сечение несколькими проводами меньшего).

Проверка направления витков при помощи батарейки и мультиметра

Если есть трансформатор, в котором нужно соединить две обмотки последовательно, но направление витков не видно и не известно, можно подать импульс постоянного тока от батарейки на одну из обмоток, наблюдая за скачком напряжения на другой обмотке.

Когда скачок напряжения в момент подключения батарейки на мультиметре (на второй обмотке) будет в «+», то точками соединения обмоток будут любые «+» и «-» разных обмоток (например «+» мультиметра и «-» батарейки, или наоборот). Два других конца при этом будут выводами этих обмоток после соединения (см. рисунок — кликнуть мышью для увеличения).

Направление витков на разных катушках

Повторюсь — не важно направление намотки, важно подключение обмоток.

Хотя есть одно «но». Если говорить об удобстве, то на таком типе трансформатора (с сердечником в виде буквы «О» и двумя катушками), удобнее правую и левую катушку мотать одинаково (не зеркально, а одинаково). В этом случае удобнее будет ставить перемычки при последовательном соединении двух обмоток на разных катушках — перемычки будут с одной стороны, и не через весь каркас сверху вниз.

См. рисунок (для увеличения — кликнуть мышью на рисунке):

Соединение обмоток трансформатора (параллельное, последовательное и смешанное соединение).

Видео по этой теме:

Трансформатор является электротехническим устройством, которое способно преобразовывать электрическую энергию посредством электромагнитных полей. Конструкция классического трансформатора представляет собой магнитопровод, состоящий из пластин (с хорошими ферромагнитными свойствами) и имеющий замкнутый контур (может быть круглым, Ш-образным, П-образным). На этот ферромагнитный сердечник наматываются обмотки медного провода. Обычно это первичная и вторичная обмотка.

Смысл трансформатора заключается в том, что при подачи переменного тока на первичную обмотку вокруг сердечника образуется переменное электромагнитное поле. Это поле порождает во вторичной обмотке ЭДС (электродвижущую силу). Значение тока и напряжения на вторичной намотке будет зависит от пропорциональности количества витков между первичной и вторичной обмоткой. Но и первичная обмотка должна быть рассчитана на свои величины тока и напряжения, поскольку неверное количество витков и сечения провода намоток влияют на КПД трансформатора (коэффициент полезного действия).

Намотки трансформатора можно соединять между собой определенным образом. Соединение обмоток трансформатора бывает параллельным, последовательным и смешанным. Итак, у нас имеется трансформатор, у которого есть две первичные обмотки и две вторичные. Его первичные обмотки рассчитаны на переменное напряжение с величиной 110 вольт. Вторичные по 6 вольт. Если у нас сеть на 220 вольт, то мы должны первичные обмотки соединить последовательно (110 + 110 = 220), после чего смело может на эту объединенную первичную обмотку подавать 220 вольт. Хотя если сеть у нас оказалась на 110 вольт, то подавать это напряжение можно на любую намотку, рассчитанную на 110 вольт.

Итак, на вторичной обмотке у нас на каждой будет переменное напряжение по 6 вольт. Если мы их объединим последовательно, то в итоге получим удвоенное напряжение 12 вольт. Если же мы эти вторичные обмотки соединить параллельно, то в этом случае напряжение останется прежним, а именно 6 вольт, но вот сила тока уже увеличится вдвое. Учтите, что количество витков у трансформатора влияет на напряжение, а сечение провода намотки на его силу тока. Обязательным условием для параллельного соединения должно быть одинаковость намоток по количеству витков. Если этой одинаковости не будет, то напряжение этой разницы станет негативно влиять на работу трансформатора, уменьшая его КПД и вызывая дополнительный нагрев сердечника.

Соединение обмоток трансформатора смешанным типом подразумевает по собой одновременное соединение и параллельными и последовательными способом. В этом случае будет повышаться и сила тока на намотках и напряжение. А что будет если мы будем соединять обмотки трансформатора, имеющие разное сечение? Если это параллельное соединение, то это равносильно тому, что сечение обмоток будет просто суммироваться (будет повышаться сила тока, которое соответствует общему, суммарному сечению провода намоток). Если же это последовательное соединение обмоток трансформатора, то итоговая сила тока будет соответствовать обмотке, у которой наименьший диаметр провода.

P.S. Наиболее практичным соединением намоток трансформатора можно считать вариант, когда за счет последовательного соединения можно подбирать наиболее подходящее напряжение на вторичной обмотке. Мы наматываем вторичную обмотку с отводами, имеющими определенный шаг (к примеру делаем 10 обмоток, на каждой из которых по 3 вольта). В итоге мы имеем возможность получать любое напряжение от нуля до 30 вольт с шагом в 3 вольта. В этом случае мы имеем наибольшую экономию электроэнергии, в отличии от способа, когда имея на выходе только 30 вольт делаем нужное напряжение за счёт схемы стабилизатора (излишек напряжения расходуется просто в нагрев). Учтите, что при соединении обмоток трансформатора имеет значение их направленность (полярность).

Ток холостого хода

Если всё сделано правильно и сердечник трансформатора был собран (на заводе) качественно, то ток холостого хода (ток первичной обмотки, при полностью отключенной от нагрузки вторичной) должен быть в пределах допустимых норм.

В моем случае этот ток был 27 мА, что просто отличный показатель.

Амперметр надо включать в разрыв сетевого кабеля подключенного к первичной обмотке и, желательно соединив щупы мультиметра, включить трансформатор в сеть. После чего разъединить щупы и наблюдать показания. Соединять щупы перед включением в сеть необходимо для избежания выхода мультиметра из строя, т.к. у трансформатора может оказаться большой пусковой ток (в десятки раз выше номинального).