Transformatoare de curent: proiectare, principiu de funcționare și tipuri

Transformatoarele de curent sunt utilizate pe scară largă în ingineria energetică modernă ca echipamente pentru modificarea diferiților parametri electrici, menținând în același timp valorile lor de bază. Funcționarea echipamentului se bazează pe legea inducției, care este relevantă pentru câmpurile magnetice și electrice care variază sinusoidal. Transformatorul transformă valoarea curentului primar în ceea ce privește modularea și transmiterea unghiului proporțional cu datele brute. Alegerea echipamentului trebuie să se facă în funcție de domeniul de aplicare și de numărul de consumatori conectați.

Ce este un transformator de curent?

Acestea sunt utilizate în industrie, în ingineria municipală și civilă, în industrie și în alte domenii pentru a aplica curent cu parametri fizici definiți. Tensiunea este aplicată la bobinele înfășurării primare, unde se generează un curent alternativ ca urmare a radiației magnetice. Aceeași radiație trece prin celelalte bobine, datorită căreia forțele EMF se deplasează, iar atunci când bobinele secundare sunt scurtcircuitate sau conectate la circuitul electric, apare un curent secundar în sistem.

Transformatoarele de curent moderne fac posibilă conversia energiei în așa fel încât utilizarea acesteia să nu provoace deteriorarea echipamentului care o folosește. De asemenea, acestea fac posibilă măsurarea unor sarcini mai mari cu siguranță maximă pentru utilaje și personal, deoarece înfășurările primare și secundare sunt izolate în mod fiabil una față de cealaltă.

Pentru ce transformatoare?

Este ușor de înțeles la ce este bun un transformator de curent: aplicațiile sale acoperă toate domeniile în care se transformă valorile energetice. Aceste dispozitive sunt dispozitive auxiliare care sunt utilizate în paralel cu instrumente de măsură și relee pentru a crea un circuit de curent alternativ. În aceste cazuri, transformatoarele convertesc energia pentru a facilita descifrarea parametrilor sau pentru a conecta echipamente cu caracteristici diferite în același circuit.

Există, de asemenea, funcția de măsurare a transformatoarelor: acestea sunt utilizate pentru a rula circuite electrice cu tensiuni mai mari, la care trebuie conectate instrumente de măsurare, dar nu este posibil să se facă acest lucru direct. Funcția lor principală este de a transmite informațiile dobândite privind valorile curentului către instrumentele de măsură conectate la înfășurarea secundară. Acesta permite, de asemenea, monitorizarea curentului din circuit: atunci când releul este utilizat și se atinge valoarea maximă a curentului, se activează o protecție care oprește echipamentul pentru a preveni arderea și deteriorarea personalului.

Principiul de funcționare

Funcționarea acestui echipament se bazează pe legea inducției, prin care tensiunea intră în înfășurările primare, iar curentul depășește rezistența creată de înfășurare, ceea ce determină transmiterea fluxului magnetic către bobina magnetică. Fluxul este perpendicular pe curent, minimizând astfel pierderile, iar în momentul în care traversează înfășurările secundare se activează forța EMF. Acest lucru induce un curent în sistem care este mai mare decât rezistența bobinei, în timp ce tensiunea la capătul de ieșire al bobinelor secundare este redusă.

Cea mai simplă construcție a unui transformator constă, prin urmare, într-un miez metalic și o pereche de înfășurări, care nu sunt conectate între ele și sunt realizate sub formă de fire izolate. În unele cazuri, sarcina se află doar pe înfășurările primare și nu pe cele secundare: acesta este așa-numitul mod de funcționare în gol. Dacă echipamentul consumator de energie este conectat la înfășurarea secundară, un curent trece prin bobine și se creează o forță electromotoare. CEM este determinată de numărul de înfășurări. Raportul dintre forța electromotoare pentru spirele primare și secundare este cunoscut sub numele de raport de transformare, calculat din raportul numărului de spire. Este posibil să se regleze tensiunea de utilizare finală prin modificarea numărului de spire primare sau secundare.

Clasificarea transformatoarelor de curent

Există mai multe tipuri de transformatoare de curent care sunt clasificate în funcție de o serie de criterii, inclusiv scopul, metoda de instalare, numărul de etape de conversie și alți factori. Acești parametri trebuie luați în considerare înainte de a selecta un transformator de curent:

• Scop. Acesta este utilizat pentru a face distincția între modelele de măsurare, intermediare și de protecție. De exemplu, transformatoarele intermediare sunt utilizate pentru conectarea dispozitivelor pentru operațiuni de calcul în sistemele de protecție cu relee și alte circuite. Transformatoarele de laborator distinse separat, care asigură o precizie sporită a indicatorilor, au un număr mare de coeficienți de conversie.
• Metoda de instalare. Există transformatoare pentru instalare în exterior și interior: nu numai că arată diferit, dar au și indicatori diferiți de rezistență la influențele externe (de exemplu, dispozitivele pentru utilizare în exterior au protecție împotriva precipitațiilor și a fluctuațiilor de temperatură). Se face, de asemenea, o distincție între transformatoarele portabile și cele de tip "padmount"; acestea din urmă au o greutate și dimensiuni relativ reduse.
• Tip de înfășurare. Transformatoarele pot fi de un singur voltaj și de mai mulți volți, cu bobină, cu miez sau cu bare. Atât înfășurarea primară, cât și cea secundară pot fi diferite, iar izolația (uscată, porțelan, bachelită, ulei, compus etc.) este, de asemenea, diferită.
• Nivelul etapelor de transformare. Echipamentul poate fi cu o singură treaptă sau cu două trepte (cascadă), iar limita de tensiune de 1000 V poate fi minimă sau maximă.
• Design. Există două tipuri de transformatoare de curent în funcție de acest criteriu - cu imersiune în ulei și de tip uscat. În primul caz, înfășurările și miezul magnetic se află într-un recipient care conține un lichid uleios special: acesta joacă rolul de izolație și permite reglarea temperaturii de funcționare a mediului. În cel de-al doilea caz, răcirea se face cu aer și astfel de sisteme sunt utilizate în clădirile industriale și rezidențiale, deoarece transformatoarele cu ulei nu pot fi instalate în interior din cauza riscului crescut de incendiu.
• Tipul de tensiune. Transformatoarele pot fi de tip step-down și step-up: în primul caz, tensiunea de pe înfășurările primare este redusă, în timp ce în al doilea caz, tensiunea este crescută.
• Un alt mod de clasificare este de a selecta un transformator de curent în funcție de puterea sa. Acest parametru depinde de scopul echipamentului, de numărul de consumatori conectați și de proprietățile acestora.

Parametri și caracteristici

Atunci când selectați un astfel de echipament, trebuie să luați în considerare principalii parametri tehnici care afectează gama de aplicații și costul. Principalele caracteristici sunt:

• Sarcina nominală sau puterea: se poate face o selecție în funcție de acest criteriu, utilizând tabelul comparativ al caracteristicilor transformatorului. Valoarea acestui parametru determină celelalte valori nominale de curent, deoarece este strict standardizată și servește la definirea funcționării corecte a echipamentului în clasa de precizie selectată.
• Curent nominal. Această valoare determină cât timp poate funcționa dispozitivul fără să se supraîncălzească până la temperaturi critice. Echipamentele de transformare au, de obicei, o rezervă termică considerabilă și vor funcționa în mod normal atunci când sunt supraîncărcate cu până la 18-20%.
• Tensiune. Această valoare este importantă pentru calitatea izolației înfășurării și asigură buna funcționare a mașinii.
• Erori. Acest fenomen este cauzat de fluxul magnetic; valoarea de eroare este diferența dintre curentul primar și secundar exact. Fluxul magnetic crescut în miezul transformatorului contribuie la o creștere proporțională a erorii.
• Raportul de transformare, care este raportul dintre curentul din înfășurările primare și cel din înfășurările secundare. Valoarea reală a coeficientului diferă de cea nominală cu o valoare egală cu gradul de pierdere a conversiei de energie.
• Multiplicitatea limită, exprimată ca raport între curentul primar real și curentul nominal.
• Multiplicitatea curentului care apare în înfășurările înfășurării secundare.

Datele cheie ale unui transformator de curent sunt determinate de o diagramă a factorului de putere: aceasta permite examinarea caracteristicilor echipamentului în diferite moduri de funcționare, de la sarcină nulă la sarcină maximă.

Valorile principale sunt marcate pe corpul dispozitivului cu ajutorul unui marcaj special. Acesta poate conține, de asemenea, informații privind metoda de ridicare și instalare a echipamentului, informații de avertizare cu privire la tensiunile ridicate de pe înfășurările secundare (peste 350 de volți), informații privind prezența unei plăcuțe de împământare. Convertorul de energie este marcat cu un autocolant sau cu vopsea.

Defecțiuni posibile

La fel ca orice alt echipament, transformatoarele se defectează din când în când și necesită o întreținere expertă cu diagnosticare. Înainte de a verifica dispozitivul, este important să știți ce defecțiuni apar și ce semne le corespund:

• Zgomot neuniform în interiorul incintei, pocnituri. Acest fenomen indică, de obicei, o ruptură a elementului de împământare, o suprapunere a carcasei de la spirele de înfășurare sau o presare slabă a foilor care servesc drept miez magnetic.
• Încălzirea excesivă a carcasei, creșterea curentului pe partea consumatorului. Problema poate fi cauzată de scurtcircuitele înfășurării din cauza uzurii sau deteriorării mecanice a stratului de izolație, de suprasarcini frecvente rezultate din scurtcircuite.
• Izolatori crăpați, descărcări glisante. Acestea apar în cazul unor defecțiuni de producție care nu sunt detectate înainte de pornire, al căderii unor corpuri străine și al suprapunerilor între conductoarele de fază de valori diferite.
• Emisii de ulei în timpul cărora diafragma structurii de evacuare se rupe. Problema se datorează unui scurtcircuit între faze cauzat de uzura izolației, de scăderea nivelului de ulei, de scăderea tensiunii sau de apariția unui supracurent, cu condiția să se producă un scurtcircuit de tip trecător.
• Scurgeri de ulei de sub garnituri sau din robinetele transformatorului. Principalele cauze sunt sudarea defectuoasă a componentelor, garnituri slabe, garnituri distruse sau dopuri de supapă nereparate.
• Activarea releului de protecție împotriva gazelor. Acest fenomen apare atunci când uleiul se descompune din cauza unei defecțiuni a înfășurării, a unui circuit deschis, a arderii contactelor comutatorului sau în cazul unui scurtcircuit la carcasa transformatorului.
• Deconectarea releului de protecție a gazelor. Descompunerea activă a lichidului de ulei ca urmare a unei defecțiuni între faze, a unei supratensiuni interne sau externe sau din cauza unui așa-numit "incendiu de oțel" provoacă această problemă.
• S-a declanșat protecția diferențială. Acest defect apare atunci când există o defecțiune în carcasa de alimentare, când există o suprapunere între faze sau în alte cazuri.

Pentru a maximiza funcționalitatea aparatului, ar trebui să se efectueze verificări regulate cu ajutorul unei camere de termoviziune: echipamentul poate diagnostica deteriorarea calității contactului și reducerea temperaturii de funcționare. În timpul verificării, specialiștii efectuează următoarea gamă de operațiuni:

• 1. Citiri de tensiune și curent.
  2. Verificarea încărcării cu ajutorul unei surse externe.
  3. Determinarea parametrilor din circuitul de funcționare.
  4. Calcularea raportului de transformare, compararea și analiza valorilor.

Calcularea unui transformator

Principiul de bază este definit de formula U1/U2=n1/n2, ale cărei elemente sunt descifrate după cum urmează:

• U1 și U2 sunt tensiunile spirelor primare și secundare.
• n1 și n2 sunt numărul de înfășurări primare și, respectiv, secundare.

O altă formulă este utilizată pentru a determina suprafața secțiunii transversale a miezului: S=1.15 * √PPuterea se măsoară în wați, iar suprafața în centimetri pătrați. În cazul în care miezul utilizat în echipament are forma literei S, aria secțiunii transversale se calculează pentru miezul din mijloc. Pentru a determina spirele în înfășurarea nivelului primar, utilizați formula n=50*U1/S, în cazul în care componenta 50 nu este invariabilă, se recomandă înlocuirea acesteia cu 60 pentru a preveni apariția interferențelor electromagnetice. O altă formulă este d=0,8*√Iunde d este secțiunea transversală a conductorului și I este indicele de intensitate a curentului, se utilizează pentru a calcula diametrul cablului.

Cifrele calculate sunt rotunjite în sus (de exemplu, puterea calculată de 37,5 W este rotunjită în jos la 40). Rotunjirea este permisă numai în sus. Toate formulele de mai sus sunt utilizate pentru selectarea transformatoarelor care funcționează în rețeaua de 220 V; la construirea liniilor de înaltă frecvență se folosesc alți parametri și metode de calcul.

Articole conexe: