Краткие теоретические сведения

Лабораторная работа № 6

ТРАНСФОРМАТОР ТОКА

Цель работы. Изучение принципа работы, схема включения и назначения.

Домашнее задание

1. Назначение измерительных трансформаторов напряжения и тока, и чем они отличаются друг от друга?

2. Почему разомкнутое состояние вторичной обмотки трансформатора тока (ТТ) является аварийным режимом, а для трансформатора напряжения (ТН) является рабочим режимом?

3. В чем заключается различие схем включения ТТ и ТН? Приведите примеры схем включения измерительных трансформаторов.

4. Почему число витков вторичной обмотки в трансформаторе тока должно быть много больше числа витков первичной обмотки?

5. В каких случаях первичная обмотка ТТ представляет собой один виток, как показано на рис. 1.

6. С какой целью в трансформаторе тока вторичная обмотка закорачивается через амперметр накоротко или через малое по величине сопротивление шунта?

Краткие теоретические сведения

ТТ предназначены для измерения тока и питания схем защиты, а также для изолирования цепей измерения и защиты от высокого напряжения.

ТТ представляет собой статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования переменного тока одной величины в переменный ток другой величины той же частоты. ТТ (рис. 1) состоит из стального магнитопровода, собранного из тонких листов электротехнической стали, на котором расположены две обмотки, выполненные из изолированного провода. ТТ используется для расширения пределов измерения измерительных приборов и измерения тока в высоковольтных цепях.

Трансформатор тока со стороны первичной обмотки включается последовательно с нагрузкой , а его вторичная обмотка замыкается через амперметр, обладающий очень низким сопротивлением, или через низкоомное (шунтирующее) сопротивление резистор (рис. 2). Падение напряжения на резисторе используется для измерения силы тока I₂.

ТТ, в отличие от ТН, работает практически в режиме короткого замыкания.

Принцип работы ТТ заключается в следующем. При прохождении тока через первичную обмотку W₁ в сердечнике возникает магнитный поток, под действием которого во вторичной обмотке W₂ наводится ЭДС взаимоиндукции, создающая в короткозамкнутой обмотке W₂ ток I₂. Этот ток (в соответствии с принципом Ленца) создает магнитный поток, практически равный по величине и направленный навстречу потоку, создаваемому током первичной обмотки. В связи с этим суммарный магнитный поток в сердечнике ТТ очень мал. Поэтому входное сопротивление ТТ весьма мало и практически не оказывает никакого влияния на ток I₁.

Установим связь между токами I₁ и I₂. Для этого используем закон полного тока, согласно которому можно записать

, (1)

где l – мысленно выделенный замкнутый контур, проходящий внутри сердечника (см. рис. 1).

Учитывая, что в режиме короткого замыкания, как указано выше, результирующий магнитный поток в сердечнике практически равен нулю, то и близка к нулю и левая часть уравнения (1). Исходя из этого можно записать

I₁W₁ ≈ I₂W₂ или I₁ ≈ I₂W₂/ W₁, т.е. I₁ = К I₂, (2)

где К = W₂/ W₁ – коэффициент трансформации

Рис. 1 Конструкция трансформатора тока

Трансформатор тока применяется для измерения больших токов. Ток в первичной обмотке трансформатора тока в большинстве случаев во много раз больше вторичного, поэтому число витков первичной обмотки невелико и во много раз меньше числа витков вторичной обмотки w₂. При измерении больших токов первичная обмотка выполняется в виде шины, продетой в окно магнитопровода. Трансформатор тока работает в режиме, близком к короткому замыканию, так как в его вторичную обмотку включаются измерительные приборы с малым сопротивлением. Следует отметить, что разомкнутое состояние вторичной обмотки является аварийным режимом. При разрыве цепи вторичной обмотки ток первичной обмотки не изменяется, поэтому во вторичной обмотке возбуждается высокое напряжение, которое представляет опасность для жизни человека, разомкнувшего вторичную цепь. Кроме того, высокое напряжение может привести к пробою изоляции и к выходу из строя трансформатора тока. Для обеспечения безопасности вторичную обмотку необходимо обязательно заземлить. Схема подключения трансформатора тока приведена на рис. 2

Рис. 2 Схема подключения трансформатора тока

Основными параметрами трансформатора тока являются следующие:

· номинальный первичный и вторичный ток – ток, который трансформатор может пропускать длительно, не перегреваясь. Номинальный ток вторичной обмотки стандартизован и может иметь значение 1 А или 5 А, а сопротивление обычно выбирается равным 1,0 Ом или 5,0 Ом;

· класс точности в зависимости от значения токовой погрешности имеет значения 0,5 или 1;

· термическая стойкость - отношение предельно допустимого тока, который трансформатор может выдержать без повреждений в течение нормированного времени, к номинальному первичному току при номинальной вторичной нагрузке и нормированной температуре окружающей среды.

Описание лабораторного стенда и рабочее задание

1. Ознакомиться с устройством лабораторного стенда и паспортными данными трансформатора тока. Стенд состоит из понижающего трансформатора напряжения, трансформатора тока и нагрузки . Электрическая схема лабораторного стенда показана на рис. 3. К вторичной обмотке трансформатора тока подключён резистор сопротивлением 1,0 Ом. Первичная обмотка трансформатора напряжения подключается к промышленной сети через автотрансформатор (ЛАТР). С его помощью можно регулировать напряжение на силовом понижающем трансформаторе и ток нагрузки. При этом напряжение на нагрузке определяется по показанию вольтметра.

2. Собрать электрическую цепь (рис. 3) и подать на нее напряжение от сети 220 B через автотрансформатор. Установить ток нагрузки порядка 30 А. Для измерения тока нагрузки и тока во вторичной обмотке воспользоваться измерительными клещами. Для измерения напряжения на резисторе с последующим определением тока I₂ и тока I₁ воспользоваться цифровым мультиметром.

Рис. 3 Электрическая схема лабораторного стенда

Таким образом, измерение тока нагрузки в сопротивлении выполнить двумя способами: с помощью измерительных клещей и цифровым мультиметром. Сравнить результаты измерений разными способами между собой.

На рис. 4 показан общий вид лабораторного стенда, электрическая схема которого представлена на рис. 3.

Рис. 4 Общий вид лабораторной установки по исследованию ТТ

Измерительные клещи представляют собой одновитковый трансформатор тока. Магнитопровод измерительных клещей изготовлен из электротехнической стали и состоит из двух U-образных частей, стягиваемых пружиной. Два стыка магнитопровода тщательно пришлифованы. Чтобы замкнуть магнитопровод вокруг провода с измеряемым током, достаточно нажать рукоятки, раскрыть клещи и ввести в них провод. При этом пружина сомкнёт две половины магнитопровода. Провод, сцеплённый с магнитопроводом, служит первичной обмоткой.

Магнитный поток, создаваемый измеряемым током I₁, протекающим по подводящему проводнику первичной обмотки ТТ, который охватывается токовыми клещами, пропорционален току I₁. Значение этого тока в цифровой форме выводится на жидкокристаллический индикатор.

3. При использовании цифрового мультиметра ток I₂ во вторичной обмотке ТТ определить, используя закон Ома, а ток I₁ определить по формуле (2) I₁ = К I₂ (К для используемого ТТ равен К = 60/2 = 30)

4. Повторить опыт пункта 2 рабочего задания, но с меньшими токами нагрузки (четыре измерения). Результаты измерений тока I₁ разными способами (с помощью измерительных клещей и цифровым мультиметром) занести в таблицу.

Таблица

Величина	Измерительные клещи	Цифровой мультиметр
А

5. По данным пункта 3 построить график зависимости разности значений тока I₁, полученных при измерении токовыми клещами и мультиметром

Контрольные вопросы

1. Пояснить назначение трансформатора тока.

2. Объяснить устройство и принцип действия трансформатора тока.

3. Почему при изменении тока в первичной обмотке трансформатора изменяется ток и во вторичной обмотке.

4. Почему активное сопротивление вторичной обмотки трансформатора тока должно быть много меньше сопротивления шунта?

Содержание отчета

1. Описать принцип работы и назначения ТТ.

2. Электрическая схема лабораторного стенда, назначение элементов этой схемы.

3. Каким образом осуществляется измерение тока в нагрузке.

4. Таблица и график, полученные в ходе эксперимента.

5. Выводы.

Список литературы

1. Электротехника / Под ред. В.Г. Герасимова. – М.: Высшая школа, 1983.

2. Электротехника и электроника / Под ред. В.Г. Герасимова (В 3-х томах). – М.: Энергоатомиздат, 1996-1998.

3. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. – М. Высшая школа, 2000.

4. Глазенко Т.А., Прянишников В.А. Электротехника и основы электроники. – М. Высшая школа, 1996.

5. Рекус Г.Г., Чесноков В.Н. Лабораторные работы по электротехнике и основам электроники. – М. Высшая школа, 2001