Zásady výběru parametrů proudového transformátoru a jeho zátěže

Vzhledem k četným opakujícím se dotazům vývojářů vám nabízím několik komentářů, které vám umožní racionálnější používání měřicích proudových transformátorů a vyhnout se některým chybám při návrhu různých zařízení a systémů. „Zkušení“ vývojáři by se neměli urazit určitým zjednodušením prezentace informací. Účelem těchto komentářů je vyhnout se hrubým chybám a vzorce zde nejsou k ničemu. V každém případě jsme my, kteří máme jedinečnou metodu výpočtu transformátorů ověřenou praxí, připraveni vypočítat provoz proudového transformátoru v každé konkrétní aplikaci nebo pro konkrétní proudové transformátory.

Jedna z nejčastěji kladených otázek se obvykle do určité míry týká zatížení proudového transformátoru. Mimochodem, to je nejdůležitější aspekt správného provozu proudového transformátoru.
Všeobecný názor na přenos proudu do zátěže podle vzorce Iout=Iin/k, známý ze školní fyziky, není zcela správný a platí pouze pro ideální transformátor. V ideálním případě by odpor zátěže měl být roven 0, ale v praxi je toho téměř nemožné dosáhnout. Bez hlubšího zabředání do teorie lze vyvodit jasný vztah mezi odporem zátěže a chybou koeficientu přenosu proudu, odporem zátěže a hodnotou saturačního proudu transformátoru (tj. proudu, při kterém změna vstupního proudu nevede ke zvýšení výstupního proudu). Faktem je, že výkon odebíraný ze zátěže neumožňuje transformátoru pracovat v nulových magnetických polích (ideální transformátor), a proto se projevují zkreslení způsobená jádrem, a to nelinearita magnetizační křivky jádra, zejména saturace jádra ve vysokých polích. Na příkladu YUNSHI.002 tyto závislosti vypadají takto – viz fotografie 1, 2.

Tyto závislosti platí pro jakýkoli proudový transformátor, i když při použití elektrotechnického železa jako materiálu jádra jsou tyto závislosti vyjádřeny řádově jasněji. Tyto závislosti by si měli všimnout zejména vývojáři, kteří hodlají použít transformátory jako alarmy přetížení, když se snaží připojit vysokoohmové relé k sekundárnímu obvodu transformátoru. Teoreticky by vše mělo fungovat, ale v praxi to nemusí vždy fungovat. Je také nutné pečlivě zvážit instalaci usměrňovacích můstků na výstupu transformátoru, protože proudový transformátor bude muset na výstupu vyvinout alespoň 1.2 V, než se na výstupu můstku zapne zátěž.
Transformační poměr má neméně velký vliv na přesnost transformátoru a vstupní saturační proudy. Čím je vyšší, tím lineárnější bude charakteristika transformátoru (samozřejmě za jinak stejných podmínek). Na příkladu magnetického jádra 25x15x5 ze slitiny 5V s Rн=5 Ohm a vinutím drátem PETV2 0.09 má závislost chyby na transformačním poměru následující tvar: viz fotografie 3, 4.

Foto 4 –Proudy saturace transformátoru a zátěže

Zhruba řečeno, čím vyšší je transformační koeficient a čím nižší je odpor zátěže, tím přesnější je transformátor. Pokud je nutné dosáhnout vysoké přesnosti, nezapomeňte na vestavěný zesilovač, který je součástí každého obvodu pro měření výkonu. I zde však bude nutné najít kompromis mezi vnějším rušením na vstupních obvodech a velikostí měřicího signálu.
Při výběru proudového transformátoru je také třeba mít realistickou představu o jeho přenosové charakteristice. Neměli byste věřit slibům výrobců o absolutní linearitě přenosové charakteristiky. Při práci se skutečným transformátorem je třeba si uvědomit, že chyba přenosového koeficientu závisí na celkové síle magnetického pole v jádře, protože magnetická permeabilita jádra silně závisí na síle magnetického pole a může se několikanásobně lišit. Obecně vypadá chyba přenosového koeficientu transformátoru YUNSHI 002 pro Rн=6 Ohm takto – viz foto 5.

Graf ukazuje, že v oblasti nízkých vstupních proudů (do 2.5 A) je chyba téměř konstantní a poté je pozorován její růst. Při vstupních proudech nad 225 A chyba katastroficky roste, protože transformátor vstupuje do saturace. Uvedený graf se vztahuje k případu, kdy je relativní počáteční magnetická permeabilita materiálu magnetického obvodu v rozmezí 32 tisíc, ačkoli typická hodnota je 60 tisíc a vyšší. Pro relativní počáteční magnetickou permeabilitu materiálu magnetického obvodu 70 tisíc vypadá chyba takto – viz foto 6.

Graf ukazuje, že maximální chyba se snížila z 0,55 % na 0,25 %. Pro dosažení větší přesnosti lze přirozeně použít slitiny s velmi vysokou magnetickou permeabilitou, například 82B, jejíž počáteční relativní magnetická permeabilita je 150–200 tisíc jednotek, ale to je dvousečná zbraň, protože k její saturaci dochází při nižších polích a cena je výrazně vyšší.
Výše uvedené závislosti a úvahy, i když neumožňují skutečný výpočet transformátoru, odrážejí obecné trendy poměrně přesně. V každém případě se můžete pokusit zvolit parametry transformátoru tak, abyste dosáhli požadované přesnosti a nepřekročili rozpočet.