22.3. Компенсация погрешности.

Боль­шая часть способов компенсации погрешно­стей ТТ основана на свойстве ферромагнит­ных материалов изменять свою магнитную проницаемость в за­висимости от магнитной индукции (рис. 22.3.1).

Рис. 22.3.1. Зависимость и

Икусственно изме­няя магнитную индукцию в магнитопроводе, можно увеличить его магнитную проницаемость и тем самым снизить погреш­ность ТТ. Например, поддерживая значения йндукции в магнито­проводе соответствующими зоне b (рис. 22.3.1), мы обеспечим его высокую проницаемость. Рассмотрим влияние магнитной индук­ции на погрешности ТТ. МДС намагничивания , при изменении тока ме­няется нелинейно. Это обусловлено нелинейной зависимостью магнитной проницаемости от индукции в магнитопроводе. Зави­симость токовой погрешности от абсолютной магнитной прони­цаемости р_а материала магнитопровода можно получить, выразив МДС намагничивания через параметры магнитопровода и вторичной цепи. Магнитный поток в магнитопроводе

где — магнитное сопротивление магнитопровода, А/Вб (Гн^-1); и — средняя длина и площадь поперечного сечения магнитопровода; — абсолютная магнитная проницае­мость материала магнитопровода, Гн/м.

Магнитный поток можно получить, умножив индукцию на площадь поперечного сечения магнитопро­вода:

Из полученных равенств находим :

Получим новое выражение номинальной токовой погрешности ТТ (в процентах):

Отсюда видно, что токовая погрешность обратно пропор­циональна абсолютной магнитной проницаемости . При малых значениях индукции магнитная проницаемость мала и токовая погрешность значительна; при средних значениях индукции магнитная проницаемость увеличивается, а токовая погрешность уменьшается. При очень больших значениях индукции, прибли­жающейся к индукции насыщения, магнитная проницаемость снова уменьшается (рис. 22.3.1), а токовая погрешность увеличивается.

Из формулы номинальной токовой погрешности видно также, что увеличение магнитной индукции за счет уменьшения площади поперечного сечения магнитоировода не приведет к уменьшению токовой погреш­ности, так как при уменьшении пропорционально увеличи­вается и магнитное сопротивление магиитопровода .

Компенсацию погрешностей можно осуществить следующими способами:

1) спрямлением кривой намагничивания; 2) подмагничиванием магиитопровода; 3) созданием нулевого потока; 4) перераспределением потоков рассеяния.

Компенсация погрешностей спрямлением кривой намагничива­ния. Если тем или иным способом спрямить кривую намагничива­ния магиитопровода, то произойдет и спрямление кривых токовой и угловой погрешности. Имеется много способов компенсации, позволяющих таким образом уменьшить токовую и угловую погрешности ТТ. Рассмотрим один из этих способов.

Рис. 22.3.2. Схема компенсации погрешности ТТ спрямлением кривой намагничи­вания

В штампованных пластинах прямоугольного или кольцевого магиитопровода предусматривают одно-два отверстия 2 для на­ложения компенсирующих витков (рис. 22.3.2.). Отверстие 2 разделяет поперечное сечение магиитопровода на два параллельных уча­стка I и II. Вторичная обмотка состоит из основной части, охва­тывающей все сечение магиитопровода, и нескольких компенси­рующих витков 1, пропущенных в отверстия 2. Компенсирующие витки I охватывают только часть сечения магиитопровода, а именно на участках II. Направление намотки компенсирующих витков такое же, как и основной части вторичной обмотки. Поэтому и направление тока в этих витках и в остальной части вторичной обмотки одинаково. Магнитный поток , создаваемый током, проходящим по компенсирующим виткам, будет замыкаться не только вокруг каждого отверстия 2, но частично пройдет и по всему магнитопроводу. На участках I магнитный поток будет иметь то же направление, что и намагничивающий поток и, следовательно, будет увеличивать магнитную индукцию как на этих участках, так и на прилегающих к ним участках внутренней боковой поверхности магиитопровода. Результирующий магнит­ный поток на участках I будет . На участках II магнитный поток будет направлен против потока и будет уменьшать индукцию на участках II и прилегающих к нему участках наружной боковой поверхности магнитопровода. Ре­зультирующий магнитный поток на участке II будет . Таким образом, в рассматриваемом случае магнит­ные индукции и магнитные проницаемости справа и слева от отверстия различны.

При незначительных первичных токах (например, при токе 10—20 % номинального) большая доля потока проходит по части магнитопровода, не охваченной компенсирующими витками, т.е. по участкам I. Вследствие подмагничивающего действия витков 1 индукция в этой части магнитопровода значительно увеличится, как и магнитная проницаемость (зона b на рис. 22.3.1). На участках II магнитопровода индукция мала вследствие раз­магничивающего действия витков I. Здесь магнитопровод на­ходится в зоне малой магнитной проницаемости (зона а на рис. 22.3.1). В этом случае витки 1 почти не сцепляются с потоком и незна­чительно увеличивают ЭДС вторичной обмотки. Витки 1 яв­ляются дополнительным индуктивным сопротивлением вторичной обмотки. То, что поток почти не сцепляется с витками 1, умень­шает коэффициент трансформации ТТ. Действительно, общее число витков вторичной обмотки равно , где — число компенсирующих витков 1, расположенных в каждом из двух отверстий 2. Так как витки 1 при малых первичных токах почти не сцепляются с потоком , то рабочее число витков вторичной обмотки можно считать равным . В этом режиме ТТ работает как бы с витковой коррекцией при отмотке витков, что умень­шает токовую погрешность.

При увеличении первичного тока начинается перераспределе­ние магнитного потока между участками I и II. На участках I магнитная индукция приближается к индукции насыщения вслед­ствие подмагничивающего действия потока . Магнитная про­ницаемость на этих участках уменьшается (зона с на рис. 22.3.1). На участках II (рис. 22.3.2) магнитная индукция поддерживается достаточно большой, но еще не достигающей индукции насыщения вследствие размагничивающего действия потока (зона b на рис. 22.3.1). Магнитная проницаемость на этих участках поддер­живается значительной. Часть магнитного потока , проходящая по участкам II, сцепляется с компенсирующими витками 1 и тем самым увеличивает коэффициент трансформации ТТ. При этом увеличивается токовая погрешность.

Таким образом, при малых первичных токах токовая погреш­ность уменьшается, а при токах, близких к номинальному, уве­личивается. Следовательно, кривая токовой погрешности спрям­ляется. Число компенсирующих витков составляет 1—3 % об­щего числа витков вторичной обмотки.

Если необходимо скорректировать и угловую погрешность, то в одном из отверстий 2 может быть расположен короткозамкну­тый виток 3. При достаточно большом активном сопротивлении короткозамкнутого витка и небольшом его индуктивном сопро­тивлении можно считать, что тою в короткозамкнутом витке будет находиться в фазе с наведенной в нем ЭДС. Магнитодвижущая сила короткозамкнутого витка, геометрически складываясь с МДС вторичной обмотки, уменьшает фазовый сдвиг между первичным и вторичным токами, т. е. угловую погрешность. Короткозамкнутый виток несколько увеличивает токовую по­грешность, и в тех случаях, когда уменьшения угловой погреш­ности не требуется, его не следует применять.

Компенсация погрешностей подмагничиванием магнитопровода. Подмагничивание магнитопровода может осуществляться от по­стороннего источника энергии или от вспомогательного ТТ. Для подмагничивания используется ток той же частоты, что и первич­ный ток ТТ, или же ток тройной частоты. Схемы компенсации погрешностей подмагничиванием магнитопровода и соответству­ющие им векторные диаграммы приведены на рис. 22.3.3.

Рис. 22.3.3. Схемы компенсации погрешности ТТ подмагничиванием магнитопровода и соответствующие им векторные диаграммы

Компенсация погрешностей подмагни­чиванием от постороннего источника энер­гии (рис. 22.3.3, а). При использовании этого способа магнитопровод ТТ составляется из двух одинаковых магнитопроводов 1 и 2, которые охватываются общей вторичной обмоткой 4 с числом витков . Помимо вторичной обмотки на каждый магнитопровод намотана дополнительная обмотка 3 с числом витков , которая и создает подмагничивание магнитопровода. Дополнительные обмотки имеют одинаковое число витков и включены встречно для устранения влияния магнитного потока, создаваемого до­полнительными обмотками, на первичную и вторичную обмотки ТТ. Дополнительные обмотки присоединены к постороннему источ­нику переменного тока той же частоты, что и первичный ток.

При прохождении по дополнительным обмоткам 3 переменного тока магнитопроводы 1 и 2 подмагничиваются. Магнитная индук­ция в них увеличивается до значений, соответствующих наиболь­шей магнитной проницаемости материала магнитопровода. Это приводит к уменьшению токовой и угловой по­грешностей.

На рис. 22.3.3 показано (точкой и крестом) направление магнит­ных потоков и , создаваемых соответственно вторичной обмоткой 4 и дополнительными обмотками 3. В магнитопроводе 1 потоки и направлены навстречу друг другу, а в магнито­проводе 2 они имеют одинаковое направление. Это приводит к увеличению МДС намагничивания и индукции в каждом магнитопроводе. Соответственно этому увеличивается магнитная проницаемость материала и уменьшаются погрешности ТТ. Это ясно из сравнения векторных диаграмм на рис. 22.3.3, г. Влево от точки О отложены МДС магнитопровода 1, а вправо — ма­гнитопровода 2. Верхняя векторная диаграмма соответствует ТТ без компенсации, т. е. при обесточенных дополнительных обмот­ках 3. В этом случае погрешности ТТ будут определяться значе­нием МДС намагничивания в каждом магнитопроводе.

Нижняя векторная диаграмма соответствует ТТ с компенса­цией. В магнитопроводе 1 магнитные потоки и направлены навстречу друг другу, так же как и соответствующие им МДС и . Если МДС соответствует отрезку АВ, а МДС — отрезку БВ, то отрезок АБ будет равен разности и , т. е. суммарной МДС вторичной обмотки, направленной против первичной МДС . Так как первичная МДС осталась неизмен­ной, а вторичная — уменьшилась, то МДС намагничивания увеличивается. Теперь она будет равна (или отрезку ОБ).

Геометрическая сумма , и будет . Как видно из рис. 22.3.3, > , т. е. индукция в магнитопроводе увеличится.

В магнитопроводе 2 магнитные потоки и , а также со­ответствующие им МДС и направлены в одну сторону. Если МДС изобразить отрезком ОД, а МДС — отрез­ком ДЕ, то первичная МДС будет представлена отрезком ГЕ. МДС намагничивания для этого магнитопровода изобразится отрезком ОГ. При этом > , т. е. индукция и магнитная проницаемость в магнитопроводе увеличатся.

Угол между и в большинстве случаев близок к 180°. Поэтому общая МДС намагничивания , действующая в каждом магнитопроводе, оказывается небольшой.

Для работы в режиме подмагничивания выбирают часть кривой намагничивания с наибольшей магнитной проницаемостью, что приводит к уменьшению абсолютных значений всех векторов МДС намагничивания. Таким образом, вектор МДС намагни­чивания при компенсации будет меньше, чем без нее.

Компенсация погрешностей подмагничиванием магнитопровода может осуществляться с использованием не только тока промыш­ленной частоты, но и тока тройной частоты [10, 14]. Многочислен­ными исследованиями установлено, что при одновременном нама­гничивании ферромагнитного материала токами разных частот происходит некоторое спрямление кривой намагничивания и уве­личение угла наклона этой кривой к оси напряженности магнит­ного поля. Последнее уменьшает удельную МДС, т. е. токовую и угловую погрешности. При подмагничивании токами тройной частоты одновременно происходит размагничивание магнитопро­вода от остаточных магнитных потоков постоянного направления, в том числе от потока, создаваемого апериодической составляющей тока короткого замыкания.

Схема ТТ с компенсацией погрешности током тройной частоты такая же, как и с компенсацией током промышленной частоты (рис. 222.3.3, а). Магнитопровод ТТ состоит из двух кольцевых магнитопроводов 1 и 2, на которые намотана вторичная обмотка 4. Выводы вторичной обмотки соединяются с внешней вторичной цепью через автотрансформатор с ответвлениями. Это обеспечи­вает плавную регулировку коэффициента трансформации всей вторичной системы. Дополнительные обмотки 3 соединены после­довательно и встречно. Они присоединены к ферромагнитному утроителю частоты, а последний подключен к сети трехфазного переменного тока.

Подмагничивание от постороннего источника промышленной час­тоты требует дополнительных питающих устройств, а подмагничива­ние токами тройной частоты — еще и регулирующих устройств. Все это ограничивает область применения этого метода компенсации.

Компенсация погрешностей подмагничиванием от вспомогательного ТТ, состоящего из магнитолровода 6 с наложенной на него обмоткой 5 (рис. 22.3.3, б). При этом питание вспомогательных обмоток 3, расположенных на магнитопроводах 1 и 2, осуществляется от обмотки 5 вспомога­тельного ТТ. Вспомогательные обмотки 3 имеют одинаковое число витков и соединены встречно. Магнитопроводы 1, 2 и 6 с наложен­ными на них обмотками соединены вместе, представляя собой один элемент. Поперечное сечение магнитопровода 6 выбирается таким, чтобы он всегда находился в состоянии, близком к насы­щению. Это обеспечивает примерно одно и то же подмагиичивание при изменениях первичного тока. Компенсация погрешностей подмагничиванием от вспомогательного ТТ происходит точно так же, как рассмотренная выше компенсация подмагничиванием от постороннего источника.

Подмагиичивание от вспомогательного ТТ обеспечивает умень­шение погрешностей во всем диапазоне токов нормального ре­жима, однако усложняет конструкцию всего ТТ и увеличивает его габариты. К тому же при этом способе компенсации погреш­ностей нельзя достигнуть такого постоянства параметров ТТ, как при подмагничивании от постороннего источника. Но последний значительно дороже. Компенсация погрешностей подмагничива­нием от вспомогательного ТТ может осуществляться и на токах тройной частоты.

Компенсация погрешностей подмагничиванием от посторон­него источника энергии или от вспомогательного ТТ обеспечивает улучшение кривой погрешности на всем ее протяжении.

Компенсация погрешностей противонамагничиванием (рис. 22.3.3, в) отличается от рассмотрен­ных выше двух способов компенсации погрешностей только тем, что здесь вторичная обмотка 7 является как основной обмоткой, так и подмагничивающей. Основная часть вторичной обмотки охватывает оба магнитопровода 1 и 2. Кроме того, на магнитопровод 2 наложена дополнительная обмотка 8, соединенная последовательно и согласно с основной обмоткой. Число витков вторичной обмотки несколько меньше номинального. Следова­тельно, на магнитопроводе 1 число витков будет меньше номи­нального, а на магнитопроводе 2 (с учетом дополнительной об­мотки) — больше номинального. На магнитопроводе 1 МДС намагничивания увеличится вследствие меньшего числа вторич­ных витков. Здесь будет преобладать первичная МДС. На ма­гнитопроводе 2 МДС намагничивания увеличится за счет до­полнительной обмотки. Здесь будет преобладать вторичная МДС.

К преимуществам компенсации погрешности противонамагничивание следует отнести простоту и дешевизну. Однако эффек­тивность ее несколько меньше, чем эффективность компенсации погрешности от постороннего источника энергии.

Рис. 22.3.4. Схема компенсации погрешностей ТТ, предложен­ная МЭИ

Компенсация погрешностей подмагничиванием по­лями рассеяния (компенсация МЭИ). Вторичная обмотка разделена на две части 1 и 3 (рис. 22.3.4). Части вторичной обмотки 1 и 3 имеют соответственно число витков и и соединены последовательно и согласно. Пер­вичная обмотка 4 располагается на правом стержне магнитопровода. Внутри магнитопровода находится магнитный шунт 2, по которому замыкаются потоки рессеяния. Воздушный зазор между стерж­нями магнитопровода и магнитным шунтом может изменяться. Это позволяет изменять в определенных пределах поток рассеяния.

Вторичная обмотка разделена на две части для увеличения потоков рассеяния. Магнитный шунт 2 тоже способствует этому. При токе на левом стержне магнитопровода создается МДС , а на правом стержне — МДС . Последняя представляет собой избыток первичной МДС. Под действием МДС и соответственно возникают магнитные потоки рассеяния и , которые проходят через шунт 2, образуя общий поток рассеяния . Выбрав соответствующим образом магнитное сопротивление шунта, можно даже при малых первичных токах обеспечить незначительное магнитное сопротив­ление магнитопровода. Вследствие этого МДС, необходимая для проведения намагничивающего потока , значительно умень­шается. Это приводит к уменьшению и токовой, и угловой по­грешностей ТТ. Так, например, при токах 10—20 % номиналь­ного наибольшую магнитную проницаемость будет иметь участок магнитопровода, по которому замыкается поток рассеяния . Часть вторичной обмотки 1, расположенная на левом стержне магнитопровода, будет сцепляться только с какой-то частью потока . Это равносильно отмотке части ее витков и уменьше­нию погрешностей. При первичных токах, близких к номинальным и превышающих номинальные, происходит насыщение шунта и компенсация перестает действовать. В. этом случае почти весь магнитный поток проходит по всему магнитопроводу, сцепляясь с обеими частями вторичной обмотки 1 и 3, что равносильно увеличению числа витков этой обмотки. Поэтому погрешности увеличатся.

Таким образом, при малых первичных токах погрешности уменьшаются, а при токах, близких к номинальным, — увеличиваются. Следовательно, кривая погрешностей спрям­ляется.

Уменьшение погрешностей рассматриваемым способом дости­гается не только путем повышения магнитной проницаемости магнитопровода, но и за счет уменьшения индуктивного сопротив­ления вторичной обмотки в результате так называемого двойного магнитного рассеяния. Под двойным магнитным рассеянием по­нимается такое рассеяние, при котором поток рассеяния одной обмотки сцепляется также и с другой обмоткой. Поток рассея­ния сцепляется только со вторичной обмоткой, а поток сцепляется в основном с первичной обмоткой и частично со вторич­ной. Потоки и пересекают проводники обмоток в противо­положных направлениях, индуцируя в них ЭДС самоиндукции, отстающие от возбуждающих их потоков на 90°. В первичной и вторичной обмотках поток индуцирует соответственно ЭДС и отстающие от него на 90°. Во вторичной обмотке поток индуцирует ЭДС , отстающую от него на 90°. Так как потоки и имеют противоположные направления, то и индуцируемые ими ЭДС и направлены навстречу друг другу.

Результирующая ЭДС рассеяния во вторичной обмотке равна разности модулей и и определяется потоком . Увеличивая долю потока , сцепляющегося со вторичной об­моткой, можно добиться полной компенсации ее индуктивного сопротивления.

Компенсация погрешностей созданием нулевого потока. При этом способе компенсации магнитопровод ТТ составляется из двух одинаковых магнитопроводов 1 и 2 (рис. 22.3.5). На магни­топровод 1 намотана часть вторичной обмотки из витков. Другая часть вторичной обмотки, состоящая из витков, намо­тана на магнитопровод 2. На магнитопровод 2 намотано еще витков компенсационной обмотки. Компенсационная обмотка вы­полнена из того же провода, что и вторичная. Числа витков вторичной и компенсационной обмоток выбраны такими, что . Следовательно, . Сопротивление вторичной обмотки с витками равно , а сопротивление каждой из обмоток равно .

Вторичная обмотка с числом вит­ков замыкается на вторичную нагрузку , а компенсационная об­мотка — на регулируемое сопротивле­ние . Во вторичной цепи протекает ток , а в компенсационной цепи — ток .

Рис. 22.3.5. Схема компенсации погрешностей ТТ методом нулевого потока.

Рассмотрим работу такого ТТ без компенсации погрешности и при компенсации.

Без компенсации магнитное состояние обоих магнитопроводов должно быть одинаковым. Это будет, если по вторичной и ком­пенсационной обмоткам проходит один и тот же ток, т. е. если . В этом случае магнитопровод 1 размагничивается МДС, равной , а магнитопровод 2 — МДС, равной . Так как то размагничивающие МДС в обоих магнитопроводах будут одинаковы.

Разность между первичной и вторичной МДС будет соответ­ствовать МДС намагничивания обычного ТТ. Сопротивление , при котором , может быть определено следующим обра­зом. Нагрузка на один виток вторичной обмотки при токе составит

Нагрузка на один виток компенсационной обмотки должна быть точно такой же. Тогда нагрузка на всю компенсационную обмотку будет

При компенсации погрешностей магнитное состояние магнито­проводов будет различным. Предположим, начнем увеличивать по сравнению с тем, какое было без компенсации. Это вызовет уменьшение тока и МДС размагничивания . МДС намагничивания в магнитопроводе 2 и индукция в нем увеличатся. Увеличение индукции в магнитопроводе 2 путем уменьшения тока в компенсационной обмотке разгрузит вторичную обмотку. Напряжение на последней повысится при неизменной вторичной нагрузке . Следовательно, несколько увеличится и ток . Изменяя сопротивление , можно добиться полного размагничи­вания магнитопровода 1, т. е. равенства , и тем са­мым свести погрешности к нулю. При полном размагничивании магнитопровода 1 магнитный поток в нем будет равен нулю. Следовательно, ЭДС в той части вторичной обмотки, которая находится на магнитопроводе 1, тоже будет равна нулю. ЭДС в части вторичной обмотки, находящейся на магнитопроводе 2, будет повышаться до тех пор, пока не станет равной падению на­пряжения во вторичной цепи. Таким образом последнее будет уравновешено только посредством обмотки с числом витков .

Опрёделим сопротивление , при котором обеспечивается полная компенсация погрешностей. При полной компенсации вся вторичная нагрузка (включая и внутреннее сопротивление обеих частей вторичной обмотки) приходится на витки . На­грузка на один виток составит

Такая же нагрузка должна приходиться и на один виток компенсационной нагрузки. Тогда

т. е. при полной компенсации сопротивление должно быть равно полному сопротивлению ветви вторичного тока , а

При компенсации погрешностей созданием нулевого потока размеры магнитопровода увеличиваются, так как он должен рассчитываться на двойную нагрузку. Компенсация погрешностей методом нулевого потока позволяет плавно регулировать токовую погрешность, доводя ее до нуля. Этот метод находит применение в некоторых типах лабораторных трансформаторов тока.

При проектировании ТТ спрямление кривой погрешности рас­смотренными выше способами компенсации обычно сочетается с витковой коррекцией. В результате этого получается необхо­димая форма кривой погрешности и наиболее выгодное положение ее относительно оси абсцисс.

[В.В. Афанасьев, Н.М. Адоньев, Л.В. Жалалис и др. - Трансформаторы тока. Л.: Энергия, Ленингр. отделение,1989. - 416 с.]