电流变压器的应用

电流变压器的应用

电流变压器可以被用来为执行功率测量和控制的电路测量和控制电流，以及完成安全保护和限制电流的任务。它们也可以用来监测电流达到规定的水平时可能发生的电路事故。从50Hz/60Hz的电源线工频频率到开关模式变压器的几百kHz的高频范围内，监测电流是必需的。

使用电流变压器的目的与要求是电流变换而不是电压比率。电流比率是与电压比率相反的。这使我们想到关于变压器的输出功率Pout（=输入功率Pin—变压器的功率损耗）。鉴于此，让我们假设所掌握的是理想的无损耗变压器，即其Pout=Pin。因为功率是电压×电流的乘积，而且这个乘积在电路的输出端和输入端是相同的。这意味着1∶10的升压变压器因为电压升至原边电压的十倍，而导致了输出电流减少到原边电流的十分之一。这是发生在电流变压器中的情况。如果变压器有1匝初级绕组和10匝次级绕组，则在初级绕组上的每1安培电流将致使在次级绕组上只有0.1安培电流，或者称为10∶1的电流比率。这恰好是与电压比率相反的—即保持了电压×电流的乘积相同。

我们可以怎样利用这种变压器及其知识来产生有用的一些产品呢？正常情况下，工程师需要对次级绕组产生的输出电流与初级绕组的电流成比例。十分常见的是，这一输出是以伏特为单位的每安培初级电流的输出。监视这个输出电压的设备可以定标，以在电压值达到规定的量级时产生所需要的结果。

负载电阻跨接于次级所产生的输出电压成比例于电阻值，这建立在流经该电阻的总电流值基础上。因为1∶10匝数比率的变压器产生10∶1的电流比率，故负载电阻可以被选择用来产生我们所要求的电压。如果在初级中的电流是1A，则在次级产生的电流是0.1A，按照欧姆定律，0.1A×负载电阻值，则得到所要求的每安培输出电压。

许多电压变压器为了得到所要求的输出电压和补偿损耗，可以调整匝数比率。匝数比率或实际的匝数不涉及主要终端用户，仅仅与电压输出值和可能调整的匝数以及其它损耗参数有关。作为电流变压器，用户必须知道电流比率，以便正确使用变压器。以“每安培”为单位的有关电流的知识是使用电流变压器的知识基础。十分经常见到的情况是，终端用户提供的

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是存在导线通过变压器中心的初级绕组。他们必须知道次级匝数以确定其输出电流。通常，在设计参数一览表中，变压器的匝数是作为使用的技术要求提出来的。

具备了这些知识，用户即可选择负载电阻值以得到他们所要求的输出电压。在1∶10匝比的电流变压器中，初级电流为1A时则有0.1A的输出电流，将在跨接的1Ω负载电阻上得到0.1V/A，1V/A跨接在10Ω负载电阻和10V/A跨接在100Ω负载电阻上，则都是0.1A的输出电流。

图2所示为理想的变换比率。在本文的分析中，次级直流(dc)电阻RDCR没有变成计算的部分。在考虑次级电流的时候，仅仅考虑实际的电流对电压V的影响。怎样恰当的电流值可以确定控制V的预测精度？用折算到初级的次级直流电阻×RDCR/N2是最佳分析。

在选择负载电阻时，工程师可以建立任意的每安培输出电压(Voutpot/A)，只要不造成磁芯饱和。在确定使用电流变压器时，磁芯饱和电平是重要的考虑因素。磁芯的最大“伏特—微秒”乘积的规定可以处理磁心不饱和。负载电阻是控制输出电压的因数之一。在给定的频率上，可以限制获得电压的总量。因为频率f是周期时间C的倒数(f=1/C)。如果频率f太低（即周期间隔时间太长），则电压—时间乘积将超过磁芯磁通量的容量，磁芯将会产生饱和。存在于磁芯中的磁通量是正比于电压×周期时间的。大多数技术条件可以提供跨接于负载电阻的电流变压器的最大“伏特—微秒”乘积。超过这个电压的太大的负载电阻将造成变压器饱和和限制了电压。

在工作时间内，如果负载电阻被切断或者被接通将会发生什么情况呢？结果是输出电压将尽力使图增长，以提升电流直到在该频率时线圈的电压达到饱和。这时，电压将停止上升，变压器不同增添额外的电感来激励电流。因此，在没有负载电阻时，在工作频率上，电流变压器的输出电压就是其饱和电压。

在电流变压器中存在着影响效率的因数。为了达到精度，输出电流必需是输入电流除匝数比率。可是遗憾的是，在电流变压器中，不是全部的电流被转移了，电流的一部分没有被变换到次级，而是被电感支路的电阻分流和被磁芯电阻损耗了。通常情况下，变压器的电感值有助于主要电流支路转移输出电流。这就是为什么要采用高磁导率磁芯以获得最大电感值和将电感电流减到最小的重要原因。准确的匝数比率一定能保证产生期望的次级电流和期望的精度。图3示出了变换的电流小于输入电流：ITRN=IIN-Icore-jIMAG(1)

大概是什么因素影响变压器需要监测其电流呢？称作负载的器件加入到电路中时需要

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监测变压器的电流。在测量变压器电流中，任何测量的器件都会改变电路。例如，连接一个电压表到电路中后，和与电表加入之前比较，将引起电压的变化。但是，这种影响可能很小甚至不产生影响；与加入仪表之前存在的电压比较，我们可能读不出电压的变化，这也是电流变压器的一种真实情况。次级上的负载电阻反射到初级要乘1/N2，这种情况所提供的电阻与初级电流串联。当电路中不存在变压器时，例如它们是采用临时的测量设备，当你关心有关的电流时，这个影响通常是最小的，也通常是唯一重要的。

我们应注意到图3电路中的四个损耗功率的元件：初级回路的电阻(PRIDCR)、磁心损耗电阻(Rcore)、次级的DCR(RDCR)被减小为1/N2。这些损耗影响着电流源(I)。电阻对电流变压器的精度具有间接影响。它们对电路的影响就是监测出来的变化的电流。初级的直流电阻(PRIDCR)和次级的DCR/N2(RDCR/N2)对于输入电流Iinput的读数没有间接作用，或者说只影响到实际电流值的读数精度。与其按以上说法，倒不如这样说，如果在电路中不存在电流变压器，它们将由直流电阻和次级的反射电阻变更电流。存在负载电阻是例外情况，这些损耗功率的电阻是影响变压器损耗和发热的元件。

电路中所浪费的能量与在电路监测中所示功率比较通常是很小的。一般情况下，变压器的设计和负载电阻的选择是在末端用户可以允许的最大能量损耗范围之内的。电池组工作的器件进入到广阔的应用领域和其功率消耗将对与功率有关的能量危机均等产生影响。在这种情况下，可以采用专门的设计以维护功率的消耗。

用电流变压器来测量电流是有效的途径。因为负载电阻按1/N2被反射到初级，可以发现，该电阻值在被监测的电路中是很小的。这就可以让高电压对被测量电路的输出产生最小的影响。用简单的和低成本的方法测量电流是利用概念电阻以串联方法与电流连接。但是，这种方法只能被用于功率消耗与次级有关系时。随着用电池组供电器件的更频繁使用和通行的要求减小功率消耗，电流变压器额外浪费的功率可以立即随使用补偿。也就是说，因为有大电流或任何幅值的电压要求时，概念电阻将不实用。

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