Трехфазные трансформаторы

Трехфазные сети широко распространены в энергетике и используются для производства и передачи электрической энергии. Трехфазные системы были разработаны русским электриком М.О.Доливо-Добровольским (1862 – 1919 гг.) и представляют собой систему из трёх источников переменного тока, ЭДС которых сдвинуты друг относительно друга на угол 120°.

Это трёхпроводная и четырёхпроводная линии. Напряжение каждого генератора – фазное напряжение, а напряжение между фазами — линейное напряжение.

На рисунке изображены временные зависимости для фазных и линейных ЭДС трехфазной системы напряжений.

Трансформирование трехфазного тока можно осуществить тремя однофазными трансформаторами, соединенными в трансформаторную группу (так называемый групповой трансформатор) или трёхфазным трансформатором. Обмотки первичной и вторичной цепей соединяются одним из способов: ”звезда” — Y, “треугольник” — ∆ , “зигзаг” — Z.

Обмотки трехфазных трансформаторов принято соединять по следующим схемам: звезда; звезда с нулевым выводом; треугольник; зигзаг с нулевым выводом. Схемы соединения обмоток трансформатора обозначают дробью, в числителе которой указана схема соединения обмоток ВН (высшего напряжения), а в знаменателе — обмоток НН (низшего напряжения). Например, Y/Δ означает, что обмотки ВН соединены в звезду, а обмотки НН — в треугольник.

Соединение в зигзаг применяют только в трансформаторах специального назначения, например для выпрямителей. При соединении в зигзаг каждую фазу обмотки НН делят на две части, располагая их на разных стержнях. Указанные части обмоток соединяют так, чтобы конец одной части фазной обмотки был присоединен к концу другой части этой же обмотки, расположенной на другом стержне. Зигзаг называют равноплечным, если части обмоток, располагаемые на разных стержнях и соединяемые последовательно, одинаковы, и неравноплечными, если эти части неодинаковы. При соединении в зигзаг ЭДС отдельных частей обмоток геометрически вычитаются.

Выводы обмоток трансформаторов принято обозначать следующим образом: обмотки ВН — начало обмоток А, В, С, соответствующие концы X, Y, Z; обмотки НН — начала обмоток а, b, с, соответствующие концы х, у, z.

При соединении обмоток звездой линейное напряжение больше фазного в раз, а при соединении обмоток треугольником линейное напряжение равно фазному (U

л = U_ф ).

Отношение линейных напряжений трехфазного трансформатора определяется следующим образом:

Схема соединения обмоток	Y/Y	Δ/Y	Δ/Δ	Y/Δ
Отношение линейных напряжений	w1/w2	w1/(w2)	w1/w2	w1/w2

Видно, что отношение линейных напряжений в трехфазном трансформаторе определяется не только отношением чисел витков фазных обмоток, но и схемой их соединения.

Рассмотрим способ соединения “звезда”.

На рисунке изображена векторная диаграмма напряжений и условное обозначение схемы соединения обмоток трансформатора.

Точка на схеме трансформатора обозначает конец вектора ЭДС или начало обмотки.

При соединении звездой линейные (I_л) и фазные токи (Iф) одинаковы, потому что для тока, проходящего через фазную обмотку, нет иного пути, кроме линейного провода. Линейные напряжения (U_л) больше фазных (Uф) в раза.

Соединение в звезду выполняется с нулевым выводом или без него, что является достоинством схемы соединения

Соединение в “треугольник”:

При соединении треугольником U_л = U_ф,потому что каждыедва линейных провода присоединены к началу и концу одной из фазных обмоток, а все фазные обмотки одинаковы. Линейные токи I_л = I_ф.

Мощность трёхфазной системы не зависит от схемы соединения (звездой или треугольником) иопределяется выражениями:

Полная

активная

[Вт]

реактивная [ВАР]

где j — угол сдвига фаз между напряжением и током.

Группы соединения обмоток трехфазного трансформатора

При определении группы соединения обмоток трансформатора пользуются циферблатом часов. Линейный вектор обмотки высшего напряжения (ВН) соответствует минутной стрелке циферблата часов и устанавливается на цифру 12, часовая стрелка соответствует линейному вектору ЭДС обмотки низкого напряжения (НН) и ее поворот по отношению к обмотке ВН определяет номер группы и угол поворота = n_*30⁰, где n – группа.

Определим группу соединения обмоток трансформатора соединения “звезда-звезда”. Для построения диаграммы условно объединяют одноименные выводы обмоток первичной (С) и вторичной (с) цепей трансформатора. Из построения видно, что номер группы соединения равен

n = 180°/30° = 6 .

Определим группу соединения обмоток трансформатора для соединения “звезда-треугольник”. Для построения диаграммы условно объединяем одноименные выводы обмоток первичной (а) и вторичной (А) цепей трансформатора. Из построения видно, что номер группы соединения равен n = j/30° =30°/30° = 1 .

Соединение вторичных обмоток трансформатора в зигзаг

Соединение зигзагом применяют для того, чтобы нагрузку вторичных обмоток распределить более равномерно между фазами первичной сети, а также для расщепления фаз при создании многопульсных выпрямителей и в других случаях.

Для соединения зигзагом вторичная обмотка каждой фазы составляется из двух половин: одна половина расположена на одном стержне, другая – на другом. При таком соединении э.д.с. обмоток, расположенных на разных стержнях сдвинуты на угол 120^0. _.

Угол поворота  вектора ЭДС вторичной цепи по отношению к первичной зависит от соотношения витков W₂₁/W₂₂.

Влияние схемы соединения обмоток на работу трехфазных трансформаторов в режиме холостого хода

Из уравнений токов третьей гармоники в трехфазной системе

i_A3=I_3maxsin3ωt

i_B3=I_3maxsin(3ωt-120⁰)

i_C3=I_3maxsin(3ωt+120⁰)

видно, что эти токи в любой момент времени совпадают по фазе, т. е. имеют одинаковое направление. Этот же вывод распространя­ется на все высшие гармоники тока, кратные трем, — 3, 9, 15 и т.д. Это обстоятельство оказывает существенное влияние на про­цессы, сопровождающие намагничивание сердечников при трансформировании трехфазного тока.

Рассмотрим особенности режима холостого хода трехфазных трансформаторов для некоторых схем соединении обмоток.

Соединение Y/Yo. Если напряжение подводится со стороны об­моток, соединенных звездой без нулевого вывода, то то­ки третьей гармоники (и кратные трем — 9, 15 и т. д.), совпадая по фазе во всех трех фазах, будут равны нулю. Объясняется это отсутст­вием нулевого провода, а следовательно, отсутствием выхода из ну­левой точки. В итоге токи третьей и гармоник кратных трём будут взаимно компенсировать­ся и намагничивающий ток трансформатора ока­жется синусоидальным, но магнитный поток в магнитопроводе окажется не­синусоидальным (упло­щенным) с явно выра­женным потоком третьей гармоники Ф

3 .

Потоки третьей гармоники не могут замкнуться в трехстержневом магнитопроводе, так как они совпадают по фазе. Эти потоки замыкаются через воздух (масло) и металлические стенки бака. Большое магнитное сопротив­ление потоку Ф₃ ослабляет его величину, поэтому наводимые потока­ми Ф₃ в фазных обмотках ЭДС третьей гармоники невелики и обычно их амплитуда не превышает 5…7% от амплитуды основной гармони­ки. На практике поток Ф₃ учитывают лишь с точки зрения потерь от вихревых токов, индуцируемых этим потоком в стенках бака. Напри­мер, при индукции в стержне магнитопровода порядка 1,4 Тл потери от вихревых токов в баке составляют около 10% от потерь в магнитопроводе, а при индукции 1,6 Тл эти потери возрастают до 50 …65%.

В случае трансформаторной группы, состоящей из трех однофазных трансформаторов, магнитопроводы отдельных фаз магнитно не связаны, поэтому магнитные потоки третьей гармоники всех трех фаз беспрепятственно замыкаются (поток каждой фазы замыкается в своем магнитопроводе). При этом значение потока Ф

3 может достигать 15 … 20% от Ф₁.

Несинусоидальный магнитный поток Ф, содержащий кроме основной гармоники Ф₁ еще и третью Ф₃, наводит в фазных обмотках несинусоидальную ЭДС.

Повышенная частота 3ω магнитного потока Ф₃ приводит к появлению значительной ЭДС е₃, резко увеличивающей ампли­тудное значение фазной ЭДС обмотки при том же ее действующем значении, что создает неблагоприятные усло­вия для электрической изоляции обмоток.

Амплитуда ЭДС третьей гармоники в трансформаторной группе может дости­гать 45—65% от амплитуды основной гар­моники. Однако следует отметить, что ли­нейные ЭДС (напряжения) остаются синусоидальными и не содержат третьей гармоники, так как при соединении обмо­ток звездой фазные ЭДС e_3A, e_3B и е_3С, сов­падая по фазе, не создают линейной ЭДС. Объясняется это тем, что линейная ЭДС при соединении обмоток звездой определяется разностью фазных ЭДС. Так, для основной гармоники линейная ЭДС.

Если первичная обмотка трансформатора является обмот­кой НН и ее нулевой вывод при­соединен к нулевому выводу гене­ратора, то намагничивающие токи фаз содержат третьи гармоники. Эти токи совпадают по фазе, а поэтому все они направлены либо от трансформатора к генера­тору, либо наоборот. В нулевом проводе будет протекать ток, рав­ный 3i₃. При этом магнитный поток трансформатора, а следова­тельно, и ЭДС в фазах будут синусоидальны.

Соединения, при которых обмотки какой-либо стороны трансформатора (НН или ВН) соединены в треугольник. Эти схемы соединения наиболее желательны, так как они лишены не­достатков, рассмотренных ранее схем.

Допустим, что в треугольник соединены первичные обмотки трансформатора. Тогда ток третьей гармоники беспрепятственно замыкается в замкнутом контуре фазных обмоток, соединенных в треугольник. Но если намагничивающий ток со­держит третью гармонику, то магнитные потоки в стержнях, а следовательно, и ЭДС в фазах практически синусоидальны.

Если же вторичные обмотки трансформатора соединены в треугольник, а первичные — в звезду, то ЭДС третьей гармоники, наведенные во вторичных обмотках, создают в замкнутом контуре треугольника ток третьей гармоники. Этот ток создает в магнитопроводе магнитные потоки третьей гармоники Ф₂₃, направленные встречно потокам третьей гармоники от намагничивающего тока Ф₁₃ (по правилу Ленца). В итоге результирующий поток третьей гармоники Ф_рез3=Ф₁₃+Ф₂₃ значительно ослабляется и практиче­ски не влияет на свойства трансформаторов.

11.6. Трехфазные трансформаторы

Лекция 20

В цепях трехфазного тока для трансформирования электрической энергии переменного тока в большинстве случаев применяются трех­фазные трансформаторы, хотя для этой цели могут быть использо­ваны, три однофазных трансформатора (если их мощности достаточно велики — более 10000 кВА в фазе). Однако применение трехфазных трансформаторов предпочтительнее, так как они меньше по размерам (чем три однофазных) и дешевле.

На рис. 11.13 показан трехфазный трансформатор с трехстержневым магнитопроводом, на каждый стержень которого нанесены пер­вичная и вторичная обмотки соответствующей фазы. Магнитопровод трансформатора имеет три стержня А, В, С равного сечения, которые расположены в одной плоскости, и ярмо D.

Стержнем называют часть магнитной системы, на которой распола­гаются обмотки трансформатора.

Часть магнитной системы трансформатора, не несущая основных обмоток и служащая для замыкания магнитной цепи, называется ярмом.

Для уменьшения потерь от вихревых токов магнитопроводы собирают из изолированных друг от друга листов электротехнической стали толщиной 0,35—0,5 мм (если частота питающего напряжения 50 Гц). Для высоких частот (более 20 кГц) магнитопроводы выпол­няют из ферритов.

Обмотки высшего (ВН) и низшего (НН) напряжений каждой из фаз трансформатора размещают на стержне концентрически одна поверх другой. Обычно ближе к стержню располагают обмотку НН. Обмотки изолированы друг от друга и от стержня жесткими цилиндрами, изготовленными из бумаги с последующей пропиткой ее бакелитовым лаком. Обмотки наматываются в одну сторону, каждая из них имеет условное начало и конец.

Принято начала фаз обмоток высшего напряжения обозначать А, В, С, а их концы — X, Y, Z; начала фаз обмоток низшего напря­жения обозначают а, b, с, а концы — х, у, z.

При питании трансформатора от симметричной трехфазной сети в его стержнях возбуждаются магнитные потоки Ф_A, Ф_B и Фс, сдви­нутые по фазе относительно друг друга на угол 120°. Эти потоки, в свою очередь, индуцируют в фазах обмоток трансформатора сим­метричные системы э. д. с.: в фазах обмотки высшего напряжения E_A, E_B, E_C, в фазах обмотки низшего напряжения E_a, E_b, E_c. В симметрич­ных трехфазных системах фазные э. д. с. сдвинуты относительно друг друга на угол 120°.

На рис. 11.14 показана векторная диаграмма трехфазного трансфор­матора в режиме холостого хода. Векторы магнитных потоков в стержнях Ф_А, Фв, Фс образуют симметричную звезду, вследствие чего их сумма равна нулю. По этой причине магнитопровод трехфазного трансфор­матора не имеет четвертого замыкающего стрежня [подобно тому, как нет четвертого (нейтрального) провода в трехфазных цепях при сим­метричной нагрузке]. Следует иметь в виду, что только при правильном соединении первичной обмотки сумма фазных потоков в трехстержневом магнитопроводе равна нулю. В противном случае результирую­щий магнитный поток трех фаз не равен нулю и замыкается по воздуху и баку трансформатора (если последний имеет масляное охлаждение).

Симметричный трехстержневой трансформатор имеет небольшую магнитную несимметрию контуров, так как длина магнитной цепи, по которой замыкается поток Ф_B, несколько меньше, чем для потоков Ф_А и Фс (см. рис. 11.13).

Небольшая магнитная несимметрия контуров, по которым прохо­дят магнитные потоки отдельных фаз, вызывает несимметрию токов холостого хода этих фаз. Однако несимметрия токов холостого хода существенного значения не имеет, так как при нагрузке ток холостого хода оказывает незначительное влияние на значение токов как в первичной, так и во вторичной обмотке. Следовательно, при симметрии напряжения на фазах первичной обмотки и симметричной нагрузке, подключенной ко вторичной обмотке, все фазы трансформатора нахо­дятся в равных условиях и для анализа можно рассматривать работу только одной фазы, считая, что процессы в других фазах аналогичны. Для фазных напряжений и токов при симметричной нагрузке справед­ливы формулы, полученные для однофазного тока, при подстановке в них фазных напряжений, токов, мощностей.

Фазы первичной и вторичной обмоток трехфазных трансформаторов могут быть соединены звездой, звездой с выведенной нулевой точкой и треугольником. Эти способы соединений условно обозначают соответственно символами Y, Y₀, Δ. Символ способа соединения обмотки высшего напряжения принято писать первым, между симво­лами ставят наклонную черту, например Y/∆ или Y/Y₀. Наиболее дешевым и простым соединением обмоток трансформатора является соединение звездой, так как в этом случае каждая из обмоток нахо­дится под фазным напряжением. Такое соединение является наиболее предпочтительным для высокого напряжения, ибо в этом случае изоляция обмоток рассчитывается лишь на фазное напряжение; кроме того, при передаче электрической энергии с ростом напряжения умень­шается ток и соединение треугольником становится относительно более дорогим (при этом следует иметь в виду, что соединение тре­угольником конструктивно удобнее при больших токах).

Соединение Y/Δ наиболее приемлемо для трансформаторов боль­шой мощности в тех случаях, когда на стороне низшего напряжения не требуется соединение звездой с нулевым проводом.

Трехфазные трансформаторы обычно характеризуют двумя коэф­фициентами трансформации: фазным и линейным. Фазный коэффи­циент трансформации равен отношению числа витков w_вн фазы обмотки высшего напряжения к числу витков w_нн фазы обмотки низшего напря­жения или отношению фазных напряжений этих обмоток при холостом ходе;

Линейный коэффициент трансформации равен отношению линейного напряжения обмотки высшего напряжения к линейному напряжению обмотки низшего напряжения при холостом ходе:

Для соединений Y/Y и Δ/Δ линейный и фазный коэффициенты трансформации равны между собой: k_л = k_ф; для соединения Y/Δ k_л = k_ф, а для соединения Δ/Y k_л = k_ф/.

Группы соединений обмоток. По группам соединений обмоток трансформаторы подразделяют на основании значения угла α сдвига фаз между линейными высшим и низшим напряжениями. У трансформа­торов одной группы сдвиг фаз одинаков. Сдвиг фаз между линейными высшим и низшим напряжениями имеет большое значение при парал­лельной работе трансформаторов, так как на параллельную работу можно включить трансформаторы только одной группы соединений обмоток, в противном случае возникают уравнительные токи, вызываю­щие перегрев обмоток.

Для сопоставления относительного положения векторов высшего и низшего линейных напряжений используют положения минутной и часо­вой стрелок на часовом циферблате: вектор линейного высшего напря­жения совмещают с минутной стрелкой и устанавливают на цифру 12, а часовую стрелку совмещают с положением линейного низшего напря­жения. Отсчет угла между минутной и часовой стрелками производится по направлению их вращения, и при определении номера группы этот угол делят на 30°.

Так, для однофазного трансформатора, если направление вектора высшего напряжения составляет с направлением вектора низшего напряжения угол α = 0°, минутная и часовая стрелки будут находиться на цифре 12 (нуль часов), поэтому такое соединение называют группой 0. Если первичная и вторичная обмотки намотаны в одну сторону и имеют симметричную маркировку зажимов, то также имеем α = 0°, т. е. группу 0.

При изменении направления намотки одной из обмоток или при изменении маркировки зажимов одной из них получаем сдвиг фаз α = 180° (рис. 11.16, б), т. е. часовая стрелка совмещена на циферблате с цифрой 6 (180⁰/30⁰ = 6) — группа 6. Следовательно, для однофазного трансформатора возможны две группы соединений: нулевая и шестая.

В трехфазных трансформаторах каждая пара обмоток высшего и низшего напряжения расположена на одном и том же стержне, поэтому фазные э. д. с. могут как совпадать, так и быть противоположными по фазе. Однако в зависимости от схемы соединений первичной и вторичной обмоток этих трансформаторов и порядка соединений их начал и концов можно получить различные группы соединений. Для трехфазных трансформаторов возможны двенадцать групп соединений, однако трехфазные силовые трансформаторы выпускают только двух групп: нулевой и одиннадцатой. Нулевой группе соответствует соеди­нение звезда/звезда с выведенной нулевой точкой: одиннадца­той группе соединения — звезда/треугольник и звезда с выве­денной нулевой точкой/треугольник

5.7 Трёхфазные трансформаторы, автотрансформаторы и измерительные трансформаторы

В линиях электропередачи используют в основном трёхфазные силовые трансформаторы. Магнитопровод трёхфазного трансформатора имеет три стержня, на каждом из которых размещаются две обмотки одной фазы.

Рисунок 5.4 – Магнитная система трехфазного трансформатора

Особенностью трёхфазного трансформатора является зависимость коэффициента трансформации линейных напряжений от способа соединения обмоток. Применяются главным образом три способа соединения обмоток трёхфазного трансформатора: соединение первичных и вторичных обмоток звездой; соединение первичных обмоток звездой, вторичных – треугольником; соединение первичных обмоток треугольником, вторичных – звездой.

Таким образом, при одном и том же числе витков обмоток трансформатора можно в увеличить или уменьшить его коэффициент трансформации, выбирая соответствующую схему соединения обмоток.

У автотрансформатора часть витков первичной обмотки используется в качестве вторичной обмотки, поэтому помимо магнитной связи имеется электрическая связь между первичной и вторичной цепями. В соответствии с этим энергия из первичной цепи во вторичную передаётся как с помощью магнитного потока, замыкающегося по магнитопроводу, так и непосредственно по проводам.

Рисунок 5.5 – Принципиальная схема автотрансформатора

Вследствие электрического соединения обмоток через часть витков, принадлежащую одновременно первичной и вторичной цепям, проходят токи I₁ и I₂, которые направлены встречно и при небольшом коэффициенте трансформации мало отличаются друг от друга по значению. Поэтому их разность оказывается небольшой и обмотку w₂ выполняют из тонкого провода.

Автотрансформаторы применяют для пуска мощных двигателей переменного тока, регулирования напряжения в осветительных сетях, а также в других случаях, когда необходимо регулировать напряжение в небольших пределах. Преимущества автотрансформатора снижаются с увеличением коэффициента трансформации. Кроме того, только при высшем и низшем напряжениях одного порядка электрическое соединение цепей не встречает препятствий. Но автотрансформатор нельзя применять, например, для питания распределительной сети 220 В от сети высокого напряжения 6000 В. При таком автотрансформаторе не только пришлось бы рассчитать изоляцию распределительной сети на 6000 В, что увеличило бы значительно ее стоимость, но и пользоваться такой сетью опасно для жизни.

Измерительные трансформаторы напряжения и тока используют для включения измерительных приборов, аппаратуры автоматического регулирования и защиты в высоковольтные цепи.

Измерительные трансформаторы напряжения (ТН) служат для включения вольтметров и обмоток напряжения измерительных приборов. Поскольку обмотки имеют большое сопротивление и потребляют маленькую мощность, можно считать, что они работают в режиме холостого хода.

ТН предназначен для понижения высокого напряжения до стандартного значения 100 или 100/и для отделения цепей измерения и релейной защиты от первичных цепей высокого напряжения.

В ТН один вывод вторичной обмотки и корпус трансформатора заземляются. Это делается на случай повреждения изоляции, а также для того, чтобы замкнуть на землю цепь тока (пунктирная замкнутая линия), наличие которого снижает точность измерений прибора.

В зависимости от величины напряжения ТН изготавливают с двумя видами охлаждения: до напряжения 6 кВ – сухие с естественным охлаждением, а выше 6 кВ – масляные. По типу изоляции: сухие, масляные и с литой изоляцией. По конструкции различают трехфазные и однофазные ТН. Трехфазные ТН применяются при напряжениях до 18 кВ, а однофазные – на любые напряжения.

В зависимости от назначения могут применяться ТН с различными схемами соединения обмоток. Например, для измерения трехмеждуфазных напряжений можно использовать два однофазных двухобмоточных трансформатора НОМ, НОС, НОЛ, соединенных по схеме открытого треугольника, а также трехфазный двухобмоточный трансформатор НТМК, обмотки которого соединены в «звезду».

Измерительные трансформаторы тока (ТТ) используют для включения амперметров и токовых катушек измерительных приборов. Эти катушки имеют очень маленькое сопротивление, поэтому трансформаторы тока практически работают в режиме короткого замыкания.

К трансформаторам тока кроме требованиям по точности предъявляют еще требования по устойчивости в отношении коротких замыканий, т. к. первичная обмотка ТТ находится в цепи, где возможно короткое замыкание и через ТТ включаются аппараты защиты (реле), отключающие установку в случае короткого замыкания. Поэтому ТТ должен выдерживать кратковременный ток короткого замыкания и воздействовать на аппарат защиты, который отключит аварийный участок сети.

Рисунок 5.6 – Принципиальные схемы включения

трансформатора напряжения (а) и трансформатора тока (б)

Показания приборов, включенных через трансформаторы напряжения или тока необходимо умножить на произведение коэффициентов трансформации этих трансформаторов.

Трёхфазные трансформаторы Магнитные системы трёхфазных трансформаторов

Основные типы магнитных систем трёхфазных трансформаторов, в зависимости от конструктивного устройства магнитопровода:

• Стержневая магнитная система;

• Броневая магнитная система;

• Бронестержневая магнитная система.

Также (в зависимости от взаимосвязи потоков различных фаз) магнитные системы разделяют как:

Покажем наиболее распространённые типы трёхфазных трансформаторов.

1. Независимая магнитная система.

Трёхфазная трансформаторная группа.

Данный тип представлен на рис. 2.28. Трёхфазная трансформаторная группа получается из трёх однофазных трансформаторов, обмотки которых соединены

Рис. 2.28. Трёхфазная трансформаторная группа

определённым образом. Схема соединения обмоток на рисунке – звезда/звезда (/).

Применяют только при очень больших мощностях (более 10 МВА в фазе). Данный тип имеет некоторые преимущества при транспортировке и монтаже. Так, при выходе из строя одного однофазного трансформатора, ремонту или замене подлежит только один однофазный трансформатор.

К недостаткам можно отнести громоздкость всей конструкции, повышенные габариты и вес, отсюда повышенная стоимость.

Применяются, например, в металлургии для обеспечения работы мощных электродуговых печей.

2. Трёхфазный броневой трансформатор.

Трёхфазный броневой трансформатор можно рассматривать как три однофазных броневых трансформатора, поставленных друг на друга. Трёхфазный броневой трансформатор представлен на рис. 2.29.

Рис. 2.29. Трёхфазный броневой трансформатор

Средняя фаза имеет обратное включение по сравнению с крайними фазами, для того, чтобы потоки в ярмах суммировались. Векторная диаграмма потоков в ярме приведена на рис. 2.30. Применяются достаточно редко из-за относительной сложности конструкции.

3. Бронестержневой трансформатор.

С целью уменьшения высоты конструкции магнитопровода выполняются трансформаторы бронестержневого типа (рис. 2.31).

Рис. 2.30. Векторная диаграмма потоков

Рис. 2.31. Бронестержневой трансформатор

Трехстержневой трансформатор

Если на первичную обмотку подаётся симметричная система трёхфазных напряжений, то по обмоткам протекают симметричные системы токов, следовательно, потоки трёх фаз также образуют симметричную систему, тогда

. (2.98)

Тогда этот объединенный стержень можно убрать (рис. 2.32, б). Полученный таким образом трансформатор можно сделать более компактным, поместив все три стержня в одну плоскость (рис. 2.32, в). Получившийся трансформатор называют трёхфазным стержневым трансформатором, или трёхстержневым. Вследствие уменьшения длины магнитной цепи, по которой замыкается поток фазы В, возникает некоторая магнитная несимметрия фаз, которая обычно невелика и будет сказываться только на режиме холостого хода, в частности, на токе холостого хода, который будет меньше в средней фазе, чем в крайних. Однако, как было показано ранее (разделы 2.4, 2.5), при нагрузке ток холостого хода оказывает малое влияние на величины токов первичной и вторичной обмоток. Таким образом, можно считать, что при симметричном питающем напряжении и нагрузке все фазы трёхфазного трансформатора находятся в одинаковых условиях. Поэтому для каждой фазы справедливы комплексные уравнения, векторные диаграммы и схемы замещения, выведенные ранее. Исключение составляет только режим холостого хода, на котором сказывается схема соединения обмоток. Конструктивное устройство трёхфазного стержневого трансформатора представлено на рис. 2.33.

Рис. 2.32. Образование трёхстержневого трёхфазного трансформатора

Рис. 2.33. Конструкция трёхстержневого трёхфазного трансформатора

Схемы соединения обмоток

Первичная и вторичная обмотки трансформаторов могут быть соединены в звезду (Y), в треугольник (). В схеме соединения – звезда может быть выведена нулевая точка (Y₀). Кроме того, есть такая схема соединения, как зигзаг (Z), которая применяется редко /1/. Покажем схемы соединения и векторные диаграммы напряжений.

1. Схема соединения – звезда (Y) (рис. 2.34).

Всё про трехфазный трансформатор

Трёхфазный трансформатор используется для преобразования напряжения. Применяется устройство в сфере электрификации промышленного хозяйства и бытовых нужд. Кроме того, такие устройства незаменимы на судах, так как с их помощью осуществляется питание приборов различного номинала.

Расчёт трёхфазного трансформатора производится в соответствии со специальной документацией. На основе полученных данных выбирается нужная комплектация. Используется устройство не только для промышленных нужд, но и в бытовых приборах при производстве электронных схем управления.

Трёхфазный трансформатор может быть понижающим или повышающим, коэффициент преобразуемых величин зависит от числа витков обеих обмоток. Устройство может быть собрано из трёх однофазных аналогов или выполняется на общем сердечнике, сумма магнитных потоков каждой фазы в таком приборе будет равна нулю.

Для промышленных трансформаторов проводится ряд испытаний на соответствие заданным параметрам. Комплекс мероприятий по проверке характеристик устройства включает замеры сопротивления каждой обмотки, проверку изоляции относительно земли и между фазами. Специальным прибором подаётся напряжение на обмотки и проверяется пробивная способность изоляции. Далее на первичную обмотку подаётся напряжение и замеряется величина на выходе. С помощью этого опыта высчитывается коэффициент трансформации.

Результаты замеров должны соответствовать величинам, отражённым в сопутствующей документации, в противном случае трёхфазный трансформатор бракуется. Очень важно понимать, что обвязка и монтаж оборудования для распределительных устройств 110 кВ и выше не допускаются без надзора специалиста с завода, где производилось изготовление. При этом испытания должны проводиться согласно принятым правилам в присутствии компетентного лица.

Трансформатор трёхфазный соединяется по схеме «Звезда» или по схеме «Треугольник». Соединение звездой реализуется общим узлом начал всех фаз. Схема в виде треугольника осуществляется последовательным соединением фаз в кольцо: конец первой фазы соединяется с началом второй, конец второй с началом третьей и конец третьей с началом первой.

Если трехфазный трансформатор соединён по схеме «Звезда», то элементы могут выполняться с глухозаземлённой или изолированной нейтралью (так называется узел, соединяющий концы фаз). Для высоковольтных РУ используется специальный зонт, который позволяет заземлять и разземлять нейтраль. Однако в распределительных устройствах для безопасности по 0,4 кВ используется заземлённый ноль.

Для защиты линий электропередач используются трансформаторы напряжения, с помощью которых контролируется питание. Они помогают сориентировать защиту по углам и величинам при наладке дифференциала срабатывания устройств. Чаще всего используются три трансформатора на каждую фазу.

У каждого из них есть не менее двух кернов: один соединяется в разомкнутый треугольник, другой — в звезду. Звезда служит для замера напряжения на линиях, а разомкнутый треугольник необходим как защита от замыкания.

Сегодня выпускаются трансформаторы напряжения с третьим керном под учёт. С его помощью осуществляется подключение счётчиков. Как правило, третий керн тоже соединяется по схеме звезды. Такое отделение цепей контроля от цепей учёта помогает получить более точные показания, так как класс точности керна для счётчика выше.

Трансформатор трехфазный и его три основных типа :: SYL.ru

Трансформатор – простейший прибор для преобразования напряжения или тока. Он настолько распространен в промышленной и бытовой технике, что, казалось бы, объяснять, как он устроен и работает, ни к чему, все и так знают. Однако и столь простое устройство во многих случаях вызывает вопросы. Например, чем трансформатор трехфазный отличается от однофазного? Зачем он нужен? Каким он вообще может быть?

Виды трансформаторов

Эти устройства бывают разными, от огромных на подстанциях до буквально микроскопических в сложных электронных приборах и радиотехнике. Различаются они по частоте напряжения питания, коэффициенту трансформации и общему назначению. Самые большие служат для передачи электроэнергии на большие расстояния. С их помощью напряжение сначала повышается (на входе линии), а затем понижается (в пункте подключения потребительских сетей). В общем, основных типов всего три:

— силовые;

— измерительные;

— специальные.

Трансформатор трехфазный может относиться к любому из этих типов, если он предназначен для работы в трехфазной сети, изобретенной великим русским электротехником Доливо-Добровольским, доказавшим ее целесообразность. Его отличие от однофазного собрата состоит в том, что он представляет собой его тройное повторение. Он имеет как минимум три входные и три выходные обмотки. Конструктивно каждая пара может быть смонтирована на собственном магнитопроводе или иметь общий, это принципиального значения не имеет. Каждая обмотка трехфазного трансформатора рассчитывается на определенный ток нагрузки, в зависимости от него выбирается сечение провода и размеры магнитопровода, изготовляемого из ферромагнитного материала. Все три вида заслуживают отдельного, пусть и не очень подробного рассмотрения.

Силовые

Самый распространенный тип служит для повышения или понижения напряжения. Внутри каждой подстанции — районной, домовой, городской, сельской или поселковой, находится трансформатор трехфазный, обеспечивающий электропитанием какую-то часть населения, живущую иногда на нескольких улицах, или предприятие. Состоит он из шести обмоток, трех первичных (с большим количеством витков) и трех вторичных (с меньшим). На первичные обмотки подается высокое напряжение, измеряемое в киловольтах, а со вторичных снимается потребительское (промышленное 380 В, называемое также линейным или межфазным, или фазное 220 В между нейтралью и фазой). Подключение трехфазного трансформатора может производиться двумя способами («треугольником» или «звездой»).

Устанавливаются подстанции из экономических соображений, для снижения потерь при транспортировке энергии. Дело в том, что чем меньше ток, тем меньше нагрев проводов линий электропередач, причем зависимость квадратичная. Увеличив напряжение в пять раз, например при одинаковой передаваемой мощности, можно уменьшить ток в такое же количество раз, а потери при этом снизятся в 25 раз.

Измерительные

Измерение параметров электрической цепи – важнейшая задача энергетики. Если необходимо определять токи относительно небольших величин, то особых сложностей нет, изобретены многие простые и надежные приборы — как магнитоэлектрические, так и цифровые. Другое дело, если ток достигает десятков ампер, или даже сотен. Тут уже требуется трехфазный трансформатор тока, на вторичных обмотках которого можно получить кратно уменьшенные величины, измеряемые обычными стандартными амперметрами. Теоретически, конечно, можно изготовить прибор, выдерживающий огромный ток и обладающий сверхмалым сопротивлением, но в этом случае рамка и весь механизм будут циклопических размеров. Да и стоимость такого амперметра окажется сравнимой с ценой всего остального оборудования подстанции, вместе взятого.

Специальные

По своему принципиальному устройству они ничем не отличаются от силовых, более того, по назначению тоже, они нужны для обеспечения электропитания. Другое дело, что характер нагрузки у них специфический. Обычно требуемая мощность очень большая и к тому же неравномерно распределена во времени. Например, сварочный трансформатор трехфазный предназначен для длительной работы в режиме почти короткого замыкания, при очень низком сопротивлении, подключенным к выходным обмоткам. При этом нагрузка носит импульсный и несимметричный характер. Примерно в таком же, мало приемлемом для обычного трансформатора режиме, работает устройство, изготовленное для питания низкоомных и очень мощных электропечей или индукторов закалки токами высокой частоты.

Назначение и области применения трансформаторов

Трансформатором называют статическое электромагнитное устройство, имеющее две или большее число индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.

С помощью трансформаторов повышается или понижается напряжение, изменяется число фаз, а в некоторых случаях преобразуется частота переменного тока. Возможность передачи электрических сигналов от одной обмотки к другой посредством взаимоиндукции была открытаМ. Фарадеем в 1831 г.; при изменении тока в одной из обмоток, намотанной на стальной магнитопровод, в другой обмотке индуцировалась ЭДС Однако первый практически работающий трансформатор создал известный изобретатель П. Н. Яблочков в содружестве с И. Ф. Усагиным в 1876 г. Это был двухобмоточный трансформатор с разомкнутым магнитопроводом.

В дальнейшем несколько конструкций однофазных трансформаторов с замкнутым магнитопроводом были созданы венгерскими электротехниками О. Блати, М. Дери и К. Циперноеским. Для развития трансформаторостроения и вообще электромашиностроения большое значение имели работы проф. А. Г. Столетова по исследованию магнитных свойств стали и расчету магнитных цепей.

Важная роль в развитии электротехники принадлежит М. О. Доливо-Добровольскому. Он разработал основы теории многофазных и, в частности, трехфазных переменных токов и создал первые трехфазные электрические машины и трансформаторы. Трехфазный трансформатор современной формы с параллельными стержнями, расположенными в одной плоскости, был изобретен им в 1891 г. С тех пор происходило дальнейшее конструктивное усовершенствование трансформаторов, уменьшалась их масса и габариты, повышалась экономичность. Основные положения теории трансформаторов были разработаны в трудах Е. Арнольда и М. Видмара.

В развитии теории трансформаторов и совершенствовании их конструкции большое значение имели работы советских ученых В. В. Корицкого, Л. М. Пиотровского, Г. Н. Петрова, А. В. Сапожникова, А. В. Трамбицкого и др.

Трансформаторы широко используют для следующих целей.

1. Для передачи и распределения электрической энергии. Обычно на электростанциях генераторы переменного тока вырабатывают электрическую энергию при напряжении 6—24 кВ. Передавать же электроэнергию на дальние расстояния выгодно при больших напряжениях, поэтому на каждой электростанции устанавливают трансформаторы, повышающие напряжение.

В настоящее время для высоковольтных линий электропередачи в СССР применяют силовые трансформаторы с масляным охлаждением напряжением 330, 500 и 750 кВ, мощностью до 1200—1600 MB-А. В связи со строительством дальних линий электропередачи Экибастуз — Центр, Экибастуз — Урал и других напряжением 1150 кВ переменного тока наша электро­промышленность создала трансформаторные группы, состоящие из трех однофазных трансформаторов мощностью 667 MB-А, а для линий 1500 В постоянного тока — двенадцатифазные преобразовательные блоки с четырехобмоточными трансформаторами общей мощностью 1500 MB-А. КПД таких трансформаторов составляет 98 — 99% и выше.

Для перспективных линий электропередачи переменного тока напряжением 1800—2000 кВ и постоянного тока напряжением 3000 кВ разрабатывают трансформаторы мощностью 1320 MB-А на одну фазу.

Электрическая энергия распределяется между промышленными предприятиями и населенными пунктами, в городах и сельских местностях, а также внутри промышленных предприятий по воздушным и кабельным линиям при напряжении 220, 110, 35, 20, 10 и 6 кВ. Следовательно, во всех узлах распределительных сетей должны быть установлены трансформаторы, понижающие напряжение. Кроме того, понижающие трансформаторы следует устанавливать в пунктах потребления электроэнергии, так как большинство электрических потребителей переменного тока работает при напряжениях 220, 380 и 660 В. Таким образом, электрическая энергия при передаче от электрических станций к потребителям подвергается в трансформаторах многократному преобразованию (3 — 5 раз). При­меняемые для этих целей трансформаторы могут быть одно-и трехфазными, двух- и трехобмоточными.

2. Для обеспечения нужной схемы включения вентилей в преобразовательных устройствах и согласования напряжений на входе и выходе преобразователя. В вентильных преобра зователях, выпрямляющих переменный ток или преобразующих его из постоянного в переменный (инверторы), отношение напряжений на входе и выходе зависит от схемы включения вентилей.  Поэтому  если на вход преобразователя подается стандартное напряжение, то на выходе получается нестандартное. Для устранения этого недостатка вентильные преобразователи, как правило, снабжают трансформаторами, обеспечивающими стандартное выходное напряжение при принятой схеме включения вентилей. Кроме того, ряд схем включения вентилей требует обязательного применения трансформатора. Трансформаторы, применяемые для этой цели, называют преобразовательными. Их мощность достигает тысяч киловольт-ампер, напряжение 110 кВ; они работают при частоте 50 Гц и более. Рассматриваемые трансформаторы выполняют одно-, трех- и многофазными с регулированием выходного напряжения в широких пределах и без регулирования.

В последнее время для возбуждения мощных турбо-и гидрогенераторов, электропривода и других целей все шире начинают применять трансформаторы с естественным воздушным охлаждением напряжением 3 — 24 кВ и мощностью 133-6300 кВ-А. Благодаря использованию в этих трансформаторах новой теплостойкой изоляции удается повысить их нагрузочную способность и в 1,3 — 1,5 разасократить, массогабаритные показатели по сравнению с применявшимися ранее трансформаторами с масляным охлаждением.

3. Для различных технологических целей: сварки (сварочные трансформаторы), питания электротермических установок (электропечные трансформаторы) и др. Мощность их достигает десятков тысяч киловольт-ампер при напряжении до 10 кВ; они работают обычно при частоте 50 Гц.

4. Для питания различных цепей радио- и телевизионной аппаратуры; устройств связи, автоматики в телемеханики, электробытовых приборов; для разделения электрических цепей различных элементов этих устройств; для согласования напряжений и т. п. Трансформаторы, используемые в этих устройствах, обычно имеют малую мощность (от нескольких вольт-ампер до нескольких киловольтампер), невысокое напряжение, работают при частоте 50 Гц и более. Их выполняют двух-, трех- и многообмоточными; условия работы, предъявляемые к ним требования и принципы проектирования весьма специфичны.

5. Для включения электроизмерительных приборов и некоторых аппаратов, например реле, в электрические цепи высокого напряжения или в цепи, по которым проходят большие токи, с целью расширения пределов измерения и обеспечения электробезопасности. Трансформаторы, применяемые для этой цели, называют измерительными. Они имеют сравнительно небольшую мощность, определяемую мощностью, потребляемой электроизмерительными приборами, реле и др.

Трансформаторы, перечисленные в п. 1, 2, 3 и частично в п. 4, предназначенные для преобразования электрической энергии в сетях энергосистем и потребителей электрической энергии, называют силовыми. Для режима их работы характерны неизменная частота переменного тока и очень малые отклонения первичного и вторичного напряжений от номинальных значений.

Силовые трансформаторы, выпускаемые отечественными заводами, разделены на несколько групп (габаритов) от I до VIII. Например, трансформаторы мощностью до 100 кВ•А включительно относят к габариту I, от 160 до 630 кВ • А — к габариту II, от 1000 до 6300 кВ • А — к габариту III и т. п.

В данной главе в основном рассматривается теория силовых трансформаторов; другие же виды трансформаторов рассмотрены кратко на основе общей теории.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТРАНСФОРМАТОРА

Электромагнитная схема однофазного двухобмоточного трансформатора состоит из двух обмоток (рис. 2.1), разме­щенных на замкнутом магнитопроводе, который выполнен из ферромагнитного материала. Применение ферромагнитного магнитопровода позволяет усилить электромагнитную связь между обмотками, т. е. уменьшить магнитное сопротивление контура, по которому проходит магнитный поток машины. Первичную обмотку 1 подключают к источнику переменного тока — электрической сети с напряжением u₁. Ко вторичной обмотке 2 присоединяют сопротивление нагрузки Z_H.

Обмотку более высокого напряжения называют обмоткой высшего напряжения (ВН), а низкого напряжения — обмоткой низшего напряжения (НН). Начала и концы обмотки ВН обозначают буквами А и X; обмотки НН — буквами а и х.

При подключении к сети в первичной обмотке возникает переменный ток i₁ , который создает переменный магнитный поток Ф, замыкающийся по магнитопроводу. Поток Ф индуцирует в обеих обмотках переменные ЭДС — е₁ и е₂, пропорциональные, согласно закону Максвелла, числам витков w₁ и w₂ соответствующей обмотки и скорости изменения потока dФ/dt.

Рис. 2.1. Электромагнитная система   однофазного   трансфор­матора : 1,2 — первичная и вторичная обмот­ки; 3 — магнитопровод

Таким образом, мгновенные значения ЭДС, индуцированные в каждой обмотке,

е₁ = — w₁ dФ/dt;      е2= -w₂dФ/dt.

Следовательно, отношение мгновенных и действующих ЭДС в обмотках определяется выражением

E1/E2= e1/e2= w1/w2.

(2.1)

Если пренебречь падениями напряжения в обмотках тран­сформатора, которые обычно не превышают 3 — 5% от номи­нальных значений напряжений U₁ и U₂, и считать E₁≈U _l и Е₂≈U₂, то получим

U1/U2≈w1/w2.

(2.2)

Следовательно, подбирая соответствующим образом числа витков обмоток, при заданном напряжении U₁ можно получить желаемое напряжение U₂. Если необходимо повысить вторичное напряжение, то число витков w₂ берут больше числа w₁; такой трансформатор называют повышающим. Если требуется уменьшить напряжение U₂, то число витков w₂ берут мень­шим w₁; такой трансформатор называют понижающим,

Отношение ЭДС Е_ВН обмотки высшего напряжения к ЭДС Е_НН обмотки низшего напряжения (или отношение их чисел витков) называют коэффициентом трансформации

k= ЕВН/ЕНН = wВН/wНН

(2.3)

Коэффициент k всегда больше единицы.

В системах передачи и распределения энергии в ряде слу­чаев применяют трехобмоточные трансформаторы, а в устрой­ствах радиоэлектроники и автоматики — многообмоточные трансформаторы. В таких трансформаторах на магнитопроводе размещают три или большее число изолированных друг от друга обмоток, что дает возможность при питании одной из обмоток получать два или большее число различных напряжений (U₂, U₃, U₄ и т.д.) для электроснабжения двух или большего числа групп потребителей. В трехобмоточных силовых трансформаторах различают обмотки высшего, низшего и среднего (СН) напряжений.

В трансформаторе преобразуются только напряжения и токи. Мощность же остается приблизительно постоянной (она несколько уменьшается из-за внутренних потерь энергии в трансформаторе). Следовательно,

I1/I2≈ U2/U1≈ w2/w1.

(2.4)

При увеличении вторичного напряжения трансформатора в k раз по сравнению с первичным, ток i₂ во вторичной обмотке соответственно уменьшается в k раз.

Трансформатор может работать только в цепях переменного тока. Если первичную обмотку трансформатора под­ключить к источнику постоянного тока, то в его магнито-проводе образуется магнитный поток, постоянный во времени по величине и направлению. Поэтому в первичной и вторичной обмотках в установившемся режиме не индуцируются ЭДС, а следовательно, не передается электрическая энергия из первичной цепи во вторичную. Такой режим опасен для трансформатора, так как из-за отсутствия ЭДС E₁ первич­ной обмотке ток I₁ =U₁R₁ весьма большой.

Важным свойством трансформатора, используемым в устройствах автоматики и радиоэлектроники, является способность его преобразовывать нагрузочное сопротивление. Если к источнику переменного тока подключить сопротивление R через трансформатор с коэффициентом трансформации к, то для цепи источника

R’ = P1/I12≈ P2/I12≈ I22R/I12≈ k2R

(2.5)

где Р₁— мощность, потребляемая трансформатором от источ­ника переменного тока, Вт; Р₂ = I₂²R≈ P₁ — мощность, по­требляемая сопротивлением R от трансформатора.

Таким образом, трансформатор изменяет значение сопро­тивления R в k² раз. Это свойство широко используют при разработке различных электрических схем для согласования сопротивлений нагрузки с внутренним сопротивлением источ­ников электрической энергии.

42. Идеальный и реальный трансформаторы. Векторная диаграмма и схемы замещения.