Трансформатор напряжения. Основы и классификация.

Что такое трансформатор? Классификация и устройство.

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования  электрической энер­гии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию другого напряжения при неизменной частоте.

Во второй части статьи читайте про рабочие характеристики, потери и другую детальную информацию.

Трансформатор, как правило, состоит из стального замкнутого магнитопровода (сердечника) и двух или нескольких изолированных друг от друга обмоток, размещенных на сердечнике и электрически между собой не связанных (исключение составляют автотрансформа­торы), клеммного щитка  и корпуса (бака). Силовые трансформаторы мощностью свыше 20 кВ·А могут иметь масляное охлаждение, при котором сердечник с обмотками располагается в масляном баке.

Рис. 1 — Устройство трансформатора

По типу магнитопровода различают стержневые (рис. 1, а) и броневые (рис. 1, б) трансформаторы. Часть сердечника, которая соединяет между собой стержни и служит для замыкания магнитной цепи, называют ярмом. Пространство, ограниченное замкнутым сердечником и служащее для размещения обмотки, называют окном. Сердечник набирается (шихтуется) из изолированных листов специальной трансформаторной (электротехнической) стали толщиной 0,35 или 0,5 мм с малыми удельными потерями на гистерезис. Шихтовка сердечника позволяет в значительной степени уменьшить потери от вихревых токов.

По числу фаз трансформаторы делятся на однофазные, трехфазные и многофазные. В свою очередь однофазные трансформаторы могут быть двух- или многообмоточными.

Обмотки судового трансформатора изготовляются из медного провода круглого или прямоугольного поперечного сечения. По способу расположения на стержнях различают концентрические (рис. 1, а) и чередующиеся обмотки (рис. 1, б).

Обмотки, к которым энергия подводится от сети, называются первичными, другие, к которым подключаются потребители, называются вторичными. Аналогично все величины (число витков, напряжение, ток, мощность и др.), относящиеся к соответствующим обмоткам, называют первичными или вторичными и обозначают символами с цифрами (соответственно W₁, U₁,  I₁, P₁ или W₂, U₂,  I₂, P₂ и др.)

Если вторичное напряжение меньше первичного, то трансформатор называется понижающим, если больше — повышающим. При концентрической форме обмоток ближе к стержню располагают обмотки низкого напряжения (НН), затем — обмотки высокого напряжения (ВН) (рис. 1, а). По назначению трансформаторы разделяют на силовые и на специальные — сварочные, измерительные и т.п.

Все судовые трансформаторы имеют воздушное охлаждение и по исполнению делятся на водозащищенные (мощностью от 0,25 до 4,0 кВ·А при частоте 50 Гц и мощностью от 0,25 до 10 кВ·А при частоте 400 Гц), брызгозащищенные (от 6,3 до 100 кВ·А при 50 Гц и от 16 до 100 кВ·А при 400 Гц) и открытые (без защитного бака). К последним относятся однофазные трансформаторы мощностью 0,26, 0,63 и 1,0 кВ·А.

Защитный бак выполняют сварным из листовой стали. У трансформаторов водозащищенного исполнения он имеет цилиндрическую форму, у брызгозащищенного — прямоугольную. В баке предусмотрены сальники ввода кабелей и лапы для крепления трансформатора. На корпусе бака прикреплен заводской щиток, на котором приведены следующие данные:

— завод-изготовитель, год выпуска и заводской номер трансформатора;
— тип трансформатора;
— номинальная мощность, в киловольт-амперах, число фаз, номинальное напряжение обмоток при холостом ходе, частота тока;
— схема и группа соединения обмоток трансформатора, которые необходимы для правильного включения трансформаторов на параллельную работу;
— напряжение короткого замыкания U_к% (в процентах от номинального напряжения), КПД при номинальной нагрузке, полная масса, исполнение корпуса, номинальные токи обмоток;

— расположение контактных зажимов, их обозначение и прин­ципиальная схема соединения обмоток.

Про принцип действия генератора постоянного тока читайте в нашей статье.

Принцип действия трансформатора

В основу работы трансформатора положен принцип электромагнитного взаимодействия двух или, в общем случае, любого числа контуров (обмоток), неподвижных друг относительно друга. Количественно это взаимодействие определяется уравнением

где e — мгновенное значение индуктируемой в контуре ЭДС; ?- потокосцепление; w — число витков контура; ? — магнитный поток взаимной индукции.

 

Рис. 2 — Принципиальная схема простейшего трансформатора

Принципиальная схема простейшего однофазного двухобмоточного трансформатора приведена на рис.2. Работает он следующим образом. При подключении первичной обмотки с числом витков w₁ к сети переменного тока с синусоидальным напряжением u₁ в обмотке возникает ток i₀, называемый током холостого хода и создающий магнитодвижущую силу (МДС) F₀ = i₀w₁, под действием которой по сердечнику замыкается синусоидально изменяющийся во времени магнитный поток ?₀. Этот поток называют основным магнитным потоком, или магнитным потоком взаимоиндукции.

 

Поток ?₀

пронизывает обе обмотки и индуктирует в них ЭДC e₁₀ и e₂₀ соответственно. Этот процесс может быть представлен логической цепочкой взаимодействий. Применение сердечника из электротехнической стали умень­шает магнитное сопротивление R_? магнитному потоку ?₀ и служит для усиления электромагнитной связи между обмотками. В соответствии с законом Ома для магнитной цепи:

где ?₀ и ?_r — магнитная постоянная и относительная магнитная проницаемость стали; ? и s — длина и поперечное сечение магнитопровода.

Таким образом, для создания определенного магнитного потока ?₀  требуется тем меньшая МДС и тем меньший ток i

0, чем меньше сопротивление  R_?, т.е. чем больше магнитная проницаемость сердечника ?_r. Величина тока холостого хода в трансформаторе обычно составляет 3…5% от номинального тока нагрузки.

Понятие о трехфазных и специальных трансформаторах

Трехфазные трансформаторы

Для преобразования переменного тока в трехфазных цепях применяются трехфазные трансформаторы, имеющие, как правило, трехстержневой магнитопровод (рис. 3, б).

Рис. 3  — Групповой (а) и стержневой (б) трехфазные трансформаторы

Обмотки фаз трансформатора соединяются звездой (?) или треугольником (?). Первичные и вторичные обмотки каждой фазы размещаются на одном и том же сердечнике и сцеплены с одним магнитным потоком.

Присущая таким трансформаторам небольшая магнитная несимметрия из-за того, что фаза, расположенная на среднем стержне, находится в несколько иных условиях, чем фазы на крайних стержнях, при эксплуатации не имеет большого значения. Намагничивающие токи обмоток фаз, размещенных на крайних сердечниках, больше, чем в средней, на 10…15%.

Трехфазный трансформатор был получен путем объединения трех однофазных (рис. 3, а), поэтому рабочие процессы в нем протекают также, как в трех однофазных, и для каждой фазы трехфазного трансформатора справедливы уравнения электрического равновесия, векторная диаграмма и схема замещения однофазного трансформатора.

При использовании трансформаторов предельной мощности используется трехфазная группа однофазных трансформаторов (рис. 3 ,а), т.к. на большую мощность изготовление однофазных трансформаторов технологически проще, хотя при этом расход активных материалов (меди, стали) увеличивается.

 

 Автотрансформатор

У автотрансформатора (рис. 4) обмотка низкого напряжения является частью обмотки высокого напряжения, т.е. обмотки имеют не только магнитную, но и электрическую связь.

Рис. 4 — Схема понижающего автотрансформатора

Так же как и обычные трансформаторы, автотрансформаторы могут быть повышающие и понижающие, однофазные и трехфазные.

Применяются автотрансформаторы чаще всего при необходимости изменить напряжение в небольших пределах при коэффициенте трансформации К = 1,0…1,5 — при пуске синхронных и асинхронных двигателей, для регулирования напряжения нагревательных печей, в электротермии и в лабораторных установках. Мощные автотрансформаторы изготовляются для подстанций, связывающих электроэнергетические системы с различным номинальным напряжением. Практически везде, где необходимо преобразовывать близкие напряжения (110 и 220, 220 и 330, 330 и 500, 500 и 750 кВ) используются только автотрансформаторы. Их применение взамен обычных трансформаторов да ет выиг­рыш в КПД, массе и габаритах, снижении расхода активных материалов.

Автотрансформаторы применяются также в низковольтных сетях в качестве лабораторных регуляторов напряжения (ЛАТР). В таких автотрансформаторах регулирование напряжения осуществляется при перемещении скользящего контакта по виткам обмотки. При замыкании соседних витков в ЛАТР не происходит витковых замыканий, так как токи сети и нагрузки в совмещенной

обмотке автотрансформатора близки друг другу и направлены встречно.

В конструктивном отношении автотрансформаторы не отличаются от обычных трансформаторов. На стержнях магнитопровода располагаются две обмотки, а выводы берутся от двух обмоток и общей точки.

Различают проходную мощность автотрансформатора :

(мощность, которую он может передать) и расчетную мощность :

(передаваемую магнитным путем).

Расчетная мощность определяет габариты автотрансформатора и зависит от коэффициента трансформации:

где – k = w₁/w₂  отношение числа витков.

Из последней формулы следует, что автотрансформатор при небольших коэффициентах трансформации требует меньше активных материалов, поэтому имеет меньшую стоимость и несколько лучшие энергетические показатели.

Сварочные трансформаторы

Сварочные трансформаторы (рис. 5,а) предназначены для обеспечения сварочных работ. Поскольку сопротивление сварочной дуги весьма мало, то при работе трансформатор находится в режиме, близком к короткому замыканию и поэтому должен иметь мягкую внешнюю характеристику с ограниченным током короткого замыкания (рис. 5 ,б). Получение такой внешней характеристики достигается за счет больших индуктивных сопротивлений или в самом трансформаторе, или во внешних устройствах. Для этого последовательно со вторичной обмоткой включают дроссель с регулируемым воздушным зазором.

Рис.5 — Сварочный трансформатор (а) и его внешние характеристики (б)

Регулирование величины сварочного тока достигается изменением индуктивного сопротивления дросселя за счет изменения воздушного зазора. Чем меньше воздушный зазор ? (рис. 5 а и б) в сердечнике дросселя, тем больше его индуктивное сопротивление и тем меньше сварочный ток – ток нагрузки трансформатора.

Измерительные трансформаторы

Измерительные трансформаторы применяются для расширения пре­делов измерения токов и напряжений в схемах переменного тока. Кроме того, они позволяют изолировать измерительные приборы от сети, в которой производится измерение. Различают измерительные трансформаторы тока (ТТ) и напряжения (ТН).

Трансформатор тока понижает величину измеряемого тока. Его первичная обмотка состоит из одного или нескольких витков провода большого сечения и включается последовательно в цепь, ток который необходимо измерить. Вторичная обмотка наматывается из большого числа витков сравнительно малого сечения и замыкается на приборы с малым сопротивлением — амперметры, последовательные обмотки ваттметров, фазометров и т.п.

Таким образом, рабочий режим трансформатора тока – это режим короткого замыкания. При отключенном измерительном приборе трансформатор тока переходит в режим холостого хода и во вторичной обмотке возникают высокие напряжения, представляющие опасность и для самой обмотки и для обслуживающего персонала. Поэтому трансформатор тока запрещается включать в цепь при разомкнутой вторичной обмотке.

Трансформаторы напряжения используются для включения вольтметров, частотомеров и параллельных цепей ваттметров, счетчиков и других приборов, имеющих большое сопротивление. Рабочий режим трансформатора напряжения — режим холостого хода, поэтому его обмотки имеют значительно меньшее сечение по сравнению с силовыми трансформаторами и малую номинальную мощность.

Схемы включения в однофазную сеть переменного тока амперметра, ваттметра и вольтметра при помощи измерительных трансформаторов показаны на рис. 6.

Рис. 6 — Схема измерений с использованием измерительных трансформаторов

Показания обычных измерительных приборов, включенных в сеть через внешние измерительные трансформаторы тока и напряжения, следует определять с учетом коэффициентов трансформации. В некоторых случаях на шкале прибора указывается, что он должен включаться в цепь только при помощи трансформаторов тока или напряжения, имеющих определенный коэффициент трансформации.

Номинальное значение тока (или напряжения) первичной обмотки указывают на щитке трансформатора.

Обозначения выводов и группы соединения трансформаторов

Согласно ГОСТ 11677-85  начала обмоток двухобмоточного однофазного трансформатора обозначают буквами А и а, концы – Х и х. В трехфазных двухобмоточных трансформаторах начала и концы обмоток обозначают соответственно буквами А, В, С; а, в, с; X, Y, Z; x, y, z. Прописные буквы относятся к обмоткам высшего напряжения, а строчные – к обмоткам низшего напряжения. Понятия начала и конца обмоток условны. В трехфазных трансформаторах возможны следующие схемы соединений: Y/Y, ?/?, ?/Z, Y/?, ?/Y, Y/Z (Y-соединение звездой, ? – треугольник, Z – зигзаг, (в числителе указаны соединения обмотки высшего напряжения, в знаменателе – низшего). Эти схемы  образуют 12 различных групп соединений.

Говоря о работе трансформатора, следует иметь в виду возможность их параллельной работы. Поэтому одного указания на схему соединения трансформаторов недостаточно. Необходимо еще знать угол сдвига фаз между первичными и вторичными векторами линейных напряжений трансформаторов. Величина этого угла определяет группу соединения трансформатора и зависит от направления, в котором намотана обмотка, от способа соединения обмоток трехфазного трансформатора. Для наглядности и лучшего понимания принятого обозначения пользуются циферблатом часов. Вектор напряжения обмотки высшего напряжения совмещают с минутной стрелкой и всегда устанавливают на цифре 12.

Рис. 7 — Группы соединения трансформаторов

 

Информацию про режимы работы трансформаторов их рабочие рабочие характеристики, про приведенный трансформатор и параллельную работу читайте в статье

 

§ 1.8. Трансформирование трехфазного тока и схемы соединения обмоток трехфазных трансформаторов

Рис. 1.20. Трансформаторная группа (а) и трехфазный трансформатор (б)

Трансформирование трехфазной системы напряжений можно осуществить тремя однофазными трансформаторами, соединенными в трансформаторную группу (рис. 1.20, а). Однако относительная громоздкость, большой вес и повышенная стоимость — недостаток трансформаторной группы, поэтому она применяется только в установках большой мощности с целью уменьшения веса и габаритов единицы оборудования, что важно при монтаже и транспортировке трансформаторов.

Рис. 1.21. Трехстержневой магнитопровод и векторные диаграммы

В установках мощностью примерно до 60000 кВ-А обычно применяют трехфазные трансформаторы (рис. 1.20, б), у которых обмотки расположены на трех стержнях, объединенных в общий магнитопровод двумя ярмами (см. рис. 1.2). Но полученный таким образом магнитопровод является несимметричным: магнитное сопротивление потоку средней фазы Ф_В меньше магнитного сопротивления потокам крайних фаз Ф_А и Ф_с (рис. 1.21, а).

Так как к первичным обмоткам трехфазного трансформатора подводится симметричная система напряжений и то в магнитопроводе трансформатора возникают магнитные потоки и , образующие также симметричную систему (рис. 1.21, 6). Однако вследствие магнитной несимметрии магнитопровода намагничивающие токи отдельных фазовых обмоток не равны: намагничивающие токи обмоток крайних фаз ( и ) больше намагничивающего тока обмотки средней фазы . Кроме того, токи и оказываются сдвинутыми по фазе относительно соответствующих потоков и на угол α. Таким образом, при симметричной системе трехфазного напряжения, подведенного к трансформатору, токи х.х. образуют несимметричную систему (рис. 1.21, в).

Для уменьшения магнитной несимметрии трехстержневого магнитопровода, т.е. уменьшения магнитного сопротивления потокам крайних фаз, сечение ярм делают на 10—15% больше сечения стержней, что уменьшает их магнитное сопротивление. Несимметрия токов х.х. трехстержневого трансформатора практически не отражается на работе трансформатора, так как даже при небольшой нагрузке различие в значениях токов , и становится незаметным.

Таким образом, при симметричном питающем напряжении и равномерной трехфазной нагрузке все фазы трехфазного трансформатора, выполненного на трехстержневом магнитопроводе, практически находятся в одинаковых условиях. Поэтому рассмотренные выше уравнения напряжений, МДС и токов, а также схема замещения и векторные диаграммы могут быть использованы для исследования работы каждой фазы трехфазного трансформатора.

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, а в знаменателе — обмоток НН. Например, Y/A означает, что обмотки ВН соединены в звезду, а обмотки НН — в треугольник.

Рис. 1.22. Соединение обмоток в зигзаг

Соединение в зигзаг применяют только в трансформаторах специального назначения, например в трансформаторах для выпрямителей (см. § 5.2). Для выполнения соединения 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 (рис. 1.22, а). 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 (рис. 1.22, б).

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

При соединении обмоток звездой линейное напряжение больше фазного (), 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	∆/Y	∆/∆	Y/∆
Отношение линейных напряжений

Таким образом, отношение линейных напряжений в трехфазном трансформаторе определяется не только отношением чисел витков фазных обмоток, но и схемой их соединений.

Пример 1.3. Трехфазный трансформатор номинальной мощностью S_ном =100 кВ-А включен по схеме Y/∆. При этом номинальные линейные напряжения на входе и выходе трансформатора соответственно равны: U_1ном = 3,0 кВ, U_2ном = 0,4 кВ. Определить соотношение витков w_llw₂ и номинальные значения фазных токов в первичной I_1ф и вторичной I_2ф обмотках.

Решение. Фазные напряжения первичных и вторичных обмоток

Требуемое соотношение витков в трансформаторе w₁/w₂ = U_1ф/U_2ф= 1,73/0,4 = 4,32.

Номинальный фазный ток в первичной обмотке (соединенной в звезду)

I_1Ф = I_1ном=S_HOM/(√3U_1ном) = 100/(√3·3,0) = 19,3 А.

Номинальный фазный ток во вторичной обмотке (соединенной в треугольник)

I_2Ф = I_2ном /√З = S_HOM /(3 U_2ном) = 100/(З • 0,4) = 8,33 А.

Таким образом, соотношение фазных токов I_2Ф/ I_1Ф =83,3/19,3 = 4,32 равно соотношению витков в обмотках трансформатора.

трехфазный трансформатор — это… Что такое трехфазный трансформатор?



трехфазный трансформатор

three-phase transformer

Англо-русский словарь технических терминов. 2005.

• трехфазный ток
• трехфазный шунтирующий реактор

Смотреть что такое «трехфазный трансформатор» в других словарях:

• трехфазный трансформатор — Трансформатор, в магнитной системе которого создается трехфазное магнитное поле [ГОСТ 16110 82] Тематики трансформатор Классификация >>> EN three phase transformer DE Dreiphasentransformator FR transformateur triphasé …   Справочник технического переводчика

• Трехфазный трансформатор — 2.6. Трехфазный трансформатор Трансформатор, в магнитной системе которого создается трехфазное магнитное поле Источник: ГОСТ 16110 82: Трансформаторы силовые. Термины и определения оригинал документа …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• Трансформатор трехфазный — – трансформатор, в магнитной системе которого создается трехфазное магнитное поле. [ГОСТ 16110 82] Рубрика термина: Энергетическое оборудование Рубрики энциклопедии: Абразивное оборудование, Абразивы, Автодороги …   Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

• ТРАНСФОРМАТОР — (от латинского transformo преобразую) электрический, устройство для преобразования переменного напряжения по величине. Состоит из одной первичной обмотки и одной или нескольких вторичных и ферромагнитного сердечника (магнитопровода). Основные… …   Современная энциклопедия

• трансформатор средней мощности — Трехфазный трансформатор номинальной мощностью не более 100 МВ•А или однофазный номинальной мощностью не более 33,3 МВ•А с раздельными обмотками, в котором сопротивление короткого замыкания (в процентах) вследствие ограничений плотности …   Справочник технического переводчика

• Трансформатор — (от латинского transformo преобразую) электрический, устройство для преобразования переменного напряжения по величине. Состоит из одной первичной обмотки и одной или нескольких вторичных и ферромагнитного сердечника (магнитопровода). Основные… …   Иллюстрированный энциклопедический словарь

• Трансформатор напряжения нулевой последовательности — English: Residual voltage transformer Трехфазный трансформатор напряжения или группа из трех однофазных трансформаторов напряжения со вторичными обмотками, соединенными в разомкнутый треугольник так, чтобы между соответствующими выводами получить …   Строительный словарь

• трехфазный источник бесперебойного питания (ИБП) — трехфазный ИБП [Интент] Глава 7. Трехфазные ИБП … ИБП большой мощности (начиная примерно с 10 кВА) как правило предназначены для подключения к трехфазной электрической сети. Диапазон мощностей 8 25 кВА – переходный. Для такой мощности… …   Справочник технического переводчика

• трансформатор большой мощности — Трансформатор мощностью более 100 МВА (трехфазный) или с предельным сопротивлением короткого замыкания, превышающим приведенное выше значение. [ГОСТ 14209 97 (МЭК 354 91)] Тематики трансформатор …   Справочник технического переводчика

• Трансформатор — У этого термина существуют и другие значения, см. Трансформатор (значения). Трансформатор силовой ОСМ 0,16 Однофазный сухой многоцелевого назначения мощностью 0.16 кВт …   Википедия

• трехфазный — ТРЁХФАЗНЫЙ ая, ое. 1. Филос. Состоящий из трёх фаз, этапов. Т ое развёртывание понятий. 2. Спец. Система трёх однофазных переменных токов одинаковой частоты и амплитуды, но отличающихся по фазе на 1/3 периода. Т. ток. 3. Электр. Связанный с… …   Энциклопедический словарь

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 Ф₃ .

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 Ф₃ 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.

Лекция 16 Трехфазные трансформаторы

План лекции

16.1. Устройство трехфазных трансформаторов.

16.2. Группы соединения обмоток.

16.3. Параллельная работа трансформаторов.

16.4. Регулирование напряжения трансформаторов.

16.1. Устройство трехфазных трансформаторов

Преобразование (трансформирование) трехфазного напряжения можно осуществить:

– тремя однофазными трансформаторами, соединенными в одну трансформаторную группу (рис. 16.1), но она имеет недостатки: большую массу, высокую стоимость, но при больших мощностях S>60000 кВА идут на использование группы, так как облегчается транспортировка по частям;

– трехфазными трансформаторами – обмотки на трех стержнях, их объединяют два ярма (рис. 16.2).

Рис. 16.1. Трехфазная трансформаторная группа

Рис. 16.2. Трехфазный трансформатор: 1 – стержень; 2 – ярмо; – средние длины участков

Магнитное сопротивление у трехфазного трансформатора:

при ,.

Такой магнитопровод является несимметричным.

При симметричной схеме трехфазного напряжения, подведенного к трансформатору, токи холостого хода образуют несимметричную систему.

Сечение ярма делают на 1015 % больше чем сечение стержня, что уменьшает его магнитное сопротивление.

Уравнения эдс и мдс, диаграммы, схемы замещения однофазных трансформаторов могут быть использованы для исследования работы каждой фазы трехфазного трансформатора.

16.2. Группы соединения обмоток

Ранее принималось, что исовпадают по фазе (в схемах замещения, на векторных диаграммах). Но это не всегда выполняется, так как на угол сдвига влияют:

– направление намотки катушек;

– маркировка выводов.

Пример.

В однофазном трансформаторе угол сдвига между первичной и вторичнойэдс может принимать всего 2 значения:= 0,= 180.

В трехфазном трансформаторе угол сдвига между эдс или напряжениями высокой и низкой сторонами может принимать значения от 0до 360через 30. Поэтому сдвиг фаз между одноименными линейными эдс принято выражать группой соединений, для чего принимается ряд чисел от 0 до 11 (рис. 16.3).

Рис. 16.3. К понятию о группах трансформаторов

Из 12 групп соединений обмоток трехфазных трансформаторов в России стандартизированы только две:

– группа 11 со сдвигом фаз 330Y/– 11,Y₀/– 11;Y₀/Z– 11;

– группа 0 со сдвигом фаз 0(360)Y/Y₀– 0.

В качестве примера определения группы соединения на рис. 16.4 приведено соединение “звезда – звезда”, а на рис. 16.5 соединение “звезда – треугольник”.

Рис. 16.4. Группа соединения обмоток – 0

Рис. 16.5. Группа соединения обмоток – 11

16.3. Параллельная работа трансформаторов

Параллельная работа трансформаторов осуществляется при включении первичных обмоток на общую первичную сеть, а вторичных – на общую вторичную сеть.

Параллельная работа трансформаторов необходима для того, чтобы при увеличении нагрузки включать добавочные трансформаторы, при снижении нагрузки – выключать, менять при ремонте и т.д.

Трансформаторы могут быть включены на параллельную работу только при соблюдении следующих условий.

1. Трансформаторы должны иметь одинаковые коэффициенты трансформации , что дает одинаковые вторичные напряжения.

Если не выполнять это условие, то даже в режиме холостого хода потечет уравнительный ток

, (16.1)

где и– внутренние сопротивления трансформаторов.

Под нагрузкой, если иравны, то трансформатор с меньшим коэффициентом трансформацииоказывается перегруженным, а другой – недогруженным.

Так как перегрузка трансформаторов недопустима, то придется снижать общую нагрузку.

Государственные стандарты допускают разницу коэффициентов трансформации, не превышающую 0,5%, т.е.

, (16.2)

где – среднее геометрическое значение коэффициента трансформации.

2. Трансформаторы должны принадлежать к одной группе соединений.

Несоблюдение этого условия ведет к тому, что вторичные эдс окажутся сдвинутыми по фазе, появится разностная эдс и также потечет уравнительный ток.

3. Трансформаторы должны иметь одинаковые напряжения короткого замыкания .

Если при выполнении прочих условий два (или более) транс­фор­ма­тора с разными включены на параллельную работу, то нагрузкиираспределятся между ними обратно пропорционально

, (16.3)

где и– мощности, на которые рассчитаны трансформаторы.

Трансформатор с меньшим перегружается, значит надо снижать общую нагрузку, следовательно, один трансформатор также будет недогружен.

Государственные стандарты допускают разницу на10 % от их среднеарифметического значения.

4. Перед подключением необходимо проверить чередование фаз.