Схемы соединений обмоток треугольник и звезда для чайников.

Электрическая энергия в промышленных масштабах не может передаваться в виде однофазного переменного тока. С этой целью применяется трехфазный ток, а для его передачи используются трехфазные трансформаторы. Одним из способов трансформации трехфазного тока служит применение трех однофазных трансформаторов.

Соединение первичных и вторичных обмоток в этих устройствах осуществляется в одну из трехфазных систем – звезду или треугольник. Именно по этому принципу происходит работа мощных однофазных трансформаторов, которыми оборудуются крупные электростанции. Их первичные обмотки соединяются с соответствующими фазами генераторов, а вторичные обмотки, соединенные звездой, подключаются к соответствующим фазам линий электропередачи.

Принцип действия трехфазного трансформатора

Как видно из приведенной схемы, вместо трех однофазных устройств может быть использован один трехфазный трансформатор. В состав его магнитопровода входят три стержня, которые замыкаются ярмами сверху и снизу. На каждый стержень наматывается первичная и вторичная обмотка, соединяемые затем звездой или треугольником. Каждый стержень с обмотками по своей сути является однофазным трансформатором. Одновременно, он выполняет функцию отдельной фазы трехфазного трансформатора.

Под действием тока первичной обмотки во всех стержнях происходит появление магнитного потока. Следует учитывать принадлежность каждой такой обмотки к одной из фаз, входящих в трехфазную систему. Поэтому токи, протекающие по этим обмоткам, а также приложенные напряжения, относятся к трехфазным. Поэтому сформированные магнитные потоки тоже являются трехфазными.

Ранее считалось, что движение магнитного потока осуществляется по замкнутой траектории, то есть, проходя по стержню, он возвращается к его началу. В трехфазных трансформаторах такой обратный путь отсутствует, в нем просто нет необходимости, при условии одинаковой нагрузки фаз. Кроме того, отсутствует и необходимость нейтрального соединения в звезду.

Условия параллельной работы трансформаторов.

Большинство трансформаторов питает потребителей параллельными группами. Для включения на параллельную работу трансформаторы должны иметь: одинаковые коэффициенты трансформации. В противном случае между их вторичными обмотками будет циркулировать уравнительный ток, который даже при небольшой разнице в коэффициентах трансформации может привести к опасному перегреву; одинаковые напряжения короткого замыкания uк, %, иначе они не смогут делить нагрузку пропорционально своим мощностям 1. Иными словами, одни трансформаторы будут недогружены, другие – перегружены; одинаковые группы соединения. Если группы соединения различны, то между соответствующими векторами вторичных напряжений трансформаторов, включаемых параллельно, образуется сдвиг фаз. Он повлечет за собой разность напряжений. А так как в одной и той же точке одновременно не могут существовать разные напряжения, то для их выравнивания между трансформаторами возникнет уравнительный ток. Как объяснено ниже, при самом малом из возможных сдвигов (при разных группах соединения) – сдвиге в 30° – уравнительный ток примерно в 5 раз превышает номинальный ток трансформатора. При самом большом сдвиге – в 180° – в 20 раз.

Как передается трехфазный ток

Первичным источником питания в большинстве случаев является электрическая сеть. Ее напряжение представлено в виде синусоиды с частотой 50 Гц. Однако в тех случаях, когда линии электропередачи обладают большой протяженностью, происходит излучение передаваемой энергии в окружающее пространство, что приводит к дополнительным потерям. Поэтому в цепях электропитания высокой мощности применяется трехфазное напряжение.

Для того чтобы уменьшить излучение, сумма напряжений на всех трех фазах в любое время должна быть равна нулю. С этой целью производится сдвиг синусоидального напряжения по фазе в каждом проводе относительно друг друга на 120 градусов. В таком состоянии передача электроэнергии может осуществляться в двух вариантах: с помощью четырех или трех проводов линии передачи. Условные схемы каждого варианта отображены на рисунке.

Четырехпроводная линия позволяет выдавать потребителю два вида напряжения: фазное (220 В) и линейное (380 В). Трехпроводная схема позволяет выдавать лишь линейные напряжения. Формирование линейного напряжения описывается с помощью векторной диаграммы напряжений фаз. При положительном чередовании фаз, они условно увеличиваются по часовой стрелке. Для соединения обмоток трехфазных трансформаторов используются два основных способа – звезда и треугольник.

Обслуживание и ремонт

Работа аппаратов связана с высокими значениями мощностей

Поэтому их обслуживанию уделяется повышенное внимание. Ежедневно обслуживающий персонал совершает осмотры, контролирует показания измерительных приборов

В процессе техобслуживания оцениваются следующие показатели:

1. Степень истощения прибора, поглощающего влагу.
2. Количество масла.
3. Износ механизмов регенерации масла.
4. Наличие подтекания, механических повреждений трубопроводов радиаторов, корпуса.

Если на объекте не предусмотрено круглосуточное дежурство персонала, периодическая ревизия производится раз в месяц. На трансформаторных пунктах осмотр выполняют раз в 6 месяцев.

При необходимости меняют или доливают масло. Его цвет контролируется при визуальном осмотре. Если оно стало темным, его меняют. Раз в год и при проведении капитального ремонта выполняют лабораторное исследование состава масла.

Для разрушения пленки окислов на медных и латунных элементах раз в 6 месяцев отключают установку от питания. Переключатель переводят через все положения несколько раз. Такую процедуру проводят перед сезонными колебаниями нагрузки.

Силовая аппаратура является важным элементом сети энергоснабжения

Они функционируют круглосуточно, поэтому важно уделять внимание особенностям их выбора и обслуживанию. Это одно из сложнейших, но крайне важных устройств

Соединение звездой

Данный вид соединения рекомендуется рассматривать на примере схемы «звезда-звезда». В этом случае источник тока и нагрузка соединяются методом звезды.

На рисунке обозначение фазных напряжений, вырабатываемых вторичными обмотками трансформатора, выполнено символами UA, UB, и UC. От фазных обмоток до нагрузки идут проводники, выполняющие функцию линейных проводов. Следует учитывать наличие напряжения не только между нулевым и линейным проводами, но и между двумя линейными проводниками. Такое напряжение называется линейным и обозначается UAC или UCA.

Значение линейного напряжения всегда превышает фазное. Разница между ними составляет √3 раза, поскольку представляет собой векторную разность фазных напряжений. Таким образом, трехфазная линия электропередачи позволяет получить не только 380 В, но и 220 В, в зависимости от того по какой схеме включена нагрузка.

Классификации

Трансформаторы классифицируются по ряду параметров, таким как:

• Назначение. Применяются: для изменения напряжения, измерения тока, защиты электрических цепей, как лабораторные и промежуточные устройства.
• Способ установки. В зависимости от размещения и мобильности трансформатор может быть: стационарным, переносным, внутренним, внешним, опорным, шинным.
• Число ступеней. Устройства подразделяются на одноступенчатые и каскадные.
• Номинальное напряжение. Бывают низко- и высоковольтными.
• Изоляция обмоток. Наиболее часто используется бумажно-масляная, сухая, компаундная.

Помимо этого, преобразовательные устройства разнятся типами, каждому из которых присуща своя система классификации.

Силовой

Наибольшее распространение получил силовой трансформатор. Приборы с непосредственным преобразованием переменного напряжения, рассчитанные на большую мощность, востребованы различными областями электроэнергетики. Они применяются на линиях электропередач с напряжениями 35–1150 кВ, в городских электросетях, работающих с напряжением 6 и 10 кВ, в обеспечении конечных потребителей напряжением 220/380В. С помощью устройств осуществляется питание всевозможных электроустановок и приборов в диапазоне от долей до сотен тысяч вольт.

Силовой трансформатор

Измерительные

Трансформаторы тока (ТА) понижают ток до необходимых показателей. Схема их работы отличается последовательным включением первичной обмотки и нагрузки. В то же время вторичная обмотка, находящаяся в состоянии, близком к короткому замыканию, используется для подключения измерительных приборов, исполнительных и индикаторных устройств. С помощью ТА осуществляется гальваническая развязка, что позволяет при измерениях отказаться от шунтов.

Высоковольтный ТТ(слева) и низковольтный ТТ(справа)

С помощью трансформаторов напряжения (ТН), тоже самое что и ТА только по напряжению. Помимо преобразования входных параметров, электроаппаратура и её отдельные элементы получают защиту от высокого вольтажа.

Высоковольтный ТН(слева) и низковольтный ТН(справа)

Импульсный

При необходимости преобразования сигналов импульсного характера применяются импульсные трансформаторы (ИТ). Изменяя амплитуду и полярность импульсов, устройства сохраняют их длительность и практически не затрагивают форму.

Автотрансформатор

В автотрансформаторах обмотки составляют одну цепь и взаимодействуют посредством электромагнитной и электрической связи. В отличие от других типов преобразователей, устройства могут содержать всего 3 вывода, позволяющих оперировать с различными напряжениями. Приборы выделяются высоким коэффициентом полезного действия, что особо сказывается при незначительном перепаде входного и выходного напряжения.

Однофазный(слева) и трёхфазный(справа)

Не имея гальванической развязки, представители данного типа повышают риск высоковольтного удара по нагрузке. Обязательным условием работы устройств являются надёжное заземление и низкий коэффициент трансформации. Недостаток компенсируется меньшим расходом материалов при изготовлении, компактностью и весом, стоимостью.

Разделительный

Для разделительных трансформаторов взаимодействие между обмотками исключено. Устройства повышают безопасность электрооборудования при повреждённой изоляции.

Разделительный трансформатор

Согласующий

Согласующие трансформаторы применяются для выравнивания сопротивлений между каскадами схем электроники. Сохраняя форму сигнала, они играют роль гальванической развязки.

Пик-трансформатор

С помощью пик-трансформатора синусоидальное напряжение преобразуется в импульсное. При этом импульсы меняют полярность с каждым полупериодом.

Сдвоенный дроссель

Особенностью сдвоенного дросселя является идентичность обмоток. Взаимная индукция катушек делает его более эффективным, по отношению стандартным дросселям. Устройства используются как входные фильтры в блоках питания, в звуко- и цифровой технике.

Сдвоенный дроссель

Сварочный

Помимо вышеперечисленных, существует понятие сварочные трансформаторы. Специализированные приборы для сварочных работ понижают напряжение бытовой сети при одновременном повышении тока, измеряемого тысячами ампер. Регулировка последнего осуществляется разделением обмоток на сектора, что отражается на индуктивном сопротивлении.

Сварочный трансформатор

Общее устройство и принцип работы

Рассмотрим конструкцию простого трансформатора, с двумя катушками насаженных на замкнутый магнитопровод (см. Рис. 2). Катушку, на которую поступает ток, будем называть первичной, а выходную катушку – вторичной.

Рисунок 2. Устройство трансформатора

Фактически все типы трансформаторов используют электромагнитную индукцию для преобразования напряжения поступающего в цепь первичной обмотки. При этом выходное напряжение снимается из вторичных обмоток. Они различаются только по форме, материалам магнитопроводов и способам наматывания катушек.

Ферромагнитные сердечники применяются в низкочастотных моделях. Для таких сердечников используются материалы:

• сталь;
• пермаллой;
• феррит.

В некоторых высокочастотных моделях магнитопроводы могут отсутствовать, а в некоторых изделиях применяют материалы из высокочастотного феррита или альсифера.

В связи с тем, что для характеристик ферромагнетиков характерна нелинейность намагничивания, сердечники набирают из листовых материалов, на которые надевают обмотки. Нелинейная индуктивность приводит к гистерезису, для уменьшения которого применяют метод шихтования магнитопроводов.

Форма сердечника может быть Ш-образной или торроидальной.

Рисунок 3. Внешний вид трансформатора

Базовые принципы действия

Когда на выводы первичных обмоток поступает синусоидальный ток, то он во второй катушке создает переменное магнитное поле, пронизывающее магнитопровод. В свою очередь, изменение магнитного потока провоцирует наведение ЭДС в катушках. При этом величина напряжения ЭДС в обмотках находится в пропорциональной зависимости от количества витков и частоты тока. Отношение количества витков в цепи первичной обмотки к числу витков вторичной катушки называется коэффициентом трансформации: k = W1 / W2, где символами W1 и W2 обозначено количество витков в катушках.

Если k > 1, то трансформатор повышающий, а при 0 < k < 1 – понижающий. Например, когда число витков, из которых состоит первичная обмотка, в три раза меньше количества вторичных витков, то k = 1/3, тогда U2 = 1/3 U1.

Режимы работы

Силовой трансформатор может работать в трех режимах:

• в состоянии холостого хода;
• в режиме нагрузки;
• в короткозамкнутом режиме.

Поскольку в цепи разомкнутой вторичной обмотки отсутствует ток, то в таком состоянии по первичной обмотке циркулирует ток холостого хода. Параметры этого тока используют при расчетах КПД, определяют коэффициент трансформации, находят потери в сердечнике.

Основным рабочим режимом трансформатора является состояние, когда к его второй обмотке подключена номинальная нагрузка. Первичный ток можно выразить через результирующую тока холостого хода и расчетного тока сопротивления нагрузки.

В режиме короткого замыкания вторичной обмотки, вся мощность концентрируется в цепях обмоток. В таком состоянии можно определить потери, расходуемые на нагревание проводов в обмотках.

Немного из истории

Изобретение трансформаторов начиналось ещё в 1876 году великим русским учёным П.Н. Яблоковым. Его изделие не имело замкнутого сердечника, он появился позже – в 1884 году. И с появлением прибора учёные активно стали интересоваться переменным током.

Например, уже в 1889 году М.О. Доливо-Добровольским (русским электротехником) была предложена трёхфазная система переменного тока. Им был построен первый трёхфазный асинхронный двигатель и трансформатор. Через два года была представлена презентация трёхфазной высоковольтной линии протяженностью 175 км, где успешно повышалась и понижалась электроэнергия.

Чуть позже появились масляные агрегаты, так как масло не только оказалось хорошим изолятором, но и прекрасной охлаждающей средой.

Краткая сравнительная таблица

Оба варианта используют в сфере электрики. Это проверенные системы обмоток, позволяющие сохранить мощность, а также сократить износ.

Сравнивать схемы лучше, используя одни и те же свойства – становится понятнее, почему следует выбирать тот или иной вариант.

Карнаух Екатерина Владимировна

Закончила Национальный университет кораблестроения, специальность «Экономика предприятия»

Существует альтернативный вариант, когда схема сочетает оба типа обмотки. То есть происходит переключение со звезды на треугольник или наоборот. Этот прием подходит для фазных двигателей с пусковым ротором.

В чем различия

Главная разница между типами обмоток – это способ достижения и получения разных параметров электрического напряжения и тока внутри двигателя. Первый случай предполагает постепенное наращивание показателей, второй вариант обеспечивает мощную передачу тока.

Способы треугольник и звезда отличаются реализацией поставленной задачи. Часто электрики применяют сочетание схем. Это дает щадящий режим для провода или трансформатора, но одновременно с этим ток принимает меньшее значение.

Мнение эксперта

Карнаух Екатерина Владимировна

Закончила Национальный университет кораблестроения, специальность «Экономика предприятия»

Система треугольник, как правило, допустима при соединении мощных механизмов и наличии больших пусковых нагрузок. Если в этом случае использовать не треугольник, а звезду, то можно нанести урон двигателю. Этим типы обмоток и отличаются друг от друга.