Конструкция и принцип действия трехфазных трансформаторов

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.

Устройство электроприбора

Трансформация трехфазного тока не обязательно подразумевает использование одного трансформатора, имеющего общую магнитную цепь. Хотя подобные установки широко применяются в народном хозяйстве.

Существует возможность такой трансформации тремя отдельными однофазными трансформаторами, не связанными между собой магнитно, то есть для каждой отдельной фазы будет предназначаться своя отдельная магнитная цепь.

Трансформатор, изготовленный по данной схеме, носит название группового. Первичные и вторичные обмотки устройства сопрягаются между собой по одной из схем, принятых для трансформации трехфазного тока.

Конструктивно трехфазный трансформатор представляет собой трехстержневой магнитопровод с расположенными на каждом из стержней обмотками, выполненными таким же образом, как для однофазных устройств.

Интересный материал в тему: как устроен тороидальный трансформатор.

Представим себе три однофазных трансформатора, приставленных один к другому так, что три стержня их образуют один общий центральный стержень. На каждом из остальных трех стержней наложены первичные и вторичные обмотки.

Токи в катушках трансформатора создадут переменные во времени магнитные потоки, которые будут замыкаться каждый в своей магнитной цепи. В центральном составном стержне магнитные потоки сложатся и в сумме дадут ноль, ибо эти потоки создаются симметричными трехфазными токами, относительно которых мы знаем, что сумма мгновенных значений их равна нулю в любой момент времени.

Предположим, что первичные катушки всех стержней трансформатора совершенно одинаковы и намотаны в одном направлении. Соединим все верхние концы катушек в нейтраль О, а нижние концы катушек подведем к трем зажимам трехфазной сети. Стержни магнитопроводов набираются из листовой электротехнической стали. Для ослабления вихревых токов и уменьшения потерь на перемагничивание стальные листы перед сборкой изолируются лаком.

Подробное устройство трехфазного трансформатора.

Параллельное включение

Соединение вторичных обмоток
Параллельное включение одинаковых вторичных обмоток позволяет увеличить мощность (ток) на выходе устройства. Этим путем удается увеличить КПД и нагрузочную способность обслуживаемой линии.

При использовании данного подхода потребуется учесть одну важную деталь, связанную с порядком соединения вторичных обмоток. Для получения ожидаемых результатов обмотки должны включаться синфазно, что означает соединение однотипных концов всех трех катушек в одной точке. При нарушении этого правила напряжение на выходе двух соединенных не синфазно обмоток будет близко к нулю (действует принцип замещения). Когда эту ошибку допускают при включении трансформатора, его мощность и КПД существенно снижаются. Если при вторичной проверке обнаружится, что напряжение не изменилось по сравнению с одиночным включением, значит катушки включены синфазно.

Преобразовательное устройство, определяемое как трансформатор 220 на 380 Вольт 3 фазы, удается получить, если применить специальную схему с повышением выходного напряжения. Ее особенностью является наличие одной первичной и трех вторичных обмоток, включенных по схеме «звезда» или «треугольник».

Расположение магнитной цепи

Стержневые трехфазные трансформаторы подразделяются на трансформаторы с симметричной магнитной цепью и трансформаторы с несимметричной магнитной цепью. Расположение стержней в одной плоскости приводит к тому, что магнитное сопротивление для потока средней фазы меньше, нежели для потоков крайних фаз.

Действительно магнитные потоки крайних фаз проходят по несколько более длинным путям, чем поток средней фазы. Кроме того, поток крайних фаз, выйдя из своих стержней, проходит в одной половине ярма полностью, и только в другой половине (после ответвления в средний стержень) проходит его половина. Поток же средней фазы по выходе из вертикального стержня тотчас же разветвляется на две половины, и потому в обеих частях ярма проходит лишь половина потока средней фазы.

Таким образом потоки крайних фаз насыщают ярмо в большей степени, чем поток средней фазы, а потому магнитное сопротивление для потоков крайних фаз больше, чем для потока средней фазы.

Следствием неравенства магнитных сопротивлений для потоков разных фаз трехфазного трансформатора является неравенство токов холостой работы в отдельных фазах при одном и том же фазном напряжении. Однако при небольшой насыщенности железа ярма и хорошей сборке железа стержней это неравенство токов незначительно.

Так как конструкция трансформаторов с несимметричной магнитной цепью значительно проще, чем трансформатора с симметричной магнитной цепью, то первые трансформаторы и нашли себе преимущественное применение. Трансформаторы с симметричною магнитною цепью встречаются редко.

Будет интересно➡ Необходимые условия для выполнения параллельной работы трансформаторов

Основные виды устройства

Основную группу трехфазных трансформаторов составляют броневые трансформаторы. Броневой трехфазный трансформатор можно рассматривать как бы состоящим из трех однофазных броневых трансформаторов, приставленных один к другому своими ярмами. Он может быть разбит на три однофазных броневых трансформатора, магнитные потоки которых могут замыкаться каждый по своей магнитной цепи.

У стержневых трансформаторов обмотки почти целиком открыты и потому более доступны для осмотра и ремонта, а также и для охлаждающей среды. Есть ряд преимуществ и недостатков, по которым выбирают тип трансформатора.

Плюсы и минусы броневых трансформаторов перед стержневыми трансформаторами.

Устройства коммутируются по различным схемам соединения обмоток. Групповые трехфазные трансформаторы применяются при наличии очень больших мощностей, от 630кВА на каждую фазу.

Использование при таких условиях группового трансформатора целесообразно потому, что габариты и масса изделия существенно меньше аналогичного агрегата, работающего на общую мощность группы.

Тем более что при использовании одиночного трансформатора для обладания резервной мощностью приходится устанавливать еще один подобный прибор, а в групповом трансформаторе в качестве резервного можно задействовать один из трех однофазных.

Этим и обуславливается выбор групповых трансформаторов для озвученных целей, несмотря на то что они по сравнению с одиночными аналогами имеют меньший КПД, большие габариты и несколько дороже.

Более подробно об устройстве трансформаторов можно почитать в материале о трансформаторах тока.

Назначение и виды

Трехфазный трансформатор
Классический станционный трехфазный силовой трансформатор используется для преобразования высоковольтной энергии в удобную для потребителя форму. На его первичные обмотки подается высокое напряжение (6,3-10 киловольт), а на выходе получают более удобные для использования в быту 220 Вольт. Эта величина измеряется между фазами и нулевой жилой трансформатора, называемой нейтралью. Ее принято обозначать как фазное напряжение, в отличие от линейных 380 Вольт, отсчитываемых между каждой из фаз.

Трехфазные понижающие трансформаторы этого класса обеспечивают передачу тока от местной подстанции по подземному кабелю или линии электропередач непосредственно до конечного потребителя. Для этих целей используется специальный 4-хжильный кабель в бронированном сердечнике, либо воздушный провод марки СИП. По ним электрическая энергия доставляет прямо по назначению — на вводно-распределительные устройства обслуживаемых территорий и объектов.

По своему функциональному назначению 3 фазные трансформаторы подразделяются на следующие классы:

• линейные (станционные) устройства;
• специальные преобразовательные агрегаты.

Особо выделяются трехфазные разделительные трансформаторы, используемые для развязки электрических схем и силовых цепей.

Испытательный трансформатор
Специальные устройства делятся на следующие виды:

• Испытательные трансформаторы. К ним принято относить трехфазные автотрансформаторные системы.
• Устройства, используемые для питания специальной аппаратуры: сварочных агрегатов, в частности.
• Симметрирующие трансформаторные агрегаты.

Первые два типа применяются в исследовательских целях. Трансформаторы симметрирующие трехфазные используются для устранения перекоса фаз, возникающего в электрических сетях из-за неравномерности распределения нагрузок.

В электротехнике также встречаются варианты двухфазных трансформаторов, нередко применяемых в электронных схемах и устройствах автоматики. Они устроены так, что два выходных напряжения сдвинуты одно относительно другого на 90 электрических градусов. Чаще всего такие электротехнические решения используются в сварочном оборудовании.

Магнитопровод стержневого типа

Для питания радиоэлектронных устройств обычно применяются трехфазные трансформаторы с общей магнитной системой через ярмо Я для трех фаз с тремя стержнями С, или трехстержневые трансформаторы. Каждая из обмоток трансформатора, как первичная, так и вторичная, может быть соединена: а) звездой; б) треугольником.

При соединении звездой концы обмоток образуют общую точку 0. При соединении треугольником начало первой фазной обмотки соединяется с концом третьей, начало второй — с концом первой и начало третьей — с концом второй. В первом случае все начала, а во втором общие точки обмоток присоединяются к сети.

Следует отметить, что понятия начала и конца обмоток условны, однако они необходимы для правильного соединения фазных обмоток. В трехфазных трансформаторах положительному направлению тока от начала к концу обмотки должно соответствовать определенное направление магнитного потока в стержнях; в стержневых трансформаторах это направление должно быть одинаковым.

Соединение обмоток: а — звездой; б — треугольником.

Начала фазных обмоток высокого напряжения (ВН) принято обозначать прописными (большими) буквами А, В и С, а концы их — буквами X, У и Z, причем для обмоток фазы используются буквы АХ, ВУ и CZ. Начала и концы обмоток низкого напряжения (НН) обозначаются соответственно строчными (малыми) буквами — а, в, с и х, у, г.

Наибольшее распространение имеют соединения обмоток по схеме «звезда» (Y) и «треугольник» (D), причем первичные и вторичные обмотки могут иметь как одинаковые, так и различные схемы. Если при соединении обмоток «звездой» нулевая точка выводится, то такое соединение называют «звезда c нулем» (Yо).

Соединение обмоток «звездой»

Самым простым и дешевым из них является соединение обеих обмоток трансформатора звездой (Y/Y), при котором каждая из обмоток и ее изоляция (при глухом заземлении нейтральной точки) должны быть рассчитаны только на фазное напряжение и линейный ток.

Соединение обмоток трансформатора звездой.

Так как число витков обмотки трансформатора прямо пропорционально напряжению, то, следовательно, соединение обмоток звездой требует в каждой из обмоток меньшего количества витков, но большего сечения проводников с изоляцией, рассчитанной лишь на фазное напряжение.

У трехфазного трансформатора соединяют обмотки звездой (Y/Y). Такое соединение широко применяют для трансформаторов небольшой и средней мощности (примерно до 1800 кВ-А). Соединение звездой является наиболее желательным для высокого напряжения, так как при нем изоляция обмоток рассчитывается лишь на фазное напряжение. Чем выше напряжение и меньше ток, тем относительно дороже обходится соединение обмоток треугольником.

Где применяют обмотку треугольником

Соединение обмоток треугольником конструктивно удобнее при больших токах. По этой причине соединение Y/D широко применяется для трансформаторов большой мощности в тех случаях, когда на стороне низшего напряжения не требуется нейтрального провода.

При трехфазной трансформации только отношение фазных напряжений U1ф/U2ф всегда приближенно равно отношению чисел витков первичной и вторичной обмоток w1/w2; что же касается линейных напряжений, то их отношение зависит от способа соединения обмоток трансформатора.

Соединение обмоток трансформатора треугольником.

При одинаковом способе соединения (Y/Y или D/D) отношение линейных напряжений также равно коэффициенту трансформации. Однако при различном способе соединения (Y/D или D/Y) отношение линейных напряжений меньше или больше этого коэффициента в √3 раз. Это дает возможность регулировать вторичное линейное напряжение трансформатора соответствующим изменением способа соединения его обмоток.

На значения рабочих характеристик трансформаторов влияют потери энергии при нагреве обмоток в совокупности с другими внешними и внутренними факторами, значительно усложняющими связь формы вторичного напряжения от аналогичных параметров первичной цепи.

для “Трехфазный трансформатор”

1. Денис
   :

   в

   Имеется трансформатор напряжения трехфазный со схемой соединения звезда — звезда с нулем. Но во вторичной цепи используется схема с изолированной нейтралью. Можно ли использовать этот трансформатор, ничего не присоединяя к его нейтрали, т.е. оставить ее «висеть» в воздухе?

   Ответить

   Admin

   :

   в

   Если нагрузка снимаемая трансформатора симметричная то можно…

   Ответить